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高分子液晶的基本结构

2022-11-14 来源:高分子物理学公众号 浏览数:1

高分子液晶

          ——基本结构

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液晶(Liquid Crystal

    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。

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1.固、液和液晶态的微观示意图

 

什么是高分子液晶


  高分子液晶

Liquid Crystal Polymer  

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,原来的液晶分子则称为液晶基元

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2.MCLCPSCLCPMCSLCPc-LCP的链结构

高分子液晶,简称LCP,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。属于这类材料的高聚物的分子链中含有棒状或片状结构的液晶基元,使液晶形成刚性或半刚性链结构。

    根据液晶基元的位置和聚合物链的状态,液晶基元可以分为以下几类:液晶基元位于聚合物主链的主链型液晶高分子 (MCLCP),液晶基元作为侧基附着在聚合物主链上的侧链型液晶高分子(SCLCP),液晶基元同时作为主链和侧链的组分的主链/侧链液晶型高分子(MCSCLCP),液晶基元并入聚合物网络的交联型液晶高分子(c-LCP)

 

高分子液晶的自组装

 

高分子液晶的空间结构

高分子液晶的自组装使其具有了更为复杂的结构,其自组装以液晶基元为组装单元,使得其具有多样的空间物理结构和空间排列有序性

    而液晶高分子的按液晶基元排列形式分类 可分为向列型、近晶型、胆甾型、和碟型液晶四类。

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3.SCLCP的三种自组装结构

向列型结构(Nematic):在向列型结构中液晶基元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。向列型液晶基元是一维有序排列,因而这种液晶有更大的运动性,其液晶基元能上下、左右、前后滑动,有序参数值S值在0.3~0.8之间。

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4.向列型、近晶型和碟型液晶结构

近晶型液晶Smectic):液晶基元排列成层,层内分子长轴互相平行,液晶基元重心在层内无序,液晶基元呈二维有序排列,液晶基元长轴与层面垂直或倾斜。液晶基元可在层内前后、左右滑动,但不能在上下层之间移动。由于液晶基元运动相当缓慢,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,这类液晶拥有许多的变态,如图4a)中的SmASmC

碟型液晶:盘状液晶基元可以通过π-π相互作用组织成柱状,然后自组装成柱状相,如柱状向列相(Col N)和六方柱状相(Col H),此外还有盘状向列相(nd)(图4 b)。碟状液晶基元一个个地重叠起来形成圆柱状液晶基元聚集体,在与圆柱平行的方向上容易发生剪切流动

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5.胆甾型液晶的结构

胆甾型液晶:是向列型液晶的一种特殊形式,其液晶基元本身平行排列,但它们的长轴是在平行面上,在每一个平面层内液晶基元长轴平行排列,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


总结与讨论

 

结语

高分子液晶与常规结晶性高分子不同,由于其自身的结构特点,使得其既具有一定的流动性(运动能力),同时也保留了部分晶态有序排列,这使得在一定条件下,其晶态的排列和取向能够对外界刺激做出一定的反应,使其晶态发生一定的变化,从而改变自身的性质。例如,在温度变化的刺激下,胆甾型液晶的层间距发生变化,使得可见光通过晶区反射和发生干涉,形成可见光的颜色发生变化。

     物质的特性与其结构是一一对应的,机械力、热、紫外光、电、磁等外界条件的刺激可造成液晶聚合物的相变和形状转变;液晶高分子结构的可调节性,注定了其将具有广阔的应用性以及巨大的发展潜力。

 

 

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