CN101281269A - 一种具有宽波反射特性的液晶偏振片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有宽波反射特性的液晶偏振片的制备方法，属于液晶材料应用及相关技术领域。将小分子向列相液晶、手性的可聚合单官能团单体、手性化合物、手性或非手性的可聚合双官能团单体、光引发剂、阻聚剂等均匀混合注入内表面做反平行取向处理的液晶盒中，液晶处于胆甾相液晶的平面织构状态，进行紫外照射，使光可聚合单体交联成高分子网络，使得胆甾相液晶的螺距呈梯度分布，得到具有宽波反射特性的液晶偏振片。本发明可以实现宽反射波带的液晶偏振片，反射区域可根据手性化合物和手性可聚合单体的含量进行任意调节；光学性能可以在具有宽反射波特性的透明态和散射态之间相互转化，偏振片的制作工艺简单，成本低。
Description
技术领域
本发明属于液晶材料应用及相关技术领域，特别涉及一种具有宽波反射特性的液晶偏振片的制备方法，使胆甾相液晶能够实现宽波反射。
背景技术
目前被广泛用于液晶显示器的偏振片是20年代发展起来的吸收型偏振片，尽管该类偏振片价格低廉，但仍存在许多缺点和不足，例如光损耗大，工作环境受限等。而反射式偏振片由于其优异的性能而具有广阔的应用前景。这类偏振片是由具有胆甾相有序的液晶复合材料开发的，已有了直接的应用，如液晶显示器的光增强膜、可切换的节能/隐私窗以及节能的反射式涂层。
众所周知，胆甾相液晶由于其特殊的螺旋结构使其具备许多独特的光学性能，如圆二色性、选择性反射和旋光性等。正是这些光学性能，使得胆甾相液晶材料在全彩显示、信息显示与存储材料、反射偏振片，装饰材料及反射膜等方面具有广阔的发展潜力。而选择性反射是其中的一个重要的光学性能。胆甾型液晶的选择性反射遵循布拉格公式：λ＝λ0＝n×p，反射带宽：Δλ＝p×Δn，这里，n＝(n0+ne)/2、Δn＝ne-n0，其中，ne和n0分别是液晶的非寻常光和寻常光折射率。在反射波带内，入射光中与胆甾相液晶螺旋轴旋向相同的圆偏振光部分反射，其余的部分透射。在可见光区域，因为胆甾相液晶的最大双折射Δn大约为0.3，所以反射带宽的上限为100nm。为了显著地增大选择性反射的带宽，必须引入螺距梯度，那么如何将所建立的液晶基元的螺旋排列和螺距梯度分布有效而长期稳定地固定下来是获得具有优良光学性能的宽带液晶偏振片的关键所在。前期的国内外的研究结果表明，交联的高分子网络对胆甾相液晶体系内螺距梯度的形成具有重要意义。开创性的工作是由1995年荷兰科学家Broer(CN97191106.1，EP0606940.A2)领导的研究小组完成的，他们使用紫外光照射添加了光引发剂的可光聚合性手性液晶单体、向列相液晶单体、紫外吸收色素混合物，引发混合物中可聚合单体的分子间发生交联反应，制备了高分子网络/紫外吸收色素复合材料。由于紫外吸收色素的存在，在复合材料中形成紫外光强度梯度。在紫外光强度较高的一侧，手性单体的分子间较易发生交联反应，手性单体浓度减少。在紫外光强度较低的一侧，手性单体的分子间发生交联反应较难，手性单体浓度较高。在紫外光引发手性单体发生分子间交联反应的过程中，手性单体由浓度较高一侧(紫外光强度较低)向浓度较低一侧(紫外光强度较高)进行扩散。因此，在复合材料中紫外光强度较高的一侧液晶复合材料分子所形成的螺旋排列的螺距较小，而在相对一侧分子螺旋排列的螺距较大。由于在复合材料中形成分子螺旋排列的螺距梯度，所以复合材料可以反射整个可见光波长范围(400nm～750nm)的右旋圆偏振入射光。由于单体在液晶中扩散的程度与紫外辐射强度有关，因此这种方法所形成的带宽对紫外照射强度十分敏感，因此在制造过程中要使用单色光传感器对偏振片进行检测，一旦达到所需带宽，就要立刻提高紫外照射强度。其设备较复杂，比较难控制。另外体系还使用了紫外吸收剂，这增加了制造成本。
发明内容
本发明目的在于提供一种宽带反射液晶偏振片的制备方法，通过简单的工艺，制备能实现宽波反射的液晶偏振片，克服了工艺比较复杂，比较难控制的缺点。
本发明具体工艺为：
1、混合液晶：由低分子量的向列相液晶、手性的可聚合单官能团单体、手性添加剂、手性或非手性的可聚合双官能团单体及光引发剂混合而成。各组分的质量百分比为：0～25wt％的手性添加剂；1.0～25wt％的手性可聚合单官能团单体；3.0～10wt％的手性或非手性可聚合双官能团单体；50～90wt％的低分子量向列相液晶；0.01～0.5wt％的光引发剂。
2、将按上述组分混配好的液晶注入作沿面取向处理(可用摩擦法、真空镀膜法、化学法等)的液晶盒或薄膜中，液晶处于透明的平面织构(planar texture)状态；将按上述组分混配好的液晶混合物注入沿面取向处理的液晶盒或薄膜中，液晶处于平面织构状态。在混合体系处于胆甾相的状态下，进行紫外照射，使光可聚合单体交联成高分子网络，液晶与聚合物之间形成相分离。根据材料不同照射强度为：0.001～100mW/cm2；得到宽波段的反射型偏振片。
本发明采用紫外光辐照引发单体聚合与液晶相分离的方法，光可聚合单体聚合所形成的交联网络稳定了液晶的平面织构，控制聚合的温度和光照条件可以使胆甾相液晶的产生一个螺距的梯度，从而增宽了胆甾相液晶的反射波宽，得到较宽反射波宽的液晶偏振片。
本发明所用的手性化合物为胆甾醇的卤代物，胆甾醇的酯类或醚类衍生物，默克公司的C15、CB15、S811，R811，S1011和R1011等。
本发明所用的可光聚合单体的活性官能团为丙烯酰基、甲基丙烯酰基、乙烯基、苯乙烯基、环氧基等，活性官能团的数量为1-2个；
本发明所用的手性可聚合单官能团单体的手性基元为胆甾醇基、薄荷基、CB15酸、乳酸基和端手性糖衍生物等。
本发明所用的手性可聚合双官能团单体的手性基元为异山梨醇、苯基乙二醇等。
本发明所用的光引发剂选择过氧化二苯甲酰、过氧化十二酰、偶氮二异丁睛、偶氮二异庚睛、过氧化二碳酸二异丙酯或过氧化二碳酸二环己酯。
本发明所述的组成成分除上述几种成分：可光聚合液晶单体、液晶、手性化合物、光引发剂外，还可根据所选成分、工艺及实际需求，决定是否添加阻聚剂、染料等其它组分。
本发明所述的胆甾型液晶为上述几种不同种类材料的混合，通过组成、成分含量等的调整，以实现所要求的特性、功能等。
本发明的优点在于：可以实现具有宽波带反射的液晶偏振片，另外，光学性能可以在具有宽反射波特性的透明态和散射态之间相互转化。且这种偏振片的制作工艺简单，容易实现规模生产。
本发明与上述制备具有宽波反射特性的偏振片的制备方法相比，具有以下优点：
1、可以实现具有宽波带反射的液晶偏振片，在可见光范围有较高的透过率，本发明所选用的材料体系，价格低廉，经济环保。且这种偏振片的制作工艺简单，制作成本低；
2、本发明通过引入光可聚合单体，通过紫外聚合成为聚合物网络，聚合物网络分散在胆甾相液晶中，可以实现胆甾相液晶螺距的梯度分布，使其具有宽波反射特性，由于聚合物网络的稳定作用，其光学性能稳定；
3、本发明引入聚合网络，聚合物网络将液晶分为多畴或层膜结构，液晶以连续相分布在网络中，液晶的取向行为不仅仅有基板锚定作用，还增加了网络界面锚定作用，并且网络界面锚定作用比基板表面的取向层对液晶分子的作用更为强烈、更有效。可以实现其光学性能可以在具有宽反射波特性的透明态和散射态之间迅速转化，并且响应时间短，反应灵敏。
附图说明
图1为本发明中的一系列可聚合双官能团单体的化合物结构式，
图2是本发明中的一系列手性可聚合单官能团单体的化合物结构式。
图3为本发明实例1的紫外光照前后的液晶偏振片的透射光谱图。其中，紫外辐照前偏振片的反射波带宽只有200nm左右，通过紫外辐照，单体光聚合成网络，复合材料的反射波带宽有显著的增宽，达到800nm左右。
图4为本发明实例2的紫外光照前后的液晶偏振片的透射光谱图。紫外聚合后在可见光区域的反射带宽达到200nm左右。
图5为本发明实例1的聚合物网络形貌的扫描电镜(SEM)图。
图6为本发明实例2～4中的聚合后各组分在混合体系中分布的模型图。
具体实施方式
实例1
使用Merck公司的E7作为向列相液晶，手性化合物使用CB15。此处选择CB15的含量为15wt％，胆甾相液晶反射波段在1500～1700nm。在所形成的胆甾相液晶中加入5wt％可聚合单体A(图1)，光引发剂采用651，含量为单体总质量的5.0wt％。余量为向列相液晶，将混合物灌入到盒厚为30μm反平行的液晶盒中，液晶在平面织构的状况下，使用365nm，0.1mW/cm2的紫外光在5℃时照射5小时，反射波段增大至1000～1800nm，实现了约800nm波带的反射，透射光谱如图3所示，体系中聚合物的网络形貌如图5所示。
实例2：
使用的向列相液晶是Slichem公司的SLC-1717，双官能团单体为化合物A(图1)，手性单官能团单体选用M1(图2，n＝2，手性基元为胆甾醇)，整个体系为左旋螺距。具体配比如下：手性化合物S811的含量为15wt％，单体A含量为5wt％，手性单官能团单体M1为10wt％，光引发剂采用651，含量为单体总质量的5.0wt％，余量为向列相液晶，液晶盒厚度25μm。在55℃，365nm(0.9mw/cm2)的紫外条件下照射30分钟。其反射的波段范围为586～782nm，反射带宽约200nm，谱图如图4所示，图6为混合体系聚合后各组分分布的模型图。
实例3：
所使用的向列相液晶是Merck公司E7，双官能团单体使用化合物A，手性单官能团单体选用M2(n＝6，手性基元为R2)，光引发剂采用通用的184。整个体系为右旋螺距。体系中各组分的含量如下：手性化合物CB15的含量为20.5wt％，单体A含量为5.0wt％，M2为8.0wt％，光引发剂采用651，含量为单体总质量的5.0wt％，余量为向列相液晶，液晶盒厚度25μm。在25℃，365nm(1.5mw/cm2)的紫外条件下照射30分钟。其反射的波段范围为750～1400nm，反射带宽650nm。
实例4：
所使用的向列相液晶是Merck公司的E7，双官能团单体使用化合物A，单官能团单体选用M3(n＝6，手性基元为胆甾醇)，光引发剂采用通用的184，整个体系为左旋单体、右旋本体液晶螺距。混合体系的组成如下：手性化合物R1011的含量为10wt％，单体A含量为3.0wt％，M3含量为12wt％，光引发剂采用651，含量为0.5％，余量为向列相液晶，液晶盒厚度25μm。在55℃，365nm(1.5mw/cm2)的紫外条件下照射30分钟。其反射的波段范围为550～850nm，反射带宽300nm。
Claims (7)
1.一种具有宽波反射特性的液晶偏振片的制备方法，其特征在于：具体工艺为：
a、混合液晶：由低分子量的向列相液晶、手性的可聚合单官能团单体、手性添加剂、手性或非手性的可聚合双官能团单体及光引发剂混合而成；各组分的质量百分比为：0～25wt％的手性添加剂；1.0～25wt％的手性可聚合单官能团单体；3.0～10wt％的手性或非手性可聚合双官能团单体；50～90wt％的低分子量向列相液晶；0.01～0.5wt％的光引发剂；
b、将按上述组分混配好的液晶混合物注入沿面取向处理的液晶盒或薄膜中，液晶处于平面织构状态；在混合体系处于胆甾相的状态下，进行紫外照射，使光可聚合单体交联成高分子网络，液晶与聚合物之间形成相分离；根据材料不同照射强度为：0.001～100mW/cm2；得到宽波段的反射型偏振片。
2、按照权利要求1所述的具有宽波反射特性的液晶偏振片的制备方法，其特征在于：所述的沿面取向处理采用摩擦法、真空镀膜法或化学法。
3、按照权利要求1所述的具有宽波反射特性的液晶偏振片的制备方法，其特征在于：所述的向列相液晶为商业上可获得的液晶混合物，如Merck公司的E7、E48、Slichem公司的SLC-7011、SLC-1717。
4、按照权利要求1所述的具有宽波反射特性的液晶偏振片的制备方法，其特征在于：所述的手性化合物为胆甾醇的卤代物，胆甾醇的酯类或醚类衍生物、C15、CB15、S811，R811，S1011和R1011。
5、按照权利要求1所述的具有宽波反射特性的液晶偏振片的制备方法，其特征在于：所述的可光聚合单体的活性官能团为丙烯酰基、甲基丙烯酰基、乙烯基、苯乙烯基、环氧基，活性官能团的数量为1～2个。
6、按照权利要求1所述的具有宽波反射特性的液晶偏振片的制备方法，其特征在于：所述的手性可聚合单官能团单体的手性基元为胆甾醇基、薄荷基、CB15酸、乳酸基和端手性糖衍生物；所述的手性可聚合双官能团单体的手性基元为异山梨醇、苯基乙二醇。
7、按照权利要求1所述的具有宽波反射特性的液晶偏振片的制备方法，其特征在于：所述的光引发剂选择过氧化二苯甲酰、过氧化十二酰、偶氮二异丁睛、偶氮二异庚睛、过氧化二碳酸二异丙酯或过氧化二碳酸二环己酯。
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