2025年液晶材料行業趨勢分析：黏土及類黏土液晶材料的研究進展與應用展望

  在2025年，液晶材料行業正朝著多元化、高性能化的方向發展。其中，黏土及類黏土液晶材料憑藉獨特的性能優勢，逐漸成為研究和關注的焦點。這類材料在光、電、磁性能，熱穩定性以及成本等方面展現出突出特點，其研究進展不僅推動著液晶材料領域的技術革新，也為多個行業的發展帶來新的機遇。

  一、黏土礦物液晶材料的形成機理剖析

  液晶作為介於液相和晶相之間的特殊相態，兼具液體的流動性和晶體的各向異性，在光、電、磁等作用下液晶分子易發生取向，廣泛應用於多個領域。黏土礦物液晶體系屬於膠體液晶，理解其形成機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，在恆定溫度下，當體系內能不變時，自發反應將朝著熵增的方向進行。熵是衡量體系混亂度的指標，混亂度越大熵值越高。《2025-2030年全球及中國液晶材料行業市場現狀調研及發展前景分析報告》指出，在溫度和體積恆定的條件下，棒狀粒子從無序堆積轉變為有序堆積時，體系熵會增加。當體系從各向同性相轉變為各向異性相時，棒狀粒子的平動自由度增大，平動熵增加，此變化為熱力學自發過程。相關理論認為，在無機液晶材料中，粒子的不等軸形狀是相變的根源，粒子徑軸比越大，越容易發生液晶相變。對於剛性長棒狀粒子分散體系，當濃度達到臨界值後，溶液會呈現兩相共存狀態，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證該理論。

  二、黏土及類黏土液晶材料的研究現狀

  (一)片層狀黏土液晶材料的研究成果與挑戰

  片層狀黏土礦物液晶中，蒙脫石材料是研究的重點對象，同時綠脫石、貝得石、鋰皂石、高嶺土等也受到眾多學者關注。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，放置一段時間後會分為各向同性相和雙折射相。隨著粒子濃度增加，體系會先發生凝膠相轉變，繼續增加濃度則出現雙折射相，在偏光顯微鏡下呈現典型的向列相絲狀織構特徵，但過高濃度會因凝膠結構阻礙相分離，導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，較低濃度下分散體系極易發生溶膠 - 凝膠相轉化，如水相綠脫石分散體系，液晶相界濃度在 0.61wt% - 0.72wt% 範圍時發生相分離，濃度超過 1wt% 則以溶膠 - 凝膠相為主，不再發生液晶相轉變。此外，層狀粒子的液晶相形成不僅與濃度有關，粒子間靜電作用力也會對相變產生影響。電解質的存在同樣會對分散體系相變產生較大影響，以貝得石為例，不含電解質時其分散體系相變緩慢且穩定性差，加入 NaCl 後相變速度加快且穩定性提高。外加電場對黏土液晶相變化的研究對開發黏土液晶器件材料至關重要，研究發現外加電場會使水相貝得石分散的粒子發生各向同性相 - 各向異性相的轉變，利用這一性質還可對貝得石分散體系進行設計，製備出具有特定圖案的材料。

  (二)纖維型棒狀黏土液晶材料的研究方向與進展

  黏土礦物形狀多樣，纖維型棒狀黏土液晶具有高長徑比，理論上更易發生液晶相變，但黏土緻密團聚體形態使其製備存在困難，目前該領域研究尚處於起步階段。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，可對分散體系起到空間穩定作用。在調控電解質濃度的基礎上，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範圍提升到 7wt% - 10wt% 。在油相體系中，將有機改性後的海泡石表面接枝高分子吸水樹脂 SAP 後，分散於甲苯中製得的分散體系空間穩定性好，液晶相變濃度也得到明顯提升。此外，酸鹼度對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，在一定濃度範圍內會發生相分離，呈現典型的向列相織構，但分散在鹼性介質中則會發生沉澱，不過其相變機理還需進一步研究。

  (三)類黏土礦物液晶材料的新發現與探索

  研究發現，類黏土及合成礦物也可製備液晶材料，這對深入理解黏土礦物液晶相形成理論和實際應用具有重要意義。目前已發現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，微觀結構呈片層狀，在加入 NaCl 電解質的水相分散體系中，濃度為 0.5wt% 時即可形成液晶相，且研究發現液晶粒子的排布與重力作用有關，分散體系靜置後會出現分層現象。氧化石墨烯是近年來新發現的液晶體系，水相氧化石墨烯濃度在 0.25wt% 時，其相行為與最早發現的無機液晶\(V_{2}O_{5}\)體系的液晶相極為相似，並且已成功採用濕紡組裝方法製備出具有有序排列結構的石墨烯纖維。層狀雙金屬氫氧化物(LDHs)是一類由二價和三價金屬離子組成的合成礦物，結構與蒙脫石相似但帶永久正電荷，採用沉澱法製備的 LDHs 可在水相和油相形成液晶相，如採用非穩態液相共沉澱法製備的 Mg - Al LDHs 水相分散體系，樣品濃度在 16wt% - 28wt% 時會發生相分離現象。

  三、複合型黏土液晶材料的分類與特性

  (一)無機 - 無機複合型黏土液晶材料的優勢體現

  無機 - 無機複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，從而製備出複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矽球後，可促進體系發生相分離，在低濃度和高濃度時加入矽球，體系均會出現明顯的相分離現象，且高濃度時雙折射相更為明顯。

  (二)有機 - 無機複合型黏土液晶材料的性能提升

  有機 - 無機複合型黏土液晶材料是將有機液晶與無機液晶材料混合製備而成，它兼具有機液晶各向異性的響應性和無機液晶的穩定性，可形成自組裝軟材料，構造出外場激發響應的多功能材料。通過將鋰皂石與陽離子表面活性劑進行有機改性，並與碳纖維材料雜化，製備出的複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液晶材料與鋰皂石分散於油相介質中製備的三元液晶材料，可使複合型液晶相的顏色更加豐富，熱穩定性得到提升。

  四、黏土礦物液晶材料的應用前景與發展挑戰

  目前，黏土礦物材料在水相和油相介質中展現出豐富的液晶相，在光電等誘導下粒子具有各向異性，這使得其在多個領域具有廣闊的應用前景。在顯示技術產業上，已成功製得靛藍 - 海泡石有機 - 無機雜化染料液晶材料;在納米科技領域，黏土礦物液晶製備的自組裝軟材料有望實現突破，如利用蒙脫石油相分散體系與有機液晶反應製得的雙頻有機 - 無機光信息儲存材料，相比單一有機光信息儲存液晶材料具有更高性能的記憶儲存功能。然而，黏土礦物液晶的製備仍面臨諸多難點，修飾黏土粒子表面和提高體系的分散性能是當前研究的重點。此外，有關黏土液晶材料在外電場、磁場方面的影響還需要進一步深入研究。

  綜上所述，黏土及類黏土液晶材料憑藉自身獨特的性能和優勢，在液晶材料領域占據著重要地位。從其形成機理到各類材料的研究現狀，再到複合型材料的特性，都展現出豐富的研究成果和廣闊的發展潛力。儘管目前在製備過程中存在一些難題，但其在顯示技術、納米科技等領域已取得的應用成果，充分證明了其巨大的應用價值。隨著研究的不斷深入，解決現有難題，黏土液晶材料有望在更多領域得到廣泛應用，為液晶材料行業的發展帶來新的突破，在2025年及未來的市場中發揮更為重要的作用。

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