浅析高分子聚合物取向及应用

浅析高分子聚合物取向及应用

杨红霞

杨红霞

（郑州大学材料科学与工程学院，河南郑州450001）

中图分类号：TQ316文献标识码：A文章编号：1673-0992（2011）07-208-01

摘要：通过生产和生活中的实例引出高分子聚合物的取向态，并简单阐释其含义及测定方法，介绍了高分子聚合物取向在生产液晶显示器方面的应用。

关键词：高分子；聚合物；取向；应用

在现实生活中，随处可见的聚丙烯包装绳，由于是单轴拉伸，我们在取向方向上用很大的力也拉不断，但垂直方向上却随意可以撕开成微纤；如果先在橡皮上切一个小口，再进行拉伸，那么拉不了多久，切口就向纵深很快扩展，费不了多大劲就能把它拉断，但如果先把橡皮拉的很长，使其中的分子键取向，再用刀子划一刀，此时切口顺拉力方向扩大而不向纵深扩展，这时要拉断它就要用比较大的力气；纳米炭管的应用很广泛，但很多都是以其定向取向排列为前提的。因此，研究高分子取向结构有其重要的意义，可以通过控制加工成型条件获得具有取向态结构和性能的材料提供科学的依据。

取向就是当线性高分子充分伸展的时候，其长度为其宽度的几百，几千甚至几万倍，这种特殊的几何不对称性，使它们在外力场的作用下很容易受外力场作占优势的排列。对于未取向的高分子材料来说，其中连段是随机取向的，朝一个方向的连段与朝任何方向的同样多，因此未取向的高分子材料是各向同性的，而取向的高分子材料中，连段在某些方向上是择优取向的。由于沿着分子链方向是共价键结合的，而垂直于分子链方向是链间范德华凝聚力，因此取向材料呈现各向异性。

取向的结果是高分子的力学性质，光学性质，导热性以及声传播速度等方面发生了显著的变化。力学性质中，抗张强度和挠曲疲劳强度在取向方向上显著地增加，而与取向方向垂直的方向上则降低；光学性质中，高分子聚合物的取向导致双折射现象的出现；热性能中，热膨胀系数在取向和非取向方向上不同。

高分子聚合物在外力作用下的取向有两种方式：单轴取向，双轴取向。

单轴取向是高分子聚合物在单一方向上被外力拉伸，聚合物的长度增加，厚度和宽度减小，分子链受外力的影响指向受力方向。单轴取向最常见的例子是合成纤维的牵伸，一般在合成纤维纺丝时，从喷丝孔喷出的丝中，分子链已经有些取向了，再经过牵伸若干倍，分子链沿纤维方向的取向度得到进一步提高。

双轴取向是外力在两个相互垂直的方向拉伸高分子聚合物，聚合物在受力方向的长度增加，厚度减小，高分子连段相对于拉伸平面平行排列，在拉伸内侧为随机排列。可见，双轴取向后，高分子聚合物在拉伸平面内的性能呈各向同性。双轴取向最常见的例子是薄膜双轴取向，使分子链取平行于薄膜平面的任意方向，从而获得平面上各向同性的薄膜。

为了比较材料的取向程度，引入取向度的概念，高分子聚合物中分子链段向特定方向排列的程度叫取向度。取向度一般用取向函数F来表示F=0.5（3cos2θ-1），θ是分子链主轴与取向方向间的夹角，对于实际的高分子聚合物，θ不是一个定值，而是按一定的方式分布，因此取向函数方程中的θ往往采用实际取向角的平均值。

用来测定取向度的方法很多，有光学折射法，红外二向色性，广角X射线衍射法，声波传播法以及偏振荧光等方法，下面简单介绍前三种方法。

光学双折射法：通常直接用两个互相垂直方向上折光率之差作为衡量取向度的指标。无规取向试样是光学各向同性的，△n=0，而完全取向试样，则△n可达到最大，应该注意的是：在一个待测试样上，不同方向将会得到不同的值，例如单轴取向的薄膜，在平行于薄膜平面的两个方向间存在最大的△n，而在双轴取向的薄膜上，平行于膜面的两个方向间的△n很小或者等于零，只有在平行膜面和垂直膜面的两个方向间才有最大的△n，利用这个特性可以区别取向的种类。

红外二向色性：红外偏振光通过被测试样时，试样中某基团的吸光强度A与震动偶极矩M的变化有关。电矢量方向与偶极矩变化方向平行时红外吸收最大，而当这两个方向垂直时则不产生吸收，这种现象被叫做红外二向色性。未取向高分子聚合物M的变化方向呈均匀性分布，而取向高分子聚合物的M也发生取向。因此，高分子聚合物的取向度可以用红外二向色性表征。根据所选择的红外光谱谱带的不同，可以分别确定晶区与非晶区的取向，也可以确定整个材料的平均取向。根据振动光谱是侧基还是主链的基团，可以区分主链和侧基的取向，红外二向色性法可获得广泛的取向参数。

实际的生产和生活中，高分子聚合物取向的应用日益广泛。在液晶纺丝中，由于液晶分子的取向特性，纺丝时可以在较低牵伸条件下，获得较高的取向度，避免纤维在高倍拉伸时产生应力和受到损伤;在液晶显示器（LCD）的生产过程中，液晶分子的取向控制技术是很重要的，它不仅关系到液晶分子的响应速度，而且直接影响到LCD的显示品质。好的取向效果可以增大显示容量，提高显示品质，有机高分子材料的特性随液晶变化较小而且适于生产线生产，逐步成为取向膜材料。人们不断的研究如何控制液晶分子的取向，使之可以在外电场作用下快速发生响应，工业上得到广泛应用的取向控制技术主要有传统的摩擦法和近年来新发展起来的非摩擦法。

结语：预定取向的高分子聚合物具有非常广阔的应用前景，可以相信在未来几年内，随着人们对高分子聚合物取向的研究及技术的不断发展，一定会更多地造福于人类。

参考文献：

[1]何曼君张红东陈维孝董西侠高分子物理[M]复旦大学出版社

[2]殷敬华莫志深现代高分子物理学[M]科学出版社2001年

[3]王培铭许乾慰材料研究方法[M]科学出版社2005年

[4]高分子通报2009年第二期

作者简介：杨红霞，女，郑州大学，材料科学与工程学院2008级，包装工程专业。