在2025年，液晶材料行業(yè)正朝著多元化、高性能化的方向發(fā)展。其中，黏土及類黏土液晶材料憑借獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，逐漸成為研究和關(guān)注的焦點(diǎn)。這類材料在光、電、磁性能，熱穩(wěn)定性以及成本等方面展現(xiàn)出突出特點(diǎn)，其研究進(jìn)展不僅推動(dòng)著液晶材料領(lǐng)域的技術(shù)革新，也為多個(gè)行業(yè)的發(fā)展帶來新的機(jī)遇。
液晶作為介于液相和晶相之間的特殊相態(tài)，兼具液體的流動(dòng)性和晶體的各向異性，在光、電、磁等作用下液晶分子易發(fā)生取向，廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。黏土礦物液晶體系屬于膠體液晶，理解其形成機(jī)理需從膠體體系的熵致相變概念入手。從 Helmholtz 自由能公式\(F=E - TS\)可知，在恒定溫度下，當(dāng)體系內(nèi)能不變時(shí)，自發(fā)反應(yīng)將朝著熵增的方向進(jìn)行。熵是衡量體系混亂度的指標(biāo)，混亂度越大熵值越高?！?a href="http://www.74cssc.cn/report/16676678.html" target="_blank">2025-2030年全球及中國液晶材料行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀調(diào)研及發(fā)展前景分析報(bào)告》指出，在溫度和體積恒定的條件下，棒狀粒子從無序堆積轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚨逊e時(shí)，體系熵會(huì)增加。當(dāng)體系從各向同性相轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨虍愋韵鄷r(shí)，棒狀粒子的平動(dòng)自由度增大，平動(dòng)熵增加，此變化為熱力學(xué)自發(fā)過程。相關(guān)理論認(rèn)為，在無機(jī)液晶材料中，粒子的不等軸形狀是相變的根源，粒子徑軸比越大，越容易發(fā)生液晶相變。對(duì)于剛性長棒狀粒子分散體系，當(dāng)濃度達(dá)到臨界值后，溶液會(huì)呈現(xiàn)兩相共存狀態(tài)，一相是濃度較低的各向同性相，另一相是濃度略高的向列相液晶，而黏土礦物液晶相行為能夠驗(yàn)證該理論。
片層狀黏土礦物液晶中，蒙脫石材料是研究的重點(diǎn)對(duì)象，同時(shí)綠脫石、貝得石、鋰皂石、高嶺土等也受到眾多學(xué)者關(guān)注。以膨潤土為例，其有效成分蒙脫石在一定濃度的水相懸浮體中，放置一段時(shí)間后會(huì)分為各向同性相和雙折射相。隨著粒子濃度增加，體系會(huì)先發(fā)生凝膠相轉(zhuǎn)變，繼續(xù)增加濃度則出現(xiàn)雙折射相，在偏光顯微鏡下呈現(xiàn)典型的向列相絲狀織構(gòu)特征，但過高濃度會(huì)因凝膠結(jié)構(gòu)阻礙相分離，導(dǎo)致無法觀察到各向同性 - 各向異性兩相共存。水相黏土液晶相形成存在難點(diǎn)，較低濃度下分散體系極易發(fā)生溶膠 - 凝膠相轉(zhuǎn)化，如水相綠脫石分散體系，液晶相界濃度在 0.61wt% - 0.72wt% 范圍時(shí)發(fā)生相分離，濃度超過 1wt% 則以溶膠 - 凝膠相為主，不再發(fā)生液晶相轉(zhuǎn)變。此外，層狀粒子的液晶相形成不僅與濃度有關(guān)，粒子間靜電作用力也會(huì)對(duì)相變產(chǎn)生影響。電解質(zhì)的存在同樣會(huì)對(duì)分散體系相變產(chǎn)生較大影響，以貝得石為例，不含電解質(zhì)時(shí)其分散體系相變緩慢且穩(wěn)定性差，加入 NaCl 后相變速度加快且穩(wěn)定性提高。外加電場(chǎng)對(duì)黏土液晶相變化的研究對(duì)開發(fā)黏土液晶器件材料至關(guān)重要，研究發(fā)現(xiàn)外加電場(chǎng)會(huì)使水相貝得石分散的粒子發(fā)生各向同性相 - 各向異性相的轉(zhuǎn)變，利用這一性質(zhì)還可對(duì)貝得石分散體系進(jìn)行設(shè)計(jì)，制備出具有特定圖案的材料。
黏土礦物形狀多樣，纖維型棒狀黏土液晶具有高長徑比，理論上更易發(fā)生液晶相變，但黏土致密團(tuán)聚體形態(tài)使其制備存在困難，目前該領(lǐng)域研究尚處于起步階段。其主要研究方向包括尋找更多纖維型棒狀黏土液晶材料以及修飾已知材料的粒子表面以提高分散性能。海泡石是研究較多的纖維型棒狀黏土礦物液晶材料，將高分子聚合物接枝在海泡石粒子表面，可對(duì)分散體系起到空間穩(wěn)定作用。在調(diào)控電解質(zhì)濃度的基礎(chǔ)上，接枝聚丙烯酸鈉的海泡石體系，不僅能抑制溶膠 - 凝膠相的形成，還能將水相黏土分散體系的相變濃度范圍提升到 7wt% - 10wt% 。在油相體系中，將有機(jī)改性后的海泡石表面接枝高分子吸水樹脂 SAP 后，分散于甲苯中制得的分散體系空間穩(wěn)定性好，液晶相變濃度也得到明顯提升。此外，酸堿度對(duì)纖維型棒狀黏土液晶材料相變也有影響，如伊毛縞石分散在酸性水溶液中，在一定濃度范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生相分離，呈現(xiàn)典型的向列相織構(gòu)，但分散在堿性介質(zhì)中則會(huì)發(fā)生沉淀，不過其相變機(jī)理還需進(jìn)一步研究。
研究發(fā)現(xiàn)，類黏土及合成礦物也可制備液晶材料，這對(duì)深入理解黏土礦物液晶相形成理論和實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。目前已發(fā)現(xiàn)的類黏土礦物液晶材料有三水鋁石、鋰皂石、石墨烯、層狀雙金屬氫氧化物等。三水鋁石是鋁土礦床的主要成分，微觀結(jié)構(gòu)呈片層狀，在加入 NaCl 電解質(zhì)的水相分散體系中，濃度為 0.5wt% 時(shí)即可形成液晶相，且研究發(fā)現(xiàn)液晶粒子的排布與重力作用有關(guān)，分散體系靜置后會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象。氧化石墨烯是近年來新發(fā)現(xiàn)的液晶體系，水相氧化石墨烯濃度在 0.25wt% 時(shí)，其相行為與最早發(fā)現(xiàn)的無機(jī)液晶\(V_{2}O_{5}\)體系的液晶相極為相似，并且已成功采用濕紡組裝方法制備出具有有序排列結(jié)構(gòu)的石墨烯纖維。層狀雙金屬氫氧化物(LDHs)是一類由二價(jià)和三價(jià)金屬離子組成的合成礦物，結(jié)構(gòu)與蒙脫石相似但帶永久正電荷，采用沉淀法制備的 LDHs 可在水相和油相形成液晶相，如采用非穩(wěn)態(tài)液相共沉淀法制備的 Mg - Al LDHs 水相分散體系，樣品濃度在 16wt% - 28wt% 時(shí)會(huì)發(fā)生相分離現(xiàn)象。
無機(jī) - 無機(jī)復(fù)合型黏土液晶材料是將不同形狀大小的膠體粒子混合，使體系中粒子按大小形狀分級(jí)，從而制備出復(fù)雜豐富的混合型液晶材料。這類材料具有較好的分散性和穩(wěn)定性，粒子之間更具親和性。例如，在片層狀高嶺土分散體系中加入適量硅球后，可促進(jìn)體系發(fā)生相分離，在低濃度和高濃度時(shí)加入硅球，體系均會(huì)出現(xiàn)明顯的相分離現(xiàn)象，且高濃度時(shí)雙折射相更為明顯。
有機(jī) - 無機(jī)復(fù)合型黏土液晶材料是將有機(jī)液晶與無機(jī)液晶材料混合制備而成，它兼具有機(jī)液晶各向異性的響應(yīng)性和無機(jī)液晶的穩(wěn)定性，可形成自組裝軟材料，構(gòu)造出外場(chǎng)激發(fā)響應(yīng)的多功能材料。通過將鋰皂石與陽離子表面活性劑進(jìn)行有機(jī)改性，并與碳纖維材料雜化，制備出的復(fù)合液晶材料具有更好的親和性和分散性，光、電、磁性也得到極大提高。將兩種手性向列相有機(jī)液晶材料與鋰皂石分散于油相介質(zhì)中制備的三元液晶材料，可使復(fù)合型液晶相的顏色更加豐富，熱穩(wěn)定性得到提升。
目前，黏土礦物材料在水相和油相介質(zhì)中展現(xiàn)出豐富的液晶相，在光電等誘導(dǎo)下粒子具有各向異性，這使得其在多個(gè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在顯示技術(shù)產(chǎn)業(yè)上，已成功制得靛藍(lán) - 海泡石有機(jī) - 無機(jī)雜化染料液晶材料;在納米科技領(lǐng)域，黏土礦物液晶制備的自組裝軟材料有望實(shí)現(xiàn)突破，如利用蒙脫石油相分散體系與有機(jī)液晶反應(yīng)制得的雙頻有機(jī) - 無機(jī)光信息儲(chǔ)存材料，相比單一有機(jī)光信息儲(chǔ)存液晶材料具有更高性能的記憶儲(chǔ)存功能。然而，黏土礦物液晶的制備仍面臨諸多難點(diǎn)，修飾黏土粒子表面和提高體系的分散性能是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。此外，有關(guān)黏土液晶材料在外電場(chǎng)、磁場(chǎng)方面的影響還需要進(jìn)一步深入研究。
綜上所述，黏土及類黏土液晶材料憑借自身獨(dú)特的性能和優(yōu)勢(shì)，在液晶材料領(lǐng)域占據(jù)著重要地位。從其形成機(jī)理到各類材料的研究現(xiàn)狀，再到復(fù)合型材料的特性，都展現(xiàn)出豐富的研究成果和廣闊的發(fā)展?jié)摿?。盡管目前在制備過程中存在一些難題，但其在顯示技術(shù)、納米科技等領(lǐng)域已取得的應(yīng)用成果，充分證明了其巨大的應(yīng)用價(jià)值。隨著研究的不斷深入，解決現(xiàn)有難題，黏土液晶材料有望在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，為液晶材料行業(yè)的發(fā)展帶來新的突破，在2025年及未來的市場(chǎng)中發(fā)揮更為重要的作用。
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