红外光谱在液晶聚合物材料中的应用.docx

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红外光谱在液晶聚合物材料中的应用

红外光谱在液晶聚合物材料中的应用

红外光谱

在液晶高分子材料中的应用红外光谱

在液晶高分子材料中的应用红外光谱由于其高分辨率和对分子结构的实时跟踪能力，在液晶高分子的研究中尤为重要。

此外，近年来偏振二色性技术、时间分辨步进扫描技术等技术的发展，进一步提高了红外光谱的分辨率，对液晶聚合物的分子结构、相变、基团取向等机理的研究也使人们对液晶有了更深入的了解。

本文介绍了红外光谱表征液晶高分子材料的研究进展，特别是液晶高分子的相变行为、液晶高分子体系中氢键的组成以及液晶共聚物与共混物的相容性等方面的研究。

分别分析了具体的应用实例。

关键词红外光谱液晶聚合物相变共聚物和共混氢键1，背景介绍1，红外光谱技术介绍

红外光谱是一种吸收光谱，其能量远小于紫外光和可见光的辐射能量，它只能刺激分子中原子核之间的振动和转动能级之间的跃迁红外光的波数可分为近红外区（10000-4000厘米-1）、中红外区（4000-400厘米-1）和远红外区（400-10厘米-1）最常用的一个是中红外区，在那里大多数化合物的化学键振动能级的转变发生在[1]红外光谱具有很高的特征，不仅可以用来研究分子的结构和化学键，如力常数的测定，还可以广泛地表征和识别各种化学物质。

基团吸收带的位置决定了分子能级的分布，这是定性的基础。

吸收带的强度与跃迁几率和样品中基团的含量有关，具有定性和定量的双重性。

极化方向与跃迁偶极方向有关，可以用来确定群排列的方向和位置。

因此，红外光谱不仅可以确定聚合物的结构，还可以确定其结晶度和立体构型。

用红外偏振光测量聚合物键的取向2.液晶聚合物简介

所谓的液晶是指一种物质，它失去了固体物质的刚性，在被加热熔化或被溶剂溶解后获得了液体物质的流动性，但仍然部分地保持了晶体物质分子的有序排列，从而在物理性质上呈现各向异性，并形成具有晶体和液体的某些性质的过渡状态，称为液晶态[2]它是一种新型高分子材料，在一定条件下存在于液晶相中。

与其他聚合物相比，它具有液晶相特有的分子取向序列和位置序列。

与小分子液晶相比，它还具有高分子量特性，这使得这种材料具有优异的各向异性、良好的耐热性和成型加工性。

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红外光谱在液晶高分子材料中的应用

液晶可分为溶致液晶聚合物和热致液晶聚合物前者在溶剂中呈液晶状态，而后者由于温度变化呈液晶状态。

热致液晶聚合物是继溶致液晶聚合物之后出现的一种新型聚合物，具有优异的综合性能，可以通过注射成型和挤出成型来加工。

液晶聚合物分子的主链是刚性的，分子紧密堆积，在成型过程中高度取向，因此液晶聚合物分子具有小的线膨胀系数，低的成型收缩率，非常突出的强度和弹性模量，优异的耐热性，高的载荷变形温度，有的可以达到340℃以上LCP还具有优异的耐化学性和气密性。

此外，一些液晶聚合物具有一些特殊的功能，如光电导液晶聚合物、功能液晶聚合物分离膜和生物液晶聚合物。

通常，热致液晶聚合物具有良好的流动性，并且易于加工和形成。

模制产品具有液晶聚合物特有的皮芯结构，并且树脂本身具有纤维性质，并且在熔融状态下具有高取向，从而实现纤维增强的效果。

这也是液晶聚合物最显著的特点。

近年来，液晶聚合物的研究日益深入。

由于其高强度、高刚性、耐高温、电绝缘性好等特点，被广泛应用于电子电子、光纤、汽车航天、超分子组装、平板显示、纳米材料模板合成等领域。

第二，红外光谱在液晶聚合物

中的应用更常用于表征液晶聚合物。

利用差示扫描量热法（DSC）、偏光显微镜（POM）、X射线衍射（XRD）、红外光谱（IR）、核磁共振（NMR）、小角中子散射（SANS）等方法研究液晶相的形成机理和微观结构的变化。

其中，差示扫描量热法可以准确地提供样品在变温环境中的相行为，如玻璃化转变温度、各种相变温度以及相应的热力学参数聚甲醛易于使用，并能给出有关液晶状态的相变、结构、分子取向和光学性质的信息，如光轴数量、正负光学性质、双折射等。

x射线技术对于确定液晶状态的类型是最有效的，特别是对于各种近晶液晶状态的识别以及对于分子取向和有序度的研究。

然而，上述方法不能提供关于分子间相互作用和分子链构象变化的信息。

利用红外光谱进行研究可以获得分子间相互作用的信息。

此外，它还可用于研究分子内和分子间的氢键、液晶相的形成机理、共混物和共聚物的相容性以及在外场作用下的液晶取向等。

1.红外光谱用于研究液晶聚合物的相变行为

红外光谱是研究液晶聚合物相变行为的重要表征方法液晶聚合物的相变是内部液晶单元取向变化的结果。

因此，相变行为的研究通常需要从

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红外光谱在液晶高分子材料中的应用开始。

红外光谱只是提供了一种研究基本结构单元组振动的手段，所以近年来，研究人员越来越重视将红外光谱引入液晶聚合物的相变过程。

甲壳类液晶聚合物是由周其峰教授于1987年在[首次提出并研究的一种具有刚性链性质的侧链液晶聚合物与其他类型的侧链液晶复合物不同，液晶单元和主链之间的间隔基非常短或者通过共价键直接连接。

独特的连接方式使大体积、高密度的侧基与主链一起形成超分子“圆柱”结构，聚合物显示的液晶性正是源于超分子“液晶元件”的有序排列壳型液晶聚合物的重要特点是通过侧链型液晶聚合物的合成方法可以得到具有主链型液晶聚合物性能的聚合物，可进一步用于高性能材料的开发。

因此，自这一概念提出以来，新型结构聚合物的合成、液晶相结构的研究以及潜在的应用研究受到了广泛的关注。

李县委等合成了高脱乙酰度壳聚糖，并用红外光谱对其进行了表征。

图1是具有高脱乙酰度的壳聚糖的红外光谱[4]

图1高脱乙酰度壳聚糖的红外光谱图

3438cm-1为φυ（C=O-h）和φ（n-h）伸缩振动吸收峰的重叠峰，2982cm-1、2879cm-1的双峰为φ（c-h）的伸缩振动峰，1709cm-1为φ（c=o）的峰，即酰胺ⅰ带。

1608cm-1是δ（N-H）的峰（包括~1550的酰胺ⅱ带），1416cm-1和1379cm-1是δ（CH2）和δ（CH3）的剪切振动峰，1336cm-1是υ（C-N）和δ（N-H）的ⅲ带，1156cm-1是υas（C-O-C）的峰，1076cm-1是仲醇羟基υ（C）的峰酰胺ⅰ带、酰胺ⅱ带、酰胺ⅲ带和C-CH3形变振动的吸收峰较弱，表明本实验中使用的壳聚糖具有较高的脱乙酰度。

图2是高度脱乙酰壳聚糖的偏振光显微照片。

在偏振光显微镜下，观察了

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红外光谱在液晶高分子材料中的应用。

同时，还观察到胆甾相的黑白交替指纹结构，表明液晶相[4]的存在

图2

壳聚糖分子中具有高脱乙酰度（100倍）羟基和氨基的壳聚糖的极化显微照片能够吸附和络合金属离子形成稳定的络合物，能够有效地捕获和吸附溶液中的重金属离子作为一种新型重金属离子吸附剂，它具有来源广泛、吸附效率高、无毒、易降解等优点。

在水处理方面具有巨大的潜力和应用前景。

2，红外光谱用于研究液晶聚合物体系中的氢键组成

红外光谱是研究液晶聚合物体系中氢键的常用方法，因为红外光谱对氢键相互作用非常敏感，并且带的频率通常随氢键相互作用的强度而变化。

侧链型氢键液晶聚合物是由带有氢键供体或氢键受体侧链的聚合物和带有氢键受体或氢键供体末端的液晶小分子组装而成氢键比共价键具有更好的结合灵活性，结合多，选择空间大，不仅节省了一些复杂的共价键合成步骤，而且使得分子结构的修饰非常简单。

虽然氢键能量较弱，这对其复合材料的稳定性带来不利影响，但其适当的弱化使得氢键液晶聚合物具有独特的动态特性，特别是对温度变化的可逆响应，为其在传感材料制备中的应用提供了广阔的空间。

已经报道利用聚合物和小分子之间的氢键来制备氢键诱导的侧链液晶聚合物。

Frechet等人[5]发现，由于氢键，当研究具有苯甲酸结构单元的聚羧基苯乙烯和聚4-吡啶亚甲基的共混物时，共混物中只有单一的玻璃化转变温度。

他们将这一思想应用于侧链液晶聚合物的研究，通过分子间氢键将小液晶分子引入聚合物，形成氢键液晶聚合物。

福建师范大学的李县委等人合成了对羟基偶氮苯甲酸的小液晶分子，并利用它们与丙烯酸之间的氢键力合成了侧链氢键液晶聚合物。

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红外光谱在液晶高分子材料中的应用以

对羟基偶氮苯甲酸为液晶单元形成的侧链氢键液晶高分子的结构如图3[4]

3467cm-1为O-H缔合峰，3102cm-1芳环C-H拉伸振动，1427cm-1为N=N双键的吸收峰，1655cm-1为C=O特征的拉伸振动吸收峰，2673cm-1，2549cm-1为羧基的拉伸振动峰，红外

图4对羟基偶氮苯甲酸[4]

1241cm-1，1096cm-1为Ar-O振动峰，1282cm-1为Ar-N振动峰，765cm-1为芳香环对位取代

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红外光谱在液晶高分子材料

特征吸收峰中的应用

（2）侧链氢键聚合物液晶偏光显微镜照片

图5侧链氢键聚合物液晶偏光照片

从偏光显微镜照片可以看出，由于对羟基偶氮苯酸是一种长棒状分子，相邻分子间相互作用，在由对羟基偶氮苯酸和聚丙烯酸形成的侧链液晶聚合物中出现了大量针状晶体氢键也可以在两个对羟基偶氮苯甲酸分子的头部和尾部之间形成，导致分子结晶成针状。

通过研究发现，氢键复合物液晶态的热稳定性随聚合物分子量变化不大，表明氢键诱导的侧链液晶聚合物存在解耦效应。

传统侧链液晶聚合物的解耦效应来自主链和液晶元件之间的柔性间距。

在氢键诱导的侧链液晶聚合物中，主链与液晶元件直接相连，这可能是由于液晶元件与聚合物主链之间以氢键连接的方式发生微相分离造成的。

这表明氢键具有与在主链和液晶盒之间插入柔性空间相同的效果。

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红外光谱在液晶高分子材料中的应用含

偶氮基团的侧链液晶高分子作为信息存储材料，通过偶氮基团的光异构化干扰侧链液晶高分子周围的液晶相来存储信息。

此外，可以通过将材料冷却到低于其玻璃化转变温度来冻结存储的信息。

因此，其信息存储过程具有所需光能低、信息存储分辨率和信噪比高、信息存储时间长、信息无损读取和存储信息重复擦除等优点[6]偶氮基侧链液晶聚合物也可用作非线性光学材料，它不仅具有加工方法简单、NLO系数高、抗激光损伤性好、NLO对应速度快等优点，而且还具有在一定条件下（光、电、热、磁）自动取向的特性[7]3.红外光谱用于研究液晶共聚物和共混物

的相容性近年来，工业上经常使用热塑性塑料和液晶聚合物来制备性能优异的新材料，但大多数热塑性塑料与液晶聚合物的相容性较差，需要添加增溶剂。

增溶剂通常是与共混组分具有相同结构的嵌段或接枝共聚物，红外光谱可用于研究增溶剂中各种共聚组分的相容性。

Sek等人[8]研究了用作增溶剂的聚丙烯酸（PPAA）官能化聚丙烯与液晶聚酯（SBH）（癸二酸+二羟基联苯+羟基苯甲酸）接枝共聚物的相容性为了便于研究，他们还比较了它们的混合物，并分别用甲苯和二甲苯分级，如图6所示。

图6PPAA和SBH共聚物（COPP）和共聚物（MIXP）分类图[8]

图7是各组分的红外光谱，其中50和70代表PPAA的百分含量从谱图中可以看出，PPAA和SBH的特征峰在COPP和MIXP中都可以看到，但主要区别在于对应于酯键和羧酸的C=O吸收峰（1740cm-1）。

铜70比铜50含有更多未反应的游离羧酸，因为铜70含有更多的PPAA。

与MIXP和COPP相比，

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红外光谱可应用于液晶高分子材料。

现在，MIXP的C=O振动吸收峰比COPP宽1690cm-1，这是由于酯键形成氢键的C=O振动吸收峰这表明MIXP中有更多的氢键，酯键C=O来自SBH，o-h来自PPAA羧酸。

混合物70在1690cm-1和1740cm-1处的吸收峰均大于混合物50，对应于氢键形成的羧酸C=O（1710cm-1）的吸收峰小于混合物50，表明混合物70中有更多的酯键参与氢键形成。

图7混合共聚物产品的红外光谱[8]

为了确定每个分馏组分中SBH和PPAA的相对含量，他们对COPP50和MIXP50的光谱进行了二次微分（图8和9）SBH在1600cm-1处有一个最大值对应苯环骨架振动，而PPAA为0；PPAA在973厘米-1处达到最大值，对应于CH2和CH3，而SBH为0因此，他们使用“从基线到峰值”的技术来确定每个成分中的SBH和PPAA含量。

经过计算，发现共聚物的分级组分的溶解度取决于接枝到PPAA上的SBH的量，而共混物的分级组分几乎是纯的共混物组分，少量残余物可能来自共混物中氢键的存在和SBH单体聚合形成短链低聚物[8]

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红外光谱在液晶高分子材料中的应用

图8COPP50和二次微分曲线

图9MIXP50和相应的梯度组分

3的二次微分曲线和结论

近年来，液晶高分子的种类越来越多。

然而，目前的研究主要集中在液晶聚合物与其他单体的共聚和共混，或者液晶聚合物的合理分子设计以实现功能化。

然而，组分的复杂性也给液晶聚合物的研究带来了分析上的困难。

虽然传统的差示扫描量热法、XRD、POM等检测方法能够在一定程度上表征液晶聚合物的结构和液晶性能，但由于无法跟踪更多微观基团的变化，对液晶聚合物内部取向机理的研究受到限制。

红外光谱已经成为从分子水平研究液晶聚合物的重要分析方法，具有高选择性、非破坏性、优异的分辨率和实时跟踪能力。

偏振二色性技术和时间分辨步进扫描技术的发展进一步提高了红外光谱分析复杂液晶聚合物的能力。

然而，红外光谱法仍有固有的局限性，如样品制备过程中样品厚度的限制和切片引起的取向，以及光谱图中复杂的信息，这也给分析[9]带来一定的困难

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红外光谱在液晶高分子材料

中的应用一般来说，近年来，红外光谱技术对液晶高分子的研究有了更深入的发展，仍然是光谱分析研究中比较活跃的课题之一。

特别是对于新型液晶单体和聚合物的合成，它在研究它们的液晶性能和光学性能方面起着重要的作用。

我相信将来会有更多的研究者加入这个研究领域。

参考文献

1]杨瑞，周晓，罗传秋，华。

聚合物的现代仪器分析。

北京:

清华大学出版社，2010，252]何曼君，陈，董希霞。

聚合物物理学。

上海:

复旦大学出版社，2000，102~1033]周庆福，李海明，冯小维宏观分子，1987，20:

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（硕士学位论文）。

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福建师范大学，2007，38~42。

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3327-3333

9]孙胜通、、吴。

液晶高分子材料的红外光谱表征[[]。

化学进展，2009年。

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（1）:

197~198

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红外光谱在液晶高分子材料中的应用

学习印象

经过短短22小时的理论学习，我对高分子材料的表征方法有了一定的了解，知道要真正研究一种聚合物，需要综合运用多种分析方法从以前对聚合物化学和聚合物物理的研究到最近对聚合物的现代仪器分析的研究，从聚合物的合成和制备到性能表征，这一系列的课程使我对聚合物有了全面的了解。

仍然有10类实验。

我们用自己的眼睛参观了学院里的各种精密仪器，听了实验老师的讲解，对它们的工作原理有了大致的了解。

老师和所有的实验老师都讲得很好，尤其是清楚但是，我只是觉得班上每个班的容量都很大，听完课我会觉得很累。

由于课时不足，很多内容仍然没有被谈论和通过。

我仍然希望增加更多的课时，这样老师可以说得轻松，我们也不会太累而听不进去，我们可以学得更多，这样我们在课堂上就不会有太多的紧迫感。

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红外光谱在液晶高分子材料中的应用

学习印象本课程

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仍然有10类实验。

我们用自己的眼睛参观了学院里的各种精密仪器，听了实验老师的讲解，对它们的工作原理有了大致的了解。

老师和所有的实验老师都讲得很好，尤其是清楚但是，我只是觉得班上每个班的容量都很大，听完课我会觉得很累。

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