CH633036A5

CH633036A5 - Nematische fluessigkristallzusammensetzung.

Info

Publication number: CH633036A5
Application number: CH1546277A
Authority: CH
Inventors: Shigehiro Minezaki; Fumiaki Funada; Masataka Matsuura
Original assignee: Sharp Kk
Priority date: 1976-12-28
Filing date: 1977-12-15
Publication date: 1982-11-15
Also published as: JPS6024152B2; US4155872A; DE2758317A1; DE2758317C2; JPS5386690A

Description

Die Erfindung betrifft nematische Flüssigkristallzusammensetzungen, die mindestens ein primäres, sekundäres oder tertiäres aliphatisches Aminsalz einer aliphatischen oder aromatischen Monocarbonsäure enthalten und die eine überragende Ansprechgeschwindigketi aufweisen und einen hohen Trübungsgrad zeigen, eine gerine Temperaturabhängigkeit von der Leitfähigkeit (Strom) zeigen und die Flüssigkristallmoleküle mit langen Achsen enthalten, die einheitlich senkrecht zu den Elektrodengrundplatten orientiert, wenn sie den Raum zwischen den Grundplatten füllen.

Die Erfindung betrifft Flüssigkeitkristallzusammensetzungen bzw. Zusammensetzungen aus flüssigen Kristallen, die ein nematisches Flüssigkristallmaterial und ein spezifisches Salz enthalten.

Wenn der Raum zwischen Elektroden auf sich gegenüberliegenden Oberflächen von zwei Grundplatten mit einer nema-tischen Flüssigkristallzusammensetzung unter Bildung einer dünnen, transparenten Schicht gefüllt ist und Spannung längs der nematischen Flüssigkristallschicht zwischen den Elektroden mit Licht, das auf die Schicht einfällt, eingeprägt wird, wird die Flüssigkristallschicht trübe, wenn die Spannung angelegt wird, und dementsprechend wird das Licht blockiert. Diese Erscheinung ist bereits bekannt.

Diese Erscheinung wird in Lichtsperrungs- bzw. -blockier-systemen wie auch in Vorrichtungen zum Anzeigen von Buchstaben, numerischen Figuren bzw. Zahlen, Symbolen, Mustern usw. verwendet. Man hat versucht, verschiedene Zusatzstoffe in nematische Flüssigkristallmaterialien, die in solchen Vorrichtungen verwendet werden, einzuarbeiten, damit die Trübung oder die Ansprechgeschwindigketi der Flüssigkristallschicht verbessert wird.

Beispiele von Zusatzstoffen, die normalerweise für diesen Zweck verwendet werden, sind quaternäre Ammoniumhalogenide (US-PSen 3 656 834 und 3 882 039), ihre Carbonsäuresalze (US-PS 3 956168), Pyridiniumhalogenide (JA-AS 37 883/1974) und ihre Sulfonsäuresalze (US-PS 3 963 638). Jedoch besitzen nematische Flüssigkristallzusammensetzungen, die diese Zusatzstoffe enthalten, den Nachteil, dass die Leitfähigkeit (Strom) stark von der Temperatur abhängt (d.h. es treten grosse Variationen der Leitfähigkeit in Abhängigkeit von den Variationen der Temperatur auf). Macht man bekannte Flüssigkristallzusammensetzungen äquivalent zu den Flüssigkristallzusammensetzungen, die einen erfindungsgemässen Zusatzstoff enthalten, hinsichtlich der Leitfähigkeit (Strom), der zur Erzeugung einer Trübung bei niedrigen Temperaturbereichen (z.B. 0 °C) beim Anlegen einer Wechselstromspannung erforderlich ist, so zeigen die ersteren einen höheren Energieverbrauch als die letzteren im höheren Temperaturbereich (z.B. bei 25 °C).

Für die Entwicklung von Trübung müssen die Flüssigkristallsysteme eine Leitfähigkeit besitzen, die höher ist als ein definierter Wert, der durch den Wert der dielektrischen Konstante, multipliziert mit der Antriebsfrequenz, bestimmt wird.

Die Temperaturabhängigkeit von der Leitfähigkeit wird allgemein ausgedrückt durch:

a = 00 exp (- AE/kT)

2

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

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worin o = die Leitfähigkeit bei der Temperatur T°K

CTo = die Leitfähigkeit bei der Temperatur °°°K

AE = die Aktivierungsenergie k = die Boltzmann-Konstante und s

T = die absolute Temperatur bedeuten.

Entsprechend der obigen Gleichung beträgt die niedrigste Leitfähigkeit, die zur Erzeugung einer wirksamen Trübung im Flüssigkristallsystem bei 0 °C bei der Anwendung einer gegebe-10 nen Spannung (25 V, 60 Hz) erforderlich ist, etwa 10~10£2- cm-1. Andererseits ist die Leitfähigkeit ct bei irgendeiner Temperatur über 0 °C so, dass, je niedriger die Aktivierungsenergie für die Leitfähigkeit ist, umso niedriger die Temperaturabhängigkeit sein wird, bedingt durch die Einsparungen im Energiever- 15 brauch.

Zur Verbesserung des Konstrastverhältnisses zwischen dem Lichtstreuteil und dem Nicht-Streuteil ist es kritisch, dass bei Werten, die niedriger sind als die Schwellenspannung für die Erzeugung einer wirksamen Trübung, die Orientierung der 20 Flüssigkristallmoleküle so reguliert wird, dass die langen Achsen der Moleküle regelmässig senkrecht zu den Elektrodengrundplatten ausgerichtet sind. Damit eine einheitliche, senkrechte Orientierung sichergestellt ist, ist es übliche Praxis, ein Orientierungsmittel auf die gegenüberliegenden Oberflä- 25 chen der Grundplatten anzuwenden, ein solches Mittel zu dem Flüssigkristallmaterial zuzugeben oder die Oberflächen mit einer Säure zu behandeln. Nicht selten wird das auf die Grundplatten angewendete Orientierungsmittel in die Flüssigkristalle herausgelöst, und dementsprechend variiert die Leitfähigkeit 30 der Flüssigkristalle und die Kristalle zersetzen sich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben erwähnten Schwierigkeiten zu beseitigen.

Gegenstand der Erfindung sind Flüssigkristallzusammensetzungen, die eine überragende Ansprechgeschwindigkeit 35 besitzen und die einen hohen Grad an Trübung erzeugen und deren Leitfähigkeit nur wenig von der Temperatur abhängt. Die erfindungsgemässen Zusammensetzungen zeichnen sich weiterhin dadurch aus, dass die langen Achsen der Flüssigkristallmoleküle einheitlich senkrecht zu den Elektrodengrund- 40 platten orientiert werden können.

Die erfindungsgemässen nematischen Flüssigkristallzusammensetzungen enthalten ein nematisches Flüssigkristallmaterial und mindestens ein Salz eines aliphatischen Amins der Formel I

bedeutet, worin Xi und X2 gleich oder unterschiedlich sein können und je ein Wasserstoff-, Brom- oder Chloratom oder eine Nitro-, Methyl- oder Methoxygruppe bedeuten.

Das Salz wird zu dem nematischen Flüssigkristallmaterial in einer Menge von 0,05 ~ 3,0 Gew.-%, bevorzugt 0,1 ~ 2,5 Gew.-%, bezogen auf das Kristallmaterial zugegeben.

Die hergestellte Flüssigkristallzusammensetzung besitzt folgende Eigenschaften: sie ergibt einen hohen Trübungsgrad, sie besitzt eine hohe Ansprechgeschwindigkeit und die Temperaturabhängigkeit ihrer Leitfähigkeit ist gering. Es wurde weiterhin gefunden, dass die Flüssigkristallzusammensetzung, die die spezifischen erfindungsgemässen Zusatzstoffe eingearbeitet enthält, die Eigenschaft aufweist, dass die langen Achsen der flüssigen Kristallmoleküle spontan senkrecht zu den Grundplattenoberflächen orientiert werden können, ohne dass die früher verwendeten Orientierungsmittel verwendet werden müssen.

Fig. 1 zeigt ein Diagramm, in dem die Temperaturabhängig-keit der Leitfähigkeit der erfindungsgemässen Flüssigkristallzusammensetzungen im Vergleich mit der bekannter Flüssigkristallzusammensetzungen dargestellt ist, wobei die Kurve A die Eigenschaften der bekannten Zusammensetzung und die Kurven B bis H die Eigenschaften der nach den Beispielen der vorliegenden Erfindung hergestellten Zusammensetzungen darstellen.

Die erfindungsgemässen Zusatzstoffe, nämlich aliphatische Aminsalze aliphatischer oder aromatischer Monocarbonsäu-ren, werden durch die Formel III

a - n

r,

r2 .

h ® ooc

(III)

a - n

\

R,

r,

(I)

45

50

in der

A eine unsubstituierte Alkylgruppe mit 7 bis 25 Kohlenstoffatomen bedeutet und

Ri und R2, die gleich oder unterschiedlich sein können, je ein Wasserstoffatom, eine niedrige Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen oder eine Benzylgruppe bedeuten,

mit einer aliphatischen oder aromatischen Monocarbonsäure der Formel II

X-COOH (II)

in der

X eine Gruppe der Formel CraH2m+i, worin m für eine ganze Zahl von 1 bis 6 steht, oder eine Gruppe der Formel x_ ,

60

65

dargestellt, in der A, Ri, R2 und X die oben gegebenen Bedeutungen besitzen.

Die aliphatische Aminkomponente der Zusatzstoffe ist ein primäres, sekundäres oder tertiäres Alkylamin, dessen Alkylgruppe geradkettig ist und 7 bis 25 Kohlenstoffatome, bevorzugt 8 bis 16 Kohlenstoffatome, enthält.

Beispiele nützlicher primärer Amine sind n-Heptylamin, n-Octylamin, n-Nonylamin, n-Decylamin, n-Undecylamin, n-Dodecylamin, n-Tridecylamin, n-Tetradecylamin, n-Pentade-cylamin, n-Hexadecylamin, n-Heptadecylamin, n-Octadecyl-amin, n-Nonadecylamin, n-Eicosylamin, n-Heneicosylamin, n-Docosylamin, n-Tricosylamin, n-Tetracosylamin und n-Penta-cosylamin.

Die an das Stickstoffatom gebundenen Substituenten Ri und R2 können gleich oder unterschiedlich sein. Beispiel niedriger Alkylgruppen für Ri und R2 sind Methyl, Äthyl, n-Propyl und n-Butyl. Bevorzugt bedeuten Ri und R2 je Wasserstoff, Methyl oder Benzyl.

Beispiele nützlicher sekundärer Amine sind N-Methyl-n-octylamin, N-Äthyl-n-dodectylamin, N-Benzyl-n-dodecylamin usw. Beispiele tertiärer Amine sind N,N-Dimethyl-n-octylamin, N,N-Dimethyl-n-dodecylamin, N,N-Dimethyl-n-pentacosylamin, N,N-Dimethyl-n-hexadecylamin, N,N-Diäthyl-n-hexadecylamin, N-Methyl-N-benzyl-n-octylamin,N-Methyl-N-benzyl-n-dodecy-lamin, N-Methyl-N-benzyl-n-hexadecylamin usw.

Die andere Komponente der erfindungsgemässen Zusatzstoffe ist eine aliphatische Monocarbonsäure, die durch die Formel

CmH2m+1COOH

dargestellt wird, in der m eine ganze Zahl von 1 bis 6, bevorzugt 2, bedeutet. Beispiele solcher aliphatischer Monocarbonsäuren sind Essigsäure, Propionsäure und Hexansäure.

633036 4

Alternativ kann die zweite Komponente eine aromatische denstellender Wirkung; es werden ein hoher Trübungsgrad, Monocarbonsäure der folgenden Formel eine erhöhte Ansprechgeschwindigkeit und eine verringerte

Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit erhalten, ohne dass X sich die Flüssigkristallmaterialien zersetzen. Ausserdem weist

\ 5 die senkrechte Orientierung der Flüssigkristallmoleküle eine

—COOH verbesserte Einheitlichkeit auf.

Y — / Die erfindungsgemässen Zusatzstoffe orientieren Flüssig-

kristallmoleküle mit ihren langen Achsen senkrecht zur Grundplatte. Dies ist vermutlich der Tatsache zuzuschreiben, dass die sein, in der Xi und X2 je Wasserstoff, Brom, Chlor, Nitro, Me- 10 Salze, die von dem aliphatischen Amin gebildet werden, einen thyl oder Methoxy bedeuten. Beispiele solcher Säuren sind hydrophoben Film auf der Oberfläche der Glasgrundplatte unsubstituierte Benzoesäuren; monosubstituierte Benzoesäu- oder auf einem Silikonmonoxidüberzug über der Glasoberren, wie p-Methylbenzoesäure, p-Nitrobenzoesäure, p-Brom- fläche bilden und somit eine Niedrigenergieoberfläche mit ver-benzoesäure, o-Methylbenzoesäure, m-Chlorbenzoesäure und minderter kritischer Oberflächenspannung erzeugen. Als Folge p-Methoxybenzoesäure; und disubstituierte Benzoesäuren, wie 15 werden die Flüssigkristallmoleküle, die in Kontakt mit dieser 3,5-Dinitrobenzoesäure, 2,4-Dinitrobenzoesäure, 3,5-Dimethyl- Oberfläche sind, senkrecht zu der Grenzfläche, nämlich in der benzoesäure, 3,4-Dimethoxybenzoesäure, 3,5-Dibrombenzoe- Richtung, in der die Kristalle per se eine verringerte Oberflä-säure und 3,5-Dichlorbenzoesäure. chenspannung besitzen, orientiert.

Flüssigkristallzusammensetzungen werden, wenn in sie nur Die Zusatzstoffe sind bei irgendeinem nematischen Flüssigein aliphatisches Amin eingearbeitet wird, Schwierigkeiten bei 20 kristallmaterial des Nn-Typs (negative dielektrische Anisotro-der Erzielung zufriedenstellender Leitfähigkeiten zeigen. Wird pie), wie p-Azoxyanisol und ähnliche Azoxyverbindungen,

eine aliphatische oder aromatische Monocarbonsäure allein als p-Pentylphenyl-2-chlor-4-(p-pentylbenzoyloxy):benzoat und Zusatzstoff verwendet, so ist es unmöglich, die langen Achsen ähnliche Esterverbindungen, p-Alkoxybenzyliden-p'-alkylanilin der Flüssigkristallmoleküle senkrecht zu den Grundplatten zu und ähnlichen Verbindungen des Schiffschen Basentyps sowie orientieren, und die Zersetzung der Flüssigkristalle der Schiff- 25 p-Alkyl-p'-alkoxy-a-chlorstilben und ähnlichen Stilbenverbin-schen Basenart, die eine Azomethingruppe enthalten, oder der düngen wirksam.

Flüssigkristalle des Estertyps, die eine Estergruppe enthalten, Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele erläutert,

wird begünstigt. Die Syntheseschemata für die Herstellung der obigen

Die erfindungsgemässen Zusatzstoffe, nämlich aliphatische Zusatzstoffe sind wie folgt. In den folgenden Schemata besit-Aminsalze von aliphatischen oder aromatischen Monocarbon- 30 zen A und X die oben gegebenen Definitionen.

säuren, ergeben Flüssigkristallzusammensetzungen mit zufrie-

Schema 1

Salze von N,N-Dimethyl-n-alkylaminen mit organischen Monocarbonsäuren.

(Stufe 1)

(Stufe 2)

A - HN2 + 2CH20 + 2HCOOH •

(n-Alkylamin) -i 8stüncLiges Erhitzen am Rückfluß

A - N(CH3)? + 2HgO + 2C02

[îl, N-Diaethyl-n-alkylamin ( I ) ]

A - N(CH3)2 + HOOC - X

(I)

1 stündiges Erhitzen am Rückfluß in Äthanol oder Aceton

CK- *

)

A - N . H ö OOC - X

I

CH

3

(ein Salz von N,N-Dimethylen-n-alkylamin mit organischer Monocarbonsäure)

Schema 2

Ein Salz von N-Methyl-N-benzyl-n-dodecylamin mit 3,5-Dinitrobenzoesäure oder 2,4-Dinitrobenzoesäure.

633036

(Stufe 1)

cl2H25Pffi2 + HOC-// V n-Do de cylamin v

4stündiges Erhitzen am Rückfluß in Äthanol mit einer katalytischen Menge an Essigsäure

C12h25N = CH-// V

[N-Benzyliden-n-doedecylamin (II)]

(Stufe 2)

mit Lithium-aluminiumhydrid in wasserfreiem Tetrahydrofuran, 1 h bei Zimmertemperatur und v 1 h bei 50 bis 60°C

C12H25-?-CH2-<f3

H —'

[N-Benzyl-n-dodecylamin (III)]

(Stufe 3)

C12H25"I?~CH2" X

H

+ CH20 + HCOOH

(III)

Erhitzen am Rückfluß

v*

C12H25-N-ch2-(/_\) + H20 + C02 ch3 ^

[N-Methyl-N-benzyl-n-dodecylamin (IV)]

(Stufe 4)

n°2

C12H25-N-CH2-<g) + HOQC-^y oder HQ0C-<^J^-NQ2

CH3 . ^ N0P ,TJ

(IV) 2

(3,5-Dinitrobenzoesäure oder 2,4-Dinitrobenzoesäure)

1 stündiges Erhitzen am Rückfluß in Äthanol

^ oder Aceton

633036

6

(Ein Salz von N-Methyl-N-benzyl-n-dodecylamin mit 3,5-Dini-

trobenzoesäure oder 2,4-Dinitrobenzoesäure)

20

Schema 3

Salze von n-Alkylaminen mit organischen Monocarbonsäu-ren.

A - NH2 + H00C - X

1 stündiges Erhitzen am Rückfluß in Aceton

V

A - N ® H 0 00C-X

(Salze von n-Alkylaminen mit organischen Monocarbonsäuren)

35

Die Syntheseverfahren für die erfindungsgemässen Modifizierungsmittel werden entsprechend den obigen Schemata näher erläutert.

Beispiel 1 (Stufe 1)

Zu 25,6 g (0,5 Mol) im Handel erhältlicher Ameisensäure (85- bis 90%ig), die durch kaltes Wasser abgekühlt wurde, gibt man allmählich 0,1 Mol n-Alkylamin und dann 22,5 ml (0,3 Mol) 37%iges Formaldehyd. Das Gemisch wird auf 90 bis 100 °C erhitzt. Nach 2 bis 3 min wird Kohlendioxidgas erzeugt, dabei wird das Gemisch auf Zimmertemperatur abgekühlt. Nach Beendigung der Entwicklung von Kohlendioxid wird das Gemisch erneut 8 h bei 90 bis 100 °C am Rückflüss erhitzt. Nach Beendigung der Reaktion werden 50 ml 4n Chlorwasserstoffsäure zu dem gekühlten Gemisch zugegeben, das dann bei vermindertem Druck zur Trockene kondensiert wird. Der Rückstand (eine schwachgelbliche, viskose Flüssigkeit) wird in 30 bis 40 ml Wasser gelöst. Nach Zugabe von 25 ml 18n Natriumhydroxidlösung wird das Gemisch in eine ölige Schicht und eine wässrige Schicht getrennt; die letztere wird mit Benzol extrahiert. Der Benzolextrakt wird bei vermindertem Druck destilliert; man erhält N,N-Dimethylalkylamin (I).

Der Siedepunkt und das Aussehen jedes N,N-Dimethyl-n-alkylamins werden in der folgenden Tabelle I aufgeführt.

Tabelle I

CnH2n+1N(CH3)2 Kp (°C)

Aussehen n= 8 n = 12 n = 16

55-57/5 mmHg 93-95/1 mmHg 147-150/1 mmHg farblose Flüssigkeit dito dito

40 (Stufe 2)

Je äquivalente, molekulare Mengen der entstehenden N,N-Dimethylalkylamine und einer organischen Monocarbonsäure werden 1 h in Äthanol oder Aceton bei 40 bis 50 °C umgesetzt; man erhält ein Salz von N,N-Dimethylalkylamin mit einer 45 organischen Monocarbonsäure, das durch erneute Ausfällung unter Verwendung von Benzol-n-Hexan gereinigt werden kann.

Der Schmelzpunkt und das Aussehen jedes der Salze von N,N-Dimethyl-n-alkylamin mit organischen Monocarbonsäuren sind in der folgenden Tabelle II aufgeführt.

50

Tabellen

Organische Monocarboxylate von N,N-Dimethyl-n-alkylaminen

Fp(°C)* Aussehen

55 3,5-Dinitrobenzoat von N,N-Di-methylen-n-octylamin

2.4-Dinitrobenzoat von N,N-Di-methyl-n-octylamin

3.5-Dinitrobenzoat von

60 N,N-Dimethyl-n-dodecylamin 2,4-Dinitrobenzoat von N,N-Dimethylen-n-dodecylamin p-Nitrobenzoat von N,N-Dimethylen-n-dodecylamin 65 3,4-Dimethoxybenzoat von N,N-Dimethyl-n-dodecylamin Benzoat von

N,N-Dimethyl-n-dodecylamin

102-103

gelblicher

Feststoff

-

gelbliches Öl

52-53

gelblicher

Feststoff

48-49

weisser Feststoff

78-79

dito

26-32

hellgrauer

Feststoff

43-44

weisser Feststoff

7

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Organische Monocarboxylate von Fp(°C)* Aussehen N.N-Dimethyl-n-alkylaminen p-Brombenzoat von 40-41 dito N,N-Dimethyl-n-dodecylamin

3,5-Dinitrobenzoat von 64-65 schwachgelbli-

N,N-Dimethyl-n-hexadecylamin eher Feststoff

2,4-Dinitrobenzoat von 60-61,5 weisser Feststoff N,N-Dimethyl-n-hexadecylamin

* bestimmt mit einer Mikromessvorrichtung für den Schmelzpunkt (Yanagimoto Manufacturing Co., Ltd.).

Beispiel 2 (Stufe 1)

18,5 g (0,1 Mol) n-Dodecylamin, 10,6 g (0,1 Mol) Benzaldehyd und eine katalytische Menge an Essigsäure werden 4 h in wasserfreiem Äthanol bei 60 bis 70 °C umgesetzt. Nach Abde-stillation von Äthanol wird der Rückstand weiter bei vermindertem Druck destilliert; man erhält N-Benzyliden-n-dodecyl-amin (II) (Kp. 160 bis 163 °C/0,6 mmHg) als transparentes öl, das niedrigschmelzende Feststoffe enthält.

(Stufe 2)

1,9 g (0,05 Mol) Lithium-aluminiumhydrid werden in 80 ml wasserfreiem Tetrahydrofuran gelöst. N-Benzyliden-n-dodecyl-amin wird allmählich bei Zimmertemperatur zu dem Gemisch zugegeben und dann wird 1 h bei 50 bis 60 °C erhitzt; man erhält N-Benzyl-n-dodecylamin (III). Das Produkt wird durch Destillation gereinigt, Kp. 150 bis 157 °C/0,6 mmHg.

(Stufe 3)

Zu 8,96 g (0,105 Mol) 85- bis 90%iger, im Handel erhältlicher Ameisensäure, die mit kaltem Wasser gekühlt worden war, gibt man allmählich 9,5 g (0,035 Mol) N-Benzyl-n-dodecylamin.

Dann werden 2,4 ml (0,0525 Mol) 37%iges Formaldehyd zu dem Gemisch zugegeben und dann wird bei 90 bis 100 °C erhitzt. Nach mehreren Minuten wird Kohlendioxidgas gebildet. Das Reaktionsgemisch wird dann auf Zimmertemperatur gekühlt. Nach Beendigung der Entwicklung von Kohlendioxid wird das Gemisch erneut 8 h bei 90 bis 100 °C am Rückfluss erhitzt.

Nach Beendigung der Reaktion werden 18 ml 4n Chlorwasserstoffsäure zu dem gekühlten Reaktionsgemisch gegeben, das bei vermindertem Druck zur Trockene kondensiert wird. Der Rückstand wird in 5 ml Wasser gelöst. 10 ml 18n Natriumhydroxidlösung werden zu der wässrigen Lösung zugegeben, die in eine ölige Schicht und eine wässrige Schicht getrennt wird; die letztere wird mit Benzol extrahiert. Der Benzolextrakt wird bei vermindertem Druck destilliert; man erhält N-Methyl-N-ben-zyl-n-dodecylamin, Kp. 146 bis 149 °C/0,4 mmHg.

(Stufe 4)

Je äquivalente, molekulare Mengen des entstehenden N-Methyl-N-benzyl-n-dodecylamins und 3,5-Dinitrobenzoe-säure oder 2,4-Dinitrobenzosäure werden 1 h in Äthanol oder Aceton bei 40 bis 50 °C umgesetzt; man erhält ein Salz von N-Methyl-N-benzyl-n-dodecylamin mit 3,5-Dinitrobenzoesäure oder 2,4-Dinitrobenzosäure.

Das Aussehen jedes Salzes ist in der folgenden Tabelle III aufgeführt.

Tabelle III

Verbindung Aussehen

3,5-Dinitrobenzoat von gelbliche Paste

N-Methyl-N-benzyl-n-dodecylamin

2,4-Dinitrobenzoat von gelbliches Öl

N-Methyl-N-benzyl-n-dodecylamin

Beispiel 3

Die einstündige Umsetzung je äquivalenter, molekularer Mengen an n-Alkylamin und organischer Monocarbonsäure in Aceton bei 25 bis 40 °C ergibt das gewünschte Salz. Das Salz kann durch erneute Ausfällung unter Verwendung von Benzol-n-Hexan gereinigt werden.

Tabelle IV

Salze von n-Alkylaminen mit Fp(°C)* Aussehen organischen Monocarbonsäuren

Propionat von n-Dodecylamin 55- 56 weisser Feststoff

Hexanoat von n-Dodecylamin 28- 31 dito

3,5-Dinitrobenzoat von 130-131 dito n-Dodecylamin p-Nitrobenzoat von 126-127 dito n-Dodecylamin

* bestimmt mit der gleichen Vorrichtung wie bei Tabelle II.

Die folgenden Beispiele erläutern die elektrischen Eigenschaften der erfindungsgemäss hergestellten nematischen Flüssigkristallzusammensetzungen unter Verwendung der beschriebenen Zusatzstoffe.

Beispiel 4

Ein nematisches Flüssigkristallgemisch wird aus den Flüs-sigkristallmaterialien, die in der folgenden Tabelle V aufgeführt sind, in den angegebenen Verhältnissen hergestellt.

Tabelle V

Flüssigkristallmaterial

Mischverhältnis,

Gew.-%

p-Methoxybenzyliden-p ' -butylanilin

36

p-Äthoxybenzyliden-p ' -butylanilin

40

p-Butoxybenzyliden-p'-butylanilin

24

Das obige Gemisch liegt in Flüssigkristallzustand bei Temperatur zwischen -16 und 63 °C vor.

Zwei Glasplatten, die je mit einer transparenten Elektrode aus Indiumoxid auf einer Oberfläche ausgerüstet sind, werden parallel zueinander angeordnet, wobei die Elektroden einander gegenüberstehen, und zwar 20 (im entfernt voneinander, so dass eine Flüssigkristallzelle der transparenten Art erhalten wird.

Die Zelle wird mit dem Flüssigkristallgemisch unter Bildung einer dünnen, transparenten Schicht gefüllt, und eine Wechselstromspannung, 25 V und 60 Hz, wird längs der Schicht zwischen den Elektroden zur Bestimmung des zwischen ihnen fliessenden Stroms, der Ansprechgeschwindigkeit, der Schwellenspannung und der Lichtdurchlässigkeit aufge-presst. Auf gleiche Weise, wie oben, werden geprüft: ein Flüssigkristallgemisch, eine Flüssigkristallzusammensetzung, die durch Zugabe eines üblichen Zusatzstoffs (Tetrabutylammoni-umbromid) zu dem Flüssigkristallgemisch hergestellt wird, und eine Flüssigkristallzusammensetzung, die durch Zugabe zu dem Flüssigkristallgemisch verschiedener erfindungsgemässer Zusatzstoffe in unterschiedlichen Verhältnissen hergestellt werden.

Die Ergebnisse sind in Tabelle VI aufgeführt.

5

Î

i

\

r

10

<

(

'5 ]

1

I

20 1

I

■ä

25

5

t

30 1

S

35

3

401

i i

45

50 i l

55 I

i t

I

60 ]

i

1

i

65 .

633036

8

Tabelle VI

Zusatzstoff Zugegebene Schwellen Strom Lichtdurch- Ansprechgeschwindigkeit

Menge Spannung lässigkeit (ms)

(Gew.-%) (Vr.m.S) (jj.A/cm2) % Steigzeit Fallzeit nicht verwendet

0

-

1,0

100,0

_

Tetrabutylammoniumbromid

0,1

6,8

5,0

35,0

70

400

3,5-Dinitrobenzoat von

n-Dodecylamin

0,3

7,1*

24,0*

14,0*

75*

550

2,4-Dinitrobenzoat von

0,5

7,0

6,0

18,5

60

240

N,N-Dimethyl-n-dodecylamin

0,8

6,5

8,4

18,0

50

250

1,0

6,2

10,6

12,0

50

230

3,5-Dinitrobenzoat von

0,1

11,0

2,6

39,0

110

125

N,N-Dimethyl-n-dodecyIamin

0,5

6,7

11,0

19,0

50

250

1,0

5,8

14,5

16,5

45

210

2,4-Dinitrobenzoat von

0,1

13,0

2,6

45,0

150

130

N-Methyl-N-benzyl-n-dodecyl-

0,5

7,4

5,6

20,5

80

250

amin

1,0

6,5

11,0

16,5

65

250

3,5-Dinitrobenzoat von

0,1

11,7

2,6

42,5

140

150

N-M ethyl-N-benzyl-n-dodecyl-

0,5

6,5

12,5

18,5

60

230

amin

1,0

6,2

26,0

17,0

50

300

3,5-Dinitrobenzoat von

0,5

6,5

7,0

19,5

70

250

N,N-Dimethyl-n-octylamin

0,8

6,2

12,3

18,5

50

270

1,0

6,0

15,7

15,0

50

210

3,5-Dinitrobenzoat von

0,5

7,8

5,6

15,0

75

400

N,N-Dimethyl-n-hexadecylamin

0,8

6,3

8,0

16,0

65

275

1,0

7,4*

12,0*

15,0*

70*

500*

2,4-Dinitrobenzoat von

0,5

6,8

5,1

19,5

70

270

N,N-DimethyI-n-hexadecylamin

1,0

6,3

12,0

19,0

50

220

1,5

6,3

13,4

15,0

65

370

Messbedingungen: 25 V, 60 Hz, 20 am, 25 °C, Sinuswelle * Wert in homeotroper Orientierung

Ähnliche Flüssigkristallzusammensetzungen werden auf die Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit geprüft, wobei man die in Tabelle VII und in Fig. 1 aufgeführten Ergebnisse erhält. Die Flüssigkristallzusammensetzungen, die durch die Kurven A bis H in Fig. 1 dargestellt sind, werden hergestellt, indem man die folgenden Zusatzstoffe zu dem Flüssigkristallgemisch, das in Tabelle V aufgeführt wurde, zugibt.

Kurve A: 0,05 Gew.-% Tetrabutylammoniumsalz von 3,5-Dinitrobenzosäure ;

Kurve B: 0,8 Gew.-% N,N-Dimethyl-n-octylaminsalz von 3,5-Dinitrobenzosäure (erfindungsgemässer Zusatzstoff, der gleiche wie im folgenden);

Kurve C: 0,7 Gew.-% N,N-Dimethyl-n-dodecylaminsalz von 3,5-Dinitrobenzoesäure;

Kurve D: 1,0 Gew.-% N,N-Dimethyl-n-dodecylaminsalz von 2,4-Dinitrobenzoesäure ;

4o Kurve E : 1,0 Gew.-% N,N-Dimethyl-n-hexadecylaminsalz von 3,5-Dinitrobenzosäure;

Kurve F: 1,5 Gew.-% N,N-Dimethyl-n-hexadecylaminsalz von 2,4-Dinitrobenzoesäure;

Kurve G: 1,0 Gew.-% N-Methyl-N-benzyl-n-dodecylamin-45 salz von 3,5-Dinitrobenzoesäure; und

Kurve H: 0,3 Gew.-% n-Dodecylaminsalz von 3,5-Dinitrobenzoesäure.

Tabelle VII

Zusatzstoff

Zugegebene Menge (Gew.-%)

Temperatur (°C)

Strom (jiA/cm2)

Leitfähigkeit (fi cm-1 )

Strom bei 40 °C Strom bei 0 °C

Aktivierungsenergie (eV)

3,5-Dinitrobenzoat

0,05

0

5,7

0,48 X 10~9

26,3

0,6

vonTetrabutyl-

25

55

4,40 x IO"9

ammonium

40

150

1,20 x 10~8

3,5-Dinitrobenzoat

0,3

0

6,0

5,00 x 10-'°

5,5

0,32

von n-Dodecylamin

25

24,0

2,00 x IO"9

40

33,0

2,70 x 10-9

3,5-Dinitrobenzoat

0,7

0

3,3

2,70 x IO"10

8,4

0,38

von N,N-Dimethyl-n-

25

12,5

1,00 x 10"9

dodecylamin

40

27,8

2,30 x IO"9

2,4-Dinitrobenzoat

1,0

0

2,8

2,40 x IO"10

7,1

0,37

von N.N-Dimethyl-n-

25

10,4

8,80 x IO"10

dodecylamin

40

20,0

1,70 x IO"9

3,5-Dinitrobenzoat

1,0

0

5,5

4,60 x IO-10

9,1

0,38

von N-Methyl-N-ben-

25

26,0

2,20 x IO"9

9

633036

Zusatzstoff Zugegebene Tempera- Strom Leitfähigkeit Strom bei 40 °C Aktivierungs-

Menge (Gew.-%) tur PC) (nA/cm-) (ficm-1 ) Strom bei 0°C energie (eV)

zyl-n-dodecylamin

40

50,0

4,20 X IO"9

2,4-Dinitrobenzoat

1,0

0

2,6

2,10 x IO"10

9,0

0,39

von N-Methyl-N-ben-

25

11,0

0,90 x IO"9

zyl-n-dodecylamin

40

23,5

1,90 x IO"9

3,5-Dinitrobenzoat

0,8

0

2,9

2,30 x 10-10

9,4

0,40

von N,N-Dimethyl-n-

25

12,3

1,00 x IO"9

octylamin

40

26,2

2,10 x IO"9

3,5-Dinitrobenzoat

1,0

0

2,8

2,30 x 10"10

9,6

0,39

von N,N-Dimethyl-n-

25

12,0

1,00 x IO"9

hexadecylamin

40

27,0

2,20 x IO"9

2,4-Dinitrobenzoat

1,5

0

2,9

2,40 x 10-'°

10,6

0,42

von N,N-Dimethyl-n-

25

13,4

1,10 x IO"9

hexadecylamin

40

30,6

2,50 x IO"9

Messbedingungen: 25 V, 60 Hz, 20 um, Sinuswelle Beispiel 5

Zwei Glasplatten werden hergestellt, wobei jede mit einer transparenten Elektrode aus Indiumoxid versehen ist und mit einem Silikonoxidfilm, der durch Vakuumabscheidung gebildet wird, bedeckt ist. [Vakuumabscheidungsbedingungen: Grundplattentemperatur von 350 °C; Vakuum von 7 x 10-4 Torr (O2 entweicht); Rate von 1 bis 1,5 À/s; Filmdicke von 500 À.] Die Glasplatten werden parallel zueinander so angeordnet, dass die beiden Elektroden sich gegenüberliegen. Der Raum zwischen den Platten wird mit dem gleichen Flüssigkristallgemisch, wie es zuvor verwendet wurde, gefüllt. Das Gemisch wird auf die senkrechte Orientierung der Flüssigkristalle unter Verwendung eines Nicolprismas geprüft. Ähnlich werden eine Flüssigkristallzusammensetzung, die durch Zugabe eines üblichen Zusatzstoffs (Tetrabutylammoniumsalz von 3,5-Dinitrozensoe-säure) zu dem Flüssigkristallgemisch hergestellt wurde, und eine Flüssigkristallzusammensetzung, die durch Zugabe zu dem Flüssigkristallgemisch verschiedener erfindungsgemässer Zusatzstoffe in unterschiedlichen Verhältnissen hergestellt wurden, geprüft. Die Ergebnisse sind in Tabelle VIII aufgeführt.

Tabelle VIII

20 N,N-Dimethyl-n-dodecylamin 3,5-Dinitrobenzoat von J_

N,N-Dimethyl-n-hexadecylamin 2,4-Dinitrobenzoat von _L

N,N-Dimethyl-n-hexadecylamin

±

Zusatzstoff

Zugegebene Menge (Gew.-%)

0,1

0,5

1,0

2,0

3,5-Dinitrobenzoat von

//

II

T etrabutylammonium

3,5-Dinitrobenzoat von

//

-L

n-Dodecylamin

Propionat von n-Dodecylamin

II

JL

-L

_L

Hexanoat von n-Dodecylamin

II

-L

±

-L

3,5-Dinitrobenzoat von

II

-L

±

N,N-Dimethyl-n-octylamin

3,5-Dinitrobenzoat von

-L

±

-L

±

n-Hexadecylamin

3,5-Dinitrobenzoat von

II

±

-L

±

N-Methyl-N-benzyl-n-dodecylamin

2,4-Dinitrobenzoat von

II

_L

±

N-Methyl-N-benzyl-n-dodecylamin

3,5-Dinitrobenzoat von

±

_L

-L

±

N,N-Dimethyl-n-dodecylamin

2,4-Dinitrobenzoat von

±

J.

-L

±

N,N-Dimethyl-n-dodecylamin

3,4-Dimethoxybenzoat von

II

_L

X

±

N,N-Dimethyl-n-dodecylamin

p-Brombenzoat von

_L

±

25

Aus Tabelle VI geht hervor, dass die Flüssigkristallzusammensetzungen, die durch Zugabe der erfindungsgemässen Zusatzstoffe zu dem Flüssigkristallgemisch, wie in Tabelle V 30 gezeigt, hergestellt werden, wesentlich verbesserte Eigenschaften besitzen hinsichtlich des Stromwerts, der Durchlässigkeit, der Ansprechgeschwindigkeit und der Schwellenspannung, verglichen mit solchen, die keinen dieser Zusatzstoffe enthalten oder die bekannte Zusatzstoffe enthalten.

35 Aus der Tabelle VII und Fig. 1 geht weiterhin hervor, dass die erfindungsgemässen Zusatzstoffe bei ihrer Verwendung eine niedrigere Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit als Tetrabutylammoniumsalz von 3,5-Dinitrobenzoesäure, das in der Vergangenheit verwendet wurde, ergeben.

40 Genauer gesagt, bezogen auf die Gleichung, mit der die Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit definiert wird, d.h. ct = ero exp (— AE/kT), ist der Wert AE, der 0,6 eV bei der bekannten Zusammensetzung beträgt, auf 0,32 bis 0,42 eV verkleinerbar, wenn die erfindungsgemässen Zusatzstoffe verwendet 45 werden.

Aus Tabelle VII geht hervor, dass das Verhältnis der Zunahme im Strom (das Verhältnis von Strom bei 40 °C zu Strom bei 0 °C), das bei den erfindungsgemässen Zusammensetzungen beobachtet wird, so niedrig ist wie etwa 1/4,8 bis etwa 501/2,5, bezogen auf die bekannte Zusammensetzung.

Die geringe Temperaturabhängigkeit der Stromwerte ergibt den Vorteil, dass die Flüssigkristallanzeigevorrichtungen mit geringem Energieverbrauch betrieben werden können. Wenn z.B. der Stromwert bei der niedrigsten Erregungstempe-55 ratur von 0 °C auf 5,0 pA/cm2 eingestellt wird (25 V, 60 Hz, Zelldicke 20 um), beträgt der Stromwert in einem hohen Temperaturbereich über 0 °C, z.B. bei 40 °C, 131,5 \1AJcm2 (25 V, 60 Hz, Zelldicke 20 (im) bei der bekannten Zusammensetzung, und 27,5 bis 58,3 (iA/cm2 (25 V, 60 Hz, Zelldicke 20 [im) bei den erfin-60 dungsgemässen Zusammensetzungen.

Aus Tabelle VIII geht weiterhin hervor, dass die erfindungsgemässen Zusatzstoffe im Gegensatz zu dem Tetrabutylammoniumsalz von 3,5-Dinitrobenzoesäure, einem bekannten Zusatzstoff, die langen Achsen der Flüssigkristallmoleküle einheitlich 65 senkrecht zu den Grundplattenoberflächen orientieren.

Die erfindungsgemässen Zusatzstoffe, die eine senkrechte Orientierung ergeben, sind von Vorteil, da die Flüssigkristallmoleküle einheitlich und regelmässig orientiert werden kön

633036

nen, ohne dass es erforderlich ist, ein Orientierungsmittel auf die Grundplattenoberflächen aufzubringen oder ein zusätzliches Orientierungsmittel in die Flüssigkristallzusammensetzung einzuarbeiten.

Erfindungsgemäss erhält man somit eine verbesserte Ansprechgeschwindigkeit, verringerte Temperaturabhängig10

keit des Stromwertes und eine verbesserte Trübung bei Anlegen einer Spannung. Die erfindungsgemässen Zusatzstoffe sind als Ionenzustandsmittel bzw. Ionenzustandserzeugungsmittel wirksam, da sie eine senkrechte Orientierung der Flüssigkri-5 stallmoleküle sicherstellen.

G

1 Blatt Zeichnungen

Claims

633 036

PATENTANSPRÜCHE 1. Nematische Flüssigkristallzusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, dass sie enthält: ein nematisches Flüssigkristallmaterial und mindestens ein Salz eines aliphatischen Amins der Formel (I)

/Rl a - m ^ (i)

R2

in der

A eine unsubstituierte Alkylgruppe mit 7 bis 25 Kohlenstoffatomen bedeutet, und

Ri und R2, die gleich oder unterschiedlich sein können, je ein Wasserstoffatom, eine niedrige Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen oder eine Benzylgruppe bedeuten, mit einer aliphatischen oder aromatischen Monocarbonsäure der Formel (II)

X-COOH (II)

in der

X eine Gruppe der Formel CmH2m+i, worin m für eine ganze Zahl von 1 bis 6 steht, oder eine Gruppe der Formel

X1

bedeutet, worin Xi und X2, die gleich oder unterschiedlich sein können, je für ein Wasserstoff-, Brom- oder Chloratom oder eine Nitro-, Methyl- oder Methoxygruppe stehen.
2. Nematische Flüssigkristallzusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Salz in einer Menge von 0,05 bis 3,0 Gew.-%, bezogen auf das nematische Flüssigkristallmaterial, vorhanden ist.
3. Nematische Flüssigkristallzusammensetzung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Salz in einer Menge von 0,1 bis 2,5 Gew.-%, bezogen auf das nematische Flüssigkristallmaterial, vorhanden ist.
4. Nematische Flüssigkristallzusammensetzung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Alkylgruppe des Symbols A eine Alkylgruppe mit 8 bis 16 Kohlenstoffatomen ist.
5. Nematische Flüssigkristallzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 -4, dadurch gekennzeichnet, dass das aliphatische Amin n-Octylamin, n-Dodecylamin, n-Hexadecylamin, N,N-DimethyI-n-octylamin, N,N-Dimethyldodecylamin, N,N-Dimethyl-n-hexadecyl-amin, N-Methyl-N-benzyl-n-octyl-amin, N-Methyl-N-benzyl-n-dodecylamin oder N-Methyl-N-ben-zyl-n-hexadecylamin ist.
6. Nematische Flüssigkristallzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 -5, dadurch gekennzeichnet, dass die aliphatische Monocarbonsäure Propionsäure oder Hexansäure ist.
7. Nematische Flüssigkristallzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 -5, dadurch gekennzeichnet, dass die aromatische Monocarbonsäure Benzoesäure, p-Nitrobenzoesäure, p-Brombenzoesäure, 2,4-Dinitrobenzoesäure, 3,5-Dinitroben-zoesäure, 3,5-Dimethylbenzoesäure oder 3,4-Dimethoxyben-zoesäure ist.
8. Nematische Flüssigkristallzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das Salz 2,4-oder 3,5-Dinitrobenzoat von N,N-Dimethyl-n-dedecyIamin ist.
9. Nematische Flüssigkristallzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das Salz 2,4-oder 3,5-Dinitrobenzoat von N-Methyl-N-benzyl-n-dodecyl-amin ist.
10. Nematische Flüssigkristallzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das Salz 2,4- oder 3,5-Dinitrobenzoat von N,N-Dimethyl-n-oxtyl-amin ist.
11. Nematische Flüssigkristallzusammensetzung nach einer der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichent, dass das Salz 2,4-oder 3,5-Dinitrobenzoat von N,N-Dimethyl-n-hexadecylamin ist.