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]。

高分子液品的介电性能和导电性能液晶介电各向异性特征是决定液晶分子在电场中行为的主要参数。液晶介电各向异性决定于液晶分子结构中所含有的永久偶极矩和分子极化度,沿分子轴极化度,如大于垂直分子轴的极化度,则得到正介电各向异性液晶,反之得到负电各向异性液晶[7]。

高分子液晶的研究进展及应用

3.1. 纤维素液晶[ 9-10]

1976年,D G Gary首次报道了纤维素液晶的衍生物—羟丙基纤维素,分子量为105,它的2% ～5%水溶液能形成具有彩虹色彩,强烈双折射和旋光性的胆甾型液晶溶液。纤维素衍生物在如水、乙酸、丙酮等多种溶剂中都能形成液晶相。在偏光显微镜下可以观察到液晶溶液的多种织构,如圆盘织构、条纹织构、平面织构、假各向同性织构和指纹织构等。这些织构的存在与溶液的温度、浓度等外界条件有很大的关系。另外,还可以观察到多种向错结构。含纤维素衍生物的胆甾型液晶高分子复合物的合成使电子显微镜、原子显微镜等在研究胆甾型液晶精细结构上得到应用,这使得胆甾型液晶结构的研究达到了更为微观的层次。由于纤维素的液晶溶液可仿制高强度高模量的新型高分子复合材料,且对于半刚性链高分子液晶相的研究是一个很好的模型化合物。所以,我们要开发更多性质更好的液晶纤维素产品,如高强高模纤维、高性能纤维素液晶复合材料、高性能纤维素液晶分离膜及特殊光学材料。3.2.甲壳素类液晶[11-13]

由于分子中存在多种形式氢键的基团,因而存在微晶结构,熔点高于分解温度,不能熔融,也难以溶解,只溶于少数几种特殊溶剂如甲磺酸等。甲壳素具有螺旋或双螺旋结构,一般都呈胆甾相,还具有键刚性和结晶性,还可通过化学反应改性目的制成甲壳素酯、甲壳素醚甲壳素的N2 乙酰化衍生物。由于甲壳素分子间的强氢键作用,分子易形成紧密的分子束,有很好的成纤倾向,甲壳素可在合适的溶剂中溶解而被制成具有一定浓度、一定粘度和良好的稳定性的溶液,这种溶液具有良好的可纺性。甲壳素具有生物活性、生物相容性和生物的可降解性,无毒(LD50 16 g/kg体重)。而且可以成膜或成纤,因而可在医用材料方面有广泛的应用。最近将甲壳素的衍生物—甲壳胺制成无纺布的人造皮肤,甲壳素的巨大蕴藏量和衍生途径的多样性,使甲壳素类液晶的研究有着重要的科学价值。被广泛应用于工业、农业、医学、环保等领域,有关甲壳素材料的研究被认为是21世纪最有希望的多糖研究。

3.3.铁电液晶[ 14～16 ]

铁电液晶的分子排列成层状,层层堆砌,层内分子互相平行,但相对层面发现呈倾斜指向(层间距小于分子长度) ,层与层之间形成沿层面法线的螺旋状排列,铁电液晶相具有与分子垂直且与层面平行的自发性极化矢量Ps,呈现铁电性(铁电性是指液晶分子在电场或磁场作用下,其极化方向发生改变的特性)。铁电液晶既有显示方面的应用,又有光电性质,特别是它的非线性光学性质[所谓非线性光学效应(NLO)是指强相干光(如激光)在非线性介质中传播时,光波与物质分子相互作用,其电场引起介质产生的非线性极化效应]。非线性光学效应是现代通讯系统中光电子原器件发射、处理和贮存光信号的核心问题之一。铁电液晶有机非线性光学材料具有响应速度快,激光损伤阈值高,支流介电常数低,吸收系数低以及化学和结构稳定等优良特性。特别是在液晶显示材料领域,国内已有形成批量生产规模的企业出现,如石家庄实力克液晶材料有限公司、清华亚王液晶材料有限公司等已开发出或正在开发T N、ST N和TFT2 LCD混晶材料的手性液晶添加剂,取得了良好的经济效益,大大推动了我国液晶显示用液晶材料的发展与进步。对于铁电液晶高分子,其应用领域主要是光记录和贮存材料、显示材料、铁电和压电材料、非线性光学材料,以及具有分离功能的材料和光致变色材料。

3.4.盘状液晶[ 17 ]

盘状液晶的典型结构特点是盘状分子排列成柱状堆积。人们首先研究各种具有盘状对称分子结构的化合物的液晶性质,发现了众多以苯环为核心的,由对称性良好的非极性分子组成的盘状液晶。后来又发现了以非苯环为中心的盘状或平板状对称分子组成的盘状液晶,以及通过分子间或分子内作用力能形成盘状或平板状对称组合体的液晶。1977年S.Chandrasekhar等人首次发现均六苯酚的酯类化合物具有盘状液晶性质,由于该类盘状液晶在分子结构、相变行为,以及物理性质等方面均表现出有别于传统热致液晶的特点(盘状液晶具有高度的对称性,因而表现为较宽的相变行为,并具有较高的焓变和较大的折射指数)。具有电子给受体的盘状液晶由于具有在柱状体内相邻∏体系间的较小重叠而导致的电荷载体的低流动性,因而可望成一类新型的有机半导体材料或有机光导体材料,具有潜在应用前景。

3.5.卤代液晶[18 ]

卤代液晶是液晶分子的端基、侧向位置、手性中心桥键上含有F、Cl、Br、I原子的液晶。由于卤原子和含卤原子基团的强吸电子性,引入它们会对液晶分子的极性及极化度产生影响。根据其电负性的大小,所在的液晶体系,在分子中的位置及数量,卤原子赋于液晶不同的性能,如端卤代液晶在芳香体系增加向列相稳定性,卤代液晶在多路驱动高响应速度的混合液晶中应用广泛,且具有以下性能: ①因引入卤原子而具有熔点降低,近晶相被抑制或消除的特性,可以调配宽向列相范围的向列相混合液晶; ②具有适中的电光性能、粘度、热、光、化学稳定性较高;③具有正疏水参数,高的电压保持性,适合AMLCD和PDLCDS等高性能