高分子的液晶態(tài)結(jié)構(gòu)

1、高分子的液晶態(tài)結(jié)構(gòu)第1頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)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(jiǎn)史3. 液晶形成的條件4. 液晶分子的結(jié)構(gòu)5. 液晶的分類(lèi)6. 液晶性能的表征7. 液晶的應(yīng)用第2頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)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(dǎo)態(tài)(superconductors)中子態(tài)(neutron )液晶態(tài)(liquid crystals)第3頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)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(dòng)性與晶體的雙折射等特征。 第4頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)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(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期四2. 液晶的發(fā)展簡(jiǎn)史2.1 液晶的起源與誕生 液晶的研究可追溯至19世紀(jì)中葉，但首次明確認(rèn)識(shí)液晶是在1888年，由奧地利植物學(xué)家F. Reinitzer觀察到。第6頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分

3、，星期四2. 液晶的發(fā)展簡(jiǎn)史 他在加熱膽甾醇苯甲酸酯時(shí)，發(fā)現(xiàn)這種化合物的熔化現(xiàn)象十分特殊，145.5時(shí)熔化為乳濁的液體，178.5時(shí)變?yōu)榍辶恋囊后w；冷卻時(shí)先出現(xiàn)紫藍(lán)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(lán)色，然后結(jié)晶。 第7頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期四2. 液晶的發(fā)展簡(jiǎn)史 根據(jù)F. Reinitzer提供的線索，德國(guó)著名物理學(xué)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(dòng)性的液體稱(chēng)為液晶。第8頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期四2. 液晶的發(fā)展簡(jiǎn)史2.2 液晶

4、的發(fā)展過(guò)程 液晶誕生之后，有關(guān)液晶的合成與理論研究迅速開(kāi)展起來(lái)。液晶的雙折射理論(O. Wiener)、 相態(tài)理論(E. Bose) 、取向機(jī)理 (V. Grandiean) 、液晶連續(xù)體理論(W. Kast、G. Friedel) 等相繼被建立。 第9頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期四2. 液晶的發(fā)展簡(jiǎn)史 從基礎(chǔ)研究的角度來(lái)看，這些研究工作開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)嶄新的領(lǐng)域，具有重要的理論意義，但由于沒(méi)有突出的使用背景，沒(méi)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(guān)液晶方面的資料，發(fā)表在Chemical Revie

5、w上，才引起科學(xué)界的重視。第10頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期四2. 液晶的發(fā)展簡(jiǎn)史 與此同時(shí)，液晶的應(yīng)用研究也取得了一些成果。20世紀(jì)60年代，F(xiàn)ergason根據(jù)膽甾相液晶的顏色變化設(shè)計(jì)出測(cè)定表面溫度的產(chǎn)品；Herlmeier根據(jù)向列相液晶的電光效應(yīng)制成了數(shù)字顯示器、液晶鐘表等產(chǎn)品，開(kāi)創(chuàng)了液晶電子學(xué)。第11頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期四2. 液晶的發(fā)展簡(jiǎn)史 此外，美國(guó)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(yīng)用前景的報(bào)道。從此，液晶逐漸走出化學(xué)家和物理學(xué)家的實(shí)驗(yàn)室，成為一類(lèi)重要的工業(yè)材料。 第12頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5

6、月20日，17點(diǎn)15分，星期四2. 液晶的發(fā)展簡(jiǎn)史2.3 液晶高分子的發(fā)展 1923年，德國(guó)化學(xué)家D. Vorlander提出了液晶高分子的科學(xué)設(shè)想，但事實(shí)上人們對(duì)高分子液晶態(tài)的認(rèn)識(shí)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(kāi)始的。第13頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期四2. 液晶的發(fā)展簡(jiǎn)史 美國(guó)物理學(xué)家L. Onsager和化學(xué)家P. J. Flory分別于1949年和1956年對(duì)剛性棒狀液晶高分子作出理論解釋。但直到20世紀(jì)60年代中期，美國(guó)Du Pont公司發(fā)現(xiàn)聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺的液晶溶液可紡出高強(qiáng)度高模量的纖維，液晶高分子才引起人們的廣泛

7、關(guān)注 。第14頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期四2. 液晶的發(fā)展簡(jiǎn)史 20世紀(jì)70年代，Kevlar纖維的商品化開(kāi)創(chuàng)了液晶高分子研究的新紀(jì)元，以后又有自增強(qiáng)塑料Xydar（美國(guó)Dartco公司，1984），Vectra（美國(guó)Eastman公司，1985）和Ekonol（日本住友，1986）等聚酯類(lèi)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(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期四3. 液晶的形成的條件（1）分子具有不對(duì)稱(chēng)的幾何形狀。如棒狀、平板狀或盤(pán)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(tuán)。（3）分子之間

8、要有適當(dāng)大小的作用力來(lái)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(tuán)。第16頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期四4. 液晶分子的結(jié)構(gòu)4.1 小分子液晶的結(jié)構(gòu) XLY (1) 表示分子中的剛性環(huán)狀結(jié)構(gòu)，如苯環(huán)等。 (2) X，Y為剛性基團(tuán)上的取代基，如烷基等； (3) L為連接集基團(tuán)，如酯基等。第17頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期四4. 液晶分子的結(jié)構(gòu)4.2 高分子液晶的結(jié)構(gòu) 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(jié)構(gòu)，柔性部分多是可以自由旋轉(zhuǎn)的鍵連接起來(lái)的飽和鏈。 第18頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，

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

10、matic)液晶 向列相液晶的分子呈棒狀，分子的長(zhǎng)徑比大于4，分子質(zhì)心沒(méi)有長(zhǎng)程有序性，其長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)比較自由，對(duì)外力相當(dāng)敏感，是目前液晶顯示器的主要材料。 第22頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期四5. 液晶的分類(lèi) 圖1.2 向列相液晶 第23頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期四5. 液晶的分類(lèi)（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(zhǎng)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(zhǎng)度，如圖1.3所示。

11、第24頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期四5. 液晶的分類(lèi) 圖1.3 近晶相液晶 第25頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期四5. 液晶的分類(lèi)（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(zhǎng)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(gè)沿層的法線方向排列成螺旋狀結(jié)構(gòu)，如圖1.4所示。第26頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期四5. 液晶的分類(lèi) 圖1.4 膽甾相液晶 第27頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)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(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)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(yīng)用特別廣泛，如研究聚合物的相轉(zhuǎn)變、熔點(diǎn)、玻璃化溫度，以及研究聚合、交聯(lián)、氧化、分解等反應(yīng)，并測(cè)定反應(yīng)溫度、反應(yīng)熱、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)等。第29頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期四6. 液晶性能的表征第30頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)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(jié)構(gòu)變化。聚合物在發(fā)生降解或分解等化學(xué)變化時(shí)，會(huì)因?yàn)樾》肿拥膿]發(fā)而產(chǎn)生質(zhì)量的損失，由此可評(píng)價(jià)聚合物的熱穩(wěn)定性。目前采用TGA來(lái)檢測(cè)聚合物的熱分解溫度。第31頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期四6. 液晶性能的表征第32頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期四6. 液晶性能的表征 6.2 織構(gòu)分析 利用POM可以研究溶致液晶態(tài)的產(chǎn)生和相分離過(guò)程，熱致液晶的物質(zhì)軟化溫度、熔點(diǎn)、液晶態(tài)的清亮點(diǎn)、液晶相間的轉(zhuǎn)變溫度及液晶態(tài)織構(gòu)和取向缺陷等形態(tài)學(xué)問(wèn)題。 第33頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期四6. 液

14、晶性能的表征 液晶織構(gòu)（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(gè)理想結(jié)構(gòu)的完全均勻樣品，只能給出單一色調(diào)而無(wú)織構(gòu)可言，所以織構(gòu)是液晶體中缺陷集合的產(chǎn)物。 第34頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期四6. 液晶性能的表征液晶高分子的織構(gòu)向列相液晶織構(gòu)近晶相液晶織構(gòu)膽甾相液晶織構(gòu)第35頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期四6. 液晶性能的表征第36頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期四6. 液晶性能的表征（1）向列相液晶織構(gòu) 向列相絲狀（threaded）織構(gòu)第37頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17

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

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

17、nic)織構(gòu)第47頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期四6. 液晶性能的表征 膽甾螺旋(spiral)織構(gòu)第48頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期四7. 液晶的應(yīng)用研究和開(kāi)發(fā)液晶高分子 1. 提供新的高性能材料2.促進(jìn)分子工程學(xué)、合成化 學(xué)、高分子物理學(xué)、高分 子加工學(xué)以及高分子應(yīng)用 技術(shù)的發(fā)展3.有助于對(duì)生命現(xiàn)象的理解 4.新醫(yī)藥材料和醫(yī)療技術(shù)的 發(fā)現(xiàn) 目的第49頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)15分，星期四7. 液晶的應(yīng)用液晶高分子的應(yīng)用 結(jié)構(gòu)材料電子、機(jī)械、軍事、航空航天功能材料光電顯示、記錄、儲(chǔ)存、調(diào)制和膜分離材料在生命科學(xué)，蛋白質(zhì)、核酸、病毒、細(xì)胞生命科學(xué)第50頁(yè)，