液晶高分子材料的现状及研究进展

液晶高分子材料研究进展肖桂真，纺织学院，1030011063摘要：高分子液晶是近年来迅速兴起的一类新型高分子材料，它具有高强度、高模量、耐高温、低膨胀率、低收缩率、耐化学腐蚀的特点。本文综述了液晶高分子材料的发展历史，结构及性能，详细介绍了液晶高分子材料的种类以及在各个领域的应用，和液晶高分子材料的潜在发展前景。关键词：功能高分子材料；液晶高分子材料；研究；应用0前言功能高分子材料是高分子学科中的一个重要分支，它是研究各种功能性高分子材料的分子设计和合成、结构和性能关系以及作为新材料的应用技术，它的重要性在于所包含的每一类高分子都具有特殊的功能。功能高分子材料之所以具有特定的功能，在合成或天然高分子原有力学性能的基础上，再赋予传统使用性能以外的各种特定功能（如化学活性、光敏性、导电性、催化活性、生物相容性、药理性能、选择分类性能等）而制得的一类高分子。一般在功能高分子的主链或侧链上具有显示某种功能的基团，其功能性的显示往往十分复杂，不仅决定于高分子链的化学结构、结构单元的序列分布、分子量及其分布、支化、立体结构等一级结构，还决定于高分子链的构象、高分子链在聚集时的高级结构等，后者对生物活性功能的显示更为重要。高分子液晶材料是近年来研究较多的一种功能高分子材料，它是介于液体和晶体之间的一种中介态，具有独特的结构与性能。1高分子液晶的发展1.1液晶的发现液晶是介于液体和晶体之间的一种特殊的热力学稳定相态，它既具有晶体的各相异性，又有液态的流动性，液晶高分子就是具有液晶性的高分子，大多数由小分子量基元键合而成，它是一种结晶态，既具有液体的流动性又具有晶体的各向异性特征。液晶的发现可以追溯到1888年，奥地利植物学家F.Reinitzer发现，把胆甾醇苯酸脂(Ch01．esterylBenzoate，C6H5C02C27H45．简称CB)晶体加热到145．5℃会熔融成为混浊的液体，145．5℃就是该物质的熔点，继续加热到178．5℃1.2液晶高分子的发展1937年Bawden和Pirie在研究烟草花叶病病毒时，发现其悬浮液具有液晶的特性，这是人们第一次发现生物高分子的液晶特性。其后1950年，Elliott与Ambrose第一次合成了高分子液晶，溶致型液晶的研究工作至此展开。50年代到70年代，美国Duponnt公司投入大量人力才力进行高分子液晶发面的研究，取得了极大成就：1959年推出芳香酰胺液晶，但分子量较低；1963年，用低温溶液缩聚法合成全芳香聚酰胺，并制成阻燃纤维Nomex；1972年研制出强度优于玻璃纤维的超高强、高模量的Kevlar纤维，并付注实用；此后，高分子液晶的研究则从溶致型转向为热致型，在这一方面Jackson等作出了较大贡献，他们合成了对苯二甲酸已二醇酯与对羟基苯甲酸的共聚物，可注塑成型，这是一种模量极高的自增强液晶材料。从应用领域分析，液晶高分子材料在电子电气行业中需求量最大且发展迅速，1998年可达3600吨，平均年增长23.1%；其次是通讯业，需求量约1540吨，增长21.1%；工业界及运输业总需求量不到1700吨，平均年增长率约为I1%，主要用于接插件、开关、继电器、模塑印刷电路板、光缆结构件、复合材料、机械手、泵/阀门组件、功能件等，极大地推动了液晶高分子技术及其它高新技术的发展。2液晶高分子结构分类和特性2.1液晶高分子分类液晶高分子分类方法有三种。从液晶基元在分子中所处的位置可分为主链型和侧链型两类。从应用的角度可分为热致型和溶致型两类，这两种分类方法是相互交叉的，即主链型液晶高分子同样具有热致型和溶致型，而热致型液晶高分子又同样存在主链型和侧链型。从液晶高分子在空间排列的有序性不同，液晶高分又有近晶型、向列型、胆甾型三种不同的结构类型。2.1.1近晶型结构近晶型结构是所有液晶中具有最接近结晶结构的一类。这类液晶中，棒状分子依靠所含官能团提供的垂直于分子的长轴方向的强有力的相互作用，互相平行排列成层状结构，分子的长轴垂直于层片平面。在层内，分子排列保持着大量二维固体有序性，但是这些层片又不是严格刚性的，分子可以在本层内活动，但不能来往于各层之间，结果这类柔性的二维分子薄片之间可以相互滑动，而垂直于层片方向的流动则要困难。因此，近晶型液晶一般在各个方向都是非常粘滞的。2.1.2向列型结构此类液晶有相当大的流动性。因为这类液晶，棒状分子之间只是互相平行排列。但是他们的重心排列则是无序的，在外力作用下发生流动，很容易沿流动发祥取向，并且互相穿越。向列型液晶的棒状分子也仍然保持着与分子轴方向平行的排列状态，但没有近晶型液晶中那种层状结构。此种液晶仍然显示正的双折射性。此外与近晶型液晶相比，向列型液晶的粘度小，富于流动性。产生这种流动性的原因主要是由于向列型液晶各个分子容易顺着长轴方向自由移动。2.1.胆甾型液晶和近晶型液晶一样具有层状结构但层内的分子排列却与向列型液晶类似，分子长轴在层内是相互平行的。这类液晶比较突出的特点是各层的分子轴方向与邻接层的分子轴方向都略有偏移，液晶整体形成螺旋结构，螺距的长度与可见光波长数量级相同。胆甾型液晶的旋光性、选择性光散射和圆偏振光二色性等光学性质，就是由这种特殊的螺旋结构引起的。胆甾型液晶的光学性质与近晶型和向列型液晶有所不同，具有负的双折射性质。2.2液晶高分子的特性2.2.1取向方向的高拉伸强度和高模量绝大多数商业化液晶高分子产品都具有这一特性。与柔性链高分子比较，分子主链或侧链带有介晶基元的液晶高分子，最突出的特点是在外力场中容易发生分子链取向。实验研究表明，液晶高分子处于液晶态时，无论是熔体还是溶液，都具有一定的取向度。液晶高分子液体流经喷丝孔、模口、流道的时候，即使在很低剪切速率下获得的取向，在大多数情况下，不再进行后拉伸，就能达到一般柔性链高分子经过后拉伸的分子取向度。因而即使不添加增强材料也能达到甚至超过普通工程材料用百分之十几玻纤增强后的机械强度，表现出高强度高模量的特性。如Kevlar的比强度和比模量均达到钢的10倍。2.2.2耐热性突出由于液晶高分子的介晶基元大多由芳环构成，其耐热性相对比较突出。如Xydar的熔点为421℃，空气中的分解温度达到560℃，其热变形温度也可达350℃，明显高于绝大多数塑料。此外液晶高分子还有很高的锡焊耐热性。2000，33(2):288秦益民.液晶高分子和聚丙烯的共混纤维1纤维结构的形成.纺织学报，2001，37(3):129秦益民.液晶高分子和聚丙烯的共混纤维3纤维的物理机械性能.纺织学报，2001，37(5):1610吕程，牟其伍.含环氧键的液晶高分子改性环氧树脂的研究.塑料工业，2008，6:1211宗立明，范奎城，刘德山.PET与液晶高分子注射模型复位材料的研究.高分子材料科学与工程，1998，14:312马会茹，段华军，唐红.液晶高分子分子复合材料的新进展.复合材料，2008，10:1813黄发荣，李世藉.高分子非线性光学材料研究进展.化学世界，2007，482:2414庞月红，丁洪流，赵婷等.新型液晶高分子膜的制备及其电光性能.中国科学杂志，2007，37(4):4715王斌，马样梅.铁电性液晶高分子及其在液晶显示中的应用.渭南师范学院学报，2003，5(3):1916李岳株.高分子液晶材料及应用.科技论坛，2004，5:1517韩式方.超级工程塑料——新型高性能液晶高分子材料.化工设备设计，199