高分子材料概述课程报告之液晶高分子材料

高分子材料概述课程报告之液晶高分子材料一．概述

进入近代社会特别是进入二十一世纪，人类对材料的需求越来越迫切，对材料的性能和经济性的要求也越来越高，在这样的背景下，液晶高分子材料显然具有巨大优势。可液晶高分子材料又是一类什么材料呢？

首先来介绍一下液晶：液晶是某些小分子有机化合物或某些高分子在熔融态或在液体状态下, 形成的有序流体, 既具有晶体的各向异性, 又具有液体的流动性, 是一种过渡状态, 这种中间态称为液晶态,又称为物质的第四态或介晶态。处于这种状态下的物质称为液晶。而液晶高分子是由液晶单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功能，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。而在自然界也存在天然液晶高分子材料，如纤维素衍生物、多肽及蛋白质、DNA和RNA等，与它们对应的则为合成液晶高分子。根据液晶形成的条件，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。

二．液晶高分子材料的性能

液晶高分子含有棒状等具有一定长径比的液晶单元，因此其分子键都为刚性或半刚性。这种刚性或半刚性的分子键易于形成空间位置

上排布的有序性和在液晶态加工过程中分子键能高度取向，因此液晶高分子材料具有一系列优异的性能。液晶高分子的熔体具有高流动性、低成型收缩率、低热膨胀系数与高的尺寸稳定性、高强度与高模量、耐高温等力学性能，并有优异的电绝缘性能、耐化学腐蚀性、耐老化性、阻燃性等一系列优异的综合性能。作为液晶白增强塑料、高性能纤维、板材、薄膜及光导纤维包覆层，被广泛应用于电子电器、航天航空、国防军工、光通讯等高新技术领域以及汽车、机械、化工等国民经济各工业部门。正是由于其优异的性能和广阔的应用前景，使得液晶高分子材料成为当前高分子科学中颇有吸引力的一个研究领域。

三．液晶高分子材料的分类

液晶高分子材料具有如此优异的性能，那其分类又有哪些呢？目前，液晶高分子分类方法有三种。从液晶基元在分子中所处的位置可分为主链型和侧链型两类。从应用的角度可分为热致型和溶致型两类，这两种分类方法是相互交叉的，即主链型液晶高分子同样具有热致型和溶致型，而热致型液晶高分子又同样存在主链型和侧链型。从液晶高分子在空间排列的有序性不同，液晶高分又有近晶型、向列型、胆甾型三种不同的结构类型。

（1）近晶型结构

近晶型结构是所有液晶中具有最接近结晶结构的一类。这类液晶中，棒状分子依靠所含官能团提供的垂直于分子的长轴方向的强有力的相互作用，互相平行排列成层状结构，分子的长轴垂直于层片平

面。在层内，分子排列保持着大量二维固体有序性，但是这些层片又不是严格刚性的，分子可以在本层内活动，但不能来往于各层之间，结果这类柔性的二维分子薄片之间可以相互滑动，而垂直于层片方向的流动则要困难。因此，近晶型液晶一般在各个方向都是非常粘滞的。（2）向列型结构

此类液晶有相当大的流动性。因为这类液晶，棒状分子之间只是互相平行排列。但是他们的重心排列则是无序的，在外力作用下发生流动，很容易沿流动发祥取向，并且互相穿越。向列型液晶的棒状分子也仍然保持着与分子轴方向平行的排列状态，但没有近晶型液晶中那种层状结构。此种液晶仍然显示正的双折射性。此外与近晶型液晶相比，向列型液晶的粘度小，富于流动性。产生这种流动性的原因主要是由于向列型液晶各个分子容易顺着长轴方向自由移动。

（3）胆甾型结构

胆甾型液晶和近晶型液晶一样具有层状结构但层内的分子排列却与向列型液晶类似，分子长轴在层内是相互平行的。这类液晶比较突出的特点是各层的分子轴方向与邻接层的分子轴方向都略有偏移，液晶整体形成螺旋结构，螺距的长度与可见光波长数量级相同。胆甾型液晶的旋光性、选择性光散射和圆偏振光二色性等光学性质，就是由这种特殊的螺旋结构引起的。胆甾型液晶的光学性质与近晶型和向列型液晶有所不同，具有负的双折射性质。

四．液晶高分子材料的发展应用

我国液晶高分子研究始于20世纪70年代初，1987年在上海召开的

第一届全国高分子液晶学术会议标志着我国高分子液晶的研究上了一个新的台阶。此后，全国高分子液晶态学术会议每两年召开一次，共召开了8次。1994年在北京召开IUPAL国际液晶高分子会议，20世纪80年代周其凤等提出了新的甲壳型液晶高分子的概念并从化学合成和物理性质等角度给出了明确的结论，得到了国内学者的关注。而北京大学在该研究一直处于领先地位，已成功合成了上百个具有不同化学结构的甲壳型液晶高分子，并从不同的视角对其结构和性质开展了研究。

液晶高分子存在于自然界很多物质中，像是生物体中的纤维素、多肽、核酸、蛋白质、细胞及细胞膜等都存在液晶态。液晶的原理首先在1888年由奥地利植物学家F.Reinitzer(F.Reinitzer,Monatsh.Chem,9,421,1888)提出，之后，德国科学家O.Lehamann验证了液晶的各向异性，他建议将其命名为Fliessendekrystalle，在英语中也就是液晶（Liquid C rystal或简写为LC）。19世纪60年代，人们发现聚对苯甲酰胺溶解在二甲基乙酰胺LiCl中，和聚对苯二甲酰对苯二胺溶解在浓硫酸中，都可以形成向列型液晶。刚性分子链在溶液中伸展，当其浓度达到临界浓度时由于部分刚性分子聚集在一起形成有序排列的微曲结构，使溶液由各向同性向各向异性转变，由此形成了液晶。随即，美国杜邦公司先后推出了PSA及Kevelar纤维和PPTA，标志着液晶高分子研究工业化发展的开始。到70—80年代，出现了诸如Xydar，Vecta等一系列商用型热致液晶，液晶高分子材料逐渐开始推广。发展至今，液晶这

一形态已经成为一个相当大的物质家族，其商业用途多达几百种，例如日常生活中所用的液晶显示手表、计算器、笔记本电脑和高清晰的彩色电视等都已商业化，使得显示技术领域发生重大的革命性变化。

液晶高分子的一系列不同寻常的性质已经得到了广泛的实际应用，其中大家最为熟悉的就是上面提到的液晶显示技术，它是应用向列型液晶的灵敏的电响应特性和优秀的光学特性的典型例子。把透明的向列型薄膜夹在两块导电的玻璃板之间，在施加适当电压的点上变得不透明，因此当电压以某种图形的形式加到液晶薄膜上就产生了图像。这一原理等同于学生日常学习使用的计算器，在通电时液晶分子排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时分子排列混乱，阻止光线通过，因而显示出所要计算的数字。液晶显示器件最大的优点在于耗电低，可以实现微型化和超薄化。与小分子液晶材料相比，液晶高分子在图形显示方面的应用前景在于利用其优点开发大面积、平面、超薄型、直接沉积在控制电极表面的显示器，具有相当大的优势。

液晶高分子还可以利用其热-光效应来实现光存储。首先将存储介质制成透光的液晶态晶体，这时测试的光完全透过，证明没有信息记录；当用一束激光照射存储介质时，局部温度升高而使液晶高分子熔融成各向同性熔体，分子失去有序性；激光消失后，液晶高分子凝结成不透光的固体，信号被记录下来。此时如果再照射测试光，将仅有部分光透过，记录的信息在室温下永久保存。

此外，将刚性高分子溶液的液晶体系所具有的流变学特性应用于纤维加工过程中，已创造出一种新的纺织技术—液晶纺丝，这种新技

术使纤维的力学性能提高了两倍以上，获得了高强度、高模量、综合性能优越的纤维。由于刚性高分子溶液形成的液晶体系具有高浓度、低粘度和低切变速率下高度取向的流变学特性，因此采用液晶纺丝便顺利地解决了高浓度溶液必然伴随着高粘度的问题。同时，由于液晶分子的取向，纺丝时可以在较低的牵伸条件下获得较高的取向度，避免纤维在高倍拉伸时产生应力和受到损伤。这样所得到的高性能纤维可用于制造防弹衣、缆绳和特种复合材料等。

五．液晶高分子材料的应用

液晶高分子材料不仅在化学、物理方面得到了广泛的应用，其在生物医学方面的应用也是不容小觑的。由于在电、磁、光、热、力等条件变化时，液晶高分子膜材料具有更高的透过量和选择性。因此，利用溶致型液晶（根据液晶形成条件的不同液晶态物质又可分为“热致型液晶”和“溶致型液晶”）高分子的成型过程，如形成层状结构，再进行交联固化成膜，可以制备具有部分类似功能的膜材料。脂质体是液晶高分子在溶液中形成的一种聚集态，这种微胶囊最重要的应用就是作为定点释放和缓解药物的使用。微胶囊中包裹的药物随体液到达病变点后被酶作用破裂释放出药物，达到定点释放药物的目的。

如上所述，作为新兴的功能材料，液晶高分子材料具有很大突出的优点。随着人们对它不断地研究，液晶高分子材料会逐步代替目前使用的部分金属和非金属材料。液晶高分子材料作为一种新型高分子，人们对它的认识还不充分，但在不远的将来，液晶高分子材料的应用一定会越来越广泛，为人类的生存和发展做出新的贡献。