侧氟代苯液晶及其自组装材料的制备与电流变效应

For electrorheological fluids (ERFs), the viscosity and stress can mutate reversibly under electric field. This kind of electrorheological effect can be importantly used in many industrial fields. By reason of essential defects including particle sedimentation and electrode abrasion for solid-liquid type ERFs, the research of homogeneous liquid type ERFs like liquid crystal ERFs have been attracted more interest, but liquid crystal ERFs possess some defects in response, stress and intensity. In order to improve electrorheological effect of liquid crystal ERFs, some liquid crystals and polymers bearing latero-fluorobenzene mesogens will be synthesized in this project. The liquid crystals and polymers which contain carboxylic acid and sulfonic acid units will be self-assembled with alkalamides such as linear pyridine molecules, planar phthalocyanin molecules and stereo polyaniline molecules to form supramolecular materials which display different space configurations. The chemical structure, space configuration, liquid-crystalline behavior and electrorheological effect of the synthesized liquid crystals, liquid-crystalline polymers, and supramolecular materials assembled by liquid crystals and polymers will be studied in this project. The electrorheological effect of liquid crystal ERFs will be studied systematicly by adjusting and controling the chemical structure and space configuration of the liquid-crystalline materials, and a mechanism for liquid-crystalline electrorheological effect will be proposed in this project. Therefore, this study will provide basis of theoretics and practice for liquid crystal ERFs.

电流变液体的粘度、应力等在电场作用下可以发生可逆突变，这种电流变效应在工业领域具有重要应用。由于液固两相电流变液体存在粒子沉降、电极磨损等根本性问题，均一液相电流变液体（如液晶电流变液体）的研究引起关注，但现有液晶电流变液体具有响应慢、应力低、强度弱等不足之处。为了探讨改进液晶电流变液体的缺陷，本项目拟制备一类以侧氟代苯为介晶基元、并含有羧酸、磺酸基团的小分子液晶及液晶聚合物，将它们分别与碱性含吡啶基线型分子、酞菁类平面型分子及聚苯胺类立体型分子进行自组装形成不同空间构型的超分子材料。分别研究小分子液晶、液晶聚合物、小分子液晶组装成的超分子、液晶聚合物组装成的超分子等液晶材料的化学结构、空间构型、液晶性能与电流变效应。本项目通过对液晶材料的化学结构、空间构型的调节与控制，对液晶材料的电流变效应进行系统化研究，提出一种液晶电流变效应机理，为该领域的研究提供理论储备与实验依据。

电流变效应及技术在工业领域具有重要而广泛的应用前景，电流变液可以分为均相液体与固液两相悬浮液两类。现有的液固两相电流变液体存在粒子沉降、电极磨损等问题，而液晶类均相电流变液具有响应慢、应力低、强度弱等不足之处。为了改进这两类液晶电流变液体的缺陷、并把二者的优点结合起来，本项目提出了一种新型尝试。本项目采用含氮物质（咪唑、吡啶、酞菁与聚苯胺）与含卤代物、羧酸与磺酸等基团的物质通过自组装制备了一类含侧氟代苯为介晶基元及其他功能化官能团的液晶超分子材料，通过对液晶超分子材料的化学结构、空间构型等的调控，系统地研究了液晶超分子材料的结构、液晶性、介电性与电流变效应之间的关系，提出了该类液晶超分子材料的电流变效应产生机理。研究结果表明：对于不同液晶类型的液晶超分子材料，向列型液晶超分子材料的电流变效应最强；含聚苯胺类体型分子超分子材料的电流变效应优于含酞菁类面型分子超分子材料，优于含咪唑与吡啶基团线型分子超分子材料；液晶超分子材料中液晶结构对电流变效应的影响表现为：基于小分子液晶的超分子材料电流变效应弱于基于环状液晶聚合物的超分子材料，弱于基于梳状侧链液晶聚合物的超分子材料；另外，介电常数可以影响该类超分子材料的电流变效应，但并不是唯一的影响因素；季铵盐类液晶超分子材料的阴离子基团（如Br-、PF6-、BF4-等）对电流变效应的影响不大。所提出的这类液晶超分子材料电流变液体产生电流变效应的机理为：对于均相电流变液，液晶超分子材料在基础液中形成‘液滴’并与基础液相分离，施加电场时，液晶基元的取向行为与离子基团的迁移行为同时发生，导致‘液滴’变形，从而产生电流变效应，含侧氟代苯介晶基元的优势在于加快电场响应行为；对于固液两相电流变液，液晶超分子材料形成的‘液滴’紧密包覆在可极化的颗粒结构单元上，在施加电场时，分散颗粒的极化作用与液晶‘液滴’的变形响应发生协同作用，从而产生更强的电流变效应。