液晶高分子材料的科普

魏宇 任鹏 刘力元

摘 要：液晶高分子具有高强度、高模量、杰出的耐热性与稳定性、耐化学腐蚀性等，此外液晶高分子在疾病诊断和治疗以及生命科学，信息科学等领域方面的研究和开发也取得飞速的发展。目前液晶高分子材料已经超越了高分子材料学、化学科学和材料科学的领域，是一个十分活跃的研究领域，对科学技术的发展，以及对工业、国防和人民生活显现出日益重要的作用。

关键词：液晶高分子;研究和开发;作用

液晶高分子（liquid crystal polymer， LCP）即是在一定的条件下能够以液晶相态存在的一种高分子。它与我们常规的高分子相比，具有液晶相物质特有的分子取向序和位置序，而与小分子液晶相比，它又有高分子化合物的特性。目前，液晶高分子已成为功能高分子中一类重要的材料。

一、液晶高分子的基础知识

1.液晶态

人们熟悉的物质存在形式有液态、固态（一般指晶态）和气态。当外界环境发生变化时，物质可以在三种相态之间进行转换，即发生相变。随着科学技术的进步，人们对物质状态有了更深入的认识，发现还有等离子态（plasmas）、无定形固态（amorphous solids）、超导态（super-conductors）、中子态（neutron state）、液晶态（liquid crystal）等。

液晶态顾名思义就是一种既有晶体又有液体部分性质的一种过渡中间态，通常它有液体的流动性和连续性，又有晶体的各向异性。但液晶的物质并不总是都处于液晶相，只有在一定条件下才显示液晶相，并表现出液晶所特有的性能。

2.有序性和液晶结构

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。有的液晶还存在键取向有序。液晶结构可以分为三种：近晶相（smectic，S）、向列相（nemactic， N）和胆甾相（cholesteric， Ch）。这一分类是1922年Friedel提出的，如今近晶型已有多种亚相，当时他所指的近晶相只是现在所谓的近晶A相。

3.有序参数

液晶分子只是有较长的时间靠近沿指向矢的方向取向，或者说，在某一时刻，有较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称为有序参数S，用二阶勒让德多项式表示为： S=<3/2 θ-1/2>。式子中，θ矢分子长轴与指向矢n的夹角。当完全有序时，S=1;完全无序时，S=0。S和n的结合很好表示了液晶取向有序性，S表示分子取向的微观特征，n则表征了宏观特征。

4.液晶基元

液晶态的形成是物质的外在表现形式，而分子结构则是液晶形成的内在因素。这种结构不仅在液晶形成中起着重要的作用，而且也决定着分子的物理和化学性质。长棒状液晶分子的结构如下：

（结构尾端的-R、-是柔软、易弯曲的各种极性或非极性基团，如酯基、氰基、硝基、氨基、卤素等）由连接基团将刚性和棒状的结构连接起来的就是液晶基元。液晶基元结构的刚性应该足够以维持其棒状或盘状的几何结构，并且分子中应存在极性或者易于极化的原子或原子团，以使分子间有较强的相互作用。

二、液晶高分子的分类与命名

根据液晶的生成条件可分为溶致液晶、热致液晶、兼具溶致与热致液晶、压致液晶和流致液晶五类。若根据液晶基元所处的位置分类可以分为主链型液晶高分子，即液晶基元位于大分子主链的液晶高分子;侧链型液晶高分子，即主链为柔性高分子链，侧链带有液晶基元的高分子;复合型液晶高分子，主、侧链都含有液晶基元。

三、液晶高分子的性质

液晶高分子具有与小分子液晶相同的光学性质，它们表现在以下两个方面。

⑴光学双折射性双折射性（Birefringence）是指当光射入各向异性晶体后，观察到有两束折射光的现象。液晶高分子和其他液晶材料及晶体一样，对光线折射率的各向异性而发生双折射现象，从而显现出许多有用的光学性质。这种性质使得它们能够作为显示材料应用。

⑵旋光效应  旋光效应是指旋转透明介质具有角动量，光也具有角动量。当光通过旋转透明介质时，可以得到部分旋转透明介质的角动量而使光的转动动能增加。这样我们可以理解为，具有手性碳原子的化合物其角动量才可以使光的转动动能增加，使其光轴发生旋转。胆甾型液晶因其分子通常呈手型，螺旋状的凝聚态结构使分子具有较高的旋光性。不仅胆甾型液晶，向列型液晶在一定条件下也会有旋光效应。

除此之外由于液晶高分子特殊的链结构和凝聚态结构，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，有以下几个方面：

⑴突出的耐热性  由于含有苯环或芳香杂环的刚性液晶基元，使得整个分子链的刚性大，分子间的相互作用力强，因此通常具有突出的耐热性。

⑵良好的阻燃性  由于含有大量分子量很大的芳香环，因此很难进行燃烧。

⑶优异的电性能  液晶高分子的电绝缘强度高、介电常数低、体积电阻和抗电弧性较高。

四、液晶高分子的应用

从应用的角度看，基于液晶高分子结构的差别，主鏈型液晶高分子材料多用于制备一些高强度、高模量的结构材料，而侧链型能够较好地将高分子材料的性质同小分子液晶结合起来，是具有很大潜力的新型有机功能材料。所以本文主要研究侧链型液晶高分子的应用。

⑴功能液晶膜由于在光、磁、热、pH等值发生变化时，液晶高分子将发生显著的变化，使得液晶膜比一般的膜材料具有更好的选择性和透过性。所以液晶膜作为富氧膜、药物控释膜等获得了广泛的应用。

⑵图形显示方面液晶高分子在电场作用下从无序透明到有序不透明的性质使它可用于图形显示器件。主要是侧链型液晶高分子应用于图形显示，因为它具有小分子液晶的回复特性和广电敏感性，又有比小分子液晶更低的取向松弛速率，同时能被很好的加工。液晶显示器件相对于原始显示器件最大的优点就在于耗电低且超薄化。但是由于液晶高分子具有较高的黏度，导致显示转换的速度减慢，所以，液晶在图形显示方面的应用还不是尽善尽美的，还需要克服一系列问题。

⑶信息储存介质液晶高分子利用热-光效应实现光储存。液晶储存材料的可靠性很高，很适用于重要数据的长期保存。

⑷色谱分离材料色谱分离是通过被分析物在固定相和流动相的分配系数不同而实现分离的，固定相可以是吸附在固体载体上的液体也可以是固体本身。现在，液晶固定相是色谱重点开发的固定相之一。因为小分子液晶的高分子化克服了在高温使用条件下小分子液晶的流失现象，则侧链型液晶高分子可以作为低挥发、热稳定性高和高选择性的液晶固定相。目前，侧链型液晶高分子固定相被广泛的应用在毛细管气相色谱、超临界色谱和高效液相色谱中。

总而言之，液晶高分子材料作为一种新型的有机功能高分子材料，人们目前对它的认识还不足，但随着理论知识的日臻完善，它也将会被广泛的应用在我们的实际生活中。

参考文献：

[1]周其凤，王久新. 液晶高分子. 北京：科学出版社，1994.

[2]焦佳俊，张祥祥. 氢键型液晶高分子的研究进展. 华东理工大学学报：自然科学版，2006， 32（6）：736-744.

[3]徐婉娴，尹若元，林里，俞燕蕾. 液晶弹体刺激形变研究. 化学进展，2008， 20（1）：140-147.

作者简介：

魏宇（1997—），男，四川广安，西华大学理学院有机化学专业，本科在读。

任鹏（1997—），男，四川遂宁，西华大学理学院有机化学专业，本科在读。

刘力元（1995—），男，四川眉山，西华大学理学院有机化学专业，本科在读。