高分子的液晶态结构.ppt

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1、液液 晶晶Liquid Crystalline 内容提要内容提要内容提要内容提要1.物质的液晶态物质的液晶态2.液晶的发展简史液晶的发展简史3.液晶形成的条件液晶形成的条件4.液晶分子的结构液晶分子的结构5.液晶的分类液晶的分类6.液晶性能的表征液晶性能的表征7.液晶的应用液晶的应用1.1.物质的液晶态物质的液晶态物物质质的的存存在在形形式式晶态、液态、气态晶态、液态、气态等离子态等离子态(plasmas)非晶固态非晶固态(amorphous solids)超导态超导态(superconductors)中子态中子态(neutron)液晶态液晶态(liquid crystals)1.1.物质的液

2、晶态物质的液晶态1.1 液晶的概念液晶的概念 液液晶晶（liquid crystalline,LC）是是介介于于各各向向同同性性的的液液体体和和各各向向异异性性的的晶晶体体之之间间的的一一种种取取向向有有序序的的流流体体，它它兼兼有有液液体体的的流流动动性性与与晶晶体体的的双双折折射射等等特征。特征。1.1.物质的液晶态物质的液晶态1.2 液晶的取向液晶的取向 晶态晶态 液晶态液晶态 液态液态图图1.1 晶态、液晶态与液态分子的排列示意图晶态、液晶态与液态分子的排列示意图 2.液晶的发展简史液晶的发展简史2.1 液晶的起源与诞生液晶的起源与诞生 液液晶晶的的研研究究可可追追溯溯至至19世世纪纪

3、中中叶叶，但但首首次次明明确确认认识识液液晶晶是是在在1888年年，由由奥奥地地利利植植物物学学家家F.Reinitzer观察到。观察到。2.液晶的发展简史液晶的发展简史 他他在在加加热热胆胆甾甾醇醇苯苯甲甲酸酸酯酯时时，发发现现这这种种化化合合物物的的熔熔化化现现象象十十分分特特殊殊，145.5时时熔熔化化为为乳乳浊浊的的液液体体，178.5时时变变为为清清亮亮的的液液体体；冷冷却却时时先先出出现现紫紫蓝蓝色色，不不久久颜颜色色消消失失出出现现浑浑浊浊状状液液体体，继继续续冷冷却却，再再次次出出现现紫紫蓝色，然后结晶。蓝色，然后结晶。2.液晶的发展简史液晶的发展简史 根根据据F.Reinit

4、zer提提供供的的线线索索，德德国国著著名名物物理理学学家家Lehmann用用偏偏光光显显微微镜镜观观察察了了这这种种化化合合物物，发发现现浑浑浊浊状状的的中中间间相相具具有有和和晶晶体体相相似似的的性性质质，于于是是他他把把这这种种具具有各向异性和流动性的液体称为有各向异性和流动性的液体称为液晶液晶。2.液晶的发展简史液晶的发展简史2.2 液晶的发展过程液晶的发展过程 液液晶晶诞诞生生之之后后，有有关关液液晶晶的的合合成成与与理理论论研研究究迅迅速速开开展展起起来来。液液晶晶的的双双折折射射理理论论(O.Wiener)、相相态态理理论论(E.Bose)、取取向向机机理理 (V.Grandie

5、an)、液液晶晶连连续续体理论体理论(W.Kast、G.Friedel)等相继被建立。等相继被建立。2.液晶的发展简史液晶的发展简史 从从基基础础研研究究的的角角度度来来看看，这这些些研研究究工工作作开开创创了了一一个个崭崭新新的的领领域域，具具有有重重要要的的理理论论意意义义，但但由由于于没没有有突突出出的的使使用用背背景景，没没有有引引起起广广泛泛重重视视。直直到到1957年年，G.H.Brown等等人人整整理理了了从从1888年年到到1956年年约约70年年间间近近500篇篇有有关关液液晶晶方方面面的的资资料料，发发表表在在Chemical Review上上，才才引引起起科学界的重视。科

6、学界的重视。2.液晶的发展简史液晶的发展简史 与与此此同同时时，液液晶晶的的应应用用研研究究也也取取得得了了一一些些成成果果。20世世纪纪60年年代代，Fergason根根据据胆胆甾甾相相液液晶晶的的颜颜色色变变化化设设计计出出测测定定表表面面温温度度的的产产品品；Herlmeier根根据据向向列列相相液液晶晶的的电电光光效效应应制制成成了了数数字字显显示示器器、液液晶晶钟钟表表等等产产品品，开开创创了了液液晶电子学。晶电子学。2.液晶的发展简史液晶的发展简史 此此外外，美美国国的的W.H.公公司司发发表表了了液液晶晶在在平平面面电电视视、彩彩色色电电视视等等方方面面有有应应用用前前景景的的报

7、报道道。从从此此，液液晶晶逐逐渐渐走走出出化学家和物理学家的实验室，成为一类重要的工业材料。化学家和物理学家的实验室，成为一类重要的工业材料。2.液晶的发展简史液晶的发展简史2.3 液晶高分子的发展液晶高分子的发展 1923年年，德德国国化化学学家家D.Vorlander提提出出了了液液晶晶高高分分子子的的科科学学设设想想，但但事事实实上上人人们们对对高高分分子子液液晶晶态态的的认认识识是是从从1937年年Bawden等等在在烟烟草草花花叶叶病病毒毒的的悬悬浮浮液液中中观观察察到到液晶态开始的。液晶态开始的。2.液晶的发展简史液晶的发展简史 美美国国物物理理学学家家L.Onsager和和化化学

8、学家家P.J.Flory分分别别于于1949年年和和1956年年对对刚刚性性棒棒状状液液晶晶高高分分子子作作出出理理论论解解释释。但但直直到到20世世纪纪60年年代代中中期期，美美国国Du Pont公公司司发发现现聚聚对对苯苯二二甲甲酰酰对对苯苯二二胺胺的的液液晶晶溶溶液液可可纺纺出出高高强强度度高高模模量量的的纤纤维维，液液晶高分子才引起人们的广泛关注晶高分子才引起人们的广泛关注。2.液晶的发展简史液晶的发展简史 20世世纪纪70年年代代，Kevlar纤纤维维的的商商品品化化开开创创了了液液晶晶高高分分子子研研究究的的新新纪纪元元，以以后后又又有有自自增增强强塑塑料料Xydar（美美国国Da

9、rtco公公司司，1984），Vectra（美美国国Eastman公公司司，1985）和和Ekonol（日日本本住住友友，1986）等等聚聚酯酯类类液液晶晶高高分分子子的的工工业业化化生生产产，从从此此，液液晶晶高高分分子子走走上上一一条条迅迅速速发发展展的道路。的道路。3.液晶的形成的条件液晶的形成的条件（1）分子具有不对称的几何形状。分子具有不对称的几何形状。如棒状、平板状或盘状如棒状、平板状或盘状。（2）分子要有一定的刚性。如含有分子要有一定的刚性。如含有多重键、芳香环多重键、芳香环等刚性基团。等刚性基团。（3）分子之间要有适当大小的作用力来维持分分子之间要有适当大小的作用力来维持分 子

10、的有序排列，子的有序排列，即液晶分子要含有即液晶分子要含有极性或易极化的基团极性或易极化的基团。4.液晶分子的结构液晶分子的结构4.1 小小分子液晶的结构分子液晶的结构 XLY (1)表示分子中的刚性环状结构，如苯环等。表示分子中的刚性环状结构，如苯环等。(2)X，Y为刚性基团上的取代基，如烷基等；为刚性基团上的取代基，如烷基等；(3)L为连接集基团，如酯基等为连接集基团，如酯基等。4.液晶分子的结构液晶分子的结构4.2 高高分子液晶的结构分子液晶的结构 能能形形成成液液晶晶高高分分子子通通常常由由刚刚性性和和柔柔性性两两部部分分组组成成。刚刚性性部部分分主主要要是是芳芳香香族族和和脂脂肪肪型

11、型环环状状结结构构，柔柔性性部部分分多是可以自由旋转的多是可以自由旋转的键连接起来的饱和链。键连接起来的饱和链。4.液晶分子的结构液晶分子的结构复合型复合型侧链型侧链型主链型主链型5.液晶的分类液晶的分类（a）小分子液晶小分子液晶；（；（b）高分子液晶高分子液晶 (2)按物质的来源分类按物质的来源分类（a）天然液晶天然液晶；（b）合成液晶合成液晶(1)按分子量大小分类按分子量大小分类5.液晶的分类液晶的分类(3)按液晶形成的条件分类按液晶形成的条件分类(4)根据分子排列的形式和有序性的不同分类根据分子排列的形式和有序性的不同分类（a）溶致液晶溶致液晶 （b）热致液晶热致液晶（a）向列型液晶向列

12、型液晶（b）近晶型结构近晶型结构（c）胆甾型液晶胆甾型液晶5.液晶的分类液晶的分类（a）向列型向列型(nematic)液晶液晶 向向列列相相液液晶晶的的分分子子呈呈棒棒状状，分分子子的的长长径径比比大大于于4，分分子子质质心心没没有有长长程程有有序序性性，其其长长轴轴互互相相平平行行，但但不不排排列列成成层层，如如图图1.2所所示示。向向列列相相液液晶晶分分子子的的排排列列和和运运动动比比较较自自由由，对对外力相当敏感，是目前液晶显示器的主要材料。外力相当敏感，是目前液晶显示器的主要材料。5.液晶的分类液晶的分类 图图1.2 向列相液晶向列相液晶 5.液晶的分类液晶的分类（b）近晶相近晶相(s

13、mectic)液晶液晶 近晶相液晶是由棒状或条状的分子组成，分子排列近晶相液晶是由棒状或条状的分子组成，分子排列成层，层内分子长轴相互平行或接近于平行，其方向可成层，层内分子长轴相互平行或接近于平行，其方向可以垂直于层面，或与层面成倾斜排列，层的厚度等于分以垂直于层面，或与层面成倾斜排列，层的厚度等于分子的长度，如图子的长度，如图1.3所示。所示。5.液晶的分类液晶的分类 图图1.3 近晶相液晶近晶相液晶 5.液晶的分类液晶的分类（c）胆甾相胆甾相(cholesteric)液晶液晶 胆甾相液晶分子呈扁平状且排列成层，层内分子相胆甾相液晶分子呈扁平状且排列成层，层内分子相互平行。相邻两层分子，其

14、长轴彼此有一轻微的扭角，互平行。相邻两层分子，其长轴彼此有一轻微的扭角，多层分子的排列方向逐渐扭转成螺旋线，形成一个沿层多层分子的排列方向逐渐扭转成螺旋线，形成一个沿层的法线方向排列成的法线方向排列成螺旋状结构螺旋状结构，如图，如图1.4所示。所示。5.液晶的分类液晶的分类 图图1.4 胆甾相液晶胆甾相液晶 6.液晶性能的表征液晶性能的表征高分子液晶态高分子液晶态差示扫描量热仪差示扫描量热仪(DSC)偏光显微镜偏光显微镜(POM)X-射线衍射射线衍射(XRD)6.液晶性能的表征液晶性能的表征 6.1 热性能分析热性能分析（1）DSC 液液晶晶的的相相行行为为研研究究主主要要采采用用DSC。DS

15、C在在高高分分子子研研究究方方面面的的应应用用特特别别广广泛泛，如如研研究究聚聚合合物物的的相相转转变变、熔熔点点、玻玻璃璃化化温温度度，以以及及研研究究聚聚合合、交交联联、氧氧化化、分分解解等等反反应应，并并测定反应温度、反应热、反应动力学参数等。测定反应温度、反应热、反应动力学参数等。6.液晶性能的表征液晶性能的表征6.液晶性能的表征液晶性能的表征（2）TG 聚聚合合物物在在热热及及其其环环境境的的共共同同作作用用下下要要发发生生环环化化、交交联联、氧氧化化、降降解解、分分解解等等结结构构变变化化。聚聚合合物物在在发发生生降降解解或或分分解解等等化化学学变变化化时时，会会因因为为小小分分子

16、子的的挥挥发发而而产产生生质质量量的的损损失失，由由此此可可评评价价聚聚合合物物的的热热稳稳定定性性。目目前前采采用用TGA来来检检测测聚聚合合物的热分解温度。物的热分解温度。6.液晶性能的表征液晶性能的表征6.液晶性能的表征液晶性能的表征 6.2 织构分析织构分析 利用利用POM可以研究溶致液晶态的产生和相分离过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、熔点、液晶态的清亮程，热致液晶的物质软化温度、熔点、液晶态的清亮点、液晶相间的转变温度及液晶态织构和取向缺陷等点、液晶相间的转变温度及液晶态织构和取向缺陷等形态学问题。形态学问题。6.液晶性能的表征液晶性能的表征 液晶织构

17、液晶织构（texture）一般指液晶薄膜在一般指液晶薄膜在POM下用下用平行光系统所观察到的图像。一个理想结构的完全均匀平行光系统所观察到的图像。一个理想结构的完全均匀样品，只能给出单一色调而无织构可言，所以织构是液样品，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。晶体中缺陷集合的产物。6.液晶性能的表征液晶性能的表征液液晶晶高高分分子子的的织织构构向列相液晶织构向列相液晶织构近晶相液晶织构近晶相液晶织构胆甾相液晶织构胆甾相液晶织构6.液晶性能的表征液晶性能的表征6.液晶性能的表征液晶性能的表征（1）向列相液晶织构）向列相液晶织构 向列相丝状向列相丝状（threaded）织

18、构织构6.液晶性能的表征液晶性能的表征向列相纹影向列相纹影（schlieren）织构织构6.液晶性能的表征液晶性能的表征 向列相球粒向列相球粒（droplet）织构织构6.液晶性能的表征液晶性能的表征 向列相大理石纹向列相大理石纹（marbled）织构织构6.液晶性能的表征液晶性能的表征（2）近晶相液晶织构）近晶相液晶织构 近晶近晶A的扇形的扇形（Fan-shaped）织构织构6.液晶性能的表征液晶性能的表征近晶近晶C的纹影的纹影（schlieren）织构织构6.液晶性能的表征液晶性能的表征 手性近晶手性近晶C层线层线(lined)织构织构6.液晶性能的表征液晶性能的表征 近晶近晶B马赛克马赛

19、克(mosaic)织构织构6.液晶性能的表征液晶性能的表征（3）胆甾相液晶织构）胆甾相液晶织构 胆甾指纹胆甾指纹(finger-print)织构织构6.液晶性能的表征液晶性能的表征 胆甾油丝胆甾油丝(oily-streak)织构织构6.液晶性能的表征液晶性能的表征 胆甾焦锥胆甾焦锥(focal-conic)织构织构6.液晶性能的表征液晶性能的表征 胆甾螺旋胆甾螺旋(spiral)织构织构7.液晶的应用液晶的应用研研研研究究究究和和和和开开开开发发发发液液液液晶晶晶晶高高高高分分分分子子子子 1.提供新的高性能材料提供新的高性能材料2.促进分子工程学、合成化促进分子工程学、合成化 学、高分子物理

20、学、高分学、高分子物理学、高分 子加工学以及高分子应用子加工学以及高分子应用 技术的发展技术的发展3.有助于对生命现象的理解有助于对生命现象的理解 4.新医药材料和医疗技术的新医药材料和医疗技术的 发现发现 目的目的7.液晶的应用液晶的应用液液晶晶高高分分子子的的应应用用 结构材料结构材料电子、机械、军事、航电子、机械、军事、航空航天空航天功能材料功能材料光电显示、记录、储存、光电显示、记录、储存、调制和膜分离材料调制和膜分离材料在生命科学，蛋白质、在生命科学，蛋白质、核酸、病毒、细胞核酸、病毒、细胞生命科学生命科学7.液晶的应用液晶的应用1.光学记录、贮存和显示材料光学记录、贮存和显示材料 液晶显示器、液晶钟表等。液晶显示器、液晶钟表等。2.高强度高模量材料高强度高模量材料 聚对苯二甲酰对苯二胺（聚对苯二甲酰对苯二胺（PPDT），），商品名商品名kevlar 7.液晶的应用液晶的应用 kevlar纤维的最大特点是具有超高模量和超高强纤维的最大特点是具有超高模量和超高强度，其相对强度相当于度，其相对强度相当于钢丝的钢丝的67倍，模量为钢丝的倍，模量为钢丝的23倍，比重只有钢丝的倍，比重只有钢丝的1/5左右左右，主要应用于航空航天、，主要应用于航空航天、军事等工业部门。如：防护装置防弹背心军事等工业部门。如：防护装置防弹背心。