高分子的液晶態(tài)結構

1、高分子的液晶態(tài)結構第1頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四 內(nèi)容提要1. 物質(zhì)的液晶態(tài)2. 液晶的發(fā)展簡史3. 液晶形成的條件4. 液晶分子的結構5. 液晶的分類6. 液晶性能的表征7. 液晶的應用第2頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四1.物質(zhì)的液晶態(tài)物質(zhì)的存在形式晶態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)等離子態(tài)(plasmas)非晶固態(tài)(amorphous solids)超導態(tài)(superconductors)中子態(tài)(neutron )液晶態(tài)(liquid crystals)第3頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四1. 物質(zhì)的液晶態(tài)1.1 液晶的概

2、念 液晶（liquid crystalline, LC）是介于各向同性的液體和各向異性的晶體之間的一種取向有序的流體，它兼有液體的流動性與晶體的雙折射等特征。 第4頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四1. 物質(zhì)的液晶態(tài)1.2 液晶的取向 晶態(tài) 液晶態(tài) 液態(tài)圖1.1 晶態(tài)、液晶態(tài)與液態(tài)分子的排列示意圖 第5頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四2. 液晶的發(fā)展簡史2.1 液晶的起源與誕生 液晶的研究可追溯至19世紀中葉，但首次明確認識液晶是在1888年，由奧地利植物學家F. Reinitzer觀察到。第6頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分

3、，星期四2. 液晶的發(fā)展簡史 他在加熱膽甾醇苯甲酸酯時，發(fā)現(xiàn)這種化合物的熔化現(xiàn)象十分特殊，145.5時熔化為乳濁的液體，178.5時變?yōu)榍辶恋囊后w；冷卻時先出現(xiàn)紫藍色，不久顏色消失出現(xiàn)渾濁狀液體，繼續(xù)冷卻，再次出現(xiàn)紫藍色，然后結晶。 第7頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四2. 液晶的發(fā)展簡史 根據(jù)F. Reinitzer提供的線索，德國著名物理學家Lehmann用偏光顯微鏡觀察了這種化合物，發(fā)現(xiàn)渾濁狀的中間相具有和晶體相似的性質(zhì)，于是他把這種具有各向異性和流動性的液體稱為液晶。第8頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四2. 液晶的發(fā)展簡史2.2 液晶

4、的發(fā)展過程 液晶誕生之后，有關液晶的合成與理論研究迅速開展起來。液晶的雙折射理論(O. Wiener)、 相態(tài)理論(E. Bose) 、取向機理 (V. Grandiean) 、液晶連續(xù)體理論(W. Kast、G. Friedel) 等相繼被建立。 第9頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四2. 液晶的發(fā)展簡史 從基礎研究的角度來看，這些研究工作開創(chuàng)了一個嶄新的領域，具有重要的理論意義，但由于沒有突出的使用背景，沒有引起廣泛重視。直到1957年，G. H. Brown等人整理了從1888年到1956年約70年間近500篇有關液晶方面的資料，發(fā)表在Chemical Revie

5、w上，才引起科學界的重視。第10頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四2. 液晶的發(fā)展簡史 與此同時，液晶的應用研究也取得了一些成果。20世紀60年代，F(xiàn)ergason根據(jù)膽甾相液晶的顏色變化設計出測定表面溫度的產(chǎn)品；Herlmeier根據(jù)向列相液晶的電光效應制成了數(shù)字顯示器、液晶鐘表等產(chǎn)品，開創(chuàng)了液晶電子學。第11頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四2. 液晶的發(fā)展簡史 此外，美國的W.H.公司發(fā)表了液晶在平面電視、彩色電視等方面有應用前景的報道。從此，液晶逐漸走出化學家和物理學家的實驗室，成為一類重要的工業(yè)材料。 第12頁，共52頁，2022年，5

6、月20日，17點15分，星期四2. 液晶的發(fā)展簡史2.3 液晶高分子的發(fā)展 1923年，德國化學家D. Vorlander提出了液晶高分子的科學設想，但事實上人們對高分子液晶態(tài)的認識是從1937年Bawden等在煙草花葉病毒的懸浮液中觀察到液晶態(tài)開始的。第13頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四2. 液晶的發(fā)展簡史 美國物理學家L. Onsager和化學家P. J. Flory分別于1949年和1956年對剛性棒狀液晶高分子作出理論解釋。但直到20世紀60年代中期，美國Du Pont公司發(fā)現(xiàn)聚對苯二甲酰對苯二胺的液晶溶液可紡出高強度高模量的纖維，液晶高分子才引起人們的廣泛

7、關注 。第14頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四2. 液晶的發(fā)展簡史 20世紀70年代，Kevlar纖維的商品化開創(chuàng)了液晶高分子研究的新紀元，以后又有自增強塑料Xydar（美國Dartco公司，1984），Vectra（美國Eastman公司，1985）和Ekonol（日本住友，1986）等聚酯類液晶高分子的工業(yè)化生產(chǎn)，從此，液晶高分子走上一條迅速發(fā)展的道路。 第15頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四3. 液晶的形成的條件（1）分子具有不對稱的幾何形狀。如棒狀、平板狀或盤狀。（2）分子要有一定的剛性。如含有多重鍵、芳香環(huán)等剛性基團。（3）分子之間

8、要有適當大小的作用力來維持分 子的有序排列， 即液晶分子要含有極性或易極化的基團。第16頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四4. 液晶分子的結構4.1 小分子液晶的結構 XLY (1) 表示分子中的剛性環(huán)狀結構，如苯環(huán)等。 (2) X，Y為剛性基團上的取代基，如烷基等； (3) L為連接集基團，如酯基等。第17頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四4. 液晶分子的結構4.2 高分子液晶的結構 能形成液晶高分子通常由剛性和柔性兩部分組成。剛性部分主要是芳香族和脂肪型環(huán)狀結構，柔性部分多是可以自由旋轉(zhuǎn)的鍵連接起來的飽和鏈。 第18頁，共52頁，2022年，

9、5月20日，17點15分，星期四4. 液晶分子的結構復合型側(cè)鏈型主鏈型第19頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四5. 液晶的分類（a）小分子液晶 ；（b）高分子液晶 (2) 按物質(zhì)的來源分類（a）天然液晶 ； （b）合成液晶(1) 按分子量大小分類第20頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四5. 液晶的分類(3) 按液晶形成的條件分類(4) 根據(jù)分子排列的形式和有序性的不同分類 （a）溶致液晶 （b）熱致液晶（a）向列型液晶（b）近晶型結構（c）膽甾型液晶第21頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四5. 液晶的分類（a）向列型(ne

10、matic)液晶 向列相液晶的分子呈棒狀，分子的長徑比大于4，分子質(zhì)心沒有長程有序性，其長軸互相平行，但不排列成層，如圖1.2所示。向列相液晶分子的排列和運動比較自由，對外力相當敏感，是目前液晶顯示器的主要材料。 第22頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四5. 液晶的分類 圖1.2 向列相液晶 第23頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四5. 液晶的分類（b）近晶相(smectic)液晶 近晶相液晶是由棒狀或條狀的分子組成，分子排列成層，層內(nèi)分子長軸相互平行或接近于平行，其方向可以垂直于層面，或與層面成傾斜排列，層的厚度等于分子的長度，如圖1.3所示。

11、第24頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四5. 液晶的分類 圖1.3 近晶相液晶 第25頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四5. 液晶的分類（c）膽甾相(cholesteric)液晶 膽甾相液晶分子呈扁平狀且排列成層，層內(nèi)分子相互平行。相鄰兩層分子，其長軸彼此有一輕微的扭角，多層分子的排列方向逐漸扭轉(zhuǎn)成螺旋線，形成一個沿層的法線方向排列成螺旋狀結構，如圖1.4所示。第26頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四5. 液晶的分類 圖1.4 膽甾相液晶 第27頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四6. 液晶性能的表征

12、高分子液晶態(tài)差示掃描量熱儀 (DSC)偏光顯微鏡 (POM)X-射線衍射 (XRD)第28頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四6. 液晶性能的表征 6.1 熱性能分析 （1）DSC 液晶的相行為研究主要采用DSC。DSC在高分子研究方面的應用特別廣泛，如研究聚合物的相轉(zhuǎn)變、熔點、玻璃化溫度，以及研究聚合、交聯(lián)、氧化、分解等反應，并測定反應溫度、反應熱、反應動力學參數(shù)等。第29頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四6. 液晶性能的表征第30頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四6. 液晶性能的表征（2）TG 聚合物在熱及其環(huán)境的共同作

13、用下要發(fā)生環(huán)化、交聯(lián)、氧化、降解、分解等結構變化。聚合物在發(fā)生降解或分解等化學變化時，會因為小分子的揮發(fā)而產(chǎn)生質(zhì)量的損失，由此可評價聚合物的熱穩(wěn)定性。目前采用TGA來檢測聚合物的熱分解溫度。第31頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四6. 液晶性能的表征第32頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四6. 液晶性能的表征 6.2 織構分析 利用POM可以研究溶致液晶態(tài)的產(chǎn)生和相分離過程，熱致液晶的物質(zhì)軟化溫度、熔點、液晶態(tài)的清亮點、液晶相間的轉(zhuǎn)變溫度及液晶態(tài)織構和取向缺陷等形態(tài)學問題。 第33頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四6. 液

14、晶性能的表征 液晶織構（texture）一般指液晶薄膜在POM下用平行光系統(tǒng)所觀察到的圖像。一個理想結構的完全均勻樣品，只能給出單一色調(diào)而無織構可言，所以織構是液晶體中缺陷集合的產(chǎn)物。 第34頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四6. 液晶性能的表征液晶高分子的織構向列相液晶織構近晶相液晶織構膽甾相液晶織構第35頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四6. 液晶性能的表征第36頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四6. 液晶性能的表征（1）向列相液晶織構 向列相絲狀（threaded）織構第37頁，共52頁，2022年，5月20日，17

15、點15分，星期四6. 液晶性能的表征向列相紋影（schlieren）織構第38頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四6. 液晶性能的表征 向列相球粒（droplet）織構第39頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四6. 液晶性能的表征 向列相大理石紋（marbled）織構第40頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四6. 液晶性能的表征（2）近晶相液晶織構 近晶A的扇形 （Fan-shaped）織構第41頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四6. 液晶性能的表征近晶C的紋影（schlieren）織構第42頁，共52頁

16、，2022年，5月20日，17點15分，星期四6. 液晶性能的表征 手性近晶C層線(lined)織構第43頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四6. 液晶性能的表征 近晶B馬賽克(mosaic)織構第44頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四6. 液晶性能的表征（3）膽甾相液晶織構 膽甾指紋(finger-print)織構第45頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四6. 液晶性能的表征 膽甾油絲(oily-streak)織構第46頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四6. 液晶性能的表征 膽甾焦錐(focal-co

17、nic)織構第47頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四6. 液晶性能的表征 膽甾螺旋(spiral)織構第48頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四7. 液晶的應用研究和開發(fā)液晶高分子 1. 提供新的高性能材料2.促進分子工程學、合成化 學、高分子物理學、高分 子加工學以及高分子應用 技術的發(fā)展3.有助于對生命現(xiàn)象的理解 4.新醫(yī)藥材料和醫(yī)療技術的 發(fā)現(xiàn) 目的第49頁，共52頁，2022年，5月20日，17點15分，星期四7. 液晶的應用液晶高分子的應用 結構材料電子、機械、軍事、航空航天功能材料光電顯示、記錄、儲存、調(diào)制和膜分離材料在生命科學，蛋白質(zhì)、核酸、病毒、細胞生命科學第50頁，