液晶高分子材料的科普

魏宇 任鵬 劉力元

摘 要：液晶高分子具有高強(qiáng)度、高模量、杰出的耐熱性與穩(wěn)定性、耐化學(xué)腐蝕性等，此外液晶高分子在疾病診斷和治療以及生命科學(xué)，信息科學(xué)等領(lǐng)域方面的研究和開發(fā)也取得飛速的發(fā)展。目前液晶高分子材料已經(jīng)超越了高分子材料學(xué)、化學(xué)科學(xué)和材料科學(xué)的領(lǐng)域，是一個十分活躍的研究領(lǐng)域，對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及對工業(yè)、國防和人民生活顯現(xiàn)出日益重要的作用。

關(guān)鍵詞：液晶高分子;研究和開發(fā);作用

液晶高分子（liquid crystal polymer， LCP）即是在一定的條件下能夠以液晶相態(tài)存在的一種高分子。它與我們常規(guī)的高分子相比，具有液晶相物質(zhì)特有的分子取向序和位置序，而與小分子液晶相比，它又有高分子化合物的特性。目前，液晶高分子已成為功能高分子中一類重要的材料。

一、液晶高分子的基礎(chǔ)知識

1.液晶態(tài)

人們熟悉的物質(zhì)存在形式有液態(tài)、固態(tài)（一般指晶態(tài)）和氣態(tài)。當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時，物質(zhì)可以在三種相態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即發(fā)生相變。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對物質(zhì)狀態(tài)有了更深入的認(rèn)識，發(fā)現(xiàn)還有等離子態(tài)（plasmas）、無定形固態(tài)（amorphous solids）、超導(dǎo)態(tài)（super-conductors）、中子態(tài)（neutron state）、液晶態(tài)（liquid crystal）等。

液晶態(tài)顧名思義就是一種既有晶體又有液體部分性質(zhì)的一種過渡中間態(tài)，通常它有液體的流動性和連續(xù)性，又有晶體的各向異性。但液晶的物質(zhì)并不總是都處于液晶相，只有在一定條件下才顯示液晶相，并表現(xiàn)出液晶所特有的性能。

2.有序性和液晶結(jié)構(gòu)

所有的液晶都具有取向有序，不同液晶具有不同程度的位置有序。有的液晶還存在鍵取向有序。液晶結(jié)構(gòu)可以分為三種：近晶相（smectic，S）、向列相（nemactic， N）和膽甾相（cholesteric， Ch）。這一分類是1922年Friedel提出的，如今近晶型已有多種亞相，當(dāng)時他所指的近晶相只是現(xiàn)在所謂的近晶A相。

3.有序參數(shù)

液晶分子只是有較長的時間靠近沿指向矢的方向取向，或者說，在某一時刻，有較多的分子靠近指向矢方向排列。表示取向有序程度的平均量稱為有序參數(shù)S，用二階勒讓德多項式表示為： S=<3/2 θ-1/2>。式子中，θ矢分子長軸與指向矢n的夾角。當(dāng)完全有序時，S=1;完全無序時，S=0。S和n的結(jié)合很好表示了液晶取向有序性，S表示分子取向的微觀特征，n則表征了宏觀特征。

4.液晶基元

液晶態(tài)的形成是物質(zhì)的外在表現(xiàn)形式，而分子結(jié)構(gòu)則是液晶形成的內(nèi)在因素。這種結(jié)構(gòu)不僅在液晶形成中起著重要的作用，而且也決定著分子的物理和化學(xué)性質(zhì)。長棒狀液晶分子的結(jié)構(gòu)如下：

（結(jié)構(gòu)尾端的-R、-是柔軟、易彎曲的各種極性或非極性基團(tuán)，如酯基、氰基、硝基、氨基、鹵素等）由連接基團(tuán)將剛性和棒狀的結(jié)構(gòu)連接起來的就是液晶基元。液晶基元結(jié)構(gòu)的剛性應(yīng)該足夠以維持其棒狀或盤狀的幾何結(jié)構(gòu)，并且分子中應(yīng)存在極性或者易于極化的原子或原子團(tuán)，以使分子間有較強(qiáng)的相互作用。

二、液晶高分子的分類與命名

根據(jù)液晶的生成條件可分為溶致液晶、熱致液晶、兼具溶致與熱致液晶、壓致液晶和流致液晶五類。若根據(jù)液晶基元所處的位置分類可以分為主鏈型液晶高分子，即液晶基元位于大分子主鏈的液晶高分子;側(cè)鏈型液晶高分子，即主鏈為柔性高分子鏈，側(cè)鏈帶有液晶基元的高分子;復(fù)合型液晶高分子，主、側(cè)鏈都含有液晶基元。

三、液晶高分子的性質(zhì)

液晶高分子具有與小分子液晶相同的光學(xué)性質(zhì)，它們表現(xiàn)在以下兩個方面。

⑴光學(xué)雙折射性雙折射性（Birefringence）是指當(dāng)光射入各向異性晶體后，觀察到有兩束折射光的現(xiàn)象。液晶高分子和其他液晶材料及晶體一樣，對光線折射率的各向異性而發(fā)生雙折射現(xiàn)象，從而顯現(xiàn)出許多有用的光學(xué)性質(zhì)。這種性質(zhì)使得它們能夠作為顯示材料應(yīng)用。

⑵旋光效應(yīng)? 旋光效應(yīng)是指旋轉(zhuǎn)透明介質(zhì)具有角動量，光也具有角動量。當(dāng)光通過旋轉(zhuǎn)透明介質(zhì)時，可以得到部分旋轉(zhuǎn)透明介質(zhì)的角動量而使光的轉(zhuǎn)動動能增加。這樣我們可以理解為，具有手性碳原子的化合物其角動量才可以使光的轉(zhuǎn)動動能增加，使其光軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)。膽甾型液晶因其分子通常呈手型，螺旋狀的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)使分子具有較高的旋光性。不僅膽甾型液晶，向列型液晶在一定條件下也會有旋光效應(yīng)。

除此之外由于液晶高分子特殊的鏈結(jié)構(gòu)和凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)，也使它具有和小分子液晶以及一般高分子材料不同的性能，有以下幾個方面：

⑴突出的耐熱性? 由于含有苯環(huán)或芳香雜環(huán)的剛性液晶基元，使得整個分子鏈的剛性大，分子間的相互作用力強(qiáng)，因此通常具有突出的耐熱性。

⑵良好的阻燃性? 由于含有大量分子量很大的芳香環(huán)，因此很難進(jìn)行燃燒。

⑶優(yōu)異的電性能? 液晶高分子的電絕緣強(qiáng)度高、介電常數(shù)低、體積電阻和抗電弧性較高。

四、液晶高分子的應(yīng)用

從應(yīng)用的角度看，基于液晶高分子結(jié)構(gòu)的差別，主鏈型液晶高分子材料多用于制備一些高強(qiáng)度、高模量的結(jié)構(gòu)材料，而側(cè)鏈型能夠較好地將高分子材料的性質(zhì)同小分子液晶結(jié)合起來，是具有很大潛力的新型有機(jī)功能材料。所以本文主要研究側(cè)鏈型液晶高分子的應(yīng)用。

⑴功能液晶膜由于在光、磁、熱、pH等值發(fā)生變化時，液晶高分子將發(fā)生顯著的變化，使得液晶膜比一般的膜材料具有更好的選擇性和透過性。所以液晶膜作為富氧膜、藥物控釋膜等獲得了廣泛的應(yīng)用。

⑵圖形顯示方面液晶高分子在電場作用下從無序透明到有序不透明的性質(zhì)使它可用于圖形顯示器件。主要是側(cè)鏈型液晶高分子應(yīng)用于圖形顯示，因為它具有小分子液晶的回復(fù)特性和廣電敏感性，又有比小分子液晶更低的取向松弛速率，同時能被很好的加工。液晶顯示器件相對于原始顯示器件最大的優(yōu)點就在于耗電低且超薄化。但是由于液晶高分子具有較高的黏度，導(dǎo)致顯示轉(zhuǎn)換的速度減慢，所以，液晶在圖形顯示方面的應(yīng)用還不是盡善盡美的，還需要克服一系列問題。

⑶信息儲存介質(zhì)液晶高分子利用熱-光效應(yīng)實現(xiàn)光儲存。液晶儲存材料的可靠性很高，很適用于重要數(shù)據(jù)的長期保存。

⑷色譜分離材料色譜分離是通過被分析物在固定相和流動相的分配系數(shù)不同而實現(xiàn)分離的，固定相可以是吸附在固體載體上的液體也可以是固體本身。現(xiàn)在，液晶固定相是色譜重點開發(fā)的固定相之一。因為小分子液晶的高分子化克服了在高溫使用條件下小分子液晶的流失現(xiàn)象，則側(cè)鏈型液晶高分子可以作為低揮發(fā)、熱穩(wěn)定性高和高選擇性的液晶固定相。目前，側(cè)鏈型液晶高分子固定相被廣泛的應(yīng)用在毛細(xì)管氣相色譜、超臨界色譜和高效液相色譜中。

總而言之，液晶高分子材料作為一種新型的有機(jī)功能高分子材料，人們目前對它的認(rèn)識還不足，但隨著理論知識的日臻完善，它也將會被廣泛的應(yīng)用在我們的實際生活中。

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[3]徐婉嫻，尹若元，林里，俞燕蕾. 液晶彈體刺激形變研究. 化學(xué)進(jìn)展，2008， 20（1）：140-147.

作者簡介：

魏宇（1997—），男，四川廣安，西華大學(xué)理學(xué)院有機(jī)化學(xué)專業(yè)，本科在讀。

任鵬（1997—），男，四川遂寧，西華大學(xué)理學(xué)院有機(jī)化學(xué)專業(yè)，本科在讀。

劉力元（1995—），男，四川眉山，西華大學(xué)理學(xué)院有機(jī)化學(xué)專業(yè)，本科在讀。