高分子材料论文

液晶高分子浅谈——对液晶高分子的调研总结作者：07 级材料物理刘金妹摘要：介绍液晶以及液晶高分子的概念，液晶的结构和液晶高分子的分类和其在现在社会中的重要应用。

关键字：中介相液晶原各向同性各向异性介绍：液晶是介于液相和晶相之间的中介相。

其物理状态为液体，而具有与晶体类似的有序性。

目前认为的物质稳定态有三种，即固态，液态和气态。

但实际上还存在第四状态，及固液共存态。

液晶高分子正是这样一种物质。

如果为液晶分子加上电压，液晶分子会发生扭曲，从而使透过它的光发生偏折，所以液晶高分子可以用来制造显示器。

液晶高分子由液晶基元和柔性间隔以化学键结合而成。

由于它们兼具液晶的取向有序性和位置有序性及高分子的长键分子特性等优异性能，使得它们成为全世界的学术研究机构与大公司实验室都极为关注的材料。

在自然界就存在天然液晶高分子，如纤维素衍生物、多肽及蛋白质、DN和RN等。

与它们对应的是合成液晶高分子。

根据液晶态形成的条件，可以将液晶高分子分为溶致液晶高分子和热致液晶高分子。

它们分别在一定浓度的溶液中或在一定温度范围内表现出液晶性。

这种溶致性或热致性决定了在制备液晶高分子材料时采用的工艺技术。

1.液晶和液晶态一些物质的结晶结构受热熔融或被溶剂溶解之后，表观上虽然失去了固体物质的刚性，变成了具有流动性的液体物质，但结构上仍然保持着一维或二维有序排列，呈现为有序的流动相，从而在物理性 质上呈现出各向异性，形成一种兼有部分晶体和液体性质的过渡状态, 这种中介状态称为液晶态，处在这种状态下的物质称为液晶。

只有进步升高温度到一定值时，才会发生液晶相向各向同性相的转变。

研究表明，形成液晶的物质通常具有刚性的分子结构，分子的长度和宽度的比例R?1,呈棒状或近似棒状的构象，这样的结构部分称 为液晶原或介原，是实现液晶各向异性的重要结构因素。

同时，还须 具有在液态下维持分子的某种有序排列所必需的凝聚力。

这样的结构 特征常常与分子中含有对位苯撑、强极性基团和高度可极化基团或氢 键相联系，因为苯环上的电子云的极化率很大， 极化结果又总是相吸 引的，导致苯环平面间的叠层效应，从而稳定介原间的有序排列。

此外，液晶的流动性要求分子结构上必须含有一定的柔性部分， 如烷烃 链等。

小分子液晶几乎无一例外地含有这类结构的 “尾巴”,如4, 4'—二甲氧基氧化偶氮苯。

此化合物的熔点为116C ，加热熔融时，最初形成浑浊的液体,流动性与水相近，但又具有光学双折射。

当温度继续升高到134C 时, 才变为各向同性的透明液体。

后面这个过程也是热力学一级转变过程, 相应的转变温度称为清晰点。

从熔点到清晰点之间的温度范围内， 物 质为各向异性的熔体，形成液晶。

因此形成液晶的条件是：当晶体熔化时，分子获得各种位移或转 CH 厂0N —N N CH 3动自由所需的条件（温度、压力等）有很大的差别。

满足这种条件的分子的结构特点是：（1）分子应是刚性的，有明显的形状，各向异性，如棒状、碟状等；（2）分子间应有强的相互作用。

这也是液晶性分子中通常具有芳环、不饱和键和极性基团的缘故。

2.液晶的分类这里主要介绍一下因形成条件和形态的分类1）按液晶形成条件分类按液晶的形成条件，液晶可分为溶致型和热致型两类。

溶致型液晶是液晶高分子在溶解过程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；热致型液晶是三维各向异性的晶体在加热过程中不安全失去晶体特征，保持一定的有序性构成的液晶。

热致型液晶是通过加热而呈现液晶的物质，多数液晶是热致型液晶。

在热致型液晶的形成过程中温度起了重要作用，随着温度的变化，会出现固体、各向异性的液晶态、各向同性的液体，其中重要的转变温度有熔点、玻璃化温度和清亮点温度。

溶致型液晶是因加入溶剂（在某一浓度范围内）而呈现液晶态的物质。

溶致型液晶又分为两类：一类是双亲分子（如脂肪盐、表面活性剂及类脂等）与极性溶剂组成的二元或多元体系，其液晶态可分为层状相、立方相和六方相等三种，它们主要是溶致型的侧链型液晶；另一类是非双亲刚棒状分子（如多肽、核酸及病毒等天然高分子和聚对苯二甲酰对苯二胺等合成高分子）的溶液，它们的液晶态可分为向列相、近晶相和胆甾相三种，它们主要是形成溶致型的主链型液晶。

此外，在外场（如压力、流场、电场、磁场和光场等）作用下进入液晶态的物质称为感应液晶。

例如，聚乙烯在某一咼压下出现液晶态称为压致液晶，聚对苯二甲酰肼在施加流动场后呈现的液晶态是典型的溶致型液晶。

（2）按液晶的形态分类大多数热致型液晶和棒状溶致型液晶高分子按液晶分子的排列方式（即液晶相态有序性）可分为向列型、近晶型和胆甾型三种。

上述三种晶相结构液晶的结构示意图见图9-1。

SI近晶结构图9 —1三种不同形态的液晶结构示意图用符号N表示。

向列型液晶结构近晶型液晶结构胆甾醇型①向列型晶相液晶(nematic liquid crystal), 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沿此方向流动，是三种晶相中流动性最好的一种液晶，其高分子熔融体或高分子溶液的粘度最小。

②近晶型晶相液晶(smectic liquid crystal) ，用符号S 来表示。

近晶型液晶在所有液晶中最接近固体结晶结构，并因此而得名。

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铀方向的层状绍构。

在层内分子可以沿着层面相对运动，保持其流动性；这类液晶具有二维以上有序性。

由于层与层之间允许有滑动发生，因此这种液晶在其粘度性质上仍存在着各向异性。

分子可在本层运动，但不能来往于各层之间，因此曾片之间可以相互滑移，但垂直于层片方向的流动却很困难，这导致近晶型液晶的粘度比向列型液晶的大。

液晶有许多特殊的性能，因而在许多领域得到应用。

其中最常见的是液晶显示技术。

聚合物液晶还有良好的热稳定性，优异的介电、光学和机械性能，以及它的抗化学试剂能力、低燃烧性和极好的尺寸稳定性使其在科学研究和工业生产中获得了广泛应用。

3.液晶高分子的应用1). 作为高性能工程材料的应用高分子液晶，特别是热熔型主链液晶具有高模、高强等优异机械性能，因此特别适合于作为高性能工程材料。

在液晶状态下的低强度和长溶解松弛时间，又使其特别容易加工成型。

极低的膨胀率和吸潮率可以满足制作高精密度的部件。

比如高分子液晶作为优异的表面连接材料应用到将电子元器件直接固定到印刷线路板表面，而不必像常见的工艺那样需打孔安装。

采用高分子液晶甚至制成了需要极高精密度和可靠性的具有768个触点的微型平行接口。

由于用于工程方面的高分子液晶其模量可高达60GPa拉伸强度为700MPa断裂伸长率低于 1.5％。

因此大直径的高分子液晶棒还是替代建筑用钢筋的候选材料；与钢筋相比具合质量轻，柔韧性好，耐腐蚀的优点。

更重要的是它的极低的膨胀率可以大大减小由温度变化产生的内应力。

液晶聚合物的机械强度随材料取向度的提高而增加。

而在拉制过程中，材料的横向尺寸越小，取向度越高。

目前已经生产出几种高分子液晶膜和片材。

其模量达到50〜60GPa拉伸强度达到400〜500MPa 添加无机材料的高分子液晶板材已经作为热成型和电镀印刷电路板材料。

加碳纤维的高分子液晶在航空航天工业中已经获得应用。

2）. 在图形显示方面的应用与小分子液晶一样，聚合物液晶也具有在电场作用下从无序透明态到有序非透明态的转变能力，因此也可以应用到显示器件的制作方面。

它是利用向列型液晶（主要包括侧链高分子液晶）在电场作用下的快速相变反应和表现出的光学特点制成的。

把透明的各向同性液晶前体放在透明电极之间，当施加电压时，受电场作用的液晶前体迅速发生相变，分子发生有序排列成为液晶态（其中常排列成向列型晶相）。

有序排列部分失去透明性而产生与电极形状相同的图像。

根据这一原理可以制成数码显示器、电光学快门、电视屏幕和广告牌等显示器件。

液晶显示器件的最大优点在于耗电极低，可以实现微型化和超薄型化。

但是由于高分子液晶与小分子液晶相比，较高的粘度使显示转换的速度明显减慢，因此应用并不普遍，尽管它具有小分子液晶不具备的良好稳定性。

3). 高分子液晶在温度和化学敏感器件制作方面的应用胆甾醇型聚合物液晶具有其外观颜色随温度的变化而变化的特征，因此可以用于温度的测量技术。

0.「C的温度变化都可以根据液晶的颜色变化来辨别。

因此，可以制作精密的温度计。

利用该性能还可以用于检查精密结构件的无损探伤，因为材料中的裂缝和空隙能够阻碍热传导过程，在材料表面造成温度的细微差别，将胆甾醇型液晶薄膜贴在材料表面，根据其颜色的差别可以探测到内部裂隙的位置和形状。

同样道理，胆甾醇型液晶还可以用于诊断浅层肿瘤，因为肿瘤部位往往温度偏高，将涂有胆甾醇型液晶的黑底薄膜贴在病灶区皮肤上，能够显示肌体内彩色温度变化图，为肿瘤、动脉和静脉肿瘤的诊断，确定手术部位提供参考依据。

根据上述原理，根据皮肤温度的变化，以及交感神经系统的堵塞情况，判断神经及血管系统是否开放等情况。

胆甾醇型液晶在0〜250 C之间对温度的灵敏度都很高。

由于胆甾醇型液晶的螺距会因为某些微量杂质的存在而受到强烈影响，而螺距的微小变化将导致胆甾醇液晶颜色的变化。

这一特性已经被用来作为测定某些化学物质的痕量蒸气的指示剂，在化学敏感器和环境监测仪器研究方面受到重视。

另外，高分子液晶还可以作为信息储存介质和色谱分离材料得到广泛的应用。

4．总结高科技的发展以新材料为依托。

液晶高分子具有十分优异的性能，可用于微电子技术、信息技术及空间技术等领域，是今后科学研究与技术发展的重点之一。

日本2010年技术预测会列出的支持21世纪之日本的100项技术的第26项“热可塑分子复合体预测：“这是一种具有热可塑性、易于成型加工、重量轻、具有可与金属相比的高耐热性、高弹性模量的有机高分子材料。

它有可能取代轻金属和纤维增强塑料而被广泛应用”相信液晶高分子材料在21世纪会大有用武之地。

今天我们对液晶高分子的研究与开发就应以它的产业化或实用化为目标。