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高分子液晶
化学工程与工艺专业概论论文
浅谈高分子液晶
姓名:
李亚楠
专业班级:
化学工程与工艺11级2班
学号:
201101110715
浅谈高分子液晶
摘要:
液晶LCD(LiquidCrystalDisplay)对于许多人而言已经不是一新鲜的名词。
从电视到随身听的线控,它已经应用到了许多领域。
液晶现象是1888年奥地利植物学家F.Reintizer在研究胆甾醇苯甲酯时首先发现的。
研究表明,液晶是介于液体和晶体之间的一种特殊的热力学稳定相态,它既具有晶体的各相异性,又有液态的流动性,液晶高分子就是具有液晶性的高分子,大多数由小分子量基元键结合而成,它是一种结晶态,既具有液体的流动性又具有晶体的各向异性特征。
关键词:
高分子液晶特性应用领域生产技术
正文:
液晶的定义,现在以放宽而囊括了在某一温度范围可以是现液晶相,在较低温度为正常结晶之物质。
而液晶的组成物质是一种有机化合物,也就是以碳为中心所构成的化合物。
同时具有两种物质的液晶,是以分子间力量组合的,它们的特殊光学性质,又对电磁场敏感,极有实用价值。
一.形成液晶物质的条件
首先,具有刚性的分子结构。
导致液晶形成的刚性结构部分称为致晶单元。
还须具有在液态下维持分子的某种有序排列所必需的凝聚力。
2.高分子液晶及其分类
1、主链型液晶高分子
主链型高分子液晶是指介晶基元处于主链中的一类高分子材料。
在20世纪70年代中期以前,它们多是指天然大分子液晶材料。
自从Dupont公司首次获得聚芳香酰胺的溶液型主链型高分子液晶性质的应用以来,主链型高分子液晶材料的合成、结构与性能关系和应用等都得以很大发展。
按液晶形成过程,主链型高分子液晶可以分为溶液型主链高分子液晶和热熔型主链高分子液晶。
(1)溶液型主链高分子液晶
其研究最多的则是聚芳香酰胺类和聚芳香杂环类聚合物。
酰胺为代表的一类溶液型高分子液晶而言,就必须借助于极强的溶剂,例如,常使用质量分数大于99%的浓硫酸等。
除了聚肽聚芳香酰胺和聚芳香环类溶液主链高分子液晶以外,纤维素及其衍生物也能形成溶液型液晶。
主要用于制备超高强度、高模量的纤维和薄膜。
材料的高强度、高模量来源于聚合物链在加工过程中,在一些特殊的溶剂中形成了各向异性的向列态液晶。
(2)热熔型主链高分子液晶
其高分子液晶材料与普通的高分子材料相比,有较大的性质差别。
良好的热尺寸稳定性;透气性非常低;对有机溶剂的良好耐受性和很强的抗水解能力。
基于热熔型主链液晶高分子的上述性质,它特别适用于上述各性质综合在一起的场合。
在电子工业中制作高精度电路的多接点部件,另外,易流动和低曲翘也使得它能制成较复杂的精密铸件,同时能抗强溶剂。
除了电子工业中的应用以外,它还可用于制备化学工业中使用的阀门等。
2、侧链型高分子液晶
侧链型高分子液晶是指介晶基元处于聚合物侧链上的一类高分子液晶。
与主链型高分子液晶相比,侧链高分子液晶的性质在较大程度取决于介晶基元,而受聚合物主链性质的影响较小。
侧链型高分子液晶比较好地将小分子液晶性质和聚合物的材料性质结为一体,是具有极大潜力的新型材料。
例如,已有许多文献报道侧链型高分子液晶在光信息储存、非线性光学和色谱等领域具有应用价值。
(1)溶液型侧链高分子液晶
溶液型侧链高分子液晶最重要的应用在于制备各种特殊性能高分子膜材料,如:
LB膜、SA膜和胶囊。
这种微胶囊可作为定点释放和缓释药物使用。
另外,溶液型侧链高分子液晶还可用于制作非线性光学器件和显示装置。
(2)热熔型侧链高分子液晶
在全息照相和光学透等镜方面有十分乐观的应用前景。
用侧链高分子液晶膜也可以进行可逆式全息成像。
全息成像是一种记录被摄物体反射(或透射)光中全部信息(振幅、相位)的成像技术,它是通过一束参考光和物体反射出来的光叠加和干涉实现的,此液晶膜同传统的卤化银感光液相比,它能可逆式地记录图像,而且效果也更好。
3.高分子液晶的特性
1、取向方向的高拉伸强度和高模量
绝大多数商业化液晶高分子产品都具有这一特性。
与柔性链高分子较,分子主链或侧链带有介晶基元的液晶高分子,最突出的特点是在外场中容易发生分子链取向。
因而即使不添加增强材料,也能达到甚至超过普通工程材料用百分之十几玻纤增强后的机械强度,表现出高强度高模量的特性。
如Kevlar的比强度和比模量均达到钢的十倍。
2、突出的耐热性
由于液晶高分子的介晶基元大多由芳环构成,其耐热性相对比较突出。
如Xydar的熔点为421℃,空气中的分解温度达到560℃,其热变形温度也可350℃,明显高于绝大多数塑料。
3、很低的热膨胀系数
由于具有高的取向序,液晶高分子在其流动方向的膨胀系数要比普通工程塑料低一个数量级,达到一般金属的水平,甚至出现负值。
4、优异的阻燃性
液晶高分子分子链由大量芳环构成,除了含有酰肼键的纤维而外,都特别难以燃烧,燃烧后产生炭化,表示聚合物耐燃烧性指标—极限氧指数(LOI)相当高。
4.高分子液晶的化学结构
在常见的液晶中,致晶单元通常由苯环、脂肪环、芳香杂环等通过一刚性连接单元(X,又称中心桥键)连接组成。
构成这个刚性接单元常见的化学结构包括亚氨基(-C=N-)、反式偶氮基(-N=N-)、氧化偶氮(-NO=N-)、酯基(-COO-)和反式乙烯基(-C=C-)等。
在致晶单元的端部通常还有一个柔软、易弯曲的基团R,这个端基单元是各种极性的或非极性的基团,对形成的液晶具有一定稳定作用,因此也是构成液晶分子不可缺少的结构因素。
常见的R包括—R’、—OR’、—COOR’、—CN、—OOCR’、—COR’、—CH=CH—COOR’、—Cl、—Br、—NO2等。
五.高分子液晶的生产技术
目前,液晶高分子的合成主要采用缩聚反应,合成的液晶高分子主要为全芳香聚醋主链液晶,芳香族聚肽胺或芳一脂族聚醋肽胺主链液晶,芳一脂族共聚醋主链液晶及侧链液晶。
聚合方法以熔融缩聚为主,也可采用溶液缩聚及固相缩聚。
洪定一等1993年采用两步法工艺,即先由PHB经乙酞化反应制得ABA,再与PEI'进行共缩聚反应,合成出具有高粘度、加工流动性良好、拉伸强度高达600MPa、缺口冲击强度370/m,热变形温度为85℃的(PEf/PHB)共聚醋。
张慧卿等1998年采用PET齐聚物的原位乙酞化法,通过加人少量乙二醇合成了端羚基液晶聚合物PET/60PHB(PHB为对经基苯甲酸),并将其作为大单体与双酚A及碳酸二苯醋进行熔融酷交换反应(缩聚)而制得液晶嵌段共聚物PEI'/60PHB一b-PC。
吴兵等在2000年依据液液晶分子结构理论,选择联苯基作为介晶基元,六亚甲基为柔性间隔基,合成了一种丙烯酸酷侧链型液晶高分子。
刘一于合成的中间及日标产物通过FT1R,HNMR等进行了结构的表征采用GPC法测量了其分子量,并通过DSC,POM,XRD和计算机模拟等手段研究了其液晶性。
研究表明合成的聚合物分子量M.>=2523,具有较宽的温域且为典型的近晶A相液晶。
6.高分子液晶的应用
1,高拉伸强度和高模量的纤维
液晶高分子主链或侧链带有介晶基元,在外力作用下容易沿分子链取向,取向获得高拉伸强度和高模量,特别适用于制作高强度工程塑料。
如:
芳族聚酰胺型Kevlar纤维的比强度和比模量均达到钢的10倍;阿波罗登月飞船软着陆降落伞带就是用kevlar29制备的;Kevlar纤维还可用于防弹背心,飞机、火箭外壳材料和雷达天线罩等。
2.分子复合材料
将具有刚性棒状结构的主链型高分子液晶材料分散在无规线团结构的柔性高分子材料中,即可获得增强的分子复合材料。
3.信息存储介质
带有信息的激光束照射液晶存储介质时,局部温度升高,液晶聚合物熔融成各向同性的液体,从而失去有序度。
激光束消失以后,又凝结成为不透光的固体,信号被记录。
液晶高分子用于存储显示寿命长、对比度高、存储可靠、擦除方便,因此有极为广阔的发展前景。
4.精密温度指示材料
向列型液晶和胆甾型液晶的混合物呈平行并顺次扭转的螺旋结构,而且其螺距随温度变化而发生显著变化。
被测物体的表面温度若有变化,液晶分子排列的螺距即发生变化,偏振光的旋转角度也随之发生变化,因而返回光的强度也会发生变化。
人们利用此现象制造出微温传感器。
5.高分子液晶显示材料
在电场作用下高分子液晶具有从无序透明态到有序非透明态的转变能力,在理论上可以与用显示器件。
但目前尚未进入实际应用阶段(高分子液晶黏度较大,相对于小分子响应速度太慢)。
6.功能液晶高分子膜
液晶态具有低黏性、高流动性、易膨胀性和有序性的特点,特别是在电、磁、光、热、力场和pH改变等作用下,液晶分子将发生取向和其他显著变化,使液晶膜比高分子膜具有更多的气体、水、有机物和离子透过通量和选择性。
液晶膜具有原材料成本较低、使用方便、易大面积超薄化和力学强度大等特点。
液晶膜作为富氧膜、烷烃分子筛膜、包装膜、外消旋体拆分膜、人工肾脏、控制药物释放膜和光控膜将获得十分广泛的应用。
7.生物性液晶高分子
细胞膜中的磷脂可形成溶致型液晶;构成生命的基础物质DNA和RNA属于生物性胆甾液晶,它们的螺旋结构表现为生物分子构造中的共同特征;植物中起光合作用的叶绿素也表现液晶的特性。
8.其它
高分子液晶弹性体具有取向记忆功能,其取向记忆功能是通过分子链的空间分布来控制致晶单元的取向。
在机械力场下,只需要20%的应变就足以得到取向均一的液晶弹性体。
液晶弹性体无论在理论上还是在实际上都具有重要意义。
具SC*型结构的的液晶弹性体的铁电性,压电性和取向稳定性可能在光学开关和波导等领域有诱人应用前景。
此外,将具有非线性光学特性的生色基团引入高分子液晶弹性体中,利用高分子液晶弹性体在应力场、电场、磁场等的作用下的取向特性,可望制得具有非中心对称结构的取向液晶弹性体,在非线性光学领域有重要的应用。
七.液晶高分子材料存在的主要问题
从高分子液晶诞生到现在只有50多年的历史,是一门很年轻的学科。
但目前对它的研究仍处于较低的水平,理论研究较狭隘,液晶高分子尚存一些缺点,这些都有待于进一步的改进,液晶高分子材料整体上存在的一些普遍的问题。
1、价格高
作为功能材料,液晶高分子具有很多突出的优点,目前阻碍液晶高分子应用研究的主要因素是价格较昂贵,其主要原因是单体和溶剂成本高,所以对液晶高分子合成工业界而言,今后寻找相对较便宜的原料是头等大事。
随着人对一些低价格材料、低价格高分子材料与液晶高分子合金的研究,液晶高分子材料会代替目前使用的部分金属、非金属材料。
如天然高分子纤维素,若找到合适的溶剂或制成适当的纤维素衍生物,可将这天然高分子液晶推向各个应用领域。
此外,低价位聚合物与液晶高分子的合金可大大降低材料价格,而对液晶性能的损失较小。
随着研究的进展,生产规模的扩大及合成工艺的改进可望逐步解决。
2、研究水平低
国外:
Flory等用格子模型理论,Bosch等用分子理论方法高分子液晶的行为进行了探讨。
在工业上进入90年代,液晶高分子以前所未有的惊人速度发展,美、日、欧洲等国家和地区竞相致力于液晶高分子的开发与工业生产,新的品种和应用领域不断扩大。
国内:
我国的液晶高分子研究始于七十年代初,相对于国外来说研究比较晚,至今在理论研究方面已取得显著成绩,某些方面的成就具有世界先进水平。
然而在液晶高分子的工业化进程上,由于种种原因国内水平与美、日、德等发达国家相比差距甚大。
到九十年代中期国内还没有一套液晶高分子的工业化装置,只有一些小试设备。
此外,我国液晶分子研究开发队伍分散,故到目前为止很少有满意的测试结果。
3、工艺复杂
液晶高分子研究在工艺上比较复杂,这很大程度上限制了液晶高分子的研究与开发。
总而言之,液晶高分子作为一种较新的材料,人们对它的认识还不足,但随着液晶高分子的理论日臻完善,其应用也日益广泛。
可以肯定,作为一门交叉学科,液晶高分子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。
相信,随着液晶高分子科学在我国的深人发展及现代化建设对新型材料的需求,以及随着我国高技术产业的成长壮大,液晶高分子的开发将会日益得到国家主管部门及企业的支持和重视,从而在不太长的时间内,在液晶高分子的合成、加工、应用的商业化方面必将赶上美日欧的先进水平。
相关文献:
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7赵雄燕,张慧卿,刘德山前段液晶高分子的合成进展化学通报1997,9:
6
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