液晶态和高分子液晶
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功能高分子材料课件 第五章液晶
46
第五章 高分子液晶材料
2.2 影响高分子液晶形态和性能的因素
影响高分子液晶形态与性能的因素包括外 在因素和内则主要包括环境温度、溶剂等。
47
第五章 高分子液晶材料
2.2.1 内部因素对高分子液晶形态与性能的影响
刚性部分
高分子液晶分子中必须含有具有刚性的 致晶单元。刚性结构不仅有利于在固相中形 成结晶，而且在转变成液相时也有利于保持 晶体的有序度。 规整性越好，越容易使其排列整齐，使 得分子间力增大，也更容易生成稳定的液晶 相。
向列型
19
第五章 高分子液晶材料
（3）胆甾型液晶(Cholesteric liquid crystals，Ch)
胆甾型：分子是长而扁平的。它们依靠 端基的作用，平行排列成层状结构，长 轴与层片平面平行。 层内分子排列与向列型类似，棒状 分子分层平行排列，在每个单层内分子 排列与向列型相似，相邻两层中分子长 轴依次有规则地扭转一定角度，分子长 轴在旋转3600后复原。
38
式中R、R′为烷基、烷氧基、酰氧基、氰基等，A为中央基团
39
40
第五章 高分子液晶材料
分子结构
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，称为致晶单元。从外形上看， 致晶单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。
44
化学稳定性和热稳定性较差
易于提纯
45
第五章 高分子液晶材料
主链型高分子液晶
致晶单元处在高分子主链上； 侧链型高分子液晶 致晶单元是通过一段柔性链作为侧基与高分子 主链相连，形成梳状结构。 主链型高分子液晶和侧链型高分子液晶在液晶 形态上和物理化学性质有大差别：主链型高分子液 晶为高强度、高模量的结构材料，而侧链型高分子 液晶为具有特殊性能的功能高分子材料。
第五章 高分子液晶材料
2.2 影响高分子液晶形态和性能的因素
影响高分子液晶形态与性能的因素包括外 在因素和内则主要包括环境温度、溶剂等。
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第五章 高分子液晶材料
2.2.1 内部因素对高分子液晶形态与性能的影响
刚性部分
高分子液晶分子中必须含有具有刚性的 致晶单元。刚性结构不仅有利于在固相中形 成结晶，而且在转变成液相时也有利于保持 晶体的有序度。 规整性越好，越容易使其排列整齐，使 得分子间力增大，也更容易生成稳定的液晶 相。
向列型
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第五章 高分子液晶材料
（3）胆甾型液晶(Cholesteric liquid crystals，Ch)
胆甾型：分子是长而扁平的。它们依靠 端基的作用，平行排列成层状结构，长 轴与层片平面平行。 层内分子排列与向列型类似，棒状 分子分层平行排列，在每个单层内分子 排列与向列型相似，相邻两层中分子长 轴依次有规则地扭转一定角度，分子长 轴在旋转3600后复原。
38
式中R、R′为烷基、烷氧基、酰氧基、氰基等，A为中央基团
39
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第五章 高分子液晶材料
分子结构
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，称为致晶单元。从外形上看， 致晶单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。
44
化学稳定性和热稳定性较差
易于提纯
45
第五章 高分子液晶材料
主链型高分子液晶
致晶单元处在高分子主链上； 侧链型高分子液晶 致晶单元是通过一段柔性链作为侧基与高分子 主链相连，形成梳状结构。 主链型高分子液晶和侧链型高分子液晶在液晶 形态上和物理化学性质有大差别：主链型高分子液 晶为高强度、高模量的结构材料，而侧链型高分子 液晶为具有特殊性能的功能高分子材料。
高分子液晶
晶概述 • 高分子液晶结构与性质 • 高分子液晶合成与制备方法 • 高分子液晶在显示技术领域应用 • 高分子液晶在其他领域拓展应用 • 高分子液晶未来发展趋势与挑战
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
02
03
04
05
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。
THANK YOU
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。
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
02
03
04
05
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。
THANK YOU
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。
液晶高分子
通用高分子的液晶化改性
对通用高分子进行液晶化改性，既可以提高通用高分
子材料的使用性质，也有利于降低成本。热致性液晶
高分子的最早发现．就是利用线形刚性结构对羟基苯
甲酸(HBA)对通用高分子PET改性的结果。因此，通 用高分子的液晶化改性很早就受到了重视，所涉及的 通用高分子品种也从PET发展到聚酰胺和聚碳酸酯等 其他品种。
高分子液晶
物质的液晶态
物质的存在形式除人们熟悉的液态、晶 态和气态以外，还有等离子态、无定形固态、 起导态、中子态、液晶态等其他聚集态结构 形式如果一个物质已部分或全部地丧失了其 结构上的平移有序性而仍保留取向有序性， 它即处于液晶态。液晶态与晶态的区别在于 它部分缺乏或完全没有平移有序性，而与液 态的区别则在于它仍存在一定的取向有序性。
其他电光功能性液晶高分子
液晶高分子作为电光功能性材料用途很广， 而具有电光功能性质的液晶高分子的种类也 很多。我国对这类材料自1988年起即开始了 手性液晶高分子的研究，发现含液晶基元和 非液晶基元的侧链型手性液晶高分子的液晶 相黏度和对外加电场的响应可通过共聚组分 比调节；通过外电场下预取向单体的光聚合 反应，可直接获得高度取向的液晶聚合物膜； 研究所得的一些玻璃/液晶纳米复合材料在电 场下的响应速度已达百毫秒量级。
(c)
(d)
返回
液晶高分子复合材料
已知利用直径为数微米或更粗的玻璃纤维、碳 纤维等宏观纤维为增强剂，以热塑性聚合物为 基体树脂，可以制成具有很高强度和模量的复 合材料；且纤维的直径越小、长径比越高，增 强效果越显著。液晶高分子纤维(如芳纶)有很 高的强度和模量，同样可以用作高性能复合材 料增强剂。此外，利用热致性液晶高分子 (TLCP)熔体在加工过程中能够生成亚微米级 微纤的性质，可以将它与热塑性树脂共混，所 得共混物经熔融挤塑或注塑等过程加工而成的 材料即含有TLCP增强微纤。
液晶高分子研究
高分子量和液晶相序的有机结合使液晶高 分子具有一些优异特征：它可以有很高的强度 和模量，或很小的热涨系数，或优秀的电光性 质等。
研究和开发液晶高分子，不仅可提供新的 高性能材料并导致技术进步和新技术的发生， 而且可以促进分子工程学、合成化学、高分子 物理学、高分子加工以及高分子应用技术的发 展。此外，由于许多生命现象与物质的液晶态 相关，对高分子液晶态的研究也有助于对生命 现象的理解并可能导致有重要意义的新医药材 料和医疗技术的发现。
如果一个物质已部分或全部的丧失了其结 构上的平移有序性而仍保留取向有序性，它即 处于液晶态。
液晶态与晶态的区别在于它部分缺乏或完 全没有平移序，而与液态的区别在于它仍然存 在一定的取向有序性。
根据结构有序性的类型与程度，液晶 有：向列型晶相液晶、近晶型晶相液晶、 胆甾醇型液晶等。
液晶相依其生成条件，可分为：热致 液晶相、溶致液晶相以及因其他外场（压 力、电场、磁场、光照等）作用而诱发产 生的场致液晶相等。
液晶溶液。
Maier-Saupe理论:
以范德华力为出发点的用于说明棒状小分子液晶相。
Wang-warner理论:
基于Maier-Saupe平均场方法和高分子自由连接链模
型或弹性连接链模型的种种理论，以及给予平均场方法、
可用于说明侧链型液晶高分子 。
在上面各种理论结果中，Flory的刚 棒分子理论在高分子学界影响最大。但是， 由 于 Maier-Saupe 理 论 并 不 要 求 分 子 一 定 具有刚棒的形状而只要求范氏相互作用与 取向相关，因而可以同时用于含有刚棒和 不含刚棒的体系。
H2N
O OH
SOCl2 O
S
N
O HCl
高分子的液晶态结构.pptx
第12页/共52页
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。
第11页/共52页
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。
第25页/共52页
5. 液晶的分类
图1.4 胆甾相液晶
第26页/共52页
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)
第27页/共52页
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。
第13页/共52页
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。
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。
高分子液晶
高分子液晶高分子液晶是一种新型高分子材料,具有强度高、模量大的特点。
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，处于这种状态下的物质称为液晶，高分子液晶材料即为一类新型的特种高分子材料,已经以纤维、复合材料和注模制件等应用于航空、航海和汽车工业等部门。
液晶就是液态和晶态之间的一种中间态,它既有液体的易流动特性,又具有晶体的某些特征。
各向同性的液体是透明的,而液晶却往往是浑浊的,这也是液晶区别于各向同性的液体的一个主要特征。
液晶之所以混浊是因为液晶分子取向的涨落而引起的光散射所致,液晶的光散射比各向同性液体要强达100万倍[3]。
总之,液晶科学获得了许多重要的发展,研究领域遍及物理、化学、电子学、生物学各个学科,发展成了液晶化学、分子物理学、生物液晶及液晶分子光谱等重要学科[5]。
高分子液晶具有独特的性能:(1)在电场和磁场中,高分子液晶排列取向所需的电场强度或磁场强度要比低分子液却大的多,热致性液品的热转变温度高,而粘度大。
(2)奇偶性,所胃奇偶性是指在介晶态的TM,TN,△S,△H随柔性间隔的不同存在着奇低偶高的现象。
不仅主链上有奇偶性效应,而侧链也有奇偶性效应。
(3)高分子液晶的流变行为高分子液晶的流变行为对聚合物材料的应用影响很大。
如粘度是温度的函数,而且在某一温度下,粘度变小。
粘度对剪层影响较大在低剪切速度下,偏离牛顿流体液品的有序性降低一粘度随分子准的增加,粘度下降。
(4)液品相的转变:在一定浓度,液晶转变温度随聚合度的增长而升高。
在各向同性挤剂中,聚合物浓度下降,则相转变温度也下降。
在一定温度下,聚合度越大,则介晶相出现的临界浓度越低。
(5)液品的电光效应.所谓电光效应是指液晶在电场的作用下产生光学的变化,具体如下:相畴的形成,电场可引起向列相,液晶产生威廉姆士相畴;动态散射,液晶中的离子,交变电场作用下对液晶分子施以作用下,随电压增大而增大,当超过弹性界限时就产生湍流;宾一主相互作用液晶中存在其它各向异性分子时施加电场,两者进行相互影响的运动排列[6]。
高分子液晶材料
的最近层间距离称为胆甾醇型液晶的螺距。
这类液晶具有彩虹般的颜色和很高的旋光本领等独特的光学
性质。
3、根据高分子液晶的形成过程分类 根据形成液晶的条件（熔融和溶解），还可以将液晶分成溶 液型液晶（液晶分子在溶解过程中，在溶液中达到一定浓度时形 成有序排列，产生各向异性特征构成液晶）和热熔型液晶（三维 各向异性的晶体，在加热熔融过程中，不完全失去晶体特征，保 持一定有序性构成的液晶）。
123
1234
2、按液晶的形态分类 液晶的相态结构（晶相），是指液晶分子在形成液晶相时的 空间取向和晶体结构。液晶的晶相主要有以下三类：(图5-1所示)
①、向列型晶相液晶
用符号N来表示。
在向列型液晶中，液晶分子刚性部分之间相互平行排列，但 是其重心排列无序，只保持着一维有序性。 液晶分子在沿其长轴方向可以相对运动，而不影响晶相结 构。因此在外力作用下可以非常容易流动，是在三种晶相中流动 性最好的液晶。 ②、近晶型晶相液晶 通常用符号 S 来表示，在所有液晶中最接近固体结晶结构。 在这类液晶中分子刚性部分互相平行排列，并构成垂直于分 子长轴方向的层状结构。 在层内分子可以沿着层面相对运动，保持其流动性；这类液
在表5-3中给出了部分常见高分子液晶的分子结构和相应的参
考文献。
（下接续表）
1233455
第二节 高分子液晶的性能分析与合成方法
一、溶液型侧链高分子液晶
溶液型液晶分子（小分子液晶）的结构 根据定义，溶液型液晶是，液晶分子在另外一种分子体系中 进行的有序排列。为了有利于液晶相在溶液中形成，在溶液型液 晶分子中一般都含有双亲活性结构，即结构的一端呈现亲水性， 另—端呈现亲油性。 溶液型液晶（小分子液晶）的形成过程 在溶液中，当液晶分子浓度达到一定浓度时，两亲性液晶分 子可以在溶液中聚集成胶囊，构成油包水或水包油结构；
高分子的取向结构和液晶结构(2021年整理)
高分子的取向结构和液晶结构(word版可编辑修改)编辑整理：尊敬的读者朋友们：这里是精品文档编辑中心，本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的，发布之前我们对文中内容进行仔细校对，但是难免会有疏漏的地方，但是任然希望（高分子的取向结构和液晶结构(word版可编辑修改)）的内容能够给您的工作和学习带来便利。
同时也真诚的希望收到您的建议和反馈，这将是我们进步的源泉，前进的动力。
本文可编辑可修改，如果觉得对您有帮助请收藏以便随时查阅，最后祝您生活愉快业绩进步，以下为高分子的取向结构和液晶结构(word版可编辑修改)的全部内容。
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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图 12.5 分子呈盘状 也具有液晶态 de Gennes 预言盘状分子可以形成液晶态后 1977 Chandrasekhar 首次合成出芳香内核外接软性尾链的盘状分子 并证明了特征液晶态的存 在 这一结果代表了液晶理论的巨大成功
25Å
5Å
H3C O
CH N
C4H9
MBBA C 22o N 47o I
人们认识到液晶可以在显示方面获得应用 世界范围内再次掀起了液晶研究的高潮 化学
家合成出成千上万种新液晶 物理学家研究它们的性质 工程师研究应用技术 液晶显示
器从简单的扭曲型数字显示 超扭曲型图像显示 发展到今天有源矩阵驱动平板彩色显示
12.2 液晶态
液晶态的特点是分子具有沿着某一个方向取向 这个方向一般叫指向矢(n) 分子在 液态排列没有取向优势 而在结晶态分子排列非常有序 几乎没有自由活动空间 液晶态 中分子介于液态和晶态之间的状态 又称为介晶态 液晶态的有序性可以定量描述 这个 参数叫序参数(S,见图 12.2 下) 序参数一般随温度的升高而降低
通过简单的光学织构可以帮助我们了解液晶态 但是难以准确判断液晶相的类型 一般需要进一步借助衍射实验来确定 下面在介绍一些基本液晶态的结构特征和性质
12.2.4 液晶相分类
目前液晶态按照有序性质划分为下列基本相态 向列相(Nematic) 分子堆砌方式和对应的纤维 X 射线衍射图如图 12.14a 该相仅存 在分子取向有序 近晶 A 和 C 相(Smectic A 和 C)(图 12.14b 和 c) 沿着分子长轴方向有层状排列的位 置有序 层内无序 近晶 A 相中分子长轴的平均方向垂直层面 近晶 C 相中分子长轴的
振片时平行偏振片极化方向的部分才可以通过 这样均匀厚度的液晶因不同区域分子取向
方向的不同 在偏光显微镜下表现出不同的图案 一种特殊情况是当线偏振光的偏振方向
与液晶分子的长轴平行或垂直时 线偏振光不分解 不能通过第二偏振片 因此常常观察
. 331
Y
a)
b)
c)
图 12.8 椭圆偏振光的合成
到双十字图案 图 12.9 是向列液晶态典型的纹影织构(schlieren texture) 暗区叫黑刷子 代表分子平
. 335
图 12.18 手性液晶态层线织构(左) 指纹织构(中)和胆甾相螺旋结构的示意图(右)
θ θ
Smectic C, SC
Molecules
θ
E
θ
θ
No E
Layers Chiral Smectic C, SC*
图 12.19 铁电液晶态螺旋结构示意图
图 12.20 手性液晶光学织构中黑十字中心不重合
c b
I
a
II
III
图 12.3 液晶中的有序类型
I 分子取向有序 II 键取向有序 III 位置有序
. 329
12.2.1 基本的液晶基元
基本的热致液晶分子一般具有刚性的棒状 盘状 板状等几何形状 凝聚在一起由 于不对称的分子间作用力 形成取向排列 例如 图 12.4 中 MBBA 和 5CB 分子呈棒状 图中 C 22o N 47o I 表示 MBBA 具有 C(结晶) N(向列液晶)液晶相 结晶态到液晶态的转变 温度是 22oC 液晶相到各向同性态(I 又称为清亮点) 的转变温度是 47oC MBBA 是第一 个室温具有向列液晶态的合成分子 在液晶显示和理论研究方面具有重要的历史作用
.
330
C 8H 17 O
CN
8OCB
图 12.6 8OCB 升降温差热分析谱
12.2.3 液晶光学性质和织构
光可以用交替的电磁场的传播
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
来描述(图 12.7) 电场和磁场方向垂
直且与传播方向垂直 光的偏振性
(a)
可以简单地用电场的振动方向表
P1
P2
示 自然光是由许多随机分布的偏
(b)
振光组成 遇到偏振片 P1 后仅有与
结构已知的 晶体流体(Crystalline Fluids) 的行为 提出了向列型结构和位错墙模型 阐
述了平行织构 垂直织构 纹影织构的分类 另外 光学显微镜热台和偏光显微镜也是
Lehmann 发明的 至今人们还采用这些方法研究液晶的性质 正是由于他们真正开始研究
液晶 人们才开始对液晶有了基本的了解 因此 Reinitzer 和 Lehmann 被称为液晶科学
12.2.2 液晶的热力学性质
图 12.6 是 8OCB 的差热分析谱 扫描速度是每分钟 1 度 升温曲线在下 降温曲线 在上 图中有两个熔融相转变 升温过程观察到在 55oC 发生结晶到液晶(近晶 A)转变 在 67oC 发生液晶到各向同性转变 我们看到近晶 A 与各向同性态转变的过冷度明显比结晶 与近晶 A 转变的过冷度小 这是低有序液晶相的特点 一般认为是低有序液晶具有较小的 表面能 (过冷度的解释详见第四章)
.
332
a
b
c
d
图 12 11 液晶扇形焦锥织构
边缘织构(The marbled texture) 图 12.12a 和 b 是典型的向列液晶态的边缘织构 图 12.12c 和 d 是浓密色彩的纹影织构 主要是由向错造成 多在边缘区域观察到
板块织构(The mosaic texture) 它出现在近晶 B 和高有序液晶态及结晶态 可以是平 面取向织构也可以是直立取向织构 各类相态的板块织构的特征差别很小 图 12.13a 和 b 是近晶 B 的板块织构 图 12.13c 和 d 分别是近晶 E 和近晶 G 的板块织构 从各向同性态 或向列态降温到近晶 B 一般得到板块织构而不是扇形焦锥织构 只有从近晶 A 和 C 转变 到近晶 B 相时产生扇形焦锥织构 因为近晶 A 和 C 一般不存在板块织构 因此 当从各 向同性态或向列态降温获得板块织构时 一定是高于近晶 C 相的高有序液晶态或晶态
P1 极化方向平行的部分通过 产生
(c)
线偏振光 线偏振光遇到下一个与
P3
极化方向平行的偏振片 P2 时能通
图 12.7 光的传播和偏振性质
过 而遇到垂直的偏振片 P3 时 不能通过
两束光线偏振方向分别在 XY 和 YZ 平面 初始相位相同合成 45o 一束线偏振光(图
12.8a) 初始相位相反合成-45o 一束线偏振光(图 12.8b) 初始相位差是其它情况时 合成
解这种现象的相变本质 他把所观察到的现象描述给 了德国的物理学家 Lehmann Lehmann 肯定了 Reinitzer 观察到的现象 这种物质到 145.5oC 变成雾状液体
178.5oC 完全透明 降温出现蓝色 然后变浊 继续降温变成紫色 最后变成白色固体
在电场下还观察到类似单轴针状晶体的网状条带织构现象 Lehmann 还研究了第一个化学
C5H11
CN
20Å
5CB C 18o N 36o I
图 12.4 棒状液晶基元
R
R
R R
R R
R=
CnH2n+1 COO CnH2n+1 O
CnH2n+1 O
COO
CnH2n+1
COO
n=3 4 6 8 9
图 12.5 盘状液晶基元
当分子以氢键或其它分子间弱相互作用形成分子以上的聚集体也具有特殊几何形 状 或不同类型的液晶分子组合 也可以形成液晶态
第十二章 液晶态和高分子液晶
12.1 引 言
液晶态是物质的一种存在形态 它具有晶体的光
学各向异性性质 又具有液体的流动性质 对液晶态
的了解要追溯到 1888 年 奥地利植物学家 Reinitzer
观察到胆甾醇酯具有双熔点现象 而且从升温和降温
到这两个熔点之间呈现出不同的光学各向异性 为了
图 12.1 液晶科学之父 Reinitzer(左)和 Lehmann(右)
之父
德国化学家 Vorlaender 首次合成出近晶类热致液晶 在 1908 年 他根据合成出的 170
余种液晶分子的结构提出了形成液晶态分子规则 根据这些规则 后来理论学家发展出了
线性形状分子的液晶态统计学理论和连续体理论 这些理论对液晶态解释是分子间形状不
对称的色散力稳定分子形成液晶态
从发现液晶现象开始 人们对液晶的研究主要还是理论方面的兴趣 本世纪六十年代
.
336
Smectic A* TGB A* N*
图 12.21 扭曲晶界 A 相的结构示意图和光学织构
布称为近晶 L M 和 N 相 当分子含手性时 我们知道可以产生非中心对称聚集态结构或叫极化结构 手性分
子的液晶态也发现能够产生极化结构 具有类铁电性质 在低有序手性液晶态 液晶分子 通过形成超螺旋结构来降低或消除极化性质 产生胆甾相 蓝相 扭曲晶界 A 相和铁电 C 相(SC*) 而在高有序手性液晶态 结晶压制螺旋结构的形成
一束椭圆偏振光(图 12.8c) 线偏振光传播遇到双光性物质 因沿双折射指数长轴和短轴方
向的传播速度不同产生相位差 导致从液晶中出射的合成光的偏振性质发生改变 成为椭
圆偏振光
液晶的光学各向异性性质反映出分子堆砌的各向异性本质 在偏光显微镜下 自然
光通过偏振片变成线偏振光 线偏振光通过液晶变成椭圆偏振光 椭圆偏振光通过第二偏
作用 液晶容易形成直立取向织构(homeotropic texture) 下面介绍一些典型的液晶织构
扇形焦锥织构(Focal conic fan textures) 它是一类典型的平面取向织构 不出现在向
列液晶态 图 12.11a 近晶 A 完整扇形焦锥织构 图 12.11b 近晶 B 完整扇形焦锥织构 图 12.11c 近晶 C 在 A C 转变中的破碎扇形焦锥织构 图 12.11d 近晶 C 在 A C 转变结束的 破碎扇形焦锥织构
25Å
5Å
H3C O
CH N
C4H9
MBBA C 22o N 47o I
人们认识到液晶可以在显示方面获得应用 世界范围内再次掀起了液晶研究的高潮 化学
家合成出成千上万种新液晶 物理学家研究它们的性质 工程师研究应用技术 液晶显示
器从简单的扭曲型数字显示 超扭曲型图像显示 发展到今天有源矩阵驱动平板彩色显示
12.2 液晶态
液晶态的特点是分子具有沿着某一个方向取向 这个方向一般叫指向矢(n) 分子在 液态排列没有取向优势 而在结晶态分子排列非常有序 几乎没有自由活动空间 液晶态 中分子介于液态和晶态之间的状态 又称为介晶态 液晶态的有序性可以定量描述 这个 参数叫序参数(S,见图 12.2 下) 序参数一般随温度的升高而降低
通过简单的光学织构可以帮助我们了解液晶态 但是难以准确判断液晶相的类型 一般需要进一步借助衍射实验来确定 下面在介绍一些基本液晶态的结构特征和性质
12.2.4 液晶相分类
目前液晶态按照有序性质划分为下列基本相态 向列相(Nematic) 分子堆砌方式和对应的纤维 X 射线衍射图如图 12.14a 该相仅存 在分子取向有序 近晶 A 和 C 相(Smectic A 和 C)(图 12.14b 和 c) 沿着分子长轴方向有层状排列的位 置有序 层内无序 近晶 A 相中分子长轴的平均方向垂直层面 近晶 C 相中分子长轴的
振片时平行偏振片极化方向的部分才可以通过 这样均匀厚度的液晶因不同区域分子取向
方向的不同 在偏光显微镜下表现出不同的图案 一种特殊情况是当线偏振光的偏振方向
与液晶分子的长轴平行或垂直时 线偏振光不分解 不能通过第二偏振片 因此常常观察
. 331
Y
a)
b)
c)
图 12.8 椭圆偏振光的合成
到双十字图案 图 12.9 是向列液晶态典型的纹影织构(schlieren texture) 暗区叫黑刷子 代表分子平
. 335
图 12.18 手性液晶态层线织构(左) 指纹织构(中)和胆甾相螺旋结构的示意图(右)
θ θ
Smectic C, SC
Molecules
θ
E
θ
θ
No E
Layers Chiral Smectic C, SC*
图 12.19 铁电液晶态螺旋结构示意图
图 12.20 手性液晶光学织构中黑十字中心不重合
c b
I
a
II
III
图 12.3 液晶中的有序类型
I 分子取向有序 II 键取向有序 III 位置有序
. 329
12.2.1 基本的液晶基元
基本的热致液晶分子一般具有刚性的棒状 盘状 板状等几何形状 凝聚在一起由 于不对称的分子间作用力 形成取向排列 例如 图 12.4 中 MBBA 和 5CB 分子呈棒状 图中 C 22o N 47o I 表示 MBBA 具有 C(结晶) N(向列液晶)液晶相 结晶态到液晶态的转变 温度是 22oC 液晶相到各向同性态(I 又称为清亮点) 的转变温度是 47oC MBBA 是第一 个室温具有向列液晶态的合成分子 在液晶显示和理论研究方面具有重要的历史作用
.
330
C 8H 17 O
CN
8OCB
图 12.6 8OCB 升降温差热分析谱
12.2.3 液晶光学性质和织构
光可以用交替的电磁场的传播
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
来描述(图 12.7) 电场和磁场方向垂
直且与传播方向垂直 光的偏振性
(a)
可以简单地用电场的振动方向表
P1
P2
示 自然光是由许多随机分布的偏
(b)
振光组成 遇到偏振片 P1 后仅有与
结构已知的 晶体流体(Crystalline Fluids) 的行为 提出了向列型结构和位错墙模型 阐
述了平行织构 垂直织构 纹影织构的分类 另外 光学显微镜热台和偏光显微镜也是
Lehmann 发明的 至今人们还采用这些方法研究液晶的性质 正是由于他们真正开始研究
液晶 人们才开始对液晶有了基本的了解 因此 Reinitzer 和 Lehmann 被称为液晶科学
12.2.2 液晶的热力学性质
图 12.6 是 8OCB 的差热分析谱 扫描速度是每分钟 1 度 升温曲线在下 降温曲线 在上 图中有两个熔融相转变 升温过程观察到在 55oC 发生结晶到液晶(近晶 A)转变 在 67oC 发生液晶到各向同性转变 我们看到近晶 A 与各向同性态转变的过冷度明显比结晶 与近晶 A 转变的过冷度小 这是低有序液晶相的特点 一般认为是低有序液晶具有较小的 表面能 (过冷度的解释详见第四章)
.
332
a
b
c
d
图 12 11 液晶扇形焦锥织构
边缘织构(The marbled texture) 图 12.12a 和 b 是典型的向列液晶态的边缘织构 图 12.12c 和 d 是浓密色彩的纹影织构 主要是由向错造成 多在边缘区域观察到
板块织构(The mosaic texture) 它出现在近晶 B 和高有序液晶态及结晶态 可以是平 面取向织构也可以是直立取向织构 各类相态的板块织构的特征差别很小 图 12.13a 和 b 是近晶 B 的板块织构 图 12.13c 和 d 分别是近晶 E 和近晶 G 的板块织构 从各向同性态 或向列态降温到近晶 B 一般得到板块织构而不是扇形焦锥织构 只有从近晶 A 和 C 转变 到近晶 B 相时产生扇形焦锥织构 因为近晶 A 和 C 一般不存在板块织构 因此 当从各 向同性态或向列态降温获得板块织构时 一定是高于近晶 C 相的高有序液晶态或晶态
P1 极化方向平行的部分通过 产生
(c)
线偏振光 线偏振光遇到下一个与
P3
极化方向平行的偏振片 P2 时能通
图 12.7 光的传播和偏振性质
过 而遇到垂直的偏振片 P3 时 不能通过
两束光线偏振方向分别在 XY 和 YZ 平面 初始相位相同合成 45o 一束线偏振光(图
12.8a) 初始相位相反合成-45o 一束线偏振光(图 12.8b) 初始相位差是其它情况时 合成
解这种现象的相变本质 他把所观察到的现象描述给 了德国的物理学家 Lehmann Lehmann 肯定了 Reinitzer 观察到的现象 这种物质到 145.5oC 变成雾状液体
178.5oC 完全透明 降温出现蓝色 然后变浊 继续降温变成紫色 最后变成白色固体
在电场下还观察到类似单轴针状晶体的网状条带织构现象 Lehmann 还研究了第一个化学
C5H11
CN
20Å
5CB C 18o N 36o I
图 12.4 棒状液晶基元
R
R
R R
R R
R=
CnH2n+1 COO CnH2n+1 O
CnH2n+1 O
COO
CnH2n+1
COO
n=3 4 6 8 9
图 12.5 盘状液晶基元
当分子以氢键或其它分子间弱相互作用形成分子以上的聚集体也具有特殊几何形 状 或不同类型的液晶分子组合 也可以形成液晶态
第十二章 液晶态和高分子液晶
12.1 引 言
液晶态是物质的一种存在形态 它具有晶体的光
学各向异性性质 又具有液体的流动性质 对液晶态
的了解要追溯到 1888 年 奥地利植物学家 Reinitzer
观察到胆甾醇酯具有双熔点现象 而且从升温和降温
到这两个熔点之间呈现出不同的光学各向异性 为了
图 12.1 液晶科学之父 Reinitzer(左)和 Lehmann(右)
之父
德国化学家 Vorlaender 首次合成出近晶类热致液晶 在 1908 年 他根据合成出的 170
余种液晶分子的结构提出了形成液晶态分子规则 根据这些规则 后来理论学家发展出了
线性形状分子的液晶态统计学理论和连续体理论 这些理论对液晶态解释是分子间形状不
对称的色散力稳定分子形成液晶态
从发现液晶现象开始 人们对液晶的研究主要还是理论方面的兴趣 本世纪六十年代
.
336
Smectic A* TGB A* N*
图 12.21 扭曲晶界 A 相的结构示意图和光学织构
布称为近晶 L M 和 N 相 当分子含手性时 我们知道可以产生非中心对称聚集态结构或叫极化结构 手性分
子的液晶态也发现能够产生极化结构 具有类铁电性质 在低有序手性液晶态 液晶分子 通过形成超螺旋结构来降低或消除极化性质 产生胆甾相 蓝相 扭曲晶界 A 相和铁电 C 相(SC*) 而在高有序手性液晶态 结晶压制螺旋结构的形成
一束椭圆偏振光(图 12.8c) 线偏振光传播遇到双光性物质 因沿双折射指数长轴和短轴方
向的传播速度不同产生相位差 导致从液晶中出射的合成光的偏振性质发生改变 成为椭
圆偏振光
液晶的光学各向异性性质反映出分子堆砌的各向异性本质 在偏光显微镜下 自然
光通过偏振片变成线偏振光 线偏振光通过液晶变成椭圆偏振光 椭圆偏振光通过第二偏
作用 液晶容易形成直立取向织构(homeotropic texture) 下面介绍一些典型的液晶织构
扇形焦锥织构(Focal conic fan textures) 它是一类典型的平面取向织构 不出现在向
列液晶态 图 12.11a 近晶 A 完整扇形焦锥织构 图 12.11b 近晶 B 完整扇形焦锥织构 图 12.11c 近晶 C 在 A C 转变中的破碎扇形焦锥织构 图 12.11d 近晶 C 在 A C 转变结束的 破碎扇形焦锥织构