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1、液 晶 高 分 子(1)Liquid Crystal Polymer1参考教材n周其凤，王新久，液晶高分子，科学出 版社，北京，1994n吴大诚，谢新光，徐建军，高分子液晶 ，四川教育出版社，成都，19882要求n不迟到，不旷课；n事假提前请假，病假事后补交假条；n违反规定按学生手册有关规定处理。3课程考核n期末开卷测验，必须手写；n读书报告课题建议书n课题名称n课题背景及意义n课题的主要内容和实施方案4主要内容：n第一章 液 晶 导 论n第二章 高分子液晶的表征n第三章 液晶高分子的分类和分子设计n第四章 溶致液晶高分子n第五章 主链型热致液晶高分子n第六章 侧链型液晶高分子n第七章 液晶高
2、分子的应用5液晶液晶高分子n是一门新兴的边缘学科，涉及化学、物 理学、生物学、电子学、材料学等学科的最新 发展，可以认为是现代高分子科学飞速发展的 前沿之一。n研究液晶高分子，并不只是因为她是液 晶和聚合物的集合体，最主要是由于她特殊结 构赋予了她的特殊性能，使得她在工业技术领 域具有广泛的应用前景。6第一章 液 晶 导 论n什么是液晶？定义及概念n液晶是如何发现和发展的？液晶的历史n什么样的物质是液晶？液晶的化学结构n液晶有很多种吗？液晶的多形性n什么是液晶高分子？液晶高分子及其分类71.1 什么是液晶？n液晶液晶是介于液态和晶态之间 的一种物质的形态，它既具有流动特性， 又具有晶体的某些特
3、征（如光学各向异性 ）。液晶的定义和概念8物质的基本状态：固态液态气态熔化凝固蒸发冷凝升华凝华晶体： 各向异性， 有固定的熔点 紧密堆积 各向同性 可以流动 近程无序，分子间束缚很小 9物质的其他聚集状态n液晶态（Liquid Crystals）n非晶固态（Amorphous）n等离子体（Plamas）n超导态（Superconductors）n中子态（Neutron state）10n介于完全晶体和各向同性液体之间的中间状 态。“第四相态”n 液晶是一维或两维有序，因此，可以像液体一 样流动，同时又像晶体一样显示一定的有序度，具 有晶体的某些特性（如光学各向异性） 。n液晶在人类的科学研究和
4、日常生活中是无所不在 的。 DNA, 纤维素, 胆甾醇酯, 石蜡，多肽n术语：液晶，流动晶体，晶态流体液晶 Liquid crystals11高分子液晶P25液晶玻璃塑晶玻璃构象无序玻璃塑 晶非晶态玻璃液 晶完全有序晶体构象无序晶体各向同性熔体固体液体高分子的三种主要理想相态与六种介晶之间的关系12液晶玻璃态n液晶玻璃态冻结的液晶态。n液晶序液晶玻璃中与液晶中的分子序 特征相同13液晶n 综上所述，将液晶定义为各向同性液体 与完全有序晶体之间的一种中间态，是一 种取向有序流体，它既具有液体的易流动 性，又有晶体的双折射等各向异性的特征 。141.2 液晶是如何发现和发展的？ 液晶的历史最早的发
5、现液晶的记载n1850年，德国科学家W. Heintz在研究硬脂酸甘 油酯时发现它具有两个熔点，nDuffy证实了这一现象，解释为两个熔点n同一时期，有人发现胆固醇衍生物从液体冷却 时出现彩色n仅仅站在一门新科学的入口15液晶发现的第一“里程碑”双折射现象n1850年，Rudolf Virchow发现并描述 了一种软物质，在神经核中叫做 “myelin”髓磷脂。nMettenheimier发现myelin具有双折射 。随后，发现大量的动物和植物的物质 都具有双折射性质。n德国科学家G. Valentin于1861年发表 了一篇关于许多生物的物质具有双折射 现象的文章，这些物质后来称为“活晶 体
6、” “living crystals.“ Rudolf VirchowChr. Fr. von Mettenheimier16液晶发现的第二“里程碑”晶体结构的认知Max Von Laue (1879 - 1960) n在1879至1888年之间，Sohnke提出了他 的格子理论，然而这一理论并没有有力地 证明，直到1912年Von Laue的X光实验才 得到证明。n格子理论的一个重要反对者是一个名叫 Otto Lehmann （奥突 莱曼）的青年物理学 家，他主要致力于研究相转变和相关的分 子类型。Lehmann 更倾向于他自己的分子 结构理论，相对于格子理论，这一理论以 各种聚集态中共存相
7、为基础 17Friedrich Reinitzer Friedrich Reinitzer (1857 - 1927) n 1888年，奥地利的植物学家 Friedrich Reinitzer在制备胆固醇酯的过 程中观察到在胆固醇苯酯中有两个熔 点的现象，更重要的是他观察到在两 个熔点之间有双折射现象和并显示彩 虹般的颜色。 n与著名的晶体检验家van Zepharovich 切磋 n与德国的物理学家Lehmann 写信联 系18Otto Lehmann n发明带热台的显微镜nLehmann搜集了大量信息。用他的 显微镜观察相转变，写专著，他写 了两卷专著Molekularphysik 长达
8、1500页，引用文献2000篇。n1888年10月，Lehmann 一接到 Reinitzer的信 nLehmann证实了Reinitzer的发现 Otto Lehmann (1855 - 1922) 19现象n1888年，奥地利植物学家Reinitzer和德 国物理学家Lehmann研究发现的。n胆甾醇苯甲酸酯： 加热时：145.5 oC，雾浊的液体，178.5 oC ，清亮的液体 冷却时：蓝紫色混浊状液体蓝紫 色白色结晶20液晶的诞生Birth of “Liquid Crystals“n1889年，Lehmann着手详细研究Reinitzer的胆固醇 物质，他理由充分地认为液体双折射的部分
9、肯定是 晶体。在电子领域的应用，他注意到形成“网状的类 似于单轴针状晶体的白色条纹”和其他有趣的现象。 n他给Reinitzer写了一封信：n很快写发表了一篇名为“Ueber fliessende Krystalle,” or “About liquid crystals,”的文章21n“my new results confirm your previously declared view, that the substance consists of very soft crystals It is absolutely homogeneous, and another liquid -
10、as you assumed formerly - is not present It is of a high interest for the physicist that crystals exist which are of such a considerable softness that one could almost call them liquid”. 22液晶研究简史（续）n发现液晶的头20年n20世纪初，胆甾型液晶和向列型液晶 的研究为“液晶电子学”奠定了基础n20世纪2030年代n20世纪50年代后期至60年代中期231.3 什么样的物质是液晶？ 液晶的化学结构n长棒状
11、或长条状分子n 盘状分子n 双亲性的分子溶液n 纤维素衍生物n 液晶高分子 非对称的结构从微观结构看，小分子液晶的分子或高分子液晶的结构单元常具有 棒状或盘状等不对称结构特征，因此分子或结构单元整体转动活化 能较高，容易保存其取向有序。液晶中结构单元具有一维或二维远 程有序。24长棒状液晶分子的化学结构示意25长棒状液晶分子n小分子量液晶分子的长度约2040 ，宽度约45 n只有当分子的长宽比（和长与直径比 ，即轴比）大于4左右的物质才有可能 呈液晶态。26盘状液晶分子举例n盘状液晶分子：一般盘状分子的厚度在10 以内，直径几十。27双亲性分子溶液n一端亲水性极性基团， 另一端非极性链，例如正
12、 壬酸钾，一端是极性的 COO-K+，一端是非极性 的CH3(CH2)7n 磷脂或多肽的溶液。28液晶高分子n介晶基元（mesogen）or液晶基元 棒状；盘状；复杂的二维或三维形状；双亲 分子n在一定条件下能以液晶相态存在的高分子 。一般由小分子的液晶基元键合而成。n与其他高分子相比，具有液晶相所特有的 分子取向序和位置序n与其他液晶化合物相比，具有高分子量和 高分子化合物的特性。291.4 液晶有很多种吗？n按分子量分n按来源分n按化学结构n按形成液晶态的原因n按有序度30液晶的多形性n常说的向列相、近晶相等等，与液 晶的物理结构（即分子在空间的排列）息 息相关.31MBBA 第一个人工合
13、成的室温液晶I47N20Cr各相同性相向列相晶相相变温度 32TBPA N-对戊苯基-N-对丁苯基对苯二甲亚胺I 233 N 212 SA 179 SC 149 SF 140 SG 61 SHCr33液晶分子中含有不对称碳原子I N* SA SC*SI * SJ* SG*Cr34物质的两种基本有序性塑晶平移有序液晶取向有序各向同性 液体晶体平移有序 取向有序逐渐丧失平移有序，不 同程度的平移对称性构 成主要的液晶分类 35液晶相分类标准n平移有序n键取向有序n近晶层之间的关联性n是否有手征性n是否呈立方结构36几种常见的液晶相n完全没有平移有序向列相（nematic）n一维平移有序（层状液晶）
14、近晶A与近晶Cn层内二维有序，层间一维有序，但关联弱 六方相n三维有序但比晶体相关性差n手征性液晶n立方相n盘状液晶相和溶致液晶371.4.1 完全没有平移有序向列相n向列型液晶分子排列的示意图38向列型液晶的分子结构特征n分子的质心没有远程有序n存在一定的分子取向度向列型液晶分 子倾向于平行排列，平行排列的从优方向称为指 向矢nnn在空间中的方向是任意的，事实上会受 到一些次要作用力的影响n只有非手性的材料才能显示出向列型液 晶相39几种常见的液晶相n完全没有平移有序向列相n一维平移有序（层状液晶）近晶A与近晶Cn层内二维有序，层间一维有序，但关联弱 六方相n三维有序但比晶体相关性差n手征性
15、液晶n立方相n盘状液晶相和溶致液晶401.4.2一维平移有序（层状液晶）近晶A相和近晶C相近晶A相和近晶C相的分子排列示意图SASCSmectic，这类液晶除了取向有序之外，还具有沿 某一方向的平移有序，从而形成层状结构。41SA相和SC相的分子排列特征n 层厚与液晶分子（或液晶高分子的液晶基元） 长度的量级相当； n 层内分子随机分布，层之间无关联，彼此之间 容易滑移 n SA相层内分子倾向于垂直于层面排列，SC相层 内则分子与层面法线有一夹角（倾斜角），层 厚为d=lcos 因此， SA相与SC相的有序性N相42几种常见的液晶相n完全没有平移有序向列相n一维平移有序（层状液晶）近晶A与近晶
16、Cn层内二维有序，层间一维有序，但关联弱 六方相n三维有序但比晶体相关性差n手征性液晶n立方相n盘状液晶相和溶致液晶431.4.3层内二维有序，层间一维有序，但关联弱六方相（有SB，SF和SI，SM相）SB、SF、SI相液晶层内分子排列相液晶层内分子排列圆圈代表分子的截面，实心圆点代表分子截面 中心，箭头代表分子在层面的投影44六方相（SB，SF和SI，SM相）分子排列特点nSB相的层内分子与层面垂直nSF和SI相分子在层内与层法线倾斜nSM相层内倾斜，但结构与细节还不清楚n六方相层与层之间的关联很弱，相关长度达100 ，比SA相和SC相大一个数量级45几种常见的液晶相n完全没有平移有序向列相n一维平移有序（层状液晶）近晶A与近晶Cn层内二维有序，层
