第十章 高分子液晶.ppt

第十章高分子液晶
1 概述
液晶的基本概念
物质在自然界中通常以固态、液态和气态形式
存在,即常说的三相态。在外界条件发生变化时
(如压力或温度发生变化),物质可以在三种相态
之间进行转换,即发生所谓的相变。大多数物质发
生相变时直接从一种相态转变为另一种相态,中间
没有过渡态生成。例如冰受热后从有序的固态晶体
直接转变成分子呈无序状态的液态。
而某些物质的受热熔融或被溶解后,虽然失去
了固态物质的大部分特性,外观呈液态物质的流动
性,但可能仍然保留着晶态物质分子的有序排列,
从而在物理性质上表现为各向异性,形成一种兼有
晶体和液体部分性质的过渡中间相态,这种中间相
态被称为液晶态,处于这种状态下的物质称为液晶
(liquid crystals)。其主要特征是其聚集状态在一
定程度上既类似于晶体,分子呈有序排列;又类似
于液体,有一定的流动性。
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液晶现象是1888年奥地利植物学家莱尼茨尔
(F. Reinitzer)在研究胆甾醇苯甲酯时首先观察到
的现象。他发现,当该化合物被加热时,在145℃
和179℃时有两个敏锐的“熔点”。在145℃时,晶体
转变为混浊的各向异性的液体,继续加热至179℃
时,体系又进一步转变为透明的各向同性的液体。
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研究发现,处于145℃和179℃之间的液体部分
保留了晶体物质分子的有序排列,因此被称为“流
动的晶体”、“结晶的液体”。1889年,德国科学家
将处于这种状态的物质命名为“液晶”(liquid
crystals,LC)。研究表明,液晶是介于晶态和液
态之间的一种热力学稳定的相态,它既具有晶态的
各向异性,又具有液态的流动性。
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小分子液晶的这种神奇状态,引起了人们的浓
厚兴趣。现已发现许多物质具有液晶特性(主要是
一些有机化合物)。形成液晶的物质通常具有刚性
的分子结构。导致液晶形成的刚性结构部分称为致
晶单元。分子的长度和宽度的比例R>>l,呈棒状或
近似棒状的构象。同时,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。这种凝聚力通
常是与结构中的强极性基团、高度可极化基团、氢
键等相联系的。
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按照液晶的形成条件不同,可将其主要分为热
致性和溶致性两大类。热致性液晶是依靠温度的变
化,在某一温度范围形成的液晶态物质。液晶态物
质从浑浊的各向异性的液体转变为透明的各向同性
的液体的过程是热力学一级转变过程,相应的转变
温度称为清亮点,记为Tcl。不同的物质,其清亮点
的高低和熔点至清亮点之间的温度范围是不同的。
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溶致性液晶则是依靠溶剂的溶解分散,在一定
浓度范围形成的液晶态物质。
除了这两类液晶物质外,人们还发现了在外力
场(压力、流动场、电场、磁场和光场等)作用下
形成的液晶。例如聚乙烯在某一压力下可出现液晶
态,是一种压致型液晶。聚对苯二甲酰对氨基苯甲
酰肼在施加流动场后可呈现液晶态,因此属于流致
型液晶。
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根据分子排列的形式和有序性的不同,液晶有
三种结构类型:近晶型、向列型和胆甾型。(见图
12—1)。
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近晶型向列型胆甾型
图12—1 液晶结构示意图
(1)近晶型液晶(smectic liquid crystals,S)
近晶型液晶是所有液晶中最接近结晶结构的一
类,因此得名。在这类液晶中,棒状分子互相平行
排列成层状结构。分子的长轴垂直于层状结构平
面。层内分子排列具有二维有序性。但这些层状结
构并不是严格刚性的,分子可在本层内运动,但不
能来往于各层之间。因此,层状结构之间可以相互
滑移,而垂直于层片方向的流动却很困难。
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这种结构决定了近晶型液晶的粘度具有各向异
性。但在通常情况下,层片的取向是无规的,因
此,宏观上表现为在各个方向上都非常粘滞。
根据晶型的细微差别,近晶型液晶还可以再分
成9个小类。按发现年代的先后依次计为SA、 SB 、
……SI。
近晶型液晶结构上的差别对于非线性光学特性
有一定影响。
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