液晶态和高分子液晶
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功能高分子材料课件 第五章液晶
46
第五章 高分子液晶材料
2.2 影响高分子液晶形态和性能的因素
影响高分子液晶形态与性能的因素包括外 在因素和内则主要包括环境温度、溶剂等。
47
第五章 高分子液晶材料
2.2.1 内部因素对高分子液晶形态与性能的影响
刚性部分
高分子液晶分子中必须含有具有刚性的 致晶单元。刚性结构不仅有利于在固相中形 成结晶，而且在转变成液相时也有利于保持 晶体的有序度。 规整性越好，越容易使其排列整齐，使 得分子间力增大，也更容易生成稳定的液晶 相。
向列型
19
第五章 高分子液晶材料
（3）胆甾型液晶(Cholesteric liquid crystals，Ch)
胆甾型：分子是长而扁平的。它们依靠 端基的作用，平行排列成层状结构，长 轴与层片平面平行。 层内分子排列与向列型类似，棒状 分子分层平行排列，在每个单层内分子 排列与向列型相似，相邻两层中分子长 轴依次有规则地扭转一定角度，分子长 轴在旋转3600后复原。
38
式中R、R′为烷基、烷氧基、酰氧基、氰基等，A为中央基团
39
40
第五章 高分子液晶材料
分子结构
研究表明，能够形成液晶的物质通常在分子结 构中具有刚性部分，称为致晶单元。从外形上看， 致晶单元通常呈现近似棒状或片状的形态，这样有 利于分子的有序堆砌。这是液晶分子在液态下维持 某种有序排列所必须的结构因素。在高分子液晶中 这些致晶单元被柔性链以各种方式连接在一起。
44
化学稳定性和热稳定性较差
易于提纯
45
第五章 高分子液晶材料
主链型高分子液晶
致晶单元处在高分子主链上； 侧链型高分子液晶 致晶单元是通过一段柔性链作为侧基与高分子 主链相连，形成梳状结构。 主链型高分子液晶和侧链型高分子液晶在液晶 形态上和物理化学性质有大差别：主链型高分子液 晶为高强度、高模量的结构材料，而侧链型高分子 液晶为具有特殊性能的功能高分子材料。
第五章 高分子液晶材料
2.2 影响高分子液晶形态和性能的因素
影响高分子液晶形态与性能的因素包括外 在因素和内则主要包括环境温度、溶剂等。
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第五章 高分子液晶材料
2.2.1 内部因素对高分子液晶形态与性能的影响
刚性部分
高分子液晶分子中必须含有具有刚性的 致晶单元。刚性结构不仅有利于在固相中形 成结晶，而且在转变成液相时也有利于保持 晶体的有序度。 规整性越好，越容易使其排列整齐，使 得分子间力增大，也更容易生成稳定的液晶 相。
向列型
19
第五章 高分子液晶材料
（3）胆甾型液晶(Cholesteric liquid crystals，Ch)
胆甾型：分子是长而扁平的。它们依靠 端基的作用，平行排列成层状结构，长 轴与层片平面平行。 层内分子排列与向列型类似，棒状 分子分层平行排列，在每个单层内分子 排列与向列型相似，相邻两层中分子长 轴依次有规则地扭转一定角度，分子长 轴在旋转3600后复原。
38
式中R、R′为烷基、烷氧基、酰氧基、氰基等，A为中央基团
39
40
第五章 高分子液晶材料
分子结构
研究表明，能够形成液晶的物质通常在分子结 构中具有刚性部分，称为致晶单元。从外形上看， 致晶单元通常呈现近似棒状或片状的形态，这样有 利于分子的有序堆砌。这是液晶分子在液态下维持 某种有序排列所必须的结构因素。在高分子液晶中 这些致晶单元被柔性链以各种方式连接在一起。
44
化学稳定性和热稳定性较差
易于提纯
45
第五章 高分子液晶材料
主链型高分子液晶
致晶单元处在高分子主链上； 侧链型高分子液晶 致晶单元是通过一段柔性链作为侧基与高分子 主链相连，形成梳状结构。 主链型高分子液晶和侧链型高分子液晶在液晶 形态上和物理化学性质有大差别：主链型高分子液 晶为高强度、高模量的结构材料，而侧链型高分子 液晶为具有特殊性能的功能高分子材料。
高分子液晶
晶概述 • 高分子液晶结构与性质 • 高分子液晶合成与制备方法 • 高分子液晶在显示技术领域应用 • 高分子液晶在其他领域拓展应用 • 高分子液晶未来发展趋势与挑战
01
液晶概述
液晶定义与特性
定义 光学性质 电学性质 流动性
液晶（Liquid Crystal）是一种介于液态和晶态之间的物质状态， 具有液体的流动性和晶体的光学各向异性。
典型案例分析
01
02
03
04
05
基板制备
薄膜晶体管（TFT） 液晶层制备 制备
偏振片与背光模组 驱动电路与控制系
组装
统设计
选用透明导电材料如ITO （氧化铟锡）作为基板，并 进行清洗、烘干等预处理。
在基板上制备薄膜晶体管， 用于控制每个像素点的开关 状态。
将高分子液晶材料涂覆在两 块基板之间，形成液晶层。 通过控制液晶层的厚度和液 晶分子的排列，实现光的调 制和图像显示。
行业挑战应对
面对激烈的市场竞争和不断变化的市场需求，高分 子液晶材料行业需要不断创新，加强产学研合作， 提高自主创新能力，同时关注政策法规的变化，及 时调整发展策略。
THANK YOU
传感器件领域：温度、压力等传感器设计
温度传感器
高分子液晶的相变温度对温度敏感，可用于设计温度传感器，具有响应快、精度高、稳 定性好等优点。
压力传感器
高分子液晶在压力作用下可发生形变，进而改变其光学性质，可用于设计压力传感器， 具有灵敏度高、结构简单等特点。
06
高分子液晶未来发展趋势与挑 战
新型高分子液晶材料设计思路探讨
原位聚合法
在液晶材料存在下，通过高分子单体的原位聚合得到高分子液晶。优点是液晶材料能够均匀分散在高分 子基体中，且无需使用大量有机溶剂；缺点是聚合反应条件较为苛刻，难以控制。
01
液晶概述
液晶定义与特性
定义 光学性质 电学性质 流动性
液晶（Liquid Crystal）是一种介于液态和晶态之间的物质状态， 具有液体的流动性和晶体的光学各向异性。
典型案例分析
01
02
03
04
05
基板制备
薄膜晶体管（TFT） 液晶层制备 制备
偏振片与背光模组 驱动电路与控制系
组装
统设计
选用透明导电材料如ITO （氧化铟锡）作为基板，并 进行清洗、烘干等预处理。
在基板上制备薄膜晶体管， 用于控制每个像素点的开关 状态。
将高分子液晶材料涂覆在两 块基板之间，形成液晶层。 通过控制液晶层的厚度和液 晶分子的排列，实现光的调 制和图像显示。
行业挑战应对
面对激烈的市场竞争和不断变化的市场需求，高分 子液晶材料行业需要不断创新，加强产学研合作， 提高自主创新能力，同时关注政策法规的变化，及 时调整发展策略。
THANK YOU
传感器件领域：温度、压力等传感器设计
温度传感器
高分子液晶的相变温度对温度敏感，可用于设计温度传感器，具有响应快、精度高、稳 定性好等优点。
压力传感器
高分子液晶在压力作用下可发生形变，进而改变其光学性质，可用于设计压力传感器， 具有灵敏度高、结构简单等特点。
06
高分子液晶未来发展趋势与挑 战
新型高分子液晶材料设计思路探讨
原位聚合法
在液晶材料存在下，通过高分子单体的原位聚合得到高分子液晶。优点是液晶材料能够均匀分散在高分 子基体中，且无需使用大量有机溶剂；缺点是聚合反应条件较为苛刻，难以控制。
液晶高分子
通用高分子的液晶化改性
对通用高分子进行液晶化改性，既可以提高通用高分
子材料的使用性质，也有利于降低成本。热致性液晶
高分子的最早发现．就是利用线形刚性结构对羟基苯
甲酸(HBA)对通用高分子PET改性的结果。因此，通 用高分子的液晶化改性很早就受到了重视，所涉及的 通用高分子品种也从PET发展到聚酰胺和聚碳酸酯等 其他品种。
高分子液晶
物质的液晶态
物质的存在形式除人们熟悉的液态、晶 态和气态以外，还有等离子态、无定形固态、 起导态、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仍保留取向有序性， 它即处于液晶态。液晶态与晶态的区别在于 它部分缺乏或完全没有平移有序性，而与液 态的区别则在于它仍存在一定的取向有序性。
其他电光功能性液晶高分子
液晶高分子作为电光功能性材料用途很广， 而具有电光功能性质的液晶高分子的种类也 很多。我国对这类材料自1988年起即开始了 手性液晶高分子的研究，发现含液晶基元和 非液晶基元的侧链型手性液晶高分子的液晶 相黏度和对外加电场的响应可通过共聚组分 比调节；通过外电场下预取向单体的光聚合 反应，可直接获得高度取向的液晶聚合物膜； 研究所得的一些玻璃/液晶纳米复合材料在电 场下的响应速度已达百毫秒量级。
(c)
(d)
返回
液晶高分子复合材料
已知利用直径为数微米或更粗的玻璃纤维、碳 纤维等宏观纤维为增强剂，以热塑性聚合物为 基体树脂，可以制成具有很高强度和模量的复 合材料；且纤维的直径越小、长径比越高，增 强效果越显著。液晶高分子纤维(如芳纶)有很 高的强度和模量，同样可以用作高性能复合材 料增强剂。此外，利用热致性液晶高分子 (TLCP)熔体在加工过程中能够生成亚微米级 微纤的性质，可以将它与热塑性树脂共混，所 得共混物经熔融挤塑或注塑等过程加工而成的 材料即含有TLCP增强微纤。
液晶高分子研究
高分子量和液晶相序的有机结合使液晶高 分子具有一些优异特征：它可以有很高的强度 和模量，或很小的热涨系数，或优秀的电光性 质等。
研究和开发液晶高分子，不仅可提供新的 高性能材料并导致技术进步和新技术的发生， 而且可以促进分子工程学、合成化学、高分子 物理学、高分子加工以及高分子应用技术的发 展。此外，由于许多生命现象与物质的液晶态 相关，对高分子液晶态的研究也有助于对生命 现象的理解并可能导致有重要意义的新医药材 料和医疗技术的发现。
如果一个物质已部分或全部的丧失了其结 构上的平移有序性而仍保留取向有序性，它即 处于液晶态。
液晶态与晶态的区别在于它部分缺乏或完 全没有平移序，而与液态的区别在于它仍然存 在一定的取向有序性。
根据结构有序性的类型与程度，液晶 有：向列型晶相液晶、近晶型晶相液晶、 胆甾醇型液晶等。
液晶相依其生成条件，可分为：热致 液晶相、溶致液晶相以及因其他外场（压 力、电场、磁场、光照等）作用而诱发产 生的场致液晶相等。
液晶溶液。
Maier-Saupe理论:
以范德华力为出发点的用于说明棒状小分子液晶相。
Wang-warner理论:
基于Maier-Saupe平均场方法和高分子自由连接链模
型或弹性连接链模型的种种理论，以及给予平均场方法、
可用于说明侧链型液晶高分子 。
在上面各种理论结果中，Flory的刚 棒分子理论在高分子学界影响最大。但是， 由 于 Maier-Saupe 理 论 并 不 要 求 分 子 一 定 具有刚棒的形状而只要求范氏相互作用与 取向相关，因而可以同时用于含有刚棒和 不含刚棒的体系。
H2N
O OH
SOCl2 O
S
N
O HCl
高分子的液晶态结构.pptx
第12页/共52页
2. 液晶的发展简史
美国物理学家L. Onsager和化学家P. J. Flory分别于 1949年和1956年对刚性棒状液晶高分子作出理论解释。但 直到20世纪60年代中期，美国Du Pont公司发现聚对苯二 甲酰对苯二胺的液晶溶液可纺出高强度高模量的纤维，液 晶高分子才引起人们的广泛关注 。
此外，美国的W.H.公司发表了液晶在平面电视、彩 色电视等方面有应用前景的报道。从此，液晶逐渐走出 化学家和物理学家的实验室，成为一类重要的工业材料。
第11页/共52页
2. 液晶的发展简史 2.3 液晶高分子的发展
1923年，德国化学家D. Vorlander提出了液晶高分 子的科学设想，但事实上人们对高分子液晶态的认识是 从1937年Bawden等在烟草花叶病毒的悬浮液中观察到 液晶态开始的。
第25页/共52页
5. 液晶的分类
图1.4 胆甾相液晶
第26页/共52页
6. 液晶性能的表征
高分子液晶态
差示扫描量热仪 (DSC)
偏光显微镜 (POM)
X-射线衍射 (XRD)
第27页/共52页
6. 液晶性能的表征 6.1 热性能分析
（1）DSC 液晶的相行为研究主要采用DSC。DSC在高分子研究 方面的应用特别广泛，如研究聚合物的相转变、熔点、玻 璃化温度，以及研究聚合、交联、氧化、分解等反应，并 测定反应温度、反应热、反应动力学参数等。
第13页/共52页
2. 液晶的发展简史
20世纪70年代，Kevlar纤维的商品化开创了液晶高 分子研究的新纪元，以后又有自增强塑料Xydar（美国 Dartco公司，1984），Vectra（美国Eastman公司，1985） 和Ekonol（日本住友，1986）等聚酯类液晶高分子的工 业化生产，从此，液晶高分子走上一条迅速发展的道路。
2. 液晶的发展简史
美国物理学家L. Onsager和化学家P. J. Flory分别于 1949年和1956年对刚性棒状液晶高分子作出理论解释。但 直到20世纪60年代中期，美国Du Pont公司发现聚对苯二 甲酰对苯二胺的液晶溶液可纺出高强度高模量的纤维，液 晶高分子才引起人们的广泛关注 。
此外，美国的W.H.公司发表了液晶在平面电视、彩 色电视等方面有应用前景的报道。从此，液晶逐渐走出 化学家和物理学家的实验室，成为一类重要的工业材料。
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2. 液晶的发展简史 2.3 液晶高分子的发展
1923年，德国化学家D. Vorlander提出了液晶高分 子的科学设想，但事实上人们对高分子液晶态的认识是 从1937年Bawden等在烟草花叶病毒的悬浮液中观察到 液晶态开始的。
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5. 液晶的分类
图1.4 胆甾相液晶
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6. 液晶性能的表征
高分子液晶态
差示扫描量热仪 (DSC)
偏光显微镜 (POM)
X-射线衍射 (XRD)
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6. 液晶性能的表征 6.1 热性能分析
（1）DSC 液晶的相行为研究主要采用DSC。DSC在高分子研究 方面的应用特别广泛，如研究聚合物的相转变、熔点、玻 璃化温度，以及研究聚合、交联、氧化、分解等反应，并 测定反应温度、反应热、反应动力学参数等。
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2. 液晶的发展简史
20世纪70年代，Kevlar纤维的商品化开创了液晶高 分子研究的新纪元，以后又有自增强塑料Xydar（美国 Dartco公司，1984），Vectra（美国Eastman公司，1985） 和Ekonol（日本住友，1986）等聚酯类液晶高分子的工 业化生产，从此，液晶高分子走上一条迅速发展的道路。
高分子液晶
高分子液晶高分子液晶是一种新型高分子材料,具有强度高、模量大的特点。
液晶是某些小分子有机化合物或某些高分子在熔融态或在液体状态下,形成的有序流体,既具有晶体的各向异性,又具有液体的流动性,是一种过渡状态,这种中间态称为液晶态，处于这种状态下的物质称为液晶，高分子液晶材料即为一类新型的特种高分子材料,已经以纤维、复合材料和注模制件等应用于航空、航海和汽车工业等部门。
液晶就是液态和晶态之间的一种中间态,它既有液体的易流动特性,又具有晶体的某些特征。
各向同性的液体是透明的,而液晶却往往是浑浊的,这也是液晶区别于各向同性的液体的一个主要特征。
液晶之所以混浊是因为液晶分子取向的涨落而引起的光散射所致,液晶的光散射比各向同性液体要强达100万倍[3]。
总之,液晶科学获得了许多重要的发展,研究领域遍及物理、化学、电子学、生物学各个学科,发展成了液晶化学、分子物理学、生物液晶及液晶分子光谱等重要学科[5]。
高分子液晶具有独特的性能:(1)在电场和磁场中,高分子液晶排列取向所需的电场强度或磁场强度要比低分子液却大的多,热致性液品的热转变温度高,而粘度大。
(2)奇偶性,所胃奇偶性是指在介晶态的TM,TN,△S,△H随柔性间隔的不同存在着奇低偶高的现象。
不仅主链上有奇偶性效应,而侧链也有奇偶性效应。
(3)高分子液晶的流变行为高分子液晶的流变行为对聚合物材料的应用影响很大。
如粘度是温度的函数,而且在某一温度下,粘度变小。
粘度对剪层影响较大在低剪切速度下,偏离牛顿流体液品的有序性降低一粘度随分子准的增加,粘度下降。
(4)液品相的转变:在一定浓度,液晶转变温度随聚合度的增长而升高。
在各向同性挤剂中,聚合物浓度下降,则相转变温度也下降。
在一定温度下,聚合度越大,则介晶相出现的临界浓度越低。
(5)液品的电光效应.所谓电光效应是指液晶在电场的作用下产生光学的变化,具体如下:相畴的形成,电场可引起向列相,液晶产生威廉姆士相畴;动态散射,液晶中的离子,交变电场作用下对液晶分子施以作用下,随电压增大而增大,当超过弹性界限时就产生湍流;宾一主相互作用液晶中存在其它各向异性分子时施加电场,两者进行相互影响的运动排列[6]。
高分子液晶材料
的最近层间距离称为胆甾醇型液晶的螺距。
这类液晶具有彩虹般的颜色和很高的旋光本领等独特的光学
性质。
3、根据高分子液晶的形成过程分类 根据形成液晶的条件（熔融和溶解），还可以将液晶分成溶 液型液晶（液晶分子在溶解过程中，在溶液中达到一定浓度时形 成有序排列，产生各向异性特征构成液晶）和热熔型液晶（三维 各向异性的晶体，在加热熔融过程中，不完全失去晶体特征，保 持一定有序性构成的液晶）。
123
1234
2、按液晶的形态分类 液晶的相态结构（晶相），是指液晶分子在形成液晶相时的 空间取向和晶体结构。液晶的晶相主要有以下三类：(图5-1所示)
①、向列型晶相液晶
用符号N来表示。
在向列型液晶中，液晶分子刚性部分之间相互平行排列，但 是其重心排列无序，只保持着一维有序性。 液晶分子在沿其长轴方向可以相对运动，而不影响晶相结 构。因此在外力作用下可以非常容易流动，是在三种晶相中流动 性最好的液晶。 ②、近晶型晶相液晶 通常用符号 S 来表示，在所有液晶中最接近固体结晶结构。 在这类液晶中分子刚性部分互相平行排列，并构成垂直于分 子长轴方向的层状结构。 在层内分子可以沿着层面相对运动，保持其流动性；这类液
在表5-3中给出了部分常见高分子液晶的分子结构和相应的参
考文献。
（下接续表）
1233455
第二节 高分子液晶的性能分析与合成方法
一、溶液型侧链高分子液晶
溶液型液晶分子（小分子液晶）的结构 根据定义，溶液型液晶是，液晶分子在另外一种分子体系中 进行的有序排列。为了有利于液晶相在溶液中形成，在溶液型液 晶分子中一般都含有双亲活性结构，即结构的一端呈现亲水性， 另—端呈现亲油性。 溶液型液晶（小分子液晶）的形成过程 在溶液中，当液晶分子浓度达到一定浓度时，两亲性液晶分 子可以在溶液中聚集成胶囊，构成油包水或水包油结构；
高分子的取向结构和液晶结构(2021年整理)
高分子的取向结构和液晶结构(word版可编辑修改)编辑整理：尊敬的读者朋友们：这里是精品文档编辑中心，本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的，发布之前我们对文中内容进行仔细校对，但是难免会有疏漏的地方，但是任然希望（高分子的取向结构和液晶结构(word版可编辑修改)）的内容能够给您的工作和学习带来便利。
同时也真诚的希望收到您的建议和反馈，这将是我们进步的源泉，前进的动力。
本文可编辑可修改，如果觉得对您有帮助请收藏以便随时查阅，最后祝您生活愉快业绩进步，以下为高分子的取向结构和液晶结构(word版可编辑修改)的全部内容。
高分子的取向结构和液晶结构一、高分子的取向结构1、概念高分子的取向是指在外力（拉伸、牵引、挤出）作用下，其大分子链、链段或结晶高分子中的晶体结构沿外力作用方向排列的现象.高分子链在伸展状态下，其长度是宽度的几百、几千乃至几万倍，因此在结构上具有悬殊的不对称性.在诸如挤出、牵伸、压延、吹塑等在外力作用下均可发生分子链的取向现象。
取向态和结晶态尽管都与高分子的有序排列有关,但它们的有序程度不同。
取向态是一维或二维在一定程度上有序,而结晶态则是三维有序。
通常,对于未取向的高分子材料来说,链段的取向是随机的，这样的材料客观上是各相同性的，而取向的高分子材料，其链段在某些方向上择优取向,呈现各向异性。
2、取向高聚物的性能对于取向的高分子材料来说其力学性能、光学性质及热性能等方面发生了较大的变化。
比如在力学性能中，抗张强度和疲劳强度在取向方向上显著增加，而与取向方向相垂直的方向则下降。
因此，人们可以通过取向现象来改善产品的某些性能。
3、取向方式取向方式分为单轴取向和双轴取向。
单轴取向是指材料只沿一个方向拉伸,长度增加,厚度和宽度减少，大分子链或链段沿拉伸方向择优取向。
双轴取向是指材料沿两个垂直的方向拉伸，面积增加,厚度减少，大分子链或链段倾向于与拉伸平面平行排列。
单轴取向可通过单向拉伸等方法在材料的一维方向上施以应力来实现，如合成纤维中的牵伸是单轴取向.而双轴取向长常通过双向拉伸、吹塑等过程来实现,用于薄膜制品。
比较取向态、液晶态和结晶的异同
性应用于纤维的加工过程。 3、结晶的性质和应用：
由于结晶中分子链作规整密堆积，与非晶区相比，他能更好的阻挡 各种试剂的渗入。因此，高聚物结晶度的高低，将影响一系列与此相关 的性能，如耐溶剂型（溶解度），对气体、蒸汽或液体的渗透性，化学 反应活性等等。
三、相互联系
取向态和结晶 相同点：都与高分子有序性相关，都是熵值减小的过程。 不同点：（1）高分子链的有序程度不同。取向态是一维或二维有
Freidel把取向有序引入液晶领域，提出了一套液晶分类规则：向 列、近晶和胆甾相。
四、三者的相同点
取向态、液晶态、结晶态熔融时都有一定大小的熔限，且都是高分下不同条件来进行分类。
根据形成条件
液晶
根据分子排列方式 根据液晶原的位置 根据液晶晶原的刚性结构
热致型液晶 主链型 近晶型 侧链型 筷型 碟型 碗型 胆甾型 向列型 溶致型液晶
近晶型
向列型
胆甾型
结晶：热的饱和溶液冷却后，溶质以晶体的形式析出，这一过程叫 结晶。
二、性质和应用
1、取向的性质和应用： 合成纤维生产中广泛采用牵伸工艺，来大幅度的提高纤维的强度。
但同时，断裂伸长率却降低了很多。这是由于取向过度，分子排列过于 规整，分子间的相互作用力太大，纤维反而显得弹性太小，出现僵硬的 现象，这样的纤维将出现脆性。为了是纤维同时具有高强度和适当的弹 性，在加工成型时可以利用分子链取向和链段取向速度的不同，用慢的 取向过程使整个高分子链得到良好的取向，以达到高强度；而后再用快 的过程使链段解取向，使具有弹性。以黏胶丝为例，当黏胶丝自喷丝口 喷入酸性介质时，黏胶丝开始凝固，于凝固未完全的溶胀态和较高温度 下进行拉伸，此时高聚物仍有显著的流动性，可以获得整链的取向，然 后再很短的时间内用热空气和水蒸气很快的吹一下，使链段解取向，消 除内部应力。这样得到的粘胶纤维是比较理想的，其强度可与聚酰胺纤 维相比较。
由于结晶中分子链作规整密堆积，与非晶区相比，他能更好的阻挡 各种试剂的渗入。因此，高聚物结晶度的高低，将影响一系列与此相关 的性能，如耐溶剂型（溶解度），对气体、蒸汽或液体的渗透性，化学 反应活性等等。
三、相互联系
取向态和结晶 相同点：都与高分子有序性相关，都是熵值减小的过程。 不同点：（1）高分子链的有序程度不同。取向态是一维或二维有
Freidel把取向有序引入液晶领域，提出了一套液晶分类规则：向 列、近晶和胆甾相。
四、三者的相同点
取向态、液晶态、结晶态熔融时都有一定大小的熔限，且都是高分下不同条件来进行分类。
根据形成条件
液晶
根据分子排列方式 根据液晶原的位置 根据液晶晶原的刚性结构
热致型液晶 主链型 近晶型 侧链型 筷型 碟型 碗型 胆甾型 向列型 溶致型液晶
近晶型
向列型
胆甾型
结晶：热的饱和溶液冷却后，溶质以晶体的形式析出，这一过程叫 结晶。
二、性质和应用
1、取向的性质和应用： 合成纤维生产中广泛采用牵伸工艺，来大幅度的提高纤维的强度。
但同时，断裂伸长率却降低了很多。这是由于取向过度，分子排列过于 规整，分子间的相互作用力太大，纤维反而显得弹性太小，出现僵硬的 现象，这样的纤维将出现脆性。为了是纤维同时具有高强度和适当的弹 性，在加工成型时可以利用分子链取向和链段取向速度的不同，用慢的 取向过程使整个高分子链得到良好的取向，以达到高强度；而后再用快 的过程使链段解取向，使具有弹性。以黏胶丝为例，当黏胶丝自喷丝口 喷入酸性介质时，黏胶丝开始凝固，于凝固未完全的溶胀态和较高温度 下进行拉伸，此时高聚物仍有显著的流动性，可以获得整链的取向，然 后再很短的时间内用热空气和水蒸气很快的吹一下，使链段解取向，消 除内部应力。这样得到的粘胶纤维是比较理想的，其强度可与聚酰胺纤 维相比较。
高分子的液晶态结构课件
高分子材料在特定条件下 呈现的一种有序介态，兼 具液体的流动性和晶体的 部分有序性。
形成条件
需要达到一定的分子量和 溶剂条件，才能使高分子 材料形成液晶态。
分类
根据形成方式和结构特点 ，高分子液晶态可分为多 种类型，如近晶型、向列 型和胆甾型等。
高分子液晶态的分类
近晶型液晶
高分子链在晶格中以平面方式排 列，具有高度的有序性和稳定性
添加剂和填料
在高分子材料中添加特定的添加剂和填料可以促进或抑制液晶态的形成 。这些添加剂和填料可以改变高分子间的相互作用力和排列方式。
03
加工条件
高分子液晶态的形成还受到加工条件的影响。例如，温度、压力、剪切
速率等加工条件可以改变高分子材料的结晶度和液晶态结构。
高分子液晶态形成的研究进展
新材料设计
高分子液晶态的理论研究
总结词
通过理论计算和模拟，深入理解高分子液晶态的形成机制和 结构特性。
详细描述
理论研究者利用计算机模拟和数学模型，对高分子液晶态的 形成机制、相变行为和结构特性进行深入研究。这些理论研 究不仅有助于揭示高分子液晶态的本质，还能为实验研究和 应用提供理指导。
高分子液晶态的应用拓展
有助于推动相关领域的发展。
01
高分子液晶态的结 构
高分子液晶态的微观结构
分子排列
高分子液晶中的分子以一定的方式排列，形成有 序的结构。
分子取向
高分子液晶中的分子具有特定的取向，通常沿着 某个方向排列。
分子间相互作用
高分子液晶中的分子间存在相互作用，这些相互 作用对液晶态的结构和性质产生影响。
高分子液晶态的介晶结构
介晶单元
高分子液晶中的介晶单元是由多个分子组成的，这些分子以特定 的方式排列，形成有序的结构。
形成条件
需要达到一定的分子量和 溶剂条件，才能使高分子 材料形成液晶态。
分类
根据形成方式和结构特点 ，高分子液晶态可分为多 种类型，如近晶型、向列 型和胆甾型等。
高分子液晶态的分类
近晶型液晶
高分子链在晶格中以平面方式排 列，具有高度的有序性和稳定性
添加剂和填料
在高分子材料中添加特定的添加剂和填料可以促进或抑制液晶态的形成 。这些添加剂和填料可以改变高分子间的相互作用力和排列方式。
03
加工条件
高分子液晶态的形成还受到加工条件的影响。例如，温度、压力、剪切
速率等加工条件可以改变高分子材料的结晶度和液晶态结构。
高分子液晶态形成的研究进展
新材料设计
高分子液晶态的理论研究
总结词
通过理论计算和模拟，深入理解高分子液晶态的形成机制和 结构特性。
详细描述
理论研究者利用计算机模拟和数学模型，对高分子液晶态的 形成机制、相变行为和结构特性进行深入研究。这些理论研 究不仅有助于揭示高分子液晶态的本质，还能为实验研究和 应用提供理指导。
高分子液晶态的应用拓展
有助于推动相关领域的发展。
01
高分子液晶态的结 构
高分子液晶态的微观结构
分子排列
高分子液晶中的分子以一定的方式排列，形成有 序的结构。
分子取向
高分子液晶中的分子具有特定的取向，通常沿着 某个方向排列。
分子间相互作用
高分子液晶中的分子间存在相互作用，这些相互 作用对液晶态的结构和性质产生影响。
高分子液晶态的介晶结构
介晶单元
高分子液晶中的介晶单元是由多个分子组成的，这些分子以特定 的方式排列，形成有序的结构。
请比较高分子取向态、液晶态和结晶态在结构有序性方面的差异性
一、请比较取向态、液晶态和结晶态在结构有序性方面的差异性。
线型高分子充分伸展的时候，其长度为其宽度的几百、几千甚至几万倍，这种结构上悬殊的不对称性，使它们在某些情况下很容易沿某特定方向作占优势的平行排列，这就是取向；分子热运动产生的作用是无序性的，故除去外力后，分子热运动将使有序结构自发地变成无序化结构，这种过程叫做解取向。
高聚物的取向现象包括分子链、链段以及结晶高聚物的晶片、晶带沿特定方向的择优排列。
取向与结晶都与高分子的有序性相关，但它们仍有本质的区别。
通过结晶得到的有序排列在热力学上是稳定的，而通过外场作用“迫使”高分子链有序排列的取向在热力学上是不稳定的非平衡态，只是相对稳定，一旦除去外场，高分子链就会自发解取向。
此外，取向态是一维或二维，结晶态则是三维有序的。
对于未取向的高分子来说，其中链段是随机取向的，即朝每个方向的链段数同样多，因此未取向的高分子材料是各项同性的。
而取向的高分子材料中，链段在某些方向上是择优取向的，因此材料呈现各项异性。
经过取向的材料在力学性能、光学性能以及热性能方面上发生显著的变化。
抗张强度和挠曲疲劳强度在取向方向上明显增加，而与取向方向相垂直的方向上则降低，其它如冲击强度、断裂伸长率等也发生相应的变化。
取向高聚物会发生光的折射现象，即在平行于取向方向与垂直于取向方向上的折射率出现差值。
《高分子液晶》课件
3
形成条件
高分子长链的规整排列和有序堆砌。
高分子液晶的特性
流动性
液晶态的高分子材料具有流动性，可以流动和变形。
光学各向异性
高分子液晶具有光学各向异性，表现为双折射现象。
电学和磁学响应性
部分高分子液晶具有电学和磁学响应性，能够在外加 电场或磁场的作用下改变其性质。
高分子液晶的应用领域
显示技术
利用高分子液晶的电学响应性 和光学各向异性，用于制造平 板显示器、电子书等显示设备
柔性链状高分子液
晶
由柔性链状分子组成，具有较低 的粘度和弹性，主要应用于纤维 、塑料等领域。
侧链型高分子液晶
由侧链含有刚性基团的高分子组 成，具有较好的机械性能和热稳 定性，主要应用于工程材料等领 域。
高分子液晶的结构
层状结构
高分子液晶分子在平面内排列成层状结构，层内分 子相互平行且取向一致，层间分子取向不同。
。
生物医学
高分子液晶材料可应用于药物 载体、组织工程和生物医学成 像等领域。
传感器和驱动器
利用高分子液晶的电学和磁学 响应性，开发传感器和驱动器 等器件。
先进材料
高分子液晶作为新型功能材料 ，在能源、环保等领域具有广
泛的应用前景。
02 高分子液晶的分类与结构
高分子液晶的分类
刚性棒状高分子液
晶
由刚性棒状分子组成，具有较高 的热稳定性，主要应用于光电子 器件等领域。
等，发掘更多潜在应用价值。
电场取向效应
在外加电场的作用下，高分子液晶的 分子能够沿着电场方向取向排列，产 生明显的电场取向效应。
机械性能
韧性
高分子液晶具有较好的韧性，不易脆断。
硬度与耐磨性
液晶高分子
液晶的定义
物质的存在形式除人们熟悉的液态、晶态、和气态 以外，还有等离子态、无定形态、超导态、中子态、 液晶态等其他聚集态结构形式。
液晶态是物质的一种存在形态，它具有晶体的光 学各向异性性质，又具有液体的流动性质。它具有 晶体的光学各向异性性质，又具有液体的流动性质 。
如果一个物质已部分或全部的丧失了其结构上的 平移有序性而仍保留取向有序性，它即处于液晶态。 液晶态与晶态的区别在于它部分缺乏或完全没有平 移序，而与液态的区别在于它仍然存在一定的取向 有序性。
液晶高分子的分类
根据结构有序性的类型与程度，液晶有： 向列型晶相液晶、近晶型晶相液晶、胆甾醇 型液晶等。
液晶相依其生成条件，可分为：热致液晶 相、溶致液晶相以及因其他外场（压力、电 场、磁场、光照等）作用诱发产生的场致 液晶相等。
液晶高分子的应用
（一）高强度高模量材料 （二）在数字及图像显示方面的应用 （三）在信息储存方面的应用 （四）温度的显示 （五）气体的检测 （六）浅层肿瘤的诊断 （七）生物性液晶高分子
液晶高分子聚合物是80年代初期发 展起来的一种新型高性能工程塑 料，英文名为：Liquid Crystal Polyester 简称为LCP。聚合方法 以熔融缩聚为主，全芳香族LCP多 辅以固相缩聚以制得高分子量产 品。非全芳香族LCP常采用一步或 二步熔融聚合制取产品。近年连 续熔融制取高分子量LCP的技术得 到发展。
低温下它是晶体结构，高温时则变为液体，在中间 温度则以液晶形态存在。
热致
液晶高分子的发现
液晶现象是1888年奥地利植物学家莱尼茨尔（F. Reinitzer）在研究胆甾醇苯甲酯时首先观察到的现 象。他发现，当该化合物被加热时，在145℃和 179℃时有两个敏锐的“熔点”。在145℃时，晶体 转变为混浊的各向异性的液体，继续加热至179℃时， 体系又进一步转变为透明的各向同性的液体。
高分子的液晶态结构汇总.
液晶态结构
晶态、液态、气态
物 质 的 存 在 形 式
等离子态(plasmas) 非晶固态(amorphous solids)
超导态(superconductors)
中子态(neutron )
液晶态(liquid crystals)
液晶态被称为物质的第四态或中介态，它介于液态和晶态 之间，是自发有序但仍能流动的状态，又称为“有序流体”。
液晶的取向
晶态
液晶态
液态
晶态、液晶态与液态分子的排列示意图
液晶的起源
88年，奥地利植物学家 Reinitzer首先发现苯甲酸胆甾醇酯 于 146.6℃熔融后先成为乳白色液体，到 180.6℃才突然变清亮。 这种乳白色液体是因为液晶态存在光学各向异性引起的，是形 成液晶态的一个重要证据。最早发现的高分子液晶是合成多肽 聚 L-谷氨酸 -γ- 苄酯（简称PBLG ），它的氯仿溶液自发产生具 有双折射性质的液晶相。
液晶的应用
溶致性液晶聚芳酰胺是最早实现工业化生产的 液晶材料，它主要通过液晶纺丝制成纤维，与普通 合成纤维的纺丝相比，液晶纺丝具有以下特点：
① 液晶溶液在高浓度下仍有低粘度，从而可以在相 当高的浓度下纺丝，纺丝效率大为提高。 ② 纤维不必拉伸就具有高强度和高模量。由于在外 力作用下液晶分子在流动时可进行自发有序排列， 分子链间缠结少，纤维不必经牵伸就能高度取向， 从而减少了牵伸对纤维的损伤。液晶高分子在纤维 中几乎完全成为伸直链结构，使纤维具有高强度和 高模量。
液晶的应用
研 究 和 开 发 液 晶 高 分 子
1. 提供新的高性能材料 2.促进分子工程学、合成化 学、高分子物理学、高分 子加工学以及高分子应用 技术的发展 3.有助于对生命现象的理解 4.新医药材料和医疗技术的 发现
晶态、液态、气态
物 质 的 存 在 形 式
等离子态(plasmas) 非晶固态(amorphous solids)
超导态(superconductors)
中子态(neutron )
液晶态(liquid crystals)
液晶态被称为物质的第四态或中介态，它介于液态和晶态 之间，是自发有序但仍能流动的状态，又称为“有序流体”。
液晶的取向
晶态
液晶态
液态
晶态、液晶态与液态分子的排列示意图
液晶的起源
88年，奥地利植物学家 Reinitzer首先发现苯甲酸胆甾醇酯 于 146.6℃熔融后先成为乳白色液体，到 180.6℃才突然变清亮。 这种乳白色液体是因为液晶态存在光学各向异性引起的，是形 成液晶态的一个重要证据。最早发现的高分子液晶是合成多肽 聚 L-谷氨酸 -γ- 苄酯（简称PBLG ），它的氯仿溶液自发产生具 有双折射性质的液晶相。
液晶的应用
溶致性液晶聚芳酰胺是最早实现工业化生产的 液晶材料，它主要通过液晶纺丝制成纤维，与普通 合成纤维的纺丝相比，液晶纺丝具有以下特点：
① 液晶溶液在高浓度下仍有低粘度，从而可以在相 当高的浓度下纺丝，纺丝效率大为提高。 ② 纤维不必拉伸就具有高强度和高模量。由于在外 力作用下液晶分子在流动时可进行自发有序排列， 分子链间缠结少，纤维不必经牵伸就能高度取向， 从而减少了牵伸对纤维的损伤。液晶高分子在纤维 中几乎完全成为伸直链结构，使纤维具有高强度和 高模量。
液晶的应用
研 究 和 开 发 液 晶 高 分 子
1. 提供新的高性能材料 2.促进分子工程学、合成化 学、高分子物理学、高分 子加工学以及高分子应用 技术的发展 3.有助于对生命现象的理解 4.新医药材料和医疗技术的 发现
高分子液晶材料概念、表征方法与应用
另外，高分子链上或者致晶单元上带有不同结构和性质 的基团，都会对高分子液晶的偶极矩、电、光、磁等性质 产生影响。
23
高分子液晶材料概念、表征方法和应用
刚性连接单元
致晶单元中的刚性连接单元的结构和性质直接 影响液晶的稳定性。
3
高分子液晶材料概念、表征方法和应用
液晶的发现
4
高分子液晶材料概念、表征方法和应用
分类
按分子排列的形式和有序性的不同，液晶有三种结 构类型：近晶型、向列型和胆甾型。
近晶型
向列型
胆甾型
此外，液晶高分子中还有少数分子的形状呈盘状，
这些液晶相态归属于盘状液晶
5
高分子液晶材料概念、表征方法和应用
近晶型液晶
胆甾型
由于扭转分子层的作用，照射在其上的光将发生偏
振旋转，使得胆甾型高分液子液晶晶材通料概常念、具表征有方法彩和应虹用 般的漂亮颜色
8
9
高分子液晶材料概念、表征方法和应用
按形成条件分
热致性液晶
依靠温度的变化，在某一温度范围形成 的液晶态物质
溶致性液晶
依靠溶剂的溶解分散，在一定浓度范围 形成的液晶态物质
高分子液晶的分子结构特征
液晶是某些物质在从固态向液态转换时形成的 一种具有特殊性质的中间相态或过渡相态。显然过 渡态的形成与分子结构有着内在联系。分子结构在 液晶的形成过程中起着主要作用，决定着液晶的相 结构和物理化学性质。
12
高分子液晶材料概念、表征方法和应用
液晶的分子结构
研究表明，能够形成液晶的物质通常在分子结 构中具有刚性部分，称为致晶单元。从外形上看， 致晶单元通常呈现近似棒状或片状的形态，这样有 利于分子的有序堆砌。这是液晶分子在液态下维持 某种有序排列所必须的结构因素。在高分子液晶中 这些致晶单元被柔性链以各种方式连接在一起。
23
高分子液晶材料概念、表征方法和应用
刚性连接单元
致晶单元中的刚性连接单元的结构和性质直接 影响液晶的稳定性。
3
高分子液晶材料概念、表征方法和应用
液晶的发现
4
高分子液晶材料概念、表征方法和应用
分类
按分子排列的形式和有序性的不同，液晶有三种结 构类型：近晶型、向列型和胆甾型。
近晶型
向列型
胆甾型
此外，液晶高分子中还有少数分子的形状呈盘状，
这些液晶相态归属于盘状液晶
5
高分子液晶材料概念、表征方法和应用
近晶型液晶
胆甾型
由于扭转分子层的作用，照射在其上的光将发生偏
振旋转，使得胆甾型高分液子液晶晶材通料概常念、具表征有方法彩和应虹用 般的漂亮颜色
8
9
高分子液晶材料概念、表征方法和应用
按形成条件分
热致性液晶
依靠温度的变化，在某一温度范围形成 的液晶态物质
溶致性液晶
依靠溶剂的溶解分散，在一定浓度范围 形成的液晶态物质
高分子液晶的分子结构特征
液晶是某些物质在从固态向液态转换时形成的 一种具有特殊性质的中间相态或过渡相态。显然过 渡态的形成与分子结构有着内在联系。分子结构在 液晶的形成过程中起着主要作用，决定着液晶的相 结构和物理化学性质。
12
高分子液晶材料概念、表征方法和应用
液晶的分子结构
研究表明，能够形成液晶的物质通常在分子结 构中具有刚性部分，称为致晶单元。从外形上看， 致晶单元通常呈现近似棒状或片状的形态，这样有 利于分子的有序堆砌。这是液晶分子在液态下维持 某种有序排列所必须的结构因素。在高分子液晶中 这些致晶单元被柔性链以各种方式连接在一起。
考研高分子物理名词解释
考研⾼分⼦物理名词解释⾼分⼦物理总复习第⼀章⾼分⼦链的结构⼀、名词解释链结构：指单个分⼦的结构和形态。
近程结构：（⼀次结构）化学结构，包括⾼分⼦的组成和构型。
远程结构：（⼆次结构）⾼分⼦的⼤⼩及其在空间的形态，链的柔顺性及构象。
聚集态结构：（三次结构）通过范德华⼒和氢键形成具有⼀定规则排列的聚集态结构。
构型：是指分⼦中由化学键所固定的原⼦在空间的排列。
构造：是指链中原⼦的种类和排列，取代基和端基的种类单体单元的排列顺序，⽀链的类型和长度等。
⼏何异构（顺反异构）：由于主链双键的碳原⼦上的取代基不能绕双键旋转，当组成双键的两个碳原⼦同时被两个不同的原⼦或基团取代时，即可形成顺式、反式两种构型，它们称作⼏何异构。
键接异构（顺序异构）：是指结构单元在⾼分⼦链中的连接⽅式。
⼀般头-尾相连占主导优势，⽽头-头（或尾-尾）相连所占⽐例较低。
旋光异构：具有不对称C﹡原⼦的这种有机物，能构成互为镜象的两种异构体，表现出不同的旋光性，称为旋光异构体。
但是含不对称C﹡的⾼分⼦没有旋光性的，原因是多个不对称C﹡原⼦的内消旋或外消旋的作⽤。
有规⽴构：有两种旋光异构单元完全是全同⽴构或间同⽴构的⾼分⼦。
规整度：（等规度）是指聚合物种全同⽴构和间同⽴构的聚合物占所有聚合物分⼦总的百分⽐。
规整聚合物：全同⽴构和间同⽴构的⾼分⼦。
全同⽴构：⾼分⼦链全部由⼀种旋光异构单元键接⽽成。
间同⽴构：⾼分⼦链由两种旋光异构单元交替键接⽽成。
⽆规⽴构：⾼分⼦链由两种旋光异构单元⽆规键接⽽成。
线性：⾼分⼦链呈直线形交联：⾼分⼦链之间通过⽀链联结成⼀个三维空间⽹状⼤分⼦⽀化：在缩聚过程中有官能度＞=3的单体存在，或在加聚过程中，有⾃由基的链转移反应发⽣，或双烯类单体中第⼆双键的活化等⽣成⽀化的或交联的⾼分⼦。
⽀化度：以⽀化点密度或两相邻⽀化点之间的链的平均分⼦量来表⽰⽀化程度交联：缩聚反应中有三个或三个以上官能度的单体存在时，⾼分⼦链之间通过⽀链联结成⼀个三维空间⽹形⼤分⼦时即成交联结构交联度：⽤相邻两个交联点之间的链的平均分⼦量Mc来表⽰。
高分子液晶解析
高分子液晶
(Liquid Crystal Polymer, LCP)
1
用途广泛的液晶高分子
对位芳香族聚酰胺Kevlar
2
用途广泛的液晶高分子
Wine Thermometer Collar
3
用途广泛的液晶高分子
显示材料
4
液晶的基本概念
物质在自然界中通常以固态、液态和气态形式 存在，即常说的三相态。在外界条件发生变化时 （如压力或温度发生变化），物质可以在三种相态 之间进行转换，即发生所谓的相变。大多数物质发 生相变时直接从一种相态转变为另一种相态，中间 没有过渡态生成。例如冰受热后从有序的固态晶体 直接转变成分子呈无序状态的液态。
构成上面三种液晶的分子其刚性部分均呈长棒型。现在发 现，除了长棒型结构的液晶分子外，还有一类液晶是由刚性部 分呈盘型的分子形成。在形成的液晶中多个盘型结构叠在一起， 形成柱状结构。这些柱状结构再进行一定有序排列形成类似于 近晶型液晶。这一类液晶通常记为D。
17
高分子液晶及其分类
某些液晶分子可连接成大分子，或者可通过官能团的 化学反应连接到高分子骨架上。这些高分子化的液晶在一 定条件下仍可能保持液晶的特征，就形成高分子液晶。
此得名。但实际上，许多胆甾型液晶的分子结构与胆甾醇结构毫 无关系。但它们都有导致相同光学性能和其他特性的共同结构。 在这类液晶中，分子是长而扁平的。它们依靠端基的作用，平行 排列成层状结构，长轴与层片平面平行。
16
液晶的分类
层内分子排列与向列型类似，而相邻两层间，分子长轴的 取向依次规则地扭转一定的角度，层层累加而形成螺旋结构。 分子长轴方向在扭转了360°以后回到原来的方向。两个取向 相同的分子层之间的距离称为螺距，是表征胆甾型液晶的重要 参数。由于扭转分子层的作用，照射在其上的光将发生偏振旋 转，使得胆甾型液晶通常具有彩虹般的漂亮颜色，并有极高的 旋光能力。
(Liquid Crystal Polymer, LCP)
1
用途广泛的液晶高分子
对位芳香族聚酰胺Kevlar
2
用途广泛的液晶高分子
Wine Thermometer Collar
3
用途广泛的液晶高分子
显示材料
4
液晶的基本概念
物质在自然界中通常以固态、液态和气态形式 存在，即常说的三相态。在外界条件发生变化时 （如压力或温度发生变化），物质可以在三种相态 之间进行转换，即发生所谓的相变。大多数物质发 生相变时直接从一种相态转变为另一种相态，中间 没有过渡态生成。例如冰受热后从有序的固态晶体 直接转变成分子呈无序状态的液态。
构成上面三种液晶的分子其刚性部分均呈长棒型。现在发 现，除了长棒型结构的液晶分子外，还有一类液晶是由刚性部 分呈盘型的分子形成。在形成的液晶中多个盘型结构叠在一起， 形成柱状结构。这些柱状结构再进行一定有序排列形成类似于 近晶型液晶。这一类液晶通常记为D。
17
高分子液晶及其分类
某些液晶分子可连接成大分子，或者可通过官能团的 化学反应连接到高分子骨架上。这些高分子化的液晶在一 定条件下仍可能保持液晶的特征，就形成高分子液晶。
此得名。但实际上，许多胆甾型液晶的分子结构与胆甾醇结构毫 无关系。但它们都有导致相同光学性能和其他特性的共同结构。 在这类液晶中，分子是长而扁平的。它们依靠端基的作用，平行 排列成层状结构，长轴与层片平面平行。
16
液晶的分类
层内分子排列与向列型类似，而相邻两层间，分子长轴的 取向依次规则地扭转一定的角度，层层累加而形成螺旋结构。 分子长轴方向在扭转了360°以后回到原来的方向。两个取向 相同的分子层之间的距离称为螺距，是表征胆甾型液晶的重要 参数。由于扭转分子层的作用，照射在其上的光将发生偏振旋 转，使得胆甾型液晶通常具有彩虹般的漂亮颜色，并有极高的 旋光能力。
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图 12.5 分子呈盘状 也具有液晶态 de Gennes 预言盘状分子可以形成液晶态后 1977 Chandrasekhar 首次合成出芳香内核外接软性尾链的盘状分子 并证明了特征液晶态的存 在 这一结果代表了液晶理论的巨大成功
25Å
5Å
H3C O
CH N
C4H9
MBBA C 22o N 47o I
人们认识到液晶可以在显示方面获得应用 世界范围内再次掀起了液晶研究的高潮 化学
家合成出成千上万种新液晶 物理学家研究它们的性质 工程师研究应用技术 液晶显示
器从简单的扭曲型数字显示 超扭曲型图像显示 发展到今天有源矩阵驱动平板彩色显示
12.2 液晶态
液晶态的特点是分子具有沿着某一个方向取向 这个方向一般叫指向矢(n) 分子在 液态排列没有取向优势 而在结晶态分子排列非常有序 几乎没有自由活动空间 液晶态 中分子介于液态和晶态之间的状态 又称为介晶态 液晶态的有序性可以定量描述 这个 参数叫序参数(S,见图 12.2 下) 序参数一般随温度的升高而降低
通过简单的光学织构可以帮助我们了解液晶态 但是难以准确判断液晶相的类型 一般需要进一步借助衍射实验来确定 下面在介绍一些基本液晶态的结构特征和性质
12.2.4 液晶相分类
目前液晶态按照有序性质划分为下列基本相态 向列相(Nematic) 分子堆砌方式和对应的纤维 X 射线衍射图如图 12.14a 该相仅存 在分子取向有序 近晶 A 和 C 相(Smectic A 和 C)(图 12.14b 和 c) 沿着分子长轴方向有层状排列的位 置有序 层内无序 近晶 A 相中分子长轴的平均方向垂直层面 近晶 C 相中分子长轴的
振片时平行偏振片极化方向的部分才可以通过 这样均匀厚度的液晶因不同区域分子取向
方向的不同 在偏光显微镜下表现出不同的图案 一种特殊情况是当线偏振光的偏振方向
与液晶分子的长轴平行或垂直时 线偏振光不分解 不能通过第二偏振片 因此常常观察
. 331
Y
a)
b)
c)
图 12.8 椭圆偏振光的合成
到双十字图案 图 12.9 是向列液晶态典型的纹影织构(schlieren texture) 暗区叫黑刷子 代表分子平
. 335
图 12.18 手性液晶态层线织构(左) 指纹织构(中)和胆甾相螺旋结构的示意图(右)
θ θ
Smectic C, SC
Molecules
θ
E
θ
θ
No E
Layers Chiral Smectic C, SC*
图 12.19 铁电液晶态螺旋结构示意图
图 12.20 手性液晶光学织构中黑十字中心不重合
c b
I
a
II
III
图 12.3 液晶中的有序类型
I 分子取向有序 II 键取向有序 III 位置有序
. 329
12.2.1 基本的液晶基元
基本的热致液晶分子一般具有刚性的棒状 盘状 板状等几何形状 凝聚在一起由 于不对称的分子间作用力 形成取向排列 例如 图 12.4 中 MBBA 和 5CB 分子呈棒状 图中 C 22o N 47o I 表示 MBBA 具有 C(结晶) N(向列液晶)液晶相 结晶态到液晶态的转变 温度是 22oC 液晶相到各向同性态(I 又称为清亮点) 的转变温度是 47oC MBBA 是第一 个室温具有向列液晶态的合成分子 在液晶显示和理论研究方面具有重要的历史作用
.
330
C 8H 17 O
CN
8OCB
图 12.6 8OCB 升降温差热分析谱
12.2.3 液晶光学性质和织构
光可以用交替的电磁场的传播
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
来描述(图 12.7) 电场和磁场方向垂
直且与传播方向垂直 光的偏振性
(a)
可以简单地用电场的振动方向表
P1
P2
示 自然光是由许多随机分布的偏
(b)
振光组成 遇到偏振片 P1 后仅有与
结构已知的 晶体流体(Crystalline Fluids) 的行为 提出了向列型结构和位错墙模型 阐
述了平行织构 垂直织构 纹影织构的分类 另外 光学显微镜热台和偏光显微镜也是
Lehmann 发明的 至今人们还采用这些方法研究液晶的性质 正是由于他们真正开始研究
液晶 人们才开始对液晶有了基本的了解 因此 Reinitzer 和 Lehmann 被称为液晶科学
12.2.2 液晶的热力学性质
图 12.6 是 8OCB 的差热分析谱 扫描速度是每分钟 1 度 升温曲线在下 降温曲线 在上 图中有两个熔融相转变 升温过程观察到在 55oC 发生结晶到液晶(近晶 A)转变 在 67oC 发生液晶到各向同性转变 我们看到近晶 A 与各向同性态转变的过冷度明显比结晶 与近晶 A 转变的过冷度小 这是低有序液晶相的特点 一般认为是低有序液晶具有较小的 表面能 (过冷度的解释详见第四章)
.
332
a
b
c
d
图 12 11 液晶扇形焦锥织构
边缘织构(The marbled texture) 图 12.12a 和 b 是典型的向列液晶态的边缘织构 图 12.12c 和 d 是浓密色彩的纹影织构 主要是由向错造成 多在边缘区域观察到
板块织构(The mosaic texture) 它出现在近晶 B 和高有序液晶态及结晶态 可以是平 面取向织构也可以是直立取向织构 各类相态的板块织构的特征差别很小 图 12.13a 和 b 是近晶 B 的板块织构 图 12.13c 和 d 分别是近晶 E 和近晶 G 的板块织构 从各向同性态 或向列态降温到近晶 B 一般得到板块织构而不是扇形焦锥织构 只有从近晶 A 和 C 转变 到近晶 B 相时产生扇形焦锥织构 因为近晶 A 和 C 一般不存在板块织构 因此 当从各 向同性态或向列态降温获得板块织构时 一定是高于近晶 C 相的高有序液晶态或晶态
P1 极化方向平行的部分通过 产生
(c)
线偏振光 线偏振光遇到下一个与
P3
极化方向平行的偏振片 P2 时能通
图 12.7 光的传播和偏振性质
过 而遇到垂直的偏振片 P3 时 不能通过
两束光线偏振方向分别在 XY 和 YZ 平面 初始相位相同合成 45o 一束线偏振光(图
12.8a) 初始相位相反合成-45o 一束线偏振光(图 12.8b) 初始相位差是其它情况时 合成
解这种现象的相变本质 他把所观察到的现象描述给 了德国的物理学家 Lehmann Lehmann 肯定了 Reinitzer 观察到的现象 这种物质到 145.5oC 变成雾状液体
178.5oC 完全透明 降温出现蓝色 然后变浊 继续降温变成紫色 最后变成白色固体
在电场下还观察到类似单轴针状晶体的网状条带织构现象 Lehmann 还研究了第一个化学
C5H11
CN
20Å
5CB C 18o N 36o I
图 12.4 棒状液晶基元
R
R
R R
R R
R=
CnH2n+1 COO CnH2n+1 O
CnH2n+1 O
COO
CnH2n+1
COO
n=3 4 6 8 9
图 12.5 盘状液晶基元
当分子以氢键或其它分子间弱相互作用形成分子以上的聚集体也具有特殊几何形 状 或不同类型的液晶分子组合 也可以形成液晶态
第十二章 液晶态和高分子液晶
12.1 引 言
液晶态是物质的一种存在形态 它具有晶体的光
学各向异性性质 又具有液体的流动性质 对液晶态
的了解要追溯到 1888 年 奥地利植物学家 Reinitzer
观察到胆甾醇酯具有双熔点现象 而且从升温和降温
到这两个熔点之间呈现出不同的光学各向异性 为了
图 12.1 液晶科学之父 Reinitzer(左)和 Lehmann(右)
之父
德国化学家 Vorlaender 首次合成出近晶类热致液晶 在 1908 年 他根据合成出的 170
余种液晶分子的结构提出了形成液晶态分子规则 根据这些规则 后来理论学家发展出了
线性形状分子的液晶态统计学理论和连续体理论 这些理论对液晶态解释是分子间形状不
对称的色散力稳定分子形成液晶态
从发现液晶现象开始 人们对液晶的研究主要还是理论方面的兴趣 本世纪六十年代
.
336
Smectic A* TGB A* N*
图 12.21 扭曲晶界 A 相的结构示意图和光学织构
布称为近晶 L M 和 N 相 当分子含手性时 我们知道可以产生非中心对称聚集态结构或叫极化结构 手性分
子的液晶态也发现能够产生极化结构 具有类铁电性质 在低有序手性液晶态 液晶分子 通过形成超螺旋结构来降低或消除极化性质 产生胆甾相 蓝相 扭曲晶界 A 相和铁电 C 相(SC*) 而在高有序手性液晶态 结晶压制螺旋结构的形成
一束椭圆偏振光(图 12.8c) 线偏振光传播遇到双光性物质 因沿双折射指数长轴和短轴方
向的传播速度不同产生相位差 导致从液晶中出射的合成光的偏振性质发生改变 成为椭
圆偏振光
液晶的光学各向异性性质反映出分子堆砌的各向异性本质 在偏光显微镜下 自然
光通过偏振片变成线偏振光 线偏振光通过液晶变成椭圆偏振光 椭圆偏振光通过第二偏
作用 液晶容易形成直立取向织构(homeotropic texture) 下面介绍一些典型的液晶织构
扇形焦锥织构(Focal conic fan textures) 它是一类典型的平面取向织构 不出现在向
列液晶态 图 12.11a 近晶 A 完整扇形焦锥织构 图 12.11b 近晶 B 完整扇形焦锥织构 图 12.11c 近晶 C 在 A C 转变中的破碎扇形焦锥织构 图 12.11d 近晶 C 在 A C 转变结束的 破碎扇形焦锥织构
25Å
5Å
H3C O
CH N
C4H9
MBBA C 22o N 47o I
人们认识到液晶可以在显示方面获得应用 世界范围内再次掀起了液晶研究的高潮 化学
家合成出成千上万种新液晶 物理学家研究它们的性质 工程师研究应用技术 液晶显示
器从简单的扭曲型数字显示 超扭曲型图像显示 发展到今天有源矩阵驱动平板彩色显示
12.2 液晶态
液晶态的特点是分子具有沿着某一个方向取向 这个方向一般叫指向矢(n) 分子在 液态排列没有取向优势 而在结晶态分子排列非常有序 几乎没有自由活动空间 液晶态 中分子介于液态和晶态之间的状态 又称为介晶态 液晶态的有序性可以定量描述 这个 参数叫序参数(S,见图 12.2 下) 序参数一般随温度的升高而降低
通过简单的光学织构可以帮助我们了解液晶态 但是难以准确判断液晶相的类型 一般需要进一步借助衍射实验来确定 下面在介绍一些基本液晶态的结构特征和性质
12.2.4 液晶相分类
目前液晶态按照有序性质划分为下列基本相态 向列相(Nematic) 分子堆砌方式和对应的纤维 X 射线衍射图如图 12.14a 该相仅存 在分子取向有序 近晶 A 和 C 相(Smectic A 和 C)(图 12.14b 和 c) 沿着分子长轴方向有层状排列的位 置有序 层内无序 近晶 A 相中分子长轴的平均方向垂直层面 近晶 C 相中分子长轴的
振片时平行偏振片极化方向的部分才可以通过 这样均匀厚度的液晶因不同区域分子取向
方向的不同 在偏光显微镜下表现出不同的图案 一种特殊情况是当线偏振光的偏振方向
与液晶分子的长轴平行或垂直时 线偏振光不分解 不能通过第二偏振片 因此常常观察
. 331
Y
a)
b)
c)
图 12.8 椭圆偏振光的合成
到双十字图案 图 12.9 是向列液晶态典型的纹影织构(schlieren texture) 暗区叫黑刷子 代表分子平
. 335
图 12.18 手性液晶态层线织构(左) 指纹织构(中)和胆甾相螺旋结构的示意图(右)
θ θ
Smectic C, SC
Molecules
θ
E
θ
θ
No E
Layers Chiral Smectic C, SC*
图 12.19 铁电液晶态螺旋结构示意图
图 12.20 手性液晶光学织构中黑十字中心不重合
c b
I
a
II
III
图 12.3 液晶中的有序类型
I 分子取向有序 II 键取向有序 III 位置有序
. 329
12.2.1 基本的液晶基元
基本的热致液晶分子一般具有刚性的棒状 盘状 板状等几何形状 凝聚在一起由 于不对称的分子间作用力 形成取向排列 例如 图 12.4 中 MBBA 和 5CB 分子呈棒状 图中 C 22o N 47o I 表示 MBBA 具有 C(结晶) N(向列液晶)液晶相 结晶态到液晶态的转变 温度是 22oC 液晶相到各向同性态(I 又称为清亮点) 的转变温度是 47oC MBBA 是第一 个室温具有向列液晶态的合成分子 在液晶显示和理论研究方面具有重要的历史作用
.
330
C 8H 17 O
CN
8OCB
图 12.6 8OCB 升降温差热分析谱
12.2.3 液晶光学性质和织构
光可以用交替的电磁场的传播
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
来描述(图 12.7) 电场和磁场方向垂
直且与传播方向垂直 光的偏振性
(a)
可以简单地用电场的振动方向表
P1
P2
示 自然光是由许多随机分布的偏
(b)
振光组成 遇到偏振片 P1 后仅有与
结构已知的 晶体流体(Crystalline Fluids) 的行为 提出了向列型结构和位错墙模型 阐
述了平行织构 垂直织构 纹影织构的分类 另外 光学显微镜热台和偏光显微镜也是
Lehmann 发明的 至今人们还采用这些方法研究液晶的性质 正是由于他们真正开始研究
液晶 人们才开始对液晶有了基本的了解 因此 Reinitzer 和 Lehmann 被称为液晶科学
12.2.2 液晶的热力学性质
图 12.6 是 8OCB 的差热分析谱 扫描速度是每分钟 1 度 升温曲线在下 降温曲线 在上 图中有两个熔融相转变 升温过程观察到在 55oC 发生结晶到液晶(近晶 A)转变 在 67oC 发生液晶到各向同性转变 我们看到近晶 A 与各向同性态转变的过冷度明显比结晶 与近晶 A 转变的过冷度小 这是低有序液晶相的特点 一般认为是低有序液晶具有较小的 表面能 (过冷度的解释详见第四章)
.
332
a
b
c
d
图 12 11 液晶扇形焦锥织构
边缘织构(The marbled texture) 图 12.12a 和 b 是典型的向列液晶态的边缘织构 图 12.12c 和 d 是浓密色彩的纹影织构 主要是由向错造成 多在边缘区域观察到
板块织构(The mosaic texture) 它出现在近晶 B 和高有序液晶态及结晶态 可以是平 面取向织构也可以是直立取向织构 各类相态的板块织构的特征差别很小 图 12.13a 和 b 是近晶 B 的板块织构 图 12.13c 和 d 分别是近晶 E 和近晶 G 的板块织构 从各向同性态 或向列态降温到近晶 B 一般得到板块织构而不是扇形焦锥织构 只有从近晶 A 和 C 转变 到近晶 B 相时产生扇形焦锥织构 因为近晶 A 和 C 一般不存在板块织构 因此 当从各 向同性态或向列态降温获得板块织构时 一定是高于近晶 C 相的高有序液晶态或晶态
P1 极化方向平行的部分通过 产生
(c)
线偏振光 线偏振光遇到下一个与
P3
极化方向平行的偏振片 P2 时能通
图 12.7 光的传播和偏振性质
过 而遇到垂直的偏振片 P3 时 不能通过
两束光线偏振方向分别在 XY 和 YZ 平面 初始相位相同合成 45o 一束线偏振光(图
12.8a) 初始相位相反合成-45o 一束线偏振光(图 12.8b) 初始相位差是其它情况时 合成
解这种现象的相变本质 他把所观察到的现象描述给 了德国的物理学家 Lehmann Lehmann 肯定了 Reinitzer 观察到的现象 这种物质到 145.5oC 变成雾状液体
178.5oC 完全透明 降温出现蓝色 然后变浊 继续降温变成紫色 最后变成白色固体
在电场下还观察到类似单轴针状晶体的网状条带织构现象 Lehmann 还研究了第一个化学
C5H11
CN
20Å
5CB C 18o N 36o I
图 12.4 棒状液晶基元
R
R
R R
R R
R=
CnH2n+1 COO CnH2n+1 O
CnH2n+1 O
COO
CnH2n+1
COO
n=3 4 6 8 9
图 12.5 盘状液晶基元
当分子以氢键或其它分子间弱相互作用形成分子以上的聚集体也具有特殊几何形 状 或不同类型的液晶分子组合 也可以形成液晶态
第十二章 液晶态和高分子液晶
12.1 引 言
液晶态是物质的一种存在形态 它具有晶体的光
学各向异性性质 又具有液体的流动性质 对液晶态
的了解要追溯到 1888 年 奥地利植物学家 Reinitzer
观察到胆甾醇酯具有双熔点现象 而且从升温和降温
到这两个熔点之间呈现出不同的光学各向异性 为了
图 12.1 液晶科学之父 Reinitzer(左)和 Lehmann(右)
之父
德国化学家 Vorlaender 首次合成出近晶类热致液晶 在 1908 年 他根据合成出的 170
余种液晶分子的结构提出了形成液晶态分子规则 根据这些规则 后来理论学家发展出了
线性形状分子的液晶态统计学理论和连续体理论 这些理论对液晶态解释是分子间形状不
对称的色散力稳定分子形成液晶态
从发现液晶现象开始 人们对液晶的研究主要还是理论方面的兴趣 本世纪六十年代
.
336
Smectic A* TGB A* N*
图 12.21 扭曲晶界 A 相的结构示意图和光学织构
布称为近晶 L M 和 N 相 当分子含手性时 我们知道可以产生非中心对称聚集态结构或叫极化结构 手性分
子的液晶态也发现能够产生极化结构 具有类铁电性质 在低有序手性液晶态 液晶分子 通过形成超螺旋结构来降低或消除极化性质 产生胆甾相 蓝相 扭曲晶界 A 相和铁电 C 相(SC*) 而在高有序手性液晶态 结晶压制螺旋结构的形成
一束椭圆偏振光(图 12.8c) 线偏振光传播遇到双光性物质 因沿双折射指数长轴和短轴方
向的传播速度不同产生相位差 导致从液晶中出射的合成光的偏振性质发生改变 成为椭
圆偏振光
液晶的光学各向异性性质反映出分子堆砌的各向异性本质 在偏光显微镜下 自然
光通过偏振片变成线偏振光 线偏振光通过液晶变成椭圆偏振光 椭圆偏振光通过第二偏
作用 液晶容易形成直立取向织构(homeotropic texture) 下面介绍一些典型的液晶织构
扇形焦锥织构(Focal conic fan textures) 它是一类典型的平面取向织构 不出现在向
列液晶态 图 12.11a 近晶 A 完整扇形焦锥织构 图 12.11b 近晶 B 完整扇形焦锥织构 图 12.11c 近晶 C 在 A C 转变中的破碎扇形焦锥织构 图 12.11d 近晶 C 在 A C 转变结束的 破碎扇形焦锥织构