液晶高分子(LCP)及其应用

液晶高分子（LCP）及其应用摘要:液晶高分子是近几十年来迅速兴起的一类高分子材料,由于其本身具有高一系列优异的综合性能以及与信息技术、新材料和生命科学相互促进作用,已成为材料研究的热点之一。

本文简要介绍了液晶高分子的类型、特性、主要应用以及液晶高分子发展趋势与展望。

关键词:液晶高分子；分类；特性；应用；发展趋势与展望1 引言物质在晶态和液态之间还可能存在某种中间状态，此中间状态称为介晶态，液晶是一种主要的介晶态。

液晶即液态晶体，既具有液体的流动性，又具有晶体的各向异性［1］（如介电常数各向异性，折射率各向异性等）。

自从1888年奥地利植物学家F.Reinitzer在合成苯甲酸胆甾醇时发现了液晶后,人们一直从事低分子液晶的研究,直至1941年提出液晶态存在于聚合物体系中,人们才开始进入了对高分子液晶的研究［2］。

然而其真正作为高强度、高模量的新型材料,是在低分子中引入高聚物,合成出液晶高分子后才成为可能的。

20世纪70 年代DuPont 公司首次使用各向异性的向列态聚合物溶液制出商品纤维——Fiber，紧接着纤维Kevlar 的问世及其商品化,开创了液晶高分子(以下简称LCP) 研究的新纪元。

然而由于Kevlar 是在溶液中形成需要特定的溶剂,并且在成形方面受到限制,人们便把注意力集中到那些不需要溶剂,在熔体状态下具有液晶性,可方便地注射成高强度工程结构型材及高技术制品的热致性液晶高分子上。

1975 年Roviello阿首次报道了他的研究成果。

次年Jackson 以聚酯为主要原料合成了第一个具有实用性的热致性芳香族共聚酯液晶,并取得了专利［3］。

而今,LCP 已成为高分子学科发展的重要分支学科,由于其本身具有高强度、高模量、耐高温、低膨胀系数、良好的介电性、阻燃性等一系列优异的综合性能［4］及与信息技术、新材料和生命科学相互促进作用,已成为材料研究的热点之一。

2 液晶高分子的分类［5，6］2.1 第一种分类法——热致型和熔致型按液晶形成的条件，可将高分子液晶分为热致型液晶和熔致型液晶（1）热致型液晶通过加热而呈现液晶态的物质称为热致型液晶。

多数液晶是热致型液晶。

（2）熔致型液晶因加入溶剂（在一定温度范围内）而呈现液晶态的物质其称为熔致型液晶。

其可分为两类：第一类是双亲分子（如脂肪酸盐，离子型和非离子型表面活性剂以及类脂等）与极性溶剂组成的二元或多元体系；第二类非双亲刚棒分子（如多肽，核酸及病毒等天然高分子和聚对二甲酰胺等合成的）溶液。

2.2 第二种分类法——主链型和侧链型液晶高分子往往是由小分子呈液晶基元键合而成的。

根据液晶基元在高分子键中键合的方式不同，可分为主链型液晶高分子和侧链型液晶高分子。

（1）主链型液晶高分子液晶基元位于高分子主链之内，如Kelavar。

（2）侧链型液晶高分子液晶基元作为支链悬于主链上。

（3）复合性（组合性）液晶高分子主链和支链上均含有液晶基元。

前两种分类方法是交叉的，主链型液晶高分子即有热致液晶也有熔致液晶，热致液晶高分子即含有主链也有侧链的。

2.3 第三种分类法——向列相、近晶相、胆甾型相和碟状液晶相（1）向列相。

常以字母N表示，此种液晶高分子排列只有取向有序无平移有序，无分子质心的远程有序，分子排列是一维有序的其有序度最低，黏度最小。

（2）近晶相。

近晶相除了取向有序外还有分子质心组成的层状结构，分子呈二维有序排列。

在各种液晶相中，近晶相结构最接近晶体结构，故称为“近晶相”。

近晶相的黏度比向列相大。

（3）胆甾相。

因这类液晶物质中”许多是胆甾醇衍生物，故有此名，但更多的胆甾相液晶并不含胆甾醇结构。

胆甾相液晶具有扭转的分子层结构，在每一层分子平面上分子以向列型方式排列，而各层分子又按周期扭转或螺旋的方式上下排列在一起，使相邻各层分子取向之间形成一定的夹角。

此类液晶可以使反射的白光发生色散而呈现彩虹般的颜色。

胆甾相与向列相的区别是前者有层状结构，胆甾相与近晶相的区别是它有螺旋状结构。

（4）碟状（柱状）相碟状液晶相是在1977年发现的，组成这类液晶相的分子通常具有碟子或盘子般的形状，这些“碟子”可一个一个地重叠起来形成“圆柱状”的分子聚集体，组成一类新的液晶相称为柱状相。

3 液晶高分子的特性3.1 取向方向的高拉伸强度和高模量及其他优良的力学性能柔性链高分子比较,分子主链或侧链带有介晶基元的LCP ,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,LCP 处于液晶态时,无论是熔体还是溶液,都具有一定的取向度。

使LCP 熔体或溶液流经喷丝孔、模口、流道,在剪切应力场中很容易发生大分子链的取向，即使在很低剪切速率下即可获得很高的取向度。

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。

此外，LCP具有高抗冲性和抗弯模量，LCP致密的结构使其在很宽的温度范围内不溶于一般的有机溶剂和酸碱，具有突出的耐化学腐蚀性。

3.2 耐热性突出液晶高分子一般熔点很高，由于其分子链取向，通常在200℃也不会被破坏所以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。

3.3 热膨胀因数很低，精度及尺寸稳定性由于取向度高,LCP 在成型加工制品时，其流动方向的膨胀因数要比普通工程塑料低一个数量级,达到一般金属的水平,甚至出现负值,这样LCP 在加工成型过程中不收缩或收缩很低,保证了制品尺寸的精确和稳定。

3.4 阻燃性优异LCP 分子链由大量芳香环所构成,除了含有酰肼键的纤维外,都特别难以燃烧,其表面在火焰中形成一层泡沸碳能窒息火焰，而在空气中不燃烧。

如Kevlar 在火焰中有很好的尺寸稳定性,若在其中添加少量磷等,LCP 的LOI（极限氧指数——表示聚合物耐燃烧性指标）值可达40 以上。

3.5 电性能和成型加工性优异LCP 绝缘强度高和介电常数低,而且两者都很少随温度的变化而变化,并导热和导电性能低,其体积电阻一般可高达1013Ω·m ,抗电弧性也较高。

此外LCP的熔体粘度随剪切速率的增加而下降,流动性能好,成型压力低,因此可用普通的塑料加工设备来注射或挤出成型,不需要脱模剂和后处理，可加工成薄壁、细长和形状复杂的制品且尺寸很精确。

4 液晶高分子材料的应用4.1 高强度高模量材料分子主链或侧链带有介晶基元的液晶高分子,在外力场容易发生分子链取向。

利用这一特性可制得高强度高模量材料。

例如, 聚对苯二甲酸对苯二胺(PPTA) 在用浓硫酸溶液纺丝后,可得到著名的kelvar纤维,比强度为钢丝的6～7 倍,比模量为钢丝或玻纤的2～3 倍,而密度只有钢丝的1/ 5 。

此纤维可在- 45 ℃～ 200 ℃使用。

由于LCP高强度高模量和低相对密度的特点，可用于雷达天线罩、飞机、防弹背心、火箭外壳材料、软着陆降落伞绳带和海底电视电缆等。

4.2 在图形显示方面的应用在外电场作用下，液晶高分子的排列会发生变化，从而改变液晶对光的反射和透射等光学性质。

液晶显示成像正是运用液晶分子排列状态随外部电压的变化而变化的性质，控制通过液晶的光线光程，利用光的偏振、干涉实现光的透射、半透射或全暗，从而显示出图像来［6］。

液晶显示器具有低压、微功耗、平板型结构、被动型显示、显示的消息量大，易于彩色化、长寿命、无辐射、无污染等优点。

所以液晶电视、液晶电脑、液晶投影仪已经应用于我们的生活。

4.3 在军事方面的应用现代战争要求每一个作战体必须对外联络机动性和自身行动主动性和快速性。

要做到这一点必须将方位、距离等消息进行显示，使作战体能随时随地地对这些情况有直观的了解，目前世界上大多数军队的军车上都采用了车载定位系统，从安全角度和清晰的显示地理消息出发，用于汽车导航系统的显示器一般都选用薄膜晶体管有源矩阵液晶显示器。

因为在它的每个像素后面都配置了一个半导体开关器件来驱动，所以实现了高亮度视频显示，线路上还可利用GPS给出的当地坐标，求出白天、黑夜显示。

另外还可用于显示头盔、武器瞄准系统等。

北京大学、联想集团与光电工业有关厂合作于2000年研制出LCD图像瞄准显示系统，达到较高水准［7，8］。

4.4 在信息储存方面的应用热熔型侧链液晶高分子通常用作信息储存材料。

液晶高分子一般利用其热光效应实现光存贮。

通常采用聚硅氧烷、聚丙烯酸酯或聚酯侧链液晶,为了提高写入光的吸收效率,可在液晶高分子中溶进少许小分子染料或采用液晶和染料侧链共聚物。

向列、胆甾和近晶相液晶高分子都可以实现光存贮。

例如Shibaev使用向列型液晶聚丙烯酸酯,采用激光寻址写入图像,可在明亮背景上显示暗的图像,并可存贮较长时间。

Eich 用含有对氰基苯基苯酸酯和对氰基偶氮苯液晶基元的聚丙烯酸酯基聚合物,以激光照射经磨擦平行取向的样品,实现了全息记录。

Hirao 等利用有电光效应的高分子液晶,制备出了电记录元件。

4.5 在环境监测方面的应用由于胆甾型液晶的螺距与其所处的环境有关，及易随其所处的温度、电场、磁场、压力、化学成分、声波及各种辐射场（红外、微波）等的变化而改变。

所以当上述某一参量发生化学变化时，螺距随之发生变化，能反射的可见光波长也随之发生变化，则液晶表面的彩色也随之发生变化。

由胆甾型液晶表面的颜色变化情况，我们就可以知道该参量的变化，进而来监测环境参量的变化。

如：（1）胆甾型液晶温度传感器不仅测量方便，精度较高（可达0.1℃）而且对环境温度分布不产生影响，因此即可用来监测环境中某点外地的变化情况，又可用来测定环境温度的分布特点。

如将它与光纤等电路相连，还可实现对环境温度的遥控和报警。

如将它与红外接收器、微波接收器（它们将电磁能转化为热能的一种能量转化器）等电路相连，还可用来监测环境的辐射场（红外微波等）的变化情况。

（2）胆甾型液晶电磁场传感器可用来监测环境中用电设备的漏电，漏磁情况及所处环境电磁场分布情况。

如将它与声波接收器（将声波转化为电磁波）相连，可用来监测环境的噪声。

（3）胆甾型液晶压力传感器其比通常压力传感器适用范围广，它不仅可适用于一般环境，也可适用于温度大，含有毒气体，易燃、易爆气体等恶劣环境，还可用来监测高压容器的内压力。

利用胆甾型液晶在压力作用下可发生相变，其螺距变为无穷大的性质，可用来对高压容器实行安全监测、超压报警。

（4）胆甾型液晶气体成分传感器可用来监测环境中有毒气体、易爆气体的浓度（如化工厂有毒气体的泄露情况、矿井下易燃、易爆气体的含量等）［9］。

4.6 在医学方面的应用处于液晶态的生物膜，流动性比较适当金属离子和养分很容易通过膜而进入细胞，如果在相变稳定以后，膜从液晶态转变为凝胶态，流动性减小，离子和养分不容易通过。

相反，当生物膜从液晶态转变为液态时，膜的流动性大增，这时葡萄糖、氨基酸和金属离子纷纷从细胞内逸出，从而导致细胞内含物的大量流失，甚至还会引起细胞的癌变，当生物组织中发生液晶的相变而破坏细胞的正常功能时，人们即处于某种病态，发生诸如血管的粥样硬化、胆结石、镰刀形细胞贫血症、癌症等疾病［10］。