液晶取向結(jié)構(gòu)

液晶取向結(jié)構(gòu)1第1頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)高分子液晶引言小分子中介相及液晶聚合物類型液晶的光學織構(gòu)和液晶相分類高分子結(jié)構(gòu)對液晶行為的影響液晶態(tài)的表征液晶聚合物的性質(zhì)和應用2第2頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日重點及要求：液晶態(tài)的基本概念及液晶的分類；液晶的結(jié)構(gòu)特征和形成條件；液晶的特性和應用教學目的：了解高聚物液晶態(tài)結(jié)構(gòu)及液晶的應用3第3頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日液晶的歷史60年代，美國杜邦公司(DuPont’s)先后推出了PBA（聚苯甲酰胺）及Kevlar纖維（PPTA,聚對苯二甲酰對苯二胺），標志了液晶研究的工業(yè)化發(fā)展的開始。70~80年代，出現(xiàn)了諸如Xydar（美國Darton公司1984年）,Vectra（美國Calanese公司1985年）等一系列商用型熱致型液晶。4第4頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日Pierre-GillesdeGennes(1932-2007)TheNobelPrizeinPhysics1991

"fordiscoveringthatmethodsdevelopedforstudyingorderphenomenainsimplesystemscanbegeneralizedtomorecomplexformsofmatter,inparticulartoliquidcrystalsandpolymers"France5第5頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日液晶液晶LiquidCrystal一些物質(zhì)的結(jié)晶結(jié)構(gòu)受熱熔融或被溶劑溶解后，表觀上雖然變成了具有流動性的液體物質(zhì)，但結(jié)構(gòu)上仍然保持著晶體結(jié)構(gòu)特有的一維或二維有序排列，形成一種兼有部分晶體和液體性質(zhì)的過渡狀態(tài)，這種中間狀態(tài)稱為液晶態(tài)。其所處狀態(tài)的物質(zhì)稱為液晶。液晶小分子液晶高分子高分子量液晶相序特性液晶高分子的高強度、高模量、高流動6第6頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日晶體三維有序液態(tài)的無序液晶液晶—有序流動的液體液晶的特點——同時具有流動性和光學各向異性小分子液晶由液晶核與尾鏈組成液晶核的幾何形狀可為棒狀(calamitic)或盤狀(discotic)，主要由芳環(huán)組成。7第7頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日液晶的化學結(jié)構(gòu)及分類結(jié)構(gòu)液晶包括高分子液晶和小分子液晶。不論高分子還是小分子，形成有序流體都必須具備一定條件，從結(jié)構(gòu)上講，稱其為液晶基元。液晶基元棒狀(或條狀)長徑比大于4雙親性分子盤狀軸比小于1/4分類按液晶核的排列分按液晶基元所在位置分按液晶的形成條件分8第8頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日O-(CH2)2–CH3N=NCH3-(CH2)2-

OO-(CH2)2–CH3CNTailCoreTailCoreTail棒狀液晶核9第9頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日O-(CH2)2–CH3CH3-(CH2)2-

OCH3-(CH2)2-

OCH3-(CH2)2-

OO-(CH2)2–CH3O-(CH2)2–CH3CoreTail盤狀液晶核10第10頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日按液晶核的排列分棒狀盤狀向列相N：只有方向序無位置序近晶A相SA：有位置序和方向序近晶C相SC：有位置序和方向序且既有層面的法向方向又有晶核的共分方向柱相向列相

(DiscoticN)ND有序程度SC>SA>N如果層內(nèi)間隔相等Dho如果層內(nèi)間隔不等Dhd液晶的化學結(jié)構(gòu)及分類11第11頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日兩種有序狀態(tài)：取向序與平動序NoneOrientationalTranslationalOrientational+12第12頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日NematicN向列型一維取向序無平動序13第13頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日SmecticASA近晶型A一維取向序一維平動序14第14頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日aSmecticCSC近晶型C二維取向序一維平動序15第15頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日PChiralNematicN*Cholesteric膽甾型cn手性液晶(含不對稱碳原子)16第16頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日盤狀液晶DiscoticDiscoticNematic–DNDiscotichexegonalordered–DhoDiscotichexegonaldisordered–Dhd17第17頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日按液晶基元所在位置分按液晶的形成條件分主鏈液晶主側(cè)鏈液晶側(cè)鏈液晶熱致液晶：液晶物質(zhì)加熱熔融形成的液晶。溶致液晶：液晶物質(zhì)溶于溶劑所得到的液晶。液晶的化學結(jié)構(gòu)及分類18第18頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日按液晶基元所在位置分類主鏈型液晶側(cè)鏈型液晶19第19頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日主鏈液晶側(cè)鏈液晶液晶基元位于分子主鏈的高分子稱為主鏈型液晶高分子。液晶基元位于分子側(cè)基者的高分子稱為側(cè)鏈型液晶高分子。腰接側(cè)鏈型串型組合式20第20頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日按液晶形成條件分類熱致液晶：通過加熱而形成液晶態(tài)的物質(zhì)----共聚酯，聚芳酯Xydar,Vector,Rodrum溶致液晶：在某一溫度下，因加入溶劑而呈現(xiàn)液晶態(tài)的物質(zhì)----核酸，蛋白質(zhì)，芳族聚酰胺PBT,PPTA(Kevlar)和聚芳雜環(huán)PBZT,PBO感應液晶：外場（力，電，磁，光等）作用下進入液晶態(tài)的物質(zhì)----PEunderhighpressure流致液晶：通過施加流動場而形成液晶態(tài)的物質(zhì)----聚對苯二甲酰對氨基苯甲酰肼21第21頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日HBA:hydroxybenzoicacid;HNA:hydroxynapthoicacidHoechstCelaneseCorporationOCOCOOxyHBAHNA熱致液晶聚合物示例Vectra22第22頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日CHBACTAOOOCOOOCIAOCOBPHBA:hydroxybenzoicacid;

TA:terephthalicacid;

BP:biphenol;

IA:isophthalicacidDartcoManufacturing,andNipponPetrochemicalXydar23第23頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日OOCH2CH2OOCnHBACnTACnOOEGHBA:hydroxybenzoicacid;TA:terephthalicacid;EG:ethyleneglycolEastmanKodakCompanyX7GandWH24第24頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日NomexPoly(m-phenyleneisophthalamide)NH2H2NCOOHHOOC+NHHNCOOC溶致液晶聚合物示例25第25頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日Kevlar－COClH2N－－NH2+ClOC－HN－－NHOC－－CO熱致液晶主要為芳香聚酯，熔融后成為液晶溶致液晶主要為芳香尼龍，在溶液中達到一定濃度后成為液晶26第26頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日分子結(jié)構(gòu)對液晶行為的影響液晶的化學結(jié)構(gòu)直接影響其形成的可能性、相態(tài)和轉(zhuǎn)變溫度。（a）主鏈型液晶高分子鏈的柔順性是影響液晶行為的主要因素。完全剛性的高分子，熔點很高，通常不出現(xiàn)熱致型液晶，而可以在適當溶劑中形成溶致液晶。在主鏈液晶基元之間引入柔性鏈段，增加了鏈的柔性，使聚合物的Tm降低，可能呈現(xiàn)熱致型液晶行為。x=8~14時一般為向列型液晶；x=13,14時還能呈現(xiàn)近晶型液晶相。隨著x的增加，熔點Tm和清亮點Ti呈下降趨勢。但柔性鏈段含量太大，最終也會導致聚合物不能形成液晶。27第27頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日(b)側(cè)鏈型液晶高分子柔性間隔段：柔性間隔段的引入，可以降低高分子主鏈對液晶基元排列與取向的限制，有利于液晶的形成與穩(wěn)定。x=2時，不形成液晶；x=5,11時，呈現(xiàn)近晶型液晶行為。主鏈：主鏈柔性影響液晶的穩(wěn)定性。通常，主鏈柔性增加，液晶的轉(zhuǎn)變溫度降低。柔性差好Tm=368K,Ti=394K,T=25KTm=320K,Ti=350K,T=30K28第28頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日(c)液晶基元液晶基元的長度增加，通常使液晶相溫度加寬，穩(wěn)定性提高。液晶基元加長Tm=309K,Ti=374K,T=65KTm=333K,Ti=535K,T=202K29第29頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日液晶高分子的表征和應用液晶態(tài)的表征Polarized-lightmicroscopy偏光顯微鏡XRD-X-raydiffractionX射線衍射DSC–Differentialscanningclarometry示差掃描量熱法液晶的應用液晶原位增強聚合液晶紡絲：在低牽伸倍數(shù)下獲得高度取向、高性能纖維。液晶顯示LCD-Liquidcrystaldisplay30第30頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日LCD–Liquidcrystaldisplay31第31頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日Kevlar–PPTA–Poly(p-phenyleneterephthalamie)32第32頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日ApplicationsofKevlar33第33頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日液晶高分子的流變性34第34頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日小結(jié):液晶態(tài)的基本概念及液晶的分類；液晶的結(jié)構(gòu)特征和形成條件；液晶的特性和應用35第35頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日主要內(nèi)容第四節(jié)聚合物的取向結(jié)構(gòu)第五節(jié)多組分聚合物36第36頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日教學目的：了解高分子鏈的取向和高分子合金及其應用重點及要求：聚合物的取向現(xiàn)象、取向機理、取向度的表征和應用；高分子合金的概念、相容性含量與；非相容高分子合金的增容方法和相容性表征本講內(nèi)容：

聚合物的取向結(jié)構(gòu)和高分子合金37第37頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日

2.4.1聚合物的取向結(jié)構(gòu)

取向(orientation)：在外力作用下，分子鏈沿外力方向擇優(yōu)排列。聚合物的取向現(xiàn)象包括分子鏈、鏈段的取向以及結(jié)晶聚合物的晶片等沿特定方向的擇優(yōu)排列。38第38頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日取向造成各向異性聚合物取向方法雙軸拉伸或吹塑的薄膜纖維熔融擠出的管材和棒材未取向的聚合物材料是各向同性的，即各個方向上的性能相同(isotropic)。而取向后的聚合物材料是各向異性的(anisotropic)，即方向不同，性能也不同。39第39頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日DifferentTypesofOrientationUniaxialorientationBiaxialorientation40第40頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日UniaxialOrientation聚合物的取向一般有兩種方式：單軸取向：在一個軸向上施以外力，使分子鏈沿一個方向取向。如纖維紡絲再如薄膜的單軸拉伸41第41頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日BiaxialOrientation雙軸取向：一般在兩個垂直方向施加外力。如薄膜雙軸拉伸，使分子鏈取向平行薄膜平面的任意方向。在薄膜平面的各方向的性能相近，但薄膜平面與平面之間易剝離。薄膜的雙軸拉伸取向薄膜擠壓吹塑機42第42頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日取向單元無定形聚合物Amorphouspolymer晶態(tài)聚合物Crystallinepolymer鏈段取向非晶區(qū)Amorphousregion晶區(qū)Crystalregion鏈段取向球晶變形，晶片傾斜、滑移、取向取向與解取向問題聚合物可以取向，但取向是一種熱力學不穩(wěn)定狀態(tài)，在一定的外力、時間、溫度下又有解取向。43第43頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日TheDegreeofOrientation取向度OrientationwithrespecttoreferencedirectionZParameterParallelRandomPerpendicular<cos2>11/30f10-1/2Machinedirection機器方向，縱向分子鏈主軸與取向方向取向角示意圖Orientationfunction取向函數(shù)幾種特殊情況下的取向函數(shù)值44第44頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日ExperimentstoDetermi