液晶高分子材料
一 、概述
液晶 LCD（Liquid Crystal Display）对于许多人而言已经不是一个新鲜的名词。从电视到随身听的线控，它已经应用到了许多领域。液晶现象是1888年奥地利植物学家F.Reintizer在研究胆甾醇苯甲酯时首先发现的。研究表明，液晶是介于液体和晶体之间的一种特殊的热力学稳定相态，它既具有晶体的各相异性，又有液态的流动性，液晶高分子就是具有液晶性的高分子，大多数由小分子量基元键结合而成，它是一种结晶态，既具有液体的流动性又具有晶体的各向异性特征。
二 、分类
1、主链型液晶高分子
主链型高分子液晶是指介晶基元处于主链中的一类高分子材料。在20世纪 70 年代中期以前，它们多是指天然大分子液晶材料。自从Dupont 公司首次获得聚芳香酰胺的溶液型主链型高分子液晶性质的应用以来，主链型高分子液晶材料的合成、结构与性能关系和应用等都得以很大发展。按液晶形成过程，主链型高分子液晶可以分为溶液型主链高分子液晶和热熔型主链高分子液晶。
（1）溶液型主链高分子液晶
其研究最多的则是聚芳香酰胺类和聚芳香杂环类聚合物。酰胺为代表的一类溶液型高分子液晶而言，就必须借助于极强的溶剂，例如，通常使用质量分数大于99%的浓硫酸等。
除了聚肽、聚芳香酰胺和聚芳香杂环类溶液主链高分子液晶以外，纤维素及其衍生物也能形成溶液型液晶。
主要用于制备超高强度、高模量的纤维和薄膜。材料的高强度、高模量来源于聚合物链在加工过程中，在一些特殊的溶剂中形成了各向异性的向列态液晶。
（2）热熔型主链高分子液晶
其高分子液晶材料与普通的高分子材料相比，有较大的性质差别。
良好的热尺寸稳定性； 透气性非常低； 对有机溶剂的良好耐受性和很强的
抗水解能力。
基于热熔型主链液晶高分子的上述性质，它特别适用于上述各性质综合在一起的场合。在电子工业中制作高精度电路的多接点部件，另外，易流动和低曲翘也使得它能制成较复杂的精密铸件，同时能抗强溶剂。除了电子工业中的应用以外，它还可用于制备化学工业中使用的阀门等。
2、侧链型高分子液晶
侧链型高分子液晶是指介晶基元处于聚合物侧链上的一类高分子液晶。 与主链型高分子液晶相比，侧链高分子液晶的性质在较大程度上取决于介晶基元，而受聚合物主链性质的影响较小。
侧链型高分子液晶比较好地将小分子液晶性质和聚合物的材料性质结为一体，是具有极大潜力的新型材料。例如，已有许多文献报道侧链型高分子液晶在光信息储存、非线性光学和色谱等领域具有应用价值。
（1）溶液型侧链高分子液晶
溶液型侧链高分子液晶最重要的应用在于制备各种特殊性能高分子膜材料，如:LB 膜、SA膜和胶囊。这种微胶囊可作为定点释放和缓释药物使用。另外，溶液型侧链高分子液晶还可用于制作非线性光学器件和显示装置。
（2）热熔型侧链高分子液晶
在全息照相和光学透镜等方面有十分乐观的应用前景。
用侧链高分子液晶膜也可以进行可逆式全息成像。全息成像是一种记录被摄物体反射(或透射)光中全部信息(振幅、相位) 的成像技术，它是通过一束参考光和物体反射出来的光叠加和干涉实现的，此液晶膜同传统的卤化银感光液相比，它能可逆式地记录图像，而且效果也更好。
三、特性
1、取向方向的高拉伸强度和高模量
绝大多数商业化液晶高分子产品都具有这一特性。与柔性链高分子比较，分子主链或侧链带有介晶基元的液晶高分子，最突出的特点是在外力场中容易发生分子链取向。因而即使不添加增强材料，也能达到甚至超过普通工程材料用百分之十几玻纤增强后的机械强度，表现出高强度高模量的特性。如Kevlar
的比强度和比模量均达到钢的十倍。
2、突出的耐热性
由于液晶高分子的介晶基元大多由芳环构成，其耐热性相对比较突出。如Xydar的熔点为421℃，空气中的分解温度达到560℃，其热变形温度也可达350℃，明显高于绝大多数塑料。
3、很低的热膨胀系数
由于具有高的取向序，液晶高分子在其流动方向的膨胀系数要比普通工程塑料低一个数量级，达到一般金属的水平，甚至出现负值。
4、优异的阻燃性
液晶高分子分子链由大量芳环构成，除了含有酰肼键的纤维而外，都特别难以燃烧，燃烧后产生炭化，表示聚合物耐燃烧性指标——极限氧指数(LOI)相当高。
四 、应用 举例
电子电器领域：接线板、线圈骨架、印刷电路板、集成电路封装和连接器，此外还用作磁带录象机部件、传感器护套和制动器材。
汽车和机械工业领域：汽车发动机内各种零部件，特殊的耐热、隔热部件和精密机械、仪器零件。
航空航天领域：L CP由于具有耐各种辐射以及脱气性极低，人造卫星的电子部件，而不会污染或干扰卫星中的电子装置，还可模塑成飞机内部的各种零件。此外还有：显示及记忆材料，光纤通讯等
介绍两种具体应用
1 大家都熟悉的 聚合物液晶显示屏是利用向列型液晶在电场作用下的快速相变反应和表现出的光学特点制成的。把透明体放在透明电极之间,当施加电压时,受电场作用的液晶前体迅速发生相变,分子发生有序排列成为液晶态。当有序排列部分失去透明性而产生与电极形态相同的图像，根据这一原理可以制成数码显示器电光学快门、广告牌及电视屏幕等显示器件。
2 新功能材料 由液晶高分子制成的膜材料较强的选择渗透性,可用于气、液相体系组分的分离分析。如聚碳酸酯(PC)与液晶EBBA制成的复合膜可用于气
体分离。高分子-液晶-冠醚复合膜在紫外(360nm)和可见(460nm)光照射下,钾离子(Ｋ+)会发生可逆扩散,因此它可用于人工肾脏和环境保护工程。
五、液晶高分子材料存在的主要问题
从高分子液晶诞生到现在只有50多年的历史，是一门很年轻的学科。但目前对它的研究仍处于较低的水平，理论研究较狭隘，液晶高分子尚存一些缺点，这些都有待于进一步的改进，
液晶高分子材料整体上存在的一些普遍的问题。
1、价格高
作为功能材料，液晶高分子 具有很多突出的优点，目前阻碍液晶高分子应用研究的主要因素是价格较昂贵，其主要原因是单体和溶剂成本高，所以对液晶高分子合成工业界而言，今后寻找相对较便宜的原料是头等大事。随着人们对一些低价格材料、低价格高分子材料与液晶高分子合金的研究，液晶高分子材料会代替目前使用的部分金属、非金属材料。如天然高分子纤维素， 若找到合适的溶剂或制成适当的纤维素衍生物， 可将这天然高分子液晶推向各个应用领域。此外，低价位聚合物与液晶高分子的合金可大大降低材料价格，而对液晶性能的损失较小。随着研究的进展，生产规模的扩大及合成工艺的改进，可望逐步解决。
2、研究水平低
国外：Flory等用格子模型理论，Bosch等用分子理论方法高分子液晶的行为进行了探讨。在工业上进入90年代，液晶高分子以前所未有的惊人速度发展，美、日、欧洲等国家和地区竞相致力于液晶高分子的开发与工业生产，新的品种和应用领域不断扩大。
国内：我国的液晶高分子 研究始于七十年代初，相对于国外来说研究比较晚，至今在理论研究方面已取得显著成绩，某些方面的成就具有世界先进水平。
然而在液晶高分子 的工业化进程上，由于种种原因国内水平与美、日、德等发达国家相比差距甚大。到九十年代中期国内还没有一套液晶高分子的工业化装置，只有一些小试设备。此外，我国液晶高分子研究开发队伍分散，故到目前
为止很少有满意的中试结果
3、工艺复杂
液晶高分子研究在工艺上比较复杂，这很大程度上限制了液晶高分子的研究与开发。
总而言之，液晶高分子作为一种较新的材料，人们对它的认识还不足，但随着液晶高分子的理论日臻完善，其应用也日益广。可以肯定，作为一门交叉学科，液晶高分子材料科学在高性能结构材料、信息记录材料、功能膜及非线性光学材料等方面的开发中必将发挥越来越重要的作用。相信，随着液晶高分子科学在我国的深人发展及现代化建设对新型材料的需求，以及随着我国高技术产业的成长壮大，液晶高分子的开发将会日益得到国家主管部门及企业的支持和重视，从而在不太长的时间内，在液晶高分子的合成、加工、应用的商业化方面必将赶上美日欧的先进水平。
液晶高分子材料
一 、概述
液晶 LCD（Liquid Crystal Display）对于许多人而言已经不是一个新鲜的名词。从电视到随身听的线控，它已经应用到了许多领域。液晶现象是1888年奥地利植物学家F.Reintizer在研究胆甾醇苯甲酯时首先发现的。研究表明，液晶是介于液体和晶体之间的一种特殊的热力学稳定相态，它既具有晶体的各相异性，又有液态的流动性，液晶高分子就是具有液晶性的高分子，大多数由小分子量基元键结合而成，它是一种结晶态，既具有液体的流动性又具有晶体的各向异性特征。
二 、分类
1、主链型液晶高分子
主链型高分子液晶是指介晶基元处于主链中的一类高分子材料。在20世纪 70 年代中期以前，它们多是指天然大分子液晶材料。自从Dupont 公司首次获得聚芳香酰胺的溶液型主链型高分子液晶性质的应用以来，主链型高分子液晶材料的合成、结构与性能关系和应用等都得以很大发展。按液晶形成过程，主链型高分子液晶可以分为溶液型主链高分子液晶和热熔型主链高分子液晶。
（1）溶液型主链高分子液晶
其研究最多的则是聚芳香酰胺类和聚芳香杂环类聚合物。酰胺为代表的一类溶液型高分子液晶而言，就必须借助于极强的溶剂，例如，通常使用质量分数大于99%的浓硫酸等。
除了聚肽、聚芳香酰胺和聚芳香杂环类溶液主链高分子液晶以外，纤维素及其衍生物也能形成溶液型液晶。
主要用于制备超高强度、高模量的纤维和薄膜。材料的高强度、高模量来源于聚合物链在加工过程中，在一些特殊的溶剂中形成了各向异性的向列态液晶。
（2）热熔型主链高分子液晶
其高分子液晶材料与普通的高分子材料相比，有较大的性质差别。
良好的热尺寸稳定性； 透气性非常低； 对有机溶剂的良好耐受性和很强的
抗水解能力。
基于热熔型主链液晶高分子的上述性质，它特别适用于上述各性质综合在一起的场合。在电子工业中制作高精度电路的多接点部件，另外，易流动和低曲翘也使得它能制成较复杂的精密铸件，同时能抗强溶剂。除了电子工业中的应用以外，它还可用于制备化学工业中使用的阀门等。
2、侧链型高分子液晶
侧链型高分子液晶是指介晶基元处于聚合物侧链上的一类高分子液晶。 与主链型高分子液晶相比，侧链高分子液晶的性质在较大程度上取决于介晶基元，而受聚合物主链性质的影响较小。
侧链型高分子液晶比较好地将小分子液晶性质和聚合物的材料性质结为一体，是具有极大潜力的新型材料。例如，已有许多文献报道侧链型高分子液晶在光信息储存、非线性光学和色谱等领域具有应用价值。
（1）溶液型侧链高分子液晶
溶液型侧链高分子液晶最重要的应用在于制备各种特殊性能高分子膜材料，如:LB 膜、SA膜和胶囊。这种微胶囊可作为定点释放和缓释药物使用。另外，溶液型侧链高分子液晶还可用于制作非线性光学器件和显示装置。
（2）热熔型侧链高分子液晶
在全息照相和光学透镜等方面有十分乐观的应用前景。
用侧链高分子液晶膜也可以进行可逆式全息成像。全息成像是一种记录被摄物体反射(或透射)光中全部信息(振幅、相位) 的成像技术，它是通过一束参考光和物体反射出来的光叠加和干涉实现的，此液晶膜同传统的卤化银感光液相比，它能可逆式地记录图像，而且效果也更好。
三、特性
1、取向方向的高拉伸强度和高模量
绝大多数商业化液晶高分子产品都具有这一特性。与柔性链高分子比较，分子主链或侧链带有介晶基元的液晶高分子，最突出的特点是在外力场中容易发生分子链取向。因而即使不添加增强材料，也能达到甚至超过普通工程材料用百分之十几玻纤增强后的机械强度，表现出高强度高模量的特性。如Kevlar
的比强度和比模量均达到钢的十倍。
2、突出的耐热性
由于液晶高分子的介晶基元大多由芳环构成，其耐热性相对比较突出。如Xydar的熔点为421℃，空气中的分解温度达到560℃，其热变形温度也可达350℃，明显高于绝大多数塑料。
3、很低的热膨胀系数
由于具有高的取向序，液晶高分子在其流动方向的膨胀系数要比普通工程塑料低一个数量级，达到一般金属的水平，甚至出现负值。
4、优异的阻燃性
液晶高分子分子链由大量芳环构成，除了含有酰肼键的纤维而外，都特别难以燃烧，燃烧后产生炭化，表示聚合物耐燃烧性指标——极限氧指数(LOI)相当高。
四 、应用 举例
电子电器领域：接线板、线圈骨架、印刷电路板、集成电路封装和连接器，此外还用作磁带录象机部件、传感器护套和制动器材。
汽车和机械工业领域：汽车发动机内各种零部件，特殊的耐热、隔热部件和精密机械、仪器零件。
航空航天领域：L CP由于具有耐各种辐射以及脱气性极低，人造卫星的电子部件，而不会污染或干扰卫星中的电子装置，还可模塑成飞机内部的各种零件。此外还有：显示及记忆材料，光纤通讯等
介绍两种具体应用
1 大家都熟悉的 聚合物液晶显示屏是利用向列型液晶在电场作用下的快速相变反应和表现出的光学特点制成的。把透明体放在透明电极之间,当施加电压时,受电场作用的液晶前体迅速发生相变,分子发生有序排列成为液晶态。当有序排列部分失去透明性而产生与电极形态相同的图像，根据这一原理可以制成数码显示器电光学快门、广告牌及电视屏幕等显示器件。
2 新功能材料 由液晶高分子制成的膜材料较强的选择渗透性,可用于气、液相体系组分的分离分析。如聚碳酸酯(PC)与液晶EBBA制成的复合膜可用于气
体分离。高分子-液晶-冠醚复合膜在紫外(360nm)和可见(460nm)光照射下,钾离子(Ｋ+)会发生可逆扩散,因此它可用于人工肾脏和环境保护工程。
五、液晶高分子材料存在的主要问题
从高分子液晶诞生到现在只有50多年的历史，是一门很年轻的学科。但目前对它的研究仍处于较低的水平，理论研究较狭隘，液晶高分子尚存一些缺点，这些都有待于进一步的改进，
液晶高分子材料整体上存在的一些普遍的问题。
1、价格高
作为功能材料，液晶高分子 具有很多突出的优点，目前阻碍液晶高分子应用研究的主要因素是价格较昂贵，其主要原因是单体和溶剂成本高，所以对液晶高分子合成工业界而言，今后寻找相对较便宜的原料是头等大事。随着人们对一些低价格材料、低价格高分子材料与液晶高分子合金的研究，液晶高分子材料会代替目前使用的部分金属、非金属材料。如天然高分子纤维素， 若找到合适的溶剂或制成适当的纤维素衍生物， 可将这天然高分子液晶推向各个应用领域。此外，低价位聚合物与液晶高分子的合金可大大降低材料价格，而对液晶性能的损失较小。随着研究的进展，生产规模的扩大及合成工艺的改进，可望逐步解决。
2、研究水平低
国外：Flory等用格子模型理论，Bosch等用分子理论方法高分子液晶的行为进行了探讨。在工业上进入90年代，液晶高分子以前所未有的惊人速度发展，美、日、欧洲等国家和地区竞相致力于液晶高分子的开发与工业生产，新的品种和应用领域不断扩大。
国内：我国的液晶高分子 研究始于七十年代初，相对于国外来说研究比较晚，至今在理论研究方面已取得显著成绩，某些方面的成就具有世界先进水平。
然而在液晶高分子 的工业化进程上，由于种种原因国内水平与美、日、德等发达国家相比差距甚大。到九十年代中期国内还没有一套液晶高分子的工业化装置，只有一些小试设备。此外，我国液晶高分子研究开发队伍分散，故到目前
为止很少有满意的中试结果
3、工艺复杂
液晶高分子研究在工艺上比较复杂，这很大程度上限制了液晶高分子的研究与开发。
总而言之，液晶高分子作为一种较新的材料，人们对它的认识还不足，但随着液晶高分子的理论日臻完善，其应用也日益广。可以肯定，作为一门交叉学科，液晶高分子材料科学在高性能结构材料、信息记录材料、功能膜及非线性光学材料等方面的开发中必将发挥越来越重要的作用。相信，随着液晶高分子科学在我国的深人发展及现代化建设对新型材料的需求，以及随着我国高技术产业的成长壮大，液晶高分子的开发将会日益得到国家主管部门及企业的支持和重视，从而在不太长的时间内，在液晶高分子的合成、加工、应用的商业化方面必将赶上美日欧的先进水平。