第五章液晶高分子

1FunctionalPolymer1液晶高分子LiquidCrystalPolymer思考题：™1.什么是液晶？™2.液晶分子外型特征？™3.有哪几种类型？™4.高分子液晶有哪些性质？™5.高分子液晶在结构上有哪些特点？™6.举例说明高分子液晶的应用。第五章FunctionalPolymer1液晶高分子LiquidCrystalPolymer1概述1.1液晶的基本概念1888年奥地利植物学家Reinitzer在显微镜中观察到胆甾醇苯甲酸酯在145.5℃时，熔化成一种雾浊液体，在178.5℃时，突然全部变成清亮的液体．当冷却时，先出现紫蓝色，而后自行消失，物质再呈混浊状液体。冷却时，胆甾醇苯甲酸酯在178.5℃-145.5℃之间出现了液晶态。FunctionalPolymer1液晶高分子LiquidCrystalPolymer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，又具有液态的流动性。液晶高分子（LCPs）是在一定的条件下能以液晶态存在的高分子TmTiFunctionalPolymer1液晶高分子LiquidCrystalPolymer1888年，奥地利植物学家Reinitzer，胆甾醇酯：升温时此物质在145.5℃变成雾状液体，178.5℃完全透明，降温时出现蓝色，然后变浑浊，继续降温变成紫色，昀后变成白色固体。翌年，德国物理学家O.Lehmann，发现浑浊状液体具有和晶体相似的性质，于是称为液晶（liquidcrystal）。O.Wiener等发展了液晶的双折射理论；E.Bose提出了液晶的相态理论1.2液晶的发展FunctionalPolymer1液晶高分子LiquidCrystalPolymerV.Grandiean等还研究了液晶分子的取向机理及其织构；1922-1933年期间，W.Kast、G.Friedel等创立了液晶连续体理论，提出了液晶态物质有序参数、取向有序等概念。20世纪60年代，液晶在显示方面获得应用，成为一种重要的工业材料。液晶显示器：简单的扭曲型数字显示--超扭曲型图像显示--有源矩阵驱动平面彩色显示。1.2液晶的发展FunctionalPolymer1液晶高分子LiquidCrystalPolymer1.3液晶的结构和分类¾刚性的分子结构¾分子间作用力¾特定的分子形状，其分子的长度和宽度比：R=L/D大于4为棒状或条状。ABYXABXYLD-A-B-是桥键，常见的有–CH=N-,-N=N-,-N=N(O)-,-COO-X,Y为端基：－OR,－R，-COOR，-OOCR，-CN，－NO22FunctionalPolymer1液晶高分子LiquidCrystalPolymer1.3液晶的结构和分类FunctionalPolymer1液晶高分子LiquidCrystalPolymer1.3液晶的结构和分类¾在宏观上把液晶当作连续相，经常引用一平滑的向量来描述液晶分子的排列情形，叫做指向矢n（director）()213cos12Sθ=−晶体:θ=0,S=1液体:S=0液晶:S=0~1，0.6-0.4¾液晶中分子的有序排列的有序度可以用有序参数S（orderparameters）来表示FunctionalPolymer1液晶高分子LiquidCrystalPolymerFunctionalPolymer1液晶高分子LiquidCrystalPolymer1.3液晶的结构和分类液晶按照根据分子量的不同，分为高分子液晶和小分子液晶。FunctionalPolymer1液晶高分子LiquidCrystalPolymer液晶分类FunctionalPolymer1液晶高分子LiquidCrystalPolymer1.3液晶的结构和分类按照液晶的形成条件不同，可将其主要分为热致性和溶致性两大类。热致性液晶是依靠温度的变化，在某一温度范围形成的液晶态物质。一种热致液晶3FunctionalPolymer1液晶高分子LiquidCrystalPolymer1.3液晶的结构和分类溶致性液晶则是依靠溶剂的溶解分散，在一定浓度范围内能形成液晶态的物质。•由表面活性剂和溶剂（通常为水）组成•液晶行为由表面活性剂的浓度变化引起•液晶行为同时也受到温度的影响表面活性剂分子烷基链的长度一般当C6时不会出现液晶相；C12时只有层状相、立方相；C增加到20时会出现三种相态。FunctionalPolymer1液晶高分子LiquidCrystalPolymer1.3液晶的结构和分类立方相(cubic)SAa含量20%六方相(hexagonal)SAa含量60%~75%层状相(lamellar)SAa含量80%~85%FunctionalPolymer1液晶高分子LiquidCrystalPolymer液晶分类FunctionalPolymer1液晶高分子LiquidCrystalPolymer1.3液晶的结构和分类热致液晶按照根据分子排列的形式和有序性的不同，分为向列型、近晶型和胆甾型。向列型近晶型胆甾型FunctionalPolymer1液晶高分子LiquidCrystalPolymer向列型液晶，nematicliquidcrystals，N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昀好的一种。纹影织构FunctionalPolymer1液晶高分子LiquidCrystalPolymer胆甾型液晶，cholestericcliquidcrystals，Ch在属于胆甾型液晶的物质中，有许多是胆甾醇的衍生物，因此得名。胆甾液晶的织构可以看成是螺旋扭变的向列相织构。分子序在局部看来与向列相液晶十分相近，分子排列即呈现向列相液晶序。相邻平面上分子取向方向发生旋转，表现出螺旋结构的特征。分子长轴方向在扭转了360°以后回到原来的方向。两个取向相同的分子层之间的距离称为螺距，是表征胆甾型液晶的重要参数。向列胆甾油丝织构PChiralnematicLC,N*或4FunctionalPolymer1液晶高分子LiquidCrystalPolymer近晶型液晶，smecticliquidcrystals，S近晶型液晶是所有液晶中昀接近结晶结构的一类，因此得名。在这类液晶中，棒状分子互相平行排列成层状结构。层内分子排列具有二维有序性。分子质心在层内无序，可以自由平移，从而有流动性，但粘度很大。因为它的高度有序性，近晶相经常出现在较低的温度区域内。近晶相液晶根据其分子的排列及有序程度，可分为SA、SB、……、SH、SI等相态。SmecticAFunctionalPolymer1液晶高分子LiquidCrystalPolymer1.3液晶的结构和分类构成上面三种液晶的分子其刚性部分均呈长棒型。现在发现，除了长棒型结构的液晶分子外，还有一类液晶是由刚性部分呈盘型的分子形成。FunctionalPolymer1液晶高分子LiquidCrystalPolymer1.3液晶的结构和分类在形成的液晶中多个盘型结构叠在一起，形成柱状结构。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D。FunctionalPolymer1液晶高分子LiquidCrystalPolymer1.3液晶的结构和分类nematichexagonalcolumnarrectangularcolumnar盘状分子形成的柱状结构如果仅构成一维有序排列，也可以形成向列型液晶，通常用Nd来表示。Dhd型液晶表示层平面内柱与柱之间呈六边形排列，分子的刚性部分在柱内排列无序；Drd型液晶分子在层平面内柱与柱之间呈正交型排列。Dt型液晶所形成的柱结构不与层平面垂直，而是倾斜成一定角度。FunctionalPolymer1液晶高分子LiquidCrystalPolymer常见的液晶结构举例5FunctionalPolymer1液晶高分子LiquidCrystalPolymer1.4液晶的表征液晶的表征是一个较为复杂的问题。结构上细微的差别常常难以明显地区分，经常出现对同一物质得出不同研究结论的现象。因此经常需要几种方法同时使用，互相参照，才能确定昀终的结构。目前常用于研究和表征高分子液晶的有以下一些手段。¾示差扫描量热计法（DSC法）¾热台偏光显微镜法（POM法）¾X射线衍射法¾核磁共振光谱法¾介电松弛谱法¾相容性判别法¾光学双折射法FunctionalPolymer1液晶高分子LiquidCrystalPolymer1.4液晶的表征热分析法（DSC法）在液晶的研究中，它能测定液晶高分子的玻璃化转变温度、介晶相转变温度、熔点、清亮点、分解温度及相应的热焓值等。FunctionalPolymer1液晶高分子LiquidCrystalPolymer1.4液晶的表征热分析法（DSC法）FunctionalPolymer1液晶高分子LiquidCrystalPolymerp-azoxyanisolehasbeenplayedanimportantroleinthedevelopmentofliquidcrystaldisplays.FunctionalPolymer1液晶高分子LiquidCrystalPolymer1.4液晶的表征热分析法（DSC法）FunctionalPolymer1液晶高分子LiquidCrystalPolymer1.4液晶的表征热台偏光显微镜法（POM法）在液晶的研究过程中，偏光显微镜往往被作为表征液晶态的首选手段，它能提供许多有价值的信息，并且照片解释比较容易。利用偏光显微镜可以研究溶致液晶态的产生和相分离过程，热致液晶的物质软化温度或熔点，液晶态的清亮点，各液晶相间的转变，以及液晶态织构和取向缺陷等形态学问题。6FunctionalPolymer1液晶高分子LiquidCrystalPolymer1.4液晶的表征热台偏光显微镜法（POM法）no,寻常光，ne,非寻常光液晶物质的折射率，介电常数，磁化率，电导率，粘度等各种物理性质，在液晶分子的长轴方向（∥）和与其垂直的方向（⊥）有很大的不同，即存在各向异性⊥≠nn//⊥≠εε//⊥≠χχ//⊥≠σσ//⊥≠ηη//N,SChFunctionalPolymer1液晶高分子LiquidCrystalPolymer1.4液晶的表征热台偏光显微镜法（POM法）δ=Δn×d(光程差δ,)d→0，则δ→0，不会产生干涉而为消光暗场；δ=mλ，波长振动相消（消光暗场）；δ=(m+1/2)λ波长振动相加（亮光）。光程差δ和颜色的关系：δ=281nm，黄绿；δ=275nm，鲜黄色；δ=267nm，白中带黄；δ=411nm，黄色；δ=505nm，橙红色；δ=550nm，红色；等。当用白光对液晶样品进行观察时，因为样品厚度的差异，且白光中各种颜色的光的波长不同，所以当δ达到一定值时会出现各种颜色，使得原本无色的样品会出现多彩的颜色。FunctionalPolymer1液晶高分子LiquidCrystalPolymer1.4液晶的表征热台偏光显微镜法（POM法）暗的部分—消失的刷子液晶织构FunctionalPolymer1液晶高分子LiquidCrystalPolymer液晶织构（texture），一般指液晶薄膜在光学显微镜特别是正交偏光显微镜下用平行光系统所观察到的图象，包括消光点或其它形式消光结构的存在乃至颜色的差异等等。1.4液晶的表征热台偏光显微镜法（POM法）一个理想的结构完全均匀的样品，只能给出单一色调而无织构可言，所以织构是液晶体中缺陷集合的产物。所谓缺陷，可以是物质的，也可以是取向状态方面的。在液晶中，主要是液晶分子或液晶基元排列中的平移缺陷（位错）和取向状态的局部缺陷（向错）。位错是指分子链的碎片或杂质在液晶分子排列时影响其规整性而产生的。向错是指由于某种外力的作用使液晶在取向时偏离了正常的方向，于是