液晶材料的合成及其应用

1 前言

1.1 实验目的

①了解液晶材料的结构特点、制备方法与应用

②掌握DCC法合成胆固醇丙酸（苯甲酸）酯液晶材料的操作技术

1.2 液晶概述

1.21 液晶的发现

液晶的发现可以追溯到1888年。据资料记载，液晶是在1888 年由奥地利的植物学家莱尼茨尔（F.Reinitzer）发现的。他注意到，把胆甾醇苯甲酸酯晶体加热到145.5℃，晶体会熔化成为混浊粘稠的液体，145.5℃就是它的熔点。继续加热，当温度上升至178.5℃时，这混浊的液体会突然变成清亮的液体。开始他以为这是由于所用晶体中含有杂志引起的现象。但是，经过多次的提纯工作，这种现象仍然不变；而且这种过程是可逆的。第二年，德国物理学家莱曼（O·Lehmann）发现，许多有机物都可以出现这种情况。在这种状态下，这些物质的机械性能与各向同性液体相似，但它们的光学特性却与晶体相似，是各向异性的。这就是说，这时的物质具有强烈的各向异性物理特征，同时又像普通流体那样具有流动性。莱曼称之为液晶（Liquid crystal)。

1.22 什么是液晶

在不同的温度和压强下物体可以处于气相、液相和固相三种不同的状态。其中液体具有流动性。它的物理性质是各向同性的，没有方向上的差别。固体（晶体）则不然，它具有固定的形状。构成固体的分子或原子在固体中具有规则排列的特征，形成所谓晶体点阵。晶体最显著的一个特点就是各向异性。由于晶体点阵的结构在不同的方向并不相同，因此晶体内不同方向上的物理性质也就不同。

而液晶，因为它具有强烈的各向异性物理特征，同时又像普通流体那样具有流动性，处于固相和液相之间，所以它是物体的一种不同于以上三种物相的特殊状态。由于液晶相处于固相和液相之间，因此液晶相(mesophase)又称为中介相（介晶相），而液晶也称为中介物(mesogen)。

1.23 液晶的分类

众所周知，物质一般有气态、液态和固态三种聚集状态。其实，还有等离子态、无定形固态、超导态、中子态、液晶态等其他聚集态结构形式。如果一个物质已部分或全部地丧失了其结构上的平移有序性，而还保留取向有序性，它即处于液晶态。

根据液晶分子在空间排列的有序性不同，液晶相可分为向列型、近晶型、胆甾型和蝶型液晶态四类。根据液晶相形成的条件不同，可分为热致液晶、溶致液晶和场致液晶。此外，还可根据液晶分子的大小来分，分为小分子液晶和高分子液晶。

1.24 液晶的性质

①电光效应

动态散射：把某种向列型液晶放在两个特定的电极之间（电极间距离约为10微米），逐渐增加静电压。电压不是很大时（1V 左右），液晶对光仅仅进行镜面反射。当电压增大到某一阀值时（5V 左右），液晶在光的照射下会出现明暗相间的条纹。电压继续增大，到达另一阀值时，液晶会对光进行漫反射。

光轴的转动：分子轴按一定方向取向的向列型液晶和近晶型液晶都具有光学单轴性。在一般情况下光轴与分子轴方向一致。对这种液晶施加电场时，由于介电常

数的各向异性，分子轴在最初状态一致会朝向另一方向。

②热效应

向列型液晶的折射率的各向异性随温度升高而降低。

温度的改变能使近晶型液晶的光轴方向发生变化。

③其它性质

液晶的其它性质还有压电效应、光化学效应、光生伏特效应等等。

1.25 液晶高聚物的应用

①显示和记录材料

液晶高分子作为显示和记录材料往往与其分子结构和状态变化联系在一起，如玻璃化转变、分子互变异构、顺反异构、开环闭环反应、二聚或氧化还原反应。利用液晶的相态变化的显示和记录方式称为热感式纪录;利用光化学反应原理实现显示和记录方式称为光感式纪录。液晶高聚物具有较高的玻璃化温度,可使之在室温下保存一定工作条件下纪录的信息,用作高分子液晶显示材料。

罗朝晖等合成出一种含胆甾侧基的环状聚硅氧烷高聚物液晶,并用该液晶作为可擦存储器的记录材料,在记录和删除时无需外加电场,只需要一个简单的加热—冷却循环即可实现,记录的信息在玻璃态下可保存6个月不衰退。

Ikeda合成出了一种侧链仅含有偶氮液晶基元的均聚物,利用偶氮双键异构引起的相转变实现了光纪录。该聚合物信息储存的光记录方法是通过其液晶态向列相在强偏振激光的照射下,受照射的局部区域吸热升温至液晶相转变温度。同时偶氮基团发生顺反异构化由棒状的反式结构转变为弯曲的顺式结构,从而对周围的液晶相产生扰动,使其由各向异性转变为各向同性。光源移走后受照射区域冷至玻璃化温度以下,所记录的信息就被冻结起来。由于偶氮苯基团具有很好的抗疲劳性,因此可以实现信息的反复重复擦写。

②电流变流体

电流变流体( Electrorheological fluid 简称ER流体) 通常是由具有较高介电常数的分散颗粒分散于具有较低介电常数的绝缘液体中形成的一类悬浮液。主要特征在于其表观粘度和屈服应力等流变学性质能随外加电场的强度的变化发生快速、可逆的变化。即无外加电场时可以像水那样流动,施加电场后,表观粘度显著增大,甚至变成固体状物质。更为突出的是这种“液—固”行为仅在毫秒间实现,并且可逆。电流变流体的特性提供了一种新颖、高效的能量传递、运动控制的方法,是当前仿生智能材料的首选材料之一。在机械能传递和控制中具有广阔的前景。

刘红波等合成出一种聚硅氧烷侧链液晶高聚物,并将其作为分散相分散在硅油中。为了便于分散，加入四氢呋喃将其混合均匀后放入真空烘箱，将四氢呋喃挥发掉得到均相的高分子液晶电流变流体。对该变流体研究发现,在剪切速率为300s-1时,电场强度(E)从0升到2 kV/ mm ,流体的剪切应力从2 kPa. s迅速增加到

10 kPa. s。该电流变流体不仅有较宽的使用温度,且体系不存在储存沉降等问题。

③导电液晶高分子

具有与π电子结构相关联的线性聚烯烃和芳杂环等的共轭聚合物具有较好的导电、非线性光学等性质。这些“离域电子聚合物”有可能成为可充电电池、电子显示器和探测器等器件的新型材料。在这些电子器件中,这些材料常需要被制作成不同厚度的膜,因此要求这些材料具有可溶性和可加工性。但刚性的π共轭电子结构使这些聚合物丧失了这些性质。

Uoda等研究发现，在聚对苯(PPP)聚合物分子链上引入对称的侧基烷氧基得