1、高分子液晶材料的研究、应用及发展xxx(xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx)摘要：高分子液晶是指具有液体的流动性和晶体的各向异性的液晶介态的高分子化合物，是不同于固相和液相的一种中介相态。综述了液晶的发现过程、形成机制及分类。介绍了高分子液晶材料的特点，并对液晶在各个领域的应用研究和潜在性能进展作了简要的阐述。关键词：高分子液晶 研究 应用 发展Polymer LCD materials research， application and developmentWen zhengkai(School of Chemistry Engineering Material， Dalian Po
2、lytechnic University， Dalian 116034， China)Abstract: Polymer LCD refers to the liquidity and crystals with liquid of anisotropic LCD interface states of macromolecular， is different from the complicated geometry.a liquid phase an intermediary. Reviews the discovery process， liquid crystal formation
3、mechanism and classification. Introduces the characteristics of polymeric liquid crystals， and material liquid crystal in various applications research and potential performance cautious.the paper summarized. Keywords：Polymer LCD research application development 引言液晶的发现最早可追溯到 1888 年，奥地利植物学家莱尼茨尔在做加热丹
4、甾醇苯甲酸酯结晶的实验时发现。第二年。德国物理学家莱曼通过偏光显微镜发现这种材料具有双折射现象，并提出了“液晶”这一学术用语，现在人们公认这两位科学家是液晶领域的创始人。液晶高分子材料发展较晚，但目前已成为液晶中最令人关注的领域，世界各国都加大投入了围绕研究与开发液晶高分子系列产品的力量。随着近代工业的发展，特别是宇航、导弹、航海和汽车工业的发展，高速和超重负载轮胎及复合材料的要求与日俱增，开发具有高强度高模量、耐辐射、耐化学腐蚀、耐高温等特种高分子材料已成为重要的研究课题。高分子液晶材料即为一类新型的特种高分子材料，已经以纤维、复合材料和注模制件等应用于航空、航海和汽车工业等部 门。本文就高
5、分子液晶的历史发展、研究现状、实际应用和未来研究方向进行了简单说明。1.高分子液晶的发展和性质液晶是某些物质在熔融态或在溶液状态下形成的有序流体的总称。液晶的发现可以追溯到 1888 年，奥地利植物学家 F Reini tzer 发现，把胆甾醇苯酸脂(Chol 2esteryl Benz oate， C6H5CO2C2 7H45 ， 简称 CB) 晶体加热到145. 5 e 会熔融成为混浊的液体， 145. 5 e 就是该物质的熔点。继续加热到 178. 5 e ，混浊的液体会突然变成清亮的液体， 而且这种由混浊到清亮的过程是可逆的。 O Lehmann 经过系统地研究指出， 在一定的温度范围
6、内，有些物质的机械性能与各向同性液体相似；但是它们的光学性质却和晶体相似， 是各向异性的。因此，这些介于液体和晶体之间的相被称为液晶相 【1】 。30 年代人们对液晶现象曾广泛研究过一段时间，但由于生产力水平低，未能得到应用。直至 60 年代中期，由于微电子工业、航空工业、激光、微波、超声波、全息照象、核磁共振和气液色谱等新技术的迅速发展，要求使用一些对低能量激励有灵敏响应的介质，使液晶有了用武之地。1967 年 R.Williams 发表了液晶的电光效应后，液晶应用倍受关注，研究遍及各个领域。60 年代后期液晶的研究也扩展至高分子领域。低分子液晶的发展至今已有近百年的历史，获得了深入的研究和
7、广泛 的应用。高分子液晶的发展还为时久。科学家们最早观察的高分子液晶是神经组织的结构单元脊髓液 ，它由磷脂和醇所组成。1937 年 Bawden 和Pirie 在烟草的马赛克病毒的悬浮液中发现了液晶行为 。五十年代 Elliott 和Robinson 等人又先后发现合成多肽也具有液晶性质。七十年代高强高模芳香族聚酞胺纤维问世 ，液晶纺丝技术的应用 ，标志着高分子液晶的研究进人了一个新的阶段。七十年代中期热致聚醋液晶的出现 ，又开辟了高分子液晶的新领域。现在已经发现很多刚性和半刚性链的高分子 ，某些柔性链高分子和不少生物高分子均具有液晶行为 。人们发现由刚性棒状直型结构的单体聚合而成的大分子具有
8、同低分子液晶类似的各向异性，这种大分子表现为高度的有序性，其熔体或溶液能够以某种方式自发地取向。1968 年美国杜邦公司首先开始了研究液晶高分子聚对苯二酞对苯二胺，并利用其在溶液中于一定的温度下表现为液晶态时纺丝，1971 年研究成功，取名 B 一纤维，1972 年 2 月投入工业化生产，同时发表了 PRD-49 新纤维(聚对芳酞胺)。1973 年分别定 B 一纤维和 PRD 一 9纤维商品名为 Kevlar 及 Kevlar-49 （我国分别称为芳纶 1414 和芳纶 14）Kevlar 液品纤维开创了高分子液晶材料的应用史，随后，在高分子科学的领域中，各种液晶聚合物的开发和研制开始蓬勃发展
9、。目前，实验室范围内己研制成功种类繁多的液晶聚合物，其中有的已实现了工业化生产，如热塑性注模液晶聚合物已有工业化的报道，由 Dartco 制造公司生产，商品名为 Xydar，是一种耐高温及有其它优良综合性能的热塑性塑料。高分子液晶在高强高模纤维的制备，液晶自增强材料的开发 ，光电和温度显示材料的应用 ，疾病诊断和治疗以及生命科学的研究等方面已经取得了迅速的发展和重要的应用。目前高分子液晶的研究与开发已经成为聚合物科学中的一个新的学科领域，日益受到各国 的广泛重视。2.形成及分类液晶聚合物的制备可采用通常缩聚反应方法，如熔融缩聚、溶液缩聚、界面缩聚以及相转移催化缩聚等。其成型加工方法亦同常规，可
10、在通用的装备，如挤出成型、注模、压延等机械上加工成各种制品。2.1 根据液晶分子结构特征根据刚性部分在分子中的相对位置和连接次序， 可将其分成主链型高分子液晶和侧链型高分子液晶。在高分子液晶中， 刚性部分如果处于聚合物主链上，即为主链型液晶； 刚性部分如果是由一段柔性链与聚合物主链相连， 成梳状，即为侧链型液晶。 在物理化学性质上方面， 主链型液晶与侧链型液晶表现出相当大的差异。2.2 根据液晶形态根据刚性分子链堆砌所形成的物理结构，可分为三种织态结构: 即向列型液晶、 近晶型液晶和胆甾型液晶。近晶型液晶其分子排列成层， 层内分子长轴互相平行， 垂直于层片平面。 分子可在本层活动， 不能上下层
11、移动， 二维有序， 其规整性近似晶体。向列型液晶分子沿长轴方向平行排列， 分子间保持与近晶型液晶相似的平行关系。分子能上下、 左右、 前后滑动， 呈现一维有序， 重心位置无序， 有很大流动性。胆甾型液晶是向列型液晶的一种特殊形式。分子排列成层， 层内分子排列成向列型； 分子长轴平行于层的平面，层与层间分子长轴逐渐偏转， 形成螺旋状。由于这些扭转作用， 可以使反射白光发生色散， 透射光发生偏转， 具有独特的光学性质。2.3 根据液晶形成条件按液晶的形成条件， 可分为溶致性液晶、热致性液晶、 压致型液晶等等。溶致性液晶是在溶解过程中液晶分子在溶液中达到一定浓度时形成有序排列，产生各向异性构成液晶。
12、热致性液晶是在加热熔融过程中， 不完全失去晶体特征， 保持一定有序性的三维各向异性的晶体所构成的液晶。3.高分子液晶材料的研究现状及开发前景高分子液晶是当前高分子科学中颇有吸引力的一个研究领域。 近十几年来，有关的研究报道日益增多。从报道的文献看，高分子液晶材料的研究热点主要集中在以下几个方面:3.1 高分子液晶的合成、 表征及性能测试一种新材料的开发， 其合成和表征应当是首当其冲的， 因此有关这方面的研究特别多。最近，李自法等就报道了以 2， 5 二(对烷氧基苯甲酰氧基)对苯二酚和不同结构的脂肪二酰氯为单体， 采用低温溶液缩聚的方法， 合成了一系列新的液晶基元垂直于分子主链的近晶 C (Sc
13、)相串型高分子液晶。赵雄燕等综述了一种合成嵌段液晶共聚物的新方法大分子引发剂法。这种方法可以使传统的自由基聚合也具有“准活性”聚合的能力，从而象阴离子聚合一样，也可用来合成预定结构的嵌段共聚物。但由自由基聚合对杂质敏感性小，合成简单并易于控制，使得在大分子引发剂法在合成嵌段液晶共聚物领域显示出极好的开发前景。有关高分子液晶性能测试方面的研究更是近期研究热点中的热点， 这点可从上文的例子中看出。3.2 嵌段液晶共聚物的研究由于嵌段共聚物的合成技术有较大的可靠性和预见性， 因此能较好地控制诸如序列结构、链段长度及多分散性等重要参数， 准确地达到所要求的结构，这样便可根据不同的使用要求进行分子裁剪，
14、设计合成具有特殊性能的高分子材料。因此近年有关嵌段液晶共聚物的研究报道逐渐增多，已成为液晶领域研究的热点之一。嵌段液晶共聚物除了用作液晶原位复合材料的增容剂，制备高强度、高模量及加工性能优异的高性能结构材料外，还可用于: 制备集光电性、液晶性及优异的加工性于一身的高科技光电功能材料 ；利用嵌段液晶共聚物相转变的平衡特性可进行评估聚合物特殊的物理过程和物理性能；作为半结晶嵌段共聚物还可用来研究总体几何结构与拓扑之间的关系； 嵌段液晶共聚物还可用来研究不同的相界面条件及相畴尺寸对液晶相的形成、特性及稳定性的影响。总之， 液晶嵌段共聚物无论是作为高性能材料还是在理论研究方面，均具有广阔的应用前景和重
15、要的理论研究价值。3.3 液晶高分子原位复合材料和分子复合材料液晶高分子与其它高分子的共混物是一类很有生命力和发展前景的材料，它性能优良、价格便宜、品种多样、加工容易，因而深受国内外重视。如何将棒状分聚合物分散到柔性链分子基体中，使它们尽可能地达到分子分散的水平，一直是科学家们努力追求的。 刘孝波等指出，液晶热固性聚合物的研究是近年来液晶聚合物研究课题中出现的一个新型的研究课题。它将集液晶特征和热固性聚合物的性质于一体，创造出一类新型的特种热固性高分子材料。液晶环氧树脂为代表的液晶性网络材料是其中重要的一类，它为高性能高分子复合材料的研究开辟了新的途径，从而拓宽了液晶聚合物和通用热固性聚合物的
16、研究。3.4 功能高分子液晶材料功能高分子液晶材料包括: 光学非线性高分子液晶，铁电性和反铁电性高分子液晶，光导高分子液晶，生物性高分子液晶和高分子液晶膜等。由于它们的特殊性能将会有非常广阔的重要应用前景。例如，吴壁耀等报道了具有肉桂酸酯侧链基的热熔型高分子液晶的光交联行为。指出在 20min 紫外光照射的条件下，形成液晶相的液晶高分子膜的光交联凝胶百分率要明显高于尚未形成液晶的同种高分子膜。由于液晶高分子中介晶基元的聚集和有序排列形成的微区结构也影响了大分子链铡基肉桂酸酯的聚集状态， 从而使其光化学性质发生了变化，可望用于光固化涂料的改性。任何一种材料的开发都必须有完善的理论作基础，都必须以
17、满足社会的发展需要为根本目的，同样，高分子液晶也不例外。对于高分子液晶材料的开发，在继续加强以上四方面的研究外，还应加强如下几方面的研究开发工作。（1）加强高分子液晶的基础研究和应用基础研究工作从已报道的大量文献看， 合成、表征及其性能测试方面的报道占主要地位，而理论方面探讨性文章较少因此有必要加强诸如: 高分子液晶理论，液晶态结构，相变动力学与热力学，液晶共聚物的序列结构，高分子液晶的结构与功能关系，高分子液晶的分子设计等重要基础理论问题的研究。李敏等报道了一种新型高分子液晶的分子设计方法，即，将分子间相互作用(如分子间氢键、离子间相互作用及电荷转移相互作用等)引入高分子液晶体系。其原理是通
18、过分子间的复合而形成有序超分子聚集体。这种新型的高分子液晶体系具有高的热稳定性和高有序性，可望在导电材料等领域中得到应用。(2)发展热熔型高分子液晶结构材料，特别是聚酯类的液晶自增强塑料可以按其热变形温度高低开发不同档次的液晶聚合物，以满足高科技领域、国民经济各部门和家用电器等不同层次的需要。(3)发展高比强、高比模和耐高温的热熔型液晶高分子纤维，包括芳纶纤维和共聚酯纤维。(4)搞好配套项目的发展 应加强为开发高分子液晶材料所必须的单体等原料的开发和高分子液晶成型加工技术及设备的研究，包括工程技术和应用开发等。总之，随着高分子液晶的理论日臻完善， 其应用也日益广泛，人们不仅开发了大量的高强、高
19、模以及具有显示和信息存储功能的高分子液晶材料，同时还在不断探索在其它领域的应用。可以肯定，作为一门交叉学科，高分子液晶材料科学在高性能结构材料、信息记录材料、功能膜及非线性光学材料等方面的开发中必将发挥越来越重要的作用。4. 我国学者在高分子液晶研究方面取得新进展在国家自然科学基金重点项 目和国家杰 出青年基金支持下,北京大学高分子科学与工程系的液晶高分子研究又取得了一些重要进展并受到国际学术界关注年周其凤等提出的甲壳型液晶高分子的概念得到了各国学者的广泛注，而北京大学在该方向的研究一直处于领先地位,已成功合成了上百个具有不同化学结构的甲壳型液晶高分子,并从不同的视角对其结构和性质开展了研究最
20、近 ,陈尔强等对其中的聚乙烯基对苯二甲酸二烷基酷的相结构和相转变进行了深入研究研究表明,当其侧基中烷基为丙基至 己基时,侧基的”甲壳效应”能诱导产生高阶有序的柱状液晶相通过合成改变侧基的大小 ,该系列高分子的凝聚态相结构能在无定型及液晶相之间得到有效的调制这一工作为实现聚合物分子工程的构想提供了简洁的新途径 该研究成果最近发表在化学领域重要期刊“J Am Chem Soc”(美国化学会志,2003 ,125:6854-6855)上。周其凤等关于利用可控自由基聚合制备以甲壳型液晶高分子为刚性链段和以聚硅氧烷为柔性链段的有机/无机杂化型嵌段高分子的工作,最近发表在高分子领域重要国际刊物“J Pol
21、ym Sci,Part A:Polym Chem”(高分子科学一高分子化学分刊,2003 41:1799-1806)上,也引起了国际学术界关注。参考文献1 谢毓章.液晶物理学. 北京:科学出版社， 19882 周其序.高分子液晶材料3 李岳姝.高分子液晶材料及应用。科技论坛 鸡西大学安全系，黑龙江 鸡西 1581004 李世瑨 陈建定 吴叙勤.高分子液晶的进展. 化学世界 .80. （1986）5 李世瑨 陈建定 吴叙勤.高分子液晶的应用. 化学世界 .80.127 （1986）6 王瑾菲 蒲永平 杨公安 杨文虎. 高分子液晶材料的应用及发展趋势. 陶瓷 2009.NO.37 郭玉国, 张亚利, 赵文元, 孙典亭. 高分子液晶材料的研究现状及开发前景. 青岛大学学报 第 15 卷第 3 期 文章编号: 1006-29798 (2000) 03-20024-2058 董建华. 自然科学进展 第 13 卷第 11 期 2003 年 11 月
