液晶高分子材料

高分子液晶材料

液晶態(tài)相關(guān)概念高分子液晶分類高分子液晶材料表征方法高分子液晶結(jié)構(gòu)及性能高分子液晶的應(yīng)用1編輯ppt某些物質(zhì)受熱熔融或被溶劑溶解后，雖然它有液體的流動性，但卻保持著晶態(tài)物質(zhì)分子的有序性，表達出晶體的各向異性,形成一類兼有晶體和液體局部性質(zhì)的過渡態(tài)，這種中間狀態(tài)狀稱為液晶態(tài)。什么是液晶（LC)？2編輯ppt液晶的發(fā)現(xiàn)3編輯ppt按分子排列的形式和有序性的不同，液晶有三種結(jié)構(gòu)類型：近晶型、向列型和膽甾型。近晶型向列型膽甾型此外，液晶高分子中還有少數(shù)分子的形狀呈盤狀，這些液晶相態(tài)歸屬于盤狀液晶分類4編輯ppt近晶型液晶是所有液晶中最接近結(jié)晶結(jié)構(gòu)的一類，棒狀分子互相平行排列成層狀結(jié)構(gòu)。分子的長軸垂直于層狀結(jié)構(gòu)平面。層內(nèi)分子排列具有二維有序性。但這些層狀結(jié)構(gòu)并不是嚴格剛性的，分子可在本層內(nèi)運動，但不能來往于各層之間。層狀結(jié)構(gòu)之間可以相互滑移，而垂直于層片方向的流動卻很困難。近晶型近晶型液晶通常是一種渾濁黏稠液體5編輯ppt向列型向列型液晶在向列型液晶中，棒狀分子只維持一維有序。它們互相平行排列，但重心排列那么是無序的。在外力作用下，棒狀分子容易沿流動方向取向，并可在取向方向互相穿越。因此，向列型液晶的宏觀黏度一般都比較小，是三種結(jié)構(gòu)類型的液晶中流動性最好的一種，大多液晶屬于這種。一種渾濁的可流動的狀態(tài)6編輯ppt膽甾型分子是長而扁平的。它們依靠端基的作用，平行排列成層狀結(jié)構(gòu)，長軸與層片平面平行。層內(nèi)分子排列與向列型類似，棒狀分子分層平行排列，在每個單層內(nèi)分子排列與向列型相似，相鄰兩層中分子長軸依次有規(guī)那么地扭轉(zhuǎn)一定角度，分子長軸在旋轉(zhuǎn)3600后復(fù)原。膽甾型液晶由于扭轉(zhuǎn)分子層的作用，照射在其上的光將發(fā)生偏振旋轉(zhuǎn)，使得膽甾型液晶通常具有彩虹般的漂亮顏色7編輯ppt8編輯ppt熱致性液晶溶致性液晶依靠溫度的變化，在某一溫度范圍形成的液晶態(tài)物質(zhì)依靠溶劑的溶解分散，在一定濃度范圍形成的液晶態(tài)物質(zhì)按形成條件分此外，在外場〔如壓力，流動場，電場，磁場和光場等〕作用下形成的液晶稱為感應(yīng)液晶，如壓致液晶、流致液晶。9編輯ppt高分子液晶與小分子液晶相比特殊性①熱穩(wěn)定性大幅度提高②熱致性高分子液晶有較大的相區(qū)間溫度③粘度大，流動行為與一般小分子溶液顯著不同10編輯ppt液晶是某些物質(zhì)在從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)換時形成的一種具有特殊性質(zhì)的中間相態(tài)或過渡相態(tài)。顯然過渡態(tài)的形成與分子結(jié)構(gòu)有著內(nèi)在聯(lián)系。分子結(jié)構(gòu)在液晶的形成過程中起著主要作用，決定著液晶的相結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)。高分子液晶的分子結(jié)構(gòu)特征11編輯ppt研究說明，能夠形成液晶的物質(zhì)通常在分子結(jié)構(gòu)中具有剛性局部，稱為致晶單元。從外形上看，致晶單元通常呈現(xiàn)近似棒狀或片狀的形態(tài)，這樣有利于分子的有序堆砌。這是液晶分子在液態(tài)下維持某種有序排列所必須的結(jié)構(gòu)因素。在高分子液晶中這些致晶單元被柔性鏈以各種方式連接在一起。液晶的分子結(jié)構(gòu)12編輯ppt

致晶單元通常由苯環(huán)、脂肪環(huán)、芳香雜環(huán)等通過柔性連接單元連接組成。連接單元常見的化學(xué)結(jié)構(gòu)包括亞氨基〔－C＝N－〕、氧化偶氮基〔－NO＝N－〕、酯基〔－COO－〕和乙烯基〔－C＝C－〕等。13編輯ppt在致晶單元的端部通常還有一個柔軟、易彎曲的取代基〔R)，這個端基單元是各種極性的或非極性的基團，對形成的液晶具有一定穩(wěn)定作用，因此也是構(gòu)成液晶分子不可缺少的結(jié)構(gòu)因素。常見的R包括—R’、—OR’、—COOR’、CN、—OOCR’、—COR’、—CH=CH—COOR’、—Cl、—Br、—NO2等。14編輯ppt聚合物骨架連接單元取代基剛性體15編輯ppt主鏈型高分子液晶和側(cè)鏈型高分子液晶在液晶形態(tài)上和物理化學(xué)性質(zhì)有大差異：主鏈型高分子液晶為高強度、高模量的結(jié)構(gòu)材料，而側(cè)鏈型高分子液晶為具有特殊性能的功能高分子材料。主鏈型液晶高分子：致晶單元處在高分子主鏈上側(cè)鏈型液晶高分子：致晶單元位于高分子側(cè)鏈上16編輯ppt液晶類型結(jié)構(gòu)形式名稱主鏈型縱向型垂直型星型盤型混合型液晶單元與高分子鏈的連接方式17編輯ppt側(cè)鏈型梳型多重梳型盤梳型腰接型結(jié)合型網(wǎng)型18編輯ppt影響高分子液晶形態(tài)和性能的因素內(nèi)在因素為分子結(jié)構(gòu)、分子組成和分子間力。外部因素那么主要包括環(huán)境溫度、溶劑等。影響高分子液晶形態(tài)與性能的因素包括外在因素和內(nèi)在因素兩局部。19編輯ppt內(nèi)部因素對高分子液晶形態(tài)與性能的影響剛性局部高分子液晶分子中必須含有具有剛性的致晶單元。剛性結(jié)構(gòu)不僅有利于在固相中形成結(jié)晶，而且在轉(zhuǎn)變成液相時也有利于保持晶體的有序度。20編輯ppt分子構(gòu)型和分子間力在熱致性高分子液晶相態(tài)和性能影響最大的因素。分子間力大和分子規(guī)整度高雖然有利于液晶形成，但是相轉(zhuǎn)變溫度也提高，使液晶形成溫度提高，不利于液晶的加工和使用。溶致性高分子液晶不存在上述問題。

分子構(gòu)型和分子間力21編輯ppt致晶單元呈棒狀時，有利于生成向列型或近晶型液晶；致晶單元呈片狀或盤狀的，易形成膽甾醇型或盤型液晶。致晶單元形狀另外，高分子鏈上或者致晶單元上帶有不同結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的基團，都會對高分子液晶的偶極矩、電、光、磁等性質(zhì)產(chǎn)生影響。22編輯ppt致晶單元中的剛性連接單元的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)直接影響液晶的穩(wěn)定性。含有雙鍵、三鍵的二苯乙烯、二苯乙炔類的液晶的化學(xué)穩(wěn)定性較差，會在紫外光作用下因聚合或裂解失去液晶的特性。

剛性連接單元23編輯ppt對熱致型高分子液晶來說，最重要的影響因素是溫度。足夠高的溫度能夠給高分子提供足夠的熱動能，是使相轉(zhuǎn)變過程發(fā)生的必要條件。因此，控制溫度是形成高分子液晶和確定晶相結(jié)構(gòu)的主要手段。外部因素對高分子液晶形態(tài)與性能的影響

除了內(nèi)部因素外，液晶相的形成也賴于外部條件的作用。外在因素主要包括環(huán)境溫度和溶劑等。24編輯ppt

對于溶致型液晶，溶劑與高分子液晶分子之間的作用起非常重要的作用。溶劑的結(jié)構(gòu)和極性決定了與液晶分子間的親和力的大小，進而影響液晶分子在溶液中的構(gòu)象，能直接影響液晶的形態(tài)和穩(wěn)定性。控制高分子液晶溶液的濃度是控制溶致型高分子液晶相結(jié)構(gòu)的主要手段。25編輯ppt通過對共聚酯的化學(xué)結(jié)構(gòu)與液晶相行為的關(guān)系的大量研究，發(fā)現(xiàn)分子鏈中柔性鏈段的含量與分布、相對分子質(zhì)量、間隔基團的含量和分布、取代基的性質(zhì)等因素均影響液晶的相行為。主鏈型高分子液晶的相行為26編輯ppt研究說明，完全由剛性基團連接的分子鏈由于熔融溫度太高而無實用價值，必須引入柔性鏈段才能很好呈現(xiàn)液晶性。柔性鏈段越長，液晶轉(zhuǎn)化溫度越低，相區(qū)間溫度范圍也越窄。柔性鏈段太長那么失去液晶性。交替共聚酯無液晶性，而嵌段和無規(guī)分布的共聚酯均呈現(xiàn)液晶性?！?〕共聚酯中柔性鏈段含量與分布的影響27編輯ppt

共聚酯液晶的清亮點Tcl隨其相對分子質(zhì)量的增加而上升。當(dāng)相對分子質(zhì)量增大至一定數(shù)值后，清亮點趨于恒定。布魯斯坦(Blurmstein)據(jù)此總結(jié)出一經(jīng)驗公式為：其中，C1和C2為常數(shù)。〔2〕相對分子質(zhì)量的影響清亮點Tcl：當(dāng)化合物在升高溫度時突然變?yōu)楦飨蛲缘耐该饕后w時，相應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度稱為清亮點28編輯ppt主鏈型高分子液晶中致晶基團間的連接單元的結(jié)構(gòu)明顯影響其液晶相的形成。間隔基團的柔性越大，液晶清亮點就越低。例如將連接單元—CH2—與—O—相比，后者的柔性較大。其清亮點較低。有—(CH2)n—連接單元的高分子液晶，隨n增大，柔性增加，那么清亮點降低?！?〕連接單元的影響29編輯ppt非極性取代基的引入影響了分子鏈的長徑比和減弱了分子間的作用力，往往使高分子液晶的清亮點降低。極性取代基使分子鏈間作用力增加。因此取代基極性越大，高分子液晶的清亮點越高?！?〕取代基的影響30編輯ppt分子鏈中結(jié)構(gòu)單元可有頭—頭連接、頭—尾連接、順式連接、反式連接等連接方式。研究說明，頭—頭連接和順式連接使分子鏈剛性增加，清亮點較高。頭—尾連接和反式連接使分子鏈柔性增加，那么清亮點較低?！?〕結(jié)構(gòu)單元連接方式的影響31編輯ppt側(cè)鏈型高分子液晶的合成側(cè)鏈型高分子液晶通常通過含有致晶單元的單體聚合而成，因此主要有以下三種合成方法：側(cè)鏈型高分子液晶的合成和相行為32編輯ppt這類合成方法可用通式表示：例如，將致晶單元通過有機合成方法連接在甲基丙烯酸酯或丙烯酸酯類單體上，然后通過自由基、陰離子、陽離子聚合等得到。〔1〕加聚反響33編輯ppt這類合成方法的通式如下：例如將含致晶單元的乙烯基單體與主鏈硅原子上含氫的有機硅聚合物進行接枝反響，可得到主鏈為有機硅聚合物的側(cè)鏈型高分子液晶?！?〕接枝共聚34編輯ppt這類合成方法的通式如下：例如，將含有致晶單元的氨基酸通過自縮合即可得到側(cè)鏈型高分子液晶?！?〕縮聚反響35編輯ppt影響側(cè)鏈型高分子液晶相行為的因素有側(cè)鏈結(jié)構(gòu)、主鏈結(jié)構(gòu)、聚合度、化學(xué)交聯(lián)等。〔1〕側(cè)鏈結(jié)構(gòu)的影響側(cè)鏈一般包括致晶單元和連接單元。

側(cè)鏈型高分子液晶的相行為36編輯ppt最直接地影響液晶的相行為。由于剛性致晶單元間的體積效應(yīng)，使其只能有規(guī)那么地橫掛在主鏈上。致晶單元連接單元連接單元基團長度增加，液晶的清亮點向低溫移動，甚至?xí)种埔壕嗟漠a(chǎn)生。37編輯ppt主鏈柔順性增大，那么液晶相區(qū)間增大，清亮點移向高溫〔2〕主鏈結(jié)構(gòu)的影響分子結(jié)構(gòu)TdΔT373453989043915038編輯ppt側(cè)鏈的相對分子質(zhì)量對側(cè)鏈型高分子液晶相行為的影響規(guī)律與對主鏈型液晶的影響根本相同。隨相對分子質(zhì)量的增大，清亮點移向高溫?！?〕側(cè)鏈相對分子質(zhì)量的影響39編輯ppt化學(xué)交聯(lián)使大分子運動受到限制。但當(dāng)交聯(lián)程序不高時，鏈段的微布朗運動可根本上不受限制。因此，對液晶行為根本無影響。但當(dāng)交聯(lián)程度較高時，致晶單元難以整齊地定向排列，那么將抑制液晶的形成?！?〕化學(xué)交聯(lián)的影響40編輯ppt液晶高分子的黏度與一般高聚物不同，液晶高聚物的黏度隨濃度或溫度的提高將出現(xiàn)極大和極小值顯然，黏度增加濃度下降時，說明分子開始有序的形成液晶，當(dāng)體系成為均一的各向異性的液晶相，黏度到達谷值，流動性很好，再這樣的條件下容易加工，容易得到取向度高的材料41編輯ppt液晶高聚物的黏度隨溫度的變化也有類似的規(guī)律42編輯ppt高分子液晶材料表征方法43編輯ppt硝基取代的液晶高分子的DSC曲線44編輯ppt45編輯ppt熱臺偏光顯微鏡法〔POM法〕觀察形態(tài)推測結(jié)構(gòu)黏度測定法測定黏度X射線衍射法空間結(jié)構(gòu)參數(shù)，有序度核磁共振光譜法結(jié)構(gòu)分析，取向性介電松弛譜法極化弛豫，組成內(nèi)部結(jié)構(gòu)相容性判別法結(jié)構(gòu)相似性光學(xué)雙折射法折射率，空間結(jié)構(gòu)研究和表征高分子液晶的手段：46編輯ppt液晶高分子材料的應(yīng)用

主鏈型液晶高分子：制備高強度、高模量纖維以及原位復(fù)合材料和分子復(fù)合材料等。（結(jié)構(gòu)材料）側(cè)鏈型液晶高分子：信息材料、光學(xué)顯示材料等。（功能材料）47編輯ppt高分子液晶在其相區(qū)間溫度時的粘度較低，而且高度取向。紡絲可節(jié)省能耗，而且可獲得高強度、高模量的纖維。Kevlar纖維?！?〕制造具有高強度、高模量的纖維材料48編輯ppt將具有剛性棒狀結(jié)構(gòu)的主鏈型高分子液晶材料分散在無規(guī)線團結(jié)構(gòu)的柔性高分子材料中，即可獲得增強的分子復(fù)合材料。例如，用PBA〔聚對苯甲酞胺〕，PPTA〔聚對苯二甲酰對苯二胺〕與尼龍—6、尼龍—66等材料共混，液晶在共混物中形成“微纖〞，對基體起到顯著的增強作用?！?〕分子復(fù)合材料49編輯ppt

向列型液晶在電場作用下,光的反射或透射率會發(fā)生變化.因此可用來顯示具有灰度的黑白單色的圖像.膽甾型液晶加上電場時可使光有選擇的反射或透射,故可顯示彩色圖像。向列型混合液晶

可用于臺式電子計算機,測試和測量儀器上數(shù)字面板表上的顯示器,多色顯示器及平面電視顯像管體育比賽計分牌的顯示器.

〔3〕高分子液晶顯示材料50編輯ppt液晶對氣體和蒸汽污染的靈敏