高分子的液晶态结构.
液晶高分子ppt课件
结论与展望
03
总结研究成果，指出研究局限性和未来研究方向，展望液晶高
分子领域的发展前景。
05
液晶高分子材料性能及应 用研究
材料性能评价
01
液晶性
液晶高分子具有独特的液晶性，即在一定温度范围内呈现出液晶态。这
种液晶态具有光学各向异性、高粘度、低流动性等特点，使得液晶高分
子在显示、光学、电子等领域具有广泛应用。
光学性质
具有优异的光学性能，如 高透明度、低双折射等。
液晶态特性
取向有序性
液晶分子在某一特定方向排列有序， 形成各向异性。
流动性
连续性与流动性
液晶分子的排列并不像晶体那样完美 ，而是存在一定的缺陷和位错，这些 缺陷和位错使得液晶具有流动性和连 续性。
与晶体不同，液晶具有流动性，其分 子排列不像晶体那样牢固。
01
02
03
主链型液晶高分子
分子主链具有刚性，能形 成液晶态的聚合物。
侧链型液晶高分子
液晶基元作为侧基连接在 柔性主链上，侧基具有足 够大或刚性。
组合型液晶高分子
主链和侧链上同时含有液 晶基元的聚合物。
物理性质
热学性质
具有较宽的液晶相温度范 围，较高的热稳定性和热 氧化稳定性。
力学性质
具有高强度、高模量、低 收缩等优异的力学性能。
电子领域
液晶高分子在电子领域的应用主要包括电子封装材料、电子绝缘材料等。利用液晶高分子 的耐高温、耐化学腐蚀等特性，可以提高电子产品的可靠性和稳定性。
挑战与机遇并存
挑战
液晶高分子的研究和发展面临着一些挑战，如合成难度大、成本高、应用领域受限等。此外，随着科技的不断发 展，新型显示技术不断涌现，对液晶高分子的需求也在不断变化，这对液晶高分子的研究和发展提出了更高的要 求。
液晶高分子
液晶高分子04300006 杜伟享一 概念功能高分子材料主要指那些能对物质、能量和信息具有传递转换或贮存作用的高分子材料。
我介绍的液晶高分子是有光学性能的高分子。
某些物质的结晶受热熔融或溶剂溶解后，虽然失去故态物质的刚性，而获得液态物质的流动性，却仍然部分的保村着晶态物质分子的有序排列，从而在物理性质上呈现各向异性，形成一种兼有晶体和液体的部分性质的过度态，这种中间状态为液晶态，处在这种状态的物质是液晶。
高分子液晶材料是近年来研究较多的一种功能高分子材料，它是介于液体和晶体之间的一种中介态，具有独特的结构与性能。
二 发展历史液晶现象是1888年奥地利植物学家F.Reintizer在研究胆甾醇苯甲酯时首先发现的。
它既具有晶体的各相异性，又有液态的流动性。
小分子液晶的这种神奇状态引起了人们浓厚兴趣，现已发现多种液晶材料。
这些主要是一些有机材料，形成液晶的物质通常具有刚性的分子结构，分子的长宽比例大于一，呈棒状构象，同时还具有在液相下维持分子某种排序所必需的凝聚力。
这种凝聚力通常是由结构中的强极性基团，高度可极化基团或氢键提供1937年Bawden和Pirie在研究烟草花叶病病毒时，发现其悬浮液具有液晶的特性。
这是人们第一次发现生物高分子的液晶特性，其后1950年，Elliott 与Ambrose第一次合成了高分子液晶，溶致型液晶的研究工作至此展开。
50年代到70年代，美国Duponnt公司投入大量人力才力进行高分子液晶发面的研究，取得了极大成就，1959年推出芳香酰胺液晶，但分子量较低，1963年，用低温溶液缩聚法合成全芳香聚酰胺，并制成阻燃纤维Nomex，1972年研制出强度优于玻璃纤维的超高强.高模量的Kevlar纤维，并付注实用，以后，高分子液晶的研究则从溶致型转向为热致型。
在这一方面Jackson等作出了较大贡献，他们合成了对苯二甲酸已二醇酯与对羟基苯甲酸的共聚物，可注塑成型，这是一种模量极高的自增强液晶材料。
高分子液晶
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
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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。
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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。
高分子物理---第二章 高分子凝聚态
The Aggregation State of Polymers
凝聚态(聚集态)与相态
凝聚态：物质的物理状态, 是根据物质的分 子运动在宏观力学性能上的表现来区分的, 通常包括固、液、气体（态），称为物质 三态 相态：物质的热力学状态，是根据物质的 结构特征和热力学性质来区分的，包括晶 相、液相和气相（或态） 一般而言，气体为气相，液体为液相，但 固体并不都是晶相。如玻璃(固体、液相)
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2.1.3 聚合物的结晶形态
Crystalline Polymer Morphology
结晶形态学研究的对象：单个晶粒的大小、 形状以及它们的聚集方式。 单晶体与多晶体
单晶体:具有一定外形, 长程有序 多晶体:由很多微小单晶无规则地聚集而成 单晶、球晶、树枝状晶、纤维晶、串晶、伸 直链晶等
PE的晶胞结构 Planar zigzag conformation
PP的晶胞结构
碳链的各种构象
Nylon-66 Extended
Poly-peptide Helical PET, kinked
晶胞密度
MZ c N AV
其中: M----结构单元分子量
Z----单位晶胞中单体(即链结构单元)的数目 V----晶胞体积 NA----为阿佛加德罗常数
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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。
高分子的取向结构和液晶结构(2021年整理)
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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。
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2.基本结构单元的不同
小分子：原子、分子和离子 高分子：分子链段
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3.6.1 高分子链在晶体中的构象
影响因素：分子链本身和分子链间相互 作用两种因素。
1.分子间力会影响链的相互堆砌，即影 响分子间的构象和链和链之间的堆砌密 度。如：氢键，范得华力等。
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高分子结晶的特点
1.晶区与非晶区共存。由于高分子为长 链结构，链上的原子通过共价键相连接， 因此结晶时链段是不能充分自由运动的， 必定妨碍其作规整的堆积和排列，使得 在高分子晶体内部往往含有比低分子晶 体更多的晶格缺陷。如果晶格缺陷比较 严重的话，会导致出现所谓准晶结构， 甚至会成为非晶区。
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3.6.2高分子材料晶态结构模型
1、缨状微束模型
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结构特点
晶区和非晶区互相穿插，同时存在；一 根分子链可以同时穿过几个晶区和非晶 区，在晶区中，分子链互相平行排列形 成规整的结构，但晶区的尺寸很小 （10nm左右），晶区在通常情况下是无 规取向的；而在非晶区中，分子链的堆 砌是完全无序的。这个模型又叫两相结 构模型（
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IV. 聚合物结晶过程的影响因素
（1）分子链结构 聚合物的结晶能力与分子链结构密切相关，凡分子结
构对称（如聚乙烯）、规整性好（如有规立构聚丙烯）、 分子链相互作用强（如能产生氢键或带强极性基团，如聚 酰胺等）的聚合物易结晶。
分子链的结构还会影响结晶速度，一般分子链结构越 简单、对称性越高、取代基空间位阻越小、立体规整性越 好，结晶速度越快。
（2）高分子液晶的分类 高分子液晶有三种不同的结构类型：近晶型、向列型和
胆甾型（三种模型的分子链可动）。
高分子液晶
高分子液晶的物理性质及其应用物质的液晶态物质通常分为气态、液态和固态三态。
它们在一定条件下可以相互转化。
自然界的固体多为晶态。
在晶态下，原子或分子紧密排列成晶格，其物理性质多为各向异性，有固定熔点，晶面间夹角相等。
晶体熔化时由于晶格解体，出现流动性，此时的液体不再具有规则外形和各向异性特征。
一些物质的结晶结构熔融或溶解之后虽然变为了具有流动性的液态物质，但结构上仍保存一维或二维有序排列，在物理性质上呈现各向异性，形成兼有部分晶体和液体性质的过渡状态，称为液晶态，而这种状态下的物质称为液晶。
形成液晶的物质通常具有刚性分子结构，分子呈棒状，同时还具有在液态下维持分子的某种有序排列所必须的结构因素。
这种结构特征常与分子中含对位苯撑、强极性基团和高度可极化基团或氢键相联系。
如4,4’-二甲氧基氧化偶氮苯：分子上两极性基团间相互作用有利于形成线性结构，从而有利于液晶有序态结构的稳定。
由固态到液晶态和液晶态到液态的过程都是热力学一级转变过程。
液晶分近晶型、向列型、胆甾型三种结构类型。
近晶型：棒状分子互相平行排列为层状结构，长轴垂直于层平面。
层间可相对滑动，而垂直层面方向的流动困难。
这是最接近结晶结构的一类液晶。
其粘性较大。
向列型：棒状分子互相平行排列，但其重心排列是无序的，只保存一维有序性。
分子易沿流动方向取向和互相穿越。
故向列型液晶流动性较大。
胆甾型：扁平的长形分子*端基相互作用彼此平行排列为层状结构，长轴在平面内。
相邻层间分子长轴取向由于伸出面外的光学活性基团相互作用，依次规则扭转一定角度，而成螺旋面结构。
两取向相同的分子层之间的距离称胆甾液晶的螺距。
这类液晶有极高的旋光特性。
液晶高分子高分子液晶按其液晶原所处位置不同而分为主链型和侧链型液晶。
主链液晶的主链即由液晶原和柔性链节相间组成。
侧链液晶的主链为柔性，刚性的液晶原接在侧链上。
主链类溶致型高分子液晶中，刚性基团为一些环状单元，其分解温度往往低于其熔点，故不能成为热致型液晶。
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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。
高分子的液晶态结构汇总.
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
高分子的取向结构和液晶结构
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。
4、高分子的取向机理取向过程是分子在外力作用下的有序化过程。
外力除去后，分子热运动使分子趋向于无序化，即称为解取向过程。
同时取向的过程是在外力作用下运动单元运动的过程。
必须克服高聚物内部的粘滞阻力，因而完成取向过程要一定的时间。
4.1 各取向单元的取相机理（1）链段取向：通过单键的内旋转引起的链段运动来完成，这种取向在玻璃化温度以上就可以进行。
（2）分子链取向：通过各链段的协同运动来完成，只有在粘流态下才能实现。
第2章 高分子的晶态结构
1. 球晶的成核与生长
• 异相成核与生长
由溶液中的杂质，添加剂、容器壁或其他第三组分 为晶核生长的球晶。
成核数目只与杂质数目有关。 球晶从中心一点向外发散状生长。
(a)异相成核 (b)均相成核
均相成核与生长
由聚合物分子本身形成的晶核。 一般聚合物分子在溶液中处于结晶和溶解的动态平衡 之中，随溶液温度的降低或溶剂的挥发，当达到饱和 溶液的浓度时，聚合物分子形成大于一定尺寸的聚集 体，这种聚集体不能再溶解于溶液中，称晶核。
聚乙烯* 聚异丁烯 天然橡胶 聚丁二烯 丁苯胶 聚苯乙烯 聚甲基丙烯酸 甲酯 聚醋酸乙烯酯 聚氯乙烯 聚对苯二甲酸 乙二酯 尼龙66 聚丙烯腈
62 65 67 66 66 73 83 88 91 114 185 237
CED<70卡/厘米3 的高 聚物都是非极性高聚物， 可用作橡胶； 橡胶 （<70） CED在70－100卡/厘米3 之间的高聚物分子间力 适中，适合作塑料使用。 塑料 CED> 100卡/厘米3的高 （70～ 聚物由于分子链上有强 100） 极性基团，或者分子链 间能形成氢键，分子间 纤维 作用力大，可做纤维材 （>100） 料或工程塑料；
液体 固体 液晶态 取向态 晶态
非晶态
高分子的链结构是决定聚合物基本性质的主要因素 高分子凝聚态结构是决定聚合物本体性质的主要因素
链结构与凝聚态结构的重要性比较
对于实际应用的高分子材料或制品，其使用性直接决 定于在加工中形成的凝聚态结构，从此意义上可以说，链结 构只是间接地影响聚合物材料的性能，而凝聚态结构才是直 接影响其性能的因素。
• 1957年A.J. Keller 首先发现浓度0.01% 的聚乙烯溶液中，பைடு நூலகம் 缓慢冷却时可生成棱 形片状的、电镜下可 观察到的片晶，呈现 出单晶特有典型的电 子衍射图。 • 随后陆续发现聚甲醛、 尼龙、聚脂等单晶。
高分子液晶材料
若在其中添加少量磷等,高分子液晶的阻燃性能更好。
16
（4）电性能和成型加工性优异
高分子液晶的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。
由于分子链中柔性部分的存在，其流动 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,所得成品的尺寸 很精确。
而某些物质的晶体受热熔融，或者在溶剂中溶解过程 中，虽然失去了固态的大部分性质，外观呈现液体的流 动性质，但是仍然保留一定分子排列的有序性，具有部 分晶体性质，这种过渡相态被称为液晶态。
3
2、液晶高分子的分类
液晶根据分子量的大小，可以分成小分子液晶和聚合物液 晶。
聚合物液晶是通过柔性聚合物链将小分子液晶连接起来构 成，可以克服小分子液晶稳定性差，机械强度小的缺点。 高分子化的同时还赋予聚合物液晶以其他重要性质。
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5.2 液晶高分子材料的应用
1. 作为高性能工程材料的应用 （1）电子应用领域（各种插件、开关、集成电路等） （2）军用器械和航空应用领域（防弹衣、飞机外壳） （3）汽车和机械工业应用领域（发动机内各种零部件、密封元件） （4）光纤通讯应用领域（石英玻璃、光导纤维的被覆材料） （5）其他领域（化工设备和装置）
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四、高分子液晶的表征 高分子液晶的表征是一个较为复杂的问题。结
构上细微的差别常常难以明显地区分，因此，经常 出现对同一物质得出不同研究结论的现象。因此经 常需要几种方法同时使用，互相参照，才能确定最 终的结构。目前常用于研究和表征高分子液晶的有 以下一些手段。
18
➢ X射线衍射法 ➢ 核磁共振光谱法 ➢ 介电松弛谱法 ➢ 热台偏光显微镜法 ➢ 热分析法
高聚物液晶结构与性能
四、高分子液晶的特性及应用
1、高分子液晶的流变性质
35
在液晶的许多特性中，特别有 意义的它的独特的流变性质。通常 高聚物溶液体系的粘度，随着高聚 物浓度的增加而单调地增加，但是 高分子液晶体系的粘度在低切变应 力下，呈现相反的行为。这是由于 浓度很低时，溶液为均匀的各向同 性溶液，随着浓度的增加，体系的 粘度迅速增加，粘度出现一个极大
Z=O 聚对苯撑苯并二恶唑 (PBO) 23
上述吲哚类聚合物中，研究的最多的 是PBT，其合成路线如下：
H2N
NH4SCN,HCl NH2
H2NCHN ‖ S
S ‖
NHCNH2
Br2CHCl3
24
N
S
H2N—C S
C—NH2 N
KOH
H2N
SK
ClH3N
SH
HCl
KS
NH2
HS
NH3Cl
25
HOOC—
7
8
这类液晶的高分子液晶还没有发
现，目前还在探索之中。低分子化合 物如：
C2H5O— —
—C—OC3H7 ‖
O
4—乙氧基联苯—4`—甲酸正丙酯
9
2、向列型（Nematic） 分子链呈棒状互相平行排列，
但它们的重心排列则是无序的，只 保持着固体的一维有序性，分子在 长轴方向发生连续变化。在外力作 用下，这些棒状分子容易沿流动方 向取向，并可在流动取向中互相穿 越，具有相当大的流动性。
10
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这类高分子液晶如： （1），聚对苯甲酰胺的二甲基乙 酰胺—LiCL溶液。 （2），聚对苯二甲酰对苯二胺的 浓硫酸溶液。
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3、 胆甾型（Cholesteric） 胆甾型液晶的分子是依靠端基的
液晶态结构.
感应液晶：外场（力，电，磁，光等）作用下进入液晶 态的物质 ---- PE under high pressure
流致液晶：通过施加流动场而形成液晶态的物质 ---聚对苯二甲酰对氨基苯甲酰肼
3. 液晶晶型
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，称为液晶基元。从外形上看，液晶基元通常呈现近似 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。 n 液晶基元包括棒状(条状)、盘状或双亲性分子 n 棒状(或条状) 长径比大于4 n 盘状 轴比小于1/4 n 双亲性分子 有特殊的相互作用力
③ 胆甾性
分子依靠端基的相互作用彼此平行 排列成层状结构，分子的长轴与层 片平面平行，在每个单层内分子排 列与向列型相似，而相邻两层之间 分子的长轴有规则地扭转一定角度。 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——“显示材 料”。 体系：聚L－谷氨酸型苄酯—间甲 酚溶液。
② 向列型
在向列型液晶中，棒状分子只维持一维 有序。它们互相平行排列，但重心排列 则是无序的。 在外力作用下，棒状分子容易沿流动方 向取向，并可在取向方向互相穿越。因 此，向列型液晶的宏观粘度一般都比较 小，是三种结构类型的液晶中流动性最 好的一种。 体系：聚对苯甲酰胺—二甲苯甲酰胺 /LiCl溶液
形成液晶 的临界浓度是溶致液晶的一个重要物理量，只在此浓度 以上方可形成液晶，临界浓度也是温度的函数。
2. 液晶的分类
液晶高分子
液晶高分子间的一种中介态它是介于液体和晶体之，液晶现象是1888年奥地利植物学家F.Reintizer 在研究胆甾醇苯甲酯时首先发现的。
研究表明，液晶是介于液体和晶体之间的一种特殊的热力学稳定相态，它既具有晶体的各相异性，又有液态的流动性。
小分子液晶的这种神奇状态引起了人们浓厚兴趣，现已发现多种液晶材料。
这些主要是一些有机材料，形成液晶的物质通常具有刚性的分子结构，分子的长宽比例大于一，呈棒状构象，同时还具有在液相下维持分子某种排序所必需的凝聚力。
这种凝聚力通常是由结构中的强极性基团，高度可极化基团或氢键提供。
1937年Bawden和Pirie在研究烟草花叶病病毒时，发现其悬浮液具有液晶的特性。
这是人们第一次发现生物高分子的液晶特性，其后1950年，Elliott 与Ambrose第一次合成了高分子液晶，溶致型液晶的研究工作至此展开。
50年代到70年代，美国Du Pont公司投入大量人力才力进行高分子液晶发面的研究，取得了极大成就，1959年推出芳香酰胺液晶，但分子量较低，1963年，用低温溶液缩聚法合成全芳香聚酰胺，并制成阻燃纤维Nomex，1972年研制出强度优于玻璃纤维的超高强.高模量的Kevlar纤维，并付注实用，以后，高分子液晶的研究则从溶致型转向为热致型。
在这一方面Jackson等作出了较大贡献，他们合成了对苯二甲酸已二醇酯与对羟基苯甲酸的共聚物，可注塑成型，这是一种模量极高的自增强液晶材料。
高分子液晶是介于液体和晶体之间的一种中介态，具有独特的性能。
高分子液晶一般都具有高模量高强度，并且在其相区间温度时的粘度较低，且高度取向，利用这一特性进行纺丝，不仅可以节省能耗而且可以获得高模量高强度的纤维，用于做消防用的耐火防护服或各种规格的高强缆绳；另外，经过改性后的高分子液晶还可用于显示材料或信息记录材料；小分子胆甾型液晶已成功用于测定精密温度和痕量药品的检测，高分子胆甾型液晶材料在这方面的应用也正在开发之中。
高分子液晶材料
在热致性液晶方面： 1981年下半年，中科院化学所开始研究热致性 液晶共聚芳酯（Xydar） 1983年5月国家科委与该所签订了“新型芳族 共聚酯的研究”。 同年华东化工学院、华东纺织学院、上海纺织 科研所都在研究， 以上研究取得了不少成绩，但至1986年工业化 还未成功。
这一情况，反映了我国的工业开发能力较弱， 应该扭转这一局面，搞好科研成果转让。 1988年1月6日《光明日报》报道： “我国一直依赖进口，每年花近200万美元外汇 的液晶材料已由清华大学与石家庄京华特种材 料研究所共同研制成功，并已形成批量生产力， 通过电子部鉴定”。 《化工新型材料》1999年4月 “制备高粘度芳纶亚型聚合物晶单元有相互作用，聚集排列 呈一定方向， 柔性间隔提供排列运动所需空间。
b.侧链型液晶----又称梳型
主链为柔性分子链，侧链含有介晶单元
（似大串鞭炮）
高分子液晶的性质
a.有一定的Tc，Tm～Tc区间为液晶态。 b. 各向异性：电、光 、磁各向异性 c .粘度
高分子液晶的粘度特性很特别 它具有独特的流动性，使液晶高分 子加工过程中自动取向，
液晶显示器（Liquid Crystal Display；简 称LCD）有体积小、 质量轻、厚度薄、耗 电低、不闪烁、无辐
射等众多优点。
参考文献
[ 1] 杜新宇, 张慧卿, 周其痒. 高分子通报[J], 1997, (3) : 162～165. [ 2] 赵雄燕, 张慧卿, 刘德山, 等. 化学通报[J] , 1997, (9) : 6 ～13. [3] 吴大成, 谢新光, 徐建军. 高分子液晶[M ] . 成都: 四川 教育出版社, 1988, 7. [ 4] 张其锦. 聚合物液晶导论[M ] . 合肥: 中国科学技术大学出版社, 1994, 4. [5] 周其凤, 王新久. 液晶高分子[ M] . 北京: 科学出版社, 1994, 7. [6] 李敏, 周恩乐, 徐纪平. 高分子通报[J] , 1996, ( 1) : 45～ 50 [7] 何向东, 贾叙东, 丁霞, 余学海. 高分子学报[J], 1996 ( 3) : 304～309. [8] 李从武, 潘昂. 功能高分子学报[ J], 1993, 6(2) : 181～ 190. [9] 李福明, 潘宝荣, 杨玉良. 功能高分子学报[ J], 1990, 3 (4) : 24 1～256. [10] 谢萍, 张榕本. 化学通报[J] , 1988, ( 10) : 17～21. [11] 宝净生. 化学通报[J], 1987, (8) : 17～23. [12] 李自法, 张征, 宁超峰, 等. 高分子学报[J] , 1998, (4) . [13] 赵雄燕, 陈长青, 刘德山, 等. 功能高分子学报[J ] , 1997, 10( 4) :587～595.
高物总结
高分子物理总结齐彦军一．名词解释1．高分子构型：高分子中由化学键固定了的原子或原子团的空间排列方式。
2. 等规度：聚合物中全同立构和间同立构构型的高分子占高分子总数的百分数。
3. 高分子构象：高分子的空间形态。
4. 高分子柔顺性：高分子能够呈现不同卷曲构象状态的性质。
5. 链段：高分子能做相对独立运动的段落。
6. 等效自由连接链：在一般条件下，高分子中只有部分单键可以内旋转，相邻两个可以内旋转的单键间的一段链称为链段，这样就可以把高分子看做是由链段连接而成，链段之间的连接不受键角限制，链段可以自由取向，这种分子链的均方末端距函数表达式与自由连接链的形式完全相同，只是把链数n换成链段数ne，把链长换成链段长，故这种分子链称为自由连接链。
7. 结晶性聚合物：从高分子的化学结构看具有结晶能力的聚合物。
8. 溶度参数：物质内聚能密度的平方根为溶度参数，δ。
9. 取向聚合物：具有取向聚集态结构的聚合物。
10.取向态：聚合物中的分子链或链段或微晶的某一晶轴或晶面，朝着某一方向或平行于某一平面占优势的排列即取向，这种聚合物处于取向态。
11.聚合物的转变：在一定条件下，本体聚合物由一种模式的分子运动向另一模式的分子运动变化，此时，聚合物的力学性能，热力学性能，电学性能及化学性能等发生急剧改变，热力学上称为转变，动力学上成为松弛。
12.聚合物的介电损耗：电解质在交变电场下，载流子的运动，高分子的极化克服内摩擦，将电场功的一部分以热的形式损耗的现象。
13.高分子液晶：呈现液晶态的聚合物。
14.聚合物液晶态：一些结晶聚合物加热熔融或加溶剂溶解成溶液，在一定条件下呈现出既具有晶体又具有液体部分性能的过度状态，这种中间状态称为聚合物液晶态。
15.粘弹性：在外场作用下，聚合物既表现出理想弹性体的弹性，又表现出理想粘性体的粘性，弹性和粘性的比例随外场作用等因素不同而不同的力学性能。
16.蠕变：在一定温度、湿度和不太大的恒定外力作用下，形变随时间延长而增大的现象。
高分子的晶态结构
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图9 球晶各生长阶段形象示意图
(a) 多层片晶 (b) 与 (c)多层片晶 (d) 捆束状形式 (e) 球状外形
1. 聚合物结晶形态
二、 单晶
（1）发现背景
1953年W.Schlesinger和H.M.Leeper提出的，他们 将反式聚异戊二烯的约0.01％的苯溶液冷却，用偏光 显微镜观察析出的晶体，认为是单晶。
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1. 聚合物结晶形态
表1 部分聚合物单晶的形成条件和形状
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1. 聚合物结晶形态
3. 树枝状晶
(1) 形成条件
从溶液析出时，当结晶温度较低或溶液浓度较大 或分子量过大时，高分子倾向于生成树枝状晶。
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1. 聚合物结晶形态 (2) 形成原因
树枝状晶生成原因在于晶片上的某些特殊部位在生 长中较其它部位占优势，造成结晶的不均匀发展，形成 分枝，这些分枝是由许多单晶片组成的。
聚合物结晶形态聚合物结晶形态例如聚乙烯在压力为480mpa温度为2268h的条件下可生成熔点为1401的伸展链片晶其结晶度为97伸直链晶片厚度达3微米密度可达9938gcm已同理论计算的理想晶体的数值100gcm聚合物结晶形态聚合物结晶形态如果聚乙烯m50000在压力为480mpa温度为237200h的条件下伸直链晶片厚度达40微除pe外聚四氟乙烯聚三氟氯乙烯聚偏氯乙烯和尼龙等在高压下结晶时也能形成伸直链片聚合物结晶形态聚合物结晶形态图17高温高压下得到的聚乙烯的伸直链片晶图18低分子量聚乙烯熔体结晶中的伸直链片晶聚合物结晶形态聚合物结晶形态特点具有伸直链片晶这种聚集态形式的聚合物的熔点最高相当于晶片厚度趋于无穷大的熔点被认为是高分子热力学上最稳定的一种聚集态结构形态
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关液晶方面的资料，发表在Chemical Review上，才引起
科学界的重视。
2. 液晶的发展简史
与此同时，液晶的应用研究也取得了一些成果。20
世纪 60年代， Fergason根据胆甾相液晶的颜色变化设计 出测定表面温度的产品；Herlmeier根据向列相液晶的电 光效应制成了数字显示器、液晶钟表等产品，开创了液 晶电子学。
（a）向列型液晶
（b）近晶型结构
（c）胆甾型液晶
5. 液晶的分类
（a）向列型(nematic)液晶 向列相液晶的分子呈棒状，分子的长径比大于 4 ，分 子质心没有长程有序性，其长轴互相平行，但不排列成层， 如图1.2所示。向列相液晶分子的排列和运动比较自由，对
外力相当敏感，是目前液晶显示器的主要材料。
1. 物质的液晶态
1.1 液晶的概念
液晶（liquid crystalline, LC）是介于各向同
性的液体和各向异性的晶体之间的一种取向有序
的流体，它兼有液体的流动性与晶体的双折射等 特征。
1. 物质的液晶态
1.2 液晶的取向
晶态
液晶态
液态
图1.1 晶态、液晶态与液态分子的排列示意图
2. 液晶的发展简史 2.1 液晶的起源与诞生
X—□—L—□—Y
(1) —□—表示分子中的刚性环状结构，如苯环等。 (2) X，Y为刚性基团上的取代基，如烷基等； (3) L为连接集基团，如酯基等。
4. 液晶分子的结构 4.2 高分子液晶的结构
能形成液晶高分子通常由刚性和柔性两部分组成。
刚性部分主要是芳香族和脂肪型环状结构，柔性部分
多是可以自由旋转的σ 键连接起来的饱和链。
液晶的研究可追溯至 19 世纪中叶，但首次
明确认识液晶是在1888年，由奥地利植物学家 F.
Reinitzer观察到。
2. 液晶的发展简史
他在加热胆甾醇苯甲酸酯时，发现这种化合物
的熔化现象十分特殊，145.5℃时熔化为乳浊的液体，
178.5℃时变为清亮的液体；冷却时先出现紫蓝色，不
久颜色消失出现浑浊状液体，继续冷却，再次出现紫 蓝色，然后结晶。
液 晶
Liquid Crystalline
内容提要
1. 物质的液晶态 2. 液晶的发展简史 3. 液晶形成的条件
4. 液晶分子的结构
5. 液晶的分类
6. 液晶性能的表征
7. 液晶的应用
1.物质的液晶态
物 质 的 存 在 形 式
晶态、液态、气态 等离子态(plasmas) 非晶固态(amorphous solids) 超导态(superconductors) 中子态(neutron ) 液晶态(liquid crystals)
业化生产，从此，液晶高分子走上一条迅速发展的道路。
3. 液晶的形成的条件
（1）分子具有不对称的几何形状。如棒状、平板状或盘状。
（2）分子要有一定的刚性。如含有多重键、芳香环等刚性基团。
（3）分子之间要有适当大小的作用力来维持分 子的有序排列，
即液晶分子要含有极性或易极化的基团。
4. 液晶分子的结构 4.1 小分子液晶的结构
4. 液晶型
5. 液晶的分类 (1) 按分子量大小分类
（a）小分子液晶 ；（b）高分子液晶
(2) 按物质的来源分类
（a）天然液晶 ； （b）合成液晶
5. 液晶的分类 (3) 按液晶形成的条件分类
（a）溶致液晶 （b）热致液晶
(4) 根据分子排列的形式和有序性的不同分类
2. 液晶的发展简史
根据F. Reinitzer提供的线索，德国著名物理学家 Lehmann 用偏光显微镜观察了这种化合物，发现浑浊 状的中间相具有和晶体相似的性质，于是他把这种具 有各向异性和流动性的液体称为液晶。
2. 液晶的发展简史 2.2 液晶的发展过程
液晶诞生之后，有关液晶的合成与理论研究迅速 开展起来。液晶的双折射理论(O. Wiener)、 相态理 论 (E. Bose) 、取向机理 ( V. Grandiean) 、液晶连
续体理论(W. Kast、G. Friedel) 等相继被建立。
2. 液晶的发展简史
从基础研究的角度来看，这些研究工作开创了一个 崭新的领域，具有重要的理论意义，但由于没有突出的 使用背景，没有引起广泛重视。直到 1957 年， G. H. Brown等人整理了从1888年到1956年约70年间近500篇有
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。
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
2. 液晶的发展简史
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。
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
5. 液晶的分类
（c）胆甾相(cholesteric)液晶 胆甾相液晶分子呈扁平状且排列成层，层内分子相 互平行。相邻两层分子，其长轴彼此有一轻微的扭角， 多层分子的排列方向逐渐扭转成螺旋线，形成一个沿层
的法线方向排列成螺旋状结构，如图1.4所示。
5. 液晶的分类
图1.4 胆甾相液晶
晶高分子才引起人们的广泛关注 。
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
5. 液晶的分类
图1.2 向列相液晶
5. 液晶的分类
（b）近晶相(smectic)液晶 近晶相液晶是由棒状或条状的分子组成，分子排列 成层，层内分子长轴相互平行或接近于平行，其方向可 以垂直于层面，或与层面成倾斜排列，层的厚度等于分
子的长度，如图1.3所示。
5. 液晶的分类
图1.3 近晶相液晶