《功能高分子材料课件第五章液晶4教案资料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《功能高分子材料课件第五章液晶4教案资料（133页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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。 第五章第五章 高分子液晶材料高分子液晶材料1 在外界条件发生变化时物质可以在三种相态之间进行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，即发生所谓的转换，即发生所谓的相变相变。 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。态晶体直接转变成分子呈无序状态的液态。 第五章第五章 高分子液晶材料高
2、分子液晶材料1 概述概述1.1 液晶的基本概念液晶的基本概念 物质在自然界中通常以物质在自然界中通常以固态、液态和气态固态、液态和气态形式存在，形式存在，即三相态。即三相态。2某些物质受热某些物质受热熔融熔融或被或被溶解溶解，外观呈液态物质的，外观呈液态物质的流动性流动性， 仍然保留着晶态物质分子的仍然保留着晶态物质分子的有序有序排列，排列，各向异性各向异性;第五章第五章 高分子液晶材料高分子液晶材料兼有兼有晶体晶体和和液体液体部分性质的过渡中间相态部分性质的过渡中间相态 液晶态液晶态;处于这种状态下的物质处于这种状态下的物质液晶液晶liquid crystals。35（2）球晶）球晶 聚合物
3、最常见的结晶形态，为圆聚合物最常见的结晶形态，为圆球状晶体，尺寸较大，一般是由结晶球状晶体，尺寸较大，一般是由结晶性聚合物从性聚合物从浓溶液中析出或由熔体冷浓溶液中析出或由熔体冷却却时形成的。球晶在正交偏光显微镜时形成的。球晶在正交偏光显微镜下可观察到其特有的黑十字消光或带下可观察到其特有的黑十字消光或带同心圆的黑十字消光图象。同心圆的黑十字消光图象。球晶的黑十字消光现象球晶的黑十字消光现象6球晶的偏光显微照片7球晶的偏光显微照片8球晶的偏光显微照片9球晶的偏光显微照片10 液晶现象是液晶现象是1888年奥地利植物学家年奥地利植物学家莱尼茨尔莱尼茨尔（F. Reinitzer）在研究在研究胆甾
4、醇苯甲酯胆甾醇苯甲酯时首先观察到时首先观察到的现象。他发现，当该化合物被加热时，在的现象。他发现，当该化合物被加热时，在145和和179时有两个敏锐的时有两个敏锐的“熔点熔点”。在。在145时，晶时，晶体体转变为转变为混浊混浊的的各向异性各向异性的液体，继续加热至的液体，继续加热至179时，体系又进一步转变为时，体系又进一步转变为透明透明的的各向同性各向同性的液体。的液体。 第五章第五章 高分子液晶材料高分子液晶材料液晶的发现11 研究发现，处于研究发现，处于145和和179之间的液体部分之间的液体部分保留了晶体物质分子的有序排列，因此被称为保留了晶体物质分子的有序排列，因此被称为“流流动的晶
5、体动的晶体”、“结晶的液体结晶的液体”。1889年，德国科学年，德国科学家家将处于这种状态的物质命名为将处于这种状态的物质命名为“液晶液晶”（liquid crystals，LC）。 研究表明，液晶是介于晶态和液态之间的一种研究表明，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。具有液态的流动性。第五章第五章 高分子液晶材料高分子液晶材料12 已发现许多一些有机化合物质具有液晶特性。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：形成液晶的条件： 1) 致晶单元致晶单元:导致液晶形成的刚性结构部分
6、。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）分子的长度和宽度的比例Rl，呈棒状或呈棒状或近似棒状近似棒状的构象。的构象。 3）凝聚力）凝聚力:强极性基团、高度可极化基团、氢强极性基团、高度可极化基团、氢键键等相联系的。等相联系的。第五章第五章 高分子液晶材料高分子液晶材料1.1.1 小分子液晶小分子液晶13第五章第五章 高分子液晶材料高分子液晶材料热致性液晶热致性液晶溶致性液晶溶致性液晶依靠温度的变化，在某一温度范围形成的依靠温度的变化，在某一温度范围形成的液晶态物质液晶态物质,清亮点清亮点, Tcl依靠溶剂的溶解分散，在一定浓度范围形依靠溶剂的溶解分散，在一定浓度范围形成的液
7、晶态物质成的液晶态物质形成条件形成条件1.1.2 分类分类14 例如聚乙烯在某一压力下可出现液晶态，是一种例如聚乙烯在某一压力下可出现液晶态，是一种压致型压致型液晶液晶。聚对苯二甲酰对氨基苯甲酰肼在施加流动场后可呈现。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，液晶态，流致型液晶流致型液晶。第五章第五章 高分子液晶材料高分子液晶材料外力场外力场压压 力力流动场流动场电电 场场磁磁 场场光光 场场15 按按分子排列的形式和有序性的不同，液晶有三种分子排列的形式和有序性的不同，液晶有三种结构类型：结构类型：近晶型近晶型、向列型向列型和和胆甾型胆甾型。（见图。（见图 5-1）。）。第五章第
8、五章 高分子液晶材料高分子液晶材料 近晶型近晶型 向列型向列型 胆甾型胆甾型 图图5-1 液晶结构示意图液晶结构示意图16（1）近晶型液晶（）近晶型液晶（smectic liquid crystals，S） 近晶型液晶是所有液晶中最接近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。分子的排列成层状结构。分子的长轴垂直长轴垂直于于层状结构平面。层状结构平面。层内层内分子排列具有二分子排列具有二维有序性。但这些层状结构并不是严维有序性。但这些层状结构并不是严格刚性的，分子可在本层内运动，但格刚性的，分子可在本层内运动，但不能来往于各层之
9、间。不能来往于各层之间。层状结构之间层状结构之间可以相互滑移，而垂直于层片方向的可以相互滑移，而垂直于层片方向的流动却很困难。流动却很困难。第五章第五章 高分子液晶材料高分子液晶材料近晶型近晶型17 这种结构决定了近晶型液晶的这种结构决定了近晶型液晶的粘度粘度具有具有各向异各向异性性。但在通常情况下，层片的取向是无规的，因。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此，宏观上表现为在各个方向上都非常粘滞非常粘滞。 根据晶型的细微差别，近晶型液晶还可以再分根据晶型的细微差别，近晶型液晶还可以再分成成9个小类个小类。按发现年代的先后依次计为。按发现年代的先后依次计为SA、
10、 SB 、SI。 近晶型液晶结构上的差别对于近晶型液晶结构上的差别对于非线性光学非线性光学特性特性有一定影响。有一定影响。第五章第五章 高分子液晶材料高分子液晶材料18 在向列型液晶中，棒状分子只维持一维有在向列型液晶中，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。类型的液
11、晶中流动性最好的一种。第五章第五章 高分子液晶材料高分子液晶材料向列型向列型（2）向列型液晶）向列型液晶nematic liquid crystals，N）19胆甾型胆甾型：分子是长而扁平的。它们依靠：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，端基的作用，平行排列成层状结构，长长轴与层片平面平行。轴与层片平面平行。 层内层内分子排列与向列型类似，棒状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，分子长轴依次有规则地扭转一定角度，分子长轴
12、在旋转轴在旋转3600后复原。后复原。 两个取向相同的分子层之间的距两个取向相同的分子层之间的距离称为胆甾型液晶的离称为胆甾型液晶的螺距螺距。胆甾型胆甾型（3）胆甾型液晶）胆甾型液晶(Cholesteric liquid crystals，Ch)第五章第五章 高分子液晶材料高分子液晶材料20 由于扭转分子层的作用，照射在其上的光将发由于扭转分子层的作用，照射在其上的光将发生偏振旋转，使得生偏振旋转，使得胆甾型液晶通常具有彩虹般的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漂亮颜色，并有极高的旋光能力“显示材料显示材料” 第五章第五章 高分子液晶材料高分子液晶材料21现在发现，除了刚性
13、部分均呈长棒型结构的液晶现在发现，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分子外，还有一类液晶是由刚性部分呈盘型的分子盘型的分子形成。在形成的液晶中形成。在形成的液晶中多个盘型结构叠在一起，形多个盘型结构叠在一起，形成柱状结构。成柱状结构。这些柱状结构再进行一定有序排列形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成类似于近晶型液晶。这一类液晶通常记为D。 第五章第五章 高分子液晶材料高分子液晶材料盘型液晶盘型液晶22第五章第五章 高分子液晶材料高分子液晶材料盘状盘状液晶液晶结构结构Dhd型液晶型液晶Dho型液晶型液晶Drd型液晶型液晶Dt
14、型液晶型液晶分子的刚性部分在柱内的排列是有序的。分子的刚性部分在柱内的排列是有序的。分子在层平面内柱与柱之间呈正交型排列。分子在层平面内柱与柱之间呈正交型排列。所形成的柱结构与层平面倾斜成一定角度所形成的柱结构与层平面倾斜成一定角度柱状结构如果仅构成一维有序排列柱状结构如果仅构成一维有序排列,形成向列型液晶形成向列型液晶23某些液晶分子可某些液晶分子可连接成大分子连接成大分子，或者可通过官能，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，就形的液晶在一定条件下仍可能保持液晶的特征，就形成成高分子液晶
15、。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，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：常见的可分类如下：第五章第五章 高分子液晶材料高分子液晶材料1.2 高分子液晶及其分类高分子液晶及其分类24第五章第五章 高分子液晶材料高分子液晶材料形成条件形成条件溶致型液晶溶致型液晶热致型液晶热致型液晶压致型液晶压致型液晶流致型液晶流致型液晶致晶单元与高分子致晶单元与高分子的连接方式的连接方式主链型液晶主链型液晶侧链型液晶侧链型液晶25按按致晶单元排列形式和有序性的不同：致晶单元排列形式和有序性的不同：近晶型近晶型、向列型向列型和和胆甾型胆甾型等。至今为止等。至今为止大部
16、分高分子液晶属大部分高分子液晶属于于向列型液晶向列型液晶。主链型液晶大多数为主链型液晶大多数为高强度、高模量的材料高强度、高模量的材料，侧，侧链型液晶则大多数为链型液晶则大多数为功能性材料功能性材料。第五章第五章 高分子液晶材料高分子液晶材料26第五章第五章 高分子液晶材料高分子液晶材料表表5-1 致晶单元与高分子链的连接方式致晶单元与高分子链的连接方式液晶液晶类类型型结结构形式构形式名称名称主主链链型型纵纵向型向型垂直型垂直型星型星型盘盘型型混合型混合型27第五章第五章 高分子液晶材料高分子液晶材料支链型支链型多多盘盘型型树树枝型枝型28第五章第五章 高分子液晶材料高分子液晶材料侧链侧链型型梳型梳型多重梳型多重梳型盘盘梳型梳型腰接型腰接型结结合型合型网型网型29 按按形成高分子液晶的单体结构，形成高分子液晶的单体结构，两亲型两亲型和和非两非两亲型亲型两类。两类。 两亲型两亲型指兼具亲水和亲油（亲有机溶剂）作用指兼具亲水和亲油（亲有机溶剂）作用的分子（极少）的分子（极少）溶致性液晶溶致性液晶。 非两亲型非两亲型是一些几何形状不对称的刚性或半刚是一些几何形状不对称的刚性或半刚性的棒状或盘
