[科普中国]-高分子液晶

高分子液晶是一类分子结构呈自发有序分布的高分子溶液近熔体所组成的液晶材料。属于这类材料的高基物的分子链中含有棒状或片状结构的介晶其元，使液晶形成刚性或半刚性链结构。

概述物质有固、液、气三种相态，固态又可分为晶态和非晶态。在外界条件发生变化时，物质可在三种相态间转换，即发生相变。一般情况下，物质发生相变是从一种相态直接转变成另一种相态，不存在中间过渡阶段，如液态无序状态的水受冷在0℃时转变为有序排列的固态晶体冰。然而某些物质在受热熔融或溶解后，外观呈现液态的流动性，却仍然保留着晶态物质的分子有序排列，在物理性质上呈现出各向异性，这种兼有晶体和液体部分性质的中间过渡相态称为液晶态，处于这种状态下的物质称为液晶。液晶就是液态晶体，它具有与晶体一样的各向异性，同时又具有液体的流动性。在分子序列中，液晶分子往往具有一维或二维远程有序性，介于理想的液体与晶体之间，这种中间相也称为有序流体相。液晶在分子排列形式上类似晶体呈有序排列，同时液晶又具有一定的流动性类似于各向同性的液体。将这类液晶分子连接成大分子或将液晶分子连接到大分子的骨架之上，使其继续保持液晶特性，这样就形成了高分子液晶。1

液晶高分子的按分子排列形式分类液晶分子在空间的排列的物理结构，在空间排列有序性的不同，可分为向列型、近晶型胆甾型、和碟型液晶四类。

①向列型结构。在向列型结构中分子相互间沿长轴方向保持平行，分子只有取向有序，但其重心位置是无序的，不能构成层片。向列型液晶分子是一维有序排列，因而这种液晶有更大的运动性，其分子能上下、左右、前后滑动，有序参数值S值在0.3~0.8之间。

②近晶型液晶。分子排列成层，层内分子长轴互相平行，分子重心在层内无序，分子呈二维有序排列，分子长轴与层面垂直或倾斜。分子可在层内前后、左右滑动，但不能在上下层之间移动。由于分子运动相当缓慢，因而近晶型中间相非常粘滞。近晶型液品的规整性近似晶体，是二维有序排列，其有序参数值S高达0.9。

③胆甾型液晶。是向列型液晶的一种特殊形式，其分子本身平行排列，但它们的长轴是在平行面上，在每一个平面层内分子长轴平行排列，层与层之间分子长铀逐渐偏转，形成螺旋状结构。其螺距大小取决于分子结构及温度压力、磁场或电场等外部条件。

④碟型液晶。碟状分子一个个地重叠起来形成圆柱状的分子聚集体，故又称为柱状相，在与圆柱平行的方向上容易发生剪切流动。2

液晶高分子按生成条件分类根据液晶的生成条件也可把它分为溶致液晶、热致液晶、兼具溶致与热致液晶、压致液晶和流致液晶五类。

①溶致液晶。就是由容剂破坏固态结晶晶格而形成的液晶，或者说聚合物溶液达到一定浓度时，形成有序排列、产生各向异性形成的液晶。这种液晶体系含有两种或两种以上组分，其中一种是溶剂，并且这种液晶体系仅在一定浓度范围内才出现液晶相。

②热致液晶。由加热破坏固态结晶晶格、但保留一定取向有序性而形成的液晶，即单组分物质在一定温度范围内出现液晶相的物质。

③兼具溶致与热致液晶。既能在溶剂作用下形成液晶相，又能在无溶剂存在下仅在一定的温度范围内显示液晶相的聚合物，称为兼具溶致与热致液晶高分子，典型代表是纤维索衍生物。如芳香族聚酰胺、芳香族聚酯、纤维素衍生物等。

④压致液晶。是指压力升高到某-一值后才能形成液晶态的某些聚合物。这类聚合物在常压下可以不显示液晶行为。它们的分子链刚性及轴比都不很大，有的甚至是柔性链，如聚乙烯通常不显示液晶相，但在300MPa的压力下也可显示液晶相。

⑤流致液晶。是指流动场作用于聚合物溶液所形成的液晶。与溶致液晶相比，流致液晶的链刚性与轴比均较小。流致液晶在静态时一般为各向同性相，但流场可迫使其分子链采取全伸展构象，进而转变成液晶流体。2

液晶高分子材料的应用(1)结构材料

高分子液晶的重要应用方向就是制作高强度高模量纤维、液晶自增强塑料及原位复合材料，在航空、航天、体育用品、汽车工业、海洋工程及石油工业及其他部门得到广泛应用。例如Kevlar49纤维具有低密度、高强度高模量、低蠕变性的特点，且在静电荷及高温条件下仍有优良的尺寸稳定，特别适合于作复合材料的增强纤维。Kevlar29的伸长度高，耐冲击性优于kev-lar49，已用于制造防弹衣和各种规格的高强缆绳等。它仍是溶致性高分子液晶中规模最大的工业化产品。

(2)功能性高分字液晶的应用

小分子液晶，其分子因外界的微弱的电场、磁场和极微弱的热刺微而改变排列方向或分子运动发生紊乱，因而它的光学性质发生改变，由于对外界刺激灵敏已被广泛用作信息显示和检测材料。向列型液晶由于其显示液晶的温度范围低及具有电光效应而在电子工业中用作显示器件，胆甾型液晶具有热光效应而被制作热敏元件、温度计及彩色薄膜液晶显示器。高分子液晶由于粘性高、松池时间长、响应时间长，应用方面受到限制，但高分子液晶也因其由结构特征带来的易固定性、聚集态结构多样性等特点而具有一定的功能性。除用作结构材料外，由于高分子液晶同小分子液晶一样也具有特殊的光学性质、电光效应、热光效应等，也可以用作信息显示材料、光学记录材料、储存材料、非线性光学材料等。2

本词条内容贡献者为:

黎明 - 副教授 - 西南大学