功能高分子材料第五章液晶.ppt

第五章 高分子液晶材料 主要内容： 1 液晶态及液晶相关概念性质； 2 高分子液晶结构有分类、合成制备和实际应用； 3 高分子液晶研究和测试方法。 在外界条件发生变化时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。 某些物质受热熔融或被溶解，外观呈液态物质的流动性， 仍然保留着晶态物质分子的有序排列，各向异性; 球晶的偏光显微照片 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。 研究发现，处于145℃和179℃之间的液体部分 保留了晶体物质分子的有序排列，因此被称为“流 动的晶体”、“结晶的液体”。1889年，德国科学家 将处于这种状态的物质命名为“液晶”（liquid crystals，LC）。 研究表明，液晶是介于晶态和液态之间的一种热力学稳定的相态，它既具有晶态的各向异性，又具有液态的流动性。 已发现许多一些有机化合物质具有液晶特性。形成液晶的条件： 1) 致晶单元:导致液晶形成的刚性结构部分。 2）分子的长度和宽度的比例R>>l，呈棒状或 近似棒状的构象。 3）凝聚力:强极性基团、高度可极化基团、氢 键等相联系的。 例如聚乙烯在某一压力下可出现液晶态，是一种压致型液晶。聚对苯二甲酰对氨基苯甲酰肼在施加流动场后可呈现液晶态，流致型液晶。 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。（见图 5-1）。 （1）近晶型液晶（smectic liquid crystals，S） 近晶型液晶是所有液晶中最接近结晶结构的一类，棒状分子互相平行排列成层状结构。分子的长轴垂直于层状结构平面。层内分子排列具有二维有序性。但这些层状结构并不是严格刚性的，分子可在本层内运动，但不能来往于各层之间。层状结构之间可以相互滑移，而垂直于层片方向的流动却很困难。 这种结构决定了近晶型液晶的粘度具有各向异 性。但在通常情况下，层片的取向是无规的，因 此，宏观上表现为在各个方向上都非常粘滞。 根据晶型的细微差别，近晶型液晶还可以再分 成9个小类。按发现年代的先后依次计为SA、 SB 、 ……SI。 近晶型液晶结构上的差别对于非线性光学特性 有一定影响。 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。 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” 现在发现，除了刚性部分均呈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。 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。 高分子液晶的结构比较复杂，因此分类方法很多，常见的可分类如下： 按致晶单元排列形式和有序性的不同：近晶型、向列型和胆甾型等。至今为止大部分高分子液晶属于向列型液晶。 主链型液晶大多数为高强度、高模量的材料，侧链型液晶则大多数为功能性材料。 按形成高分子液晶的单体结构，两亲型和非两亲型两类。 两亲型指兼具亲水和亲油（亲有机溶剂）作用的分子（极少）溶致性液晶。 非两亲型是一些几何形状不对称的刚性或半刚性的棒状或盘状分子（绝大多数)热致性液晶。 以盘状分子聚合的高分子液晶也极为少见. 高分子液晶与小分子液晶相比特殊性 液晶是一种不同寻常的相态。只有当分子比较 僵硬、长径比较大和分子间有较强吸引力时，这种 相态才会出现。 众所周知，高分子物质有两个经典的相态，固 态和液态。固态为晶态，液态则包括流动态和玻璃 态两种。 取向有序、位