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度、高模量、杰出的耐熱性與穩定性、耐化學腐蝕性等，此外液晶高分子在疾病診斷和治療以及生命科學，信息科學等領域方面的研究和開發也取得飛速的發展。目前液晶高分子材料已經超越了高分子材料學、化學科學和材料科學的領域，是一個十分活躍的研究領域，對科學技術的發展，以及對工業、國防和人民生活顯現出日益重要的作用。

關鍵詞：液晶高分子;研究和開發;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存在的一種高分子。它與我們常規的高分子相比，具有液晶相物質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、液晶高分子的基礎知識

1.液晶態

人們熟悉的物質存在形式有液態、固態（一般指晶態）和氣態。當外界環境發生變化時，物質可以在三種相態之間進行轉換，即發生相變。隨著科學技術的進步，人們對物質狀態有了更深入的認識，發現還有等離子態（plasmas）、無定形固態（amorphous solids）、超導態（super-conductors）、中子態（neutron state）、液晶態（liquid crystal）等。

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

2.有序性和液晶結構

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。液晶結構可以分為三種：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，當時他所指的近晶相只是現在所謂的近晶A相。

3.有序參數

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。當完全有序時，S=1;完全無序時，S=0。S和n的結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

液晶態的形成是物質的外在表現形式，而分子結構則是液晶形成的內在因素。這種結構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性質。長棒狀液晶分子的結構如下：

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

二、液晶高分子的分類與命名

根據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;側鏈型液晶高分子，即主鏈為柔性高分子鏈，側鏈帶有液晶基元的高分子;復合型液晶高分子，主、側鏈都含有液晶基元。

三、液晶高分子的性質

液晶高分子具有與小分子液晶相同的光學性質，它們表現在以下兩個方面。

⑴光學雙折射性雙折射性（Birefringence）是指當光射入各向異性晶體后，觀察到有兩束折射光的現象。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生雙折射現象，從而顯現出許多有用的光學性質。這種性質使得它們能夠作為顯示材料應用。

⑵旋光效應? 旋光效應是指旋轉透明介質具有角動量，光也具有角動量。當光通過旋轉透明介質時，可以得到部分旋轉透明介質的角動量而使光的轉動動能增加。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動動能增加，使其光軸發生旋轉。膽甾型液晶因其分子通常呈手型，螺旋狀的凝聚態結構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。

除此之外由于液晶高分子特殊的鏈結構和凝聚態結構，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? 由于含有苯環或芳香雜環的剛性液晶基元，使得整個分子鏈的剛性大，分子間的相互作用力強，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，因此很難進行燃燒。

⑶優異的電性能? 液晶高分子的電絕緣強度高、介電常數低、體積電阻和抗電弧性較高。

四、液晶高分子的應用

從應用的角度看，基于液晶高分子結構的差別，主鏈型液晶高分子材料多用于制備一些高強度、高模量的結構材料，而側鏈型能夠較好地將高分子材料的性質同小分子液晶結合起來，是具有很大潛力的新型有機功能材料。所以本文主要研究側鏈型液晶高分子的應用。

⑴功能液晶膜由于在光、磁、熱、pH等值發生變化時，液晶高分子將發生顯著的變化，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使它可用于圖形顯示器件。主要是側鏈型液晶高分子應用于圖形顯示，因為它具有小分子液晶的回復特性和廣電敏感性，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，導致顯示轉換的速度減慢，所以，液晶在圖形顯示方面的應用還不是盡善盡美的，還需要克服一系列問題。

⑶信息儲存介質液晶高分子利用熱-光效應實現光儲存。液晶儲存材料的可靠性很高，很適用于重要數據的長期保存。

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不同而實現分離的，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。現在，液晶固定相是色譜重點開發的固定相之一。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象，則側鏈型液晶高分子可以作為低揮發、熱穩定性高和高選擇性的液晶固定相。目前，側鏈型液晶高分子固定相被廣泛的應用在毛細管氣相色譜、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功能高分子材料，人們目前對它的認識還不足，但隨著理論知識的日臻完善，它也將會被廣泛的應用在我們的實際生活中。

參考文獻：

[1]周其鳳，王久新. 液晶高分子. 北京：科學出版社，1994.

[2]焦佳俊，張祥祥. 氫鍵型液晶高分子的研究進展. 華東理工大學學報：自然科學版，2006， 32（6）：736-744.

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

作者簡介：

魏宇（1997—），男，四川廣安，西華大學理學院有機化學專業，本科在讀。

任鵬（1997—），男，四川遂寧，西華大學理學院有機化學專業，本科在讀。

劉力元（1995—），男，四川眉山，西華大學理學院有機化學專業，本科在讀。