CN102304365B - 极低光学各向异性混合液晶材料 - Google Patents

极低光学各向异性混合液晶材料 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种极低光学各向异性混合液晶材料，采用三大类化合物，利用其不同性能进行混配，以达到混合液晶各项性能最优。其中A组分，具有双环己烷结构，双折射率、红外吸收系数低，电阻率高，作为有效主要组成；B组分，以环己烷与苯环做骨架，具有含氟取代基团的化合物，用于形成液晶向列相，抑制由于组分A添加带来的混合液晶材料近晶相产生；组分C单体液晶材料具有高清亮点温度，可以提高混合液晶材料使用温度。本发明制备出的液晶材料具备极低的光学各向异性、较宽的向列相温度区间、高的电阻率和电荷保持率特性，红外吸收系数＜0.5cm-1。

Description

极低光学各向异性混合液晶材料
技术领域
本发明属于液晶材料技术领域，具体涉及一种极低光学各向异性混合液晶材料。
背景技术
平板显示技术自20世纪90年代开始迅速发展，目前已经成为显示器市场的主流，根据DisplaySearch调查数据表明液晶显示器因其具有清晰度高、图像色彩好、环保、无辐射、轻薄、便携等优点更是占据了80％以上的份额。液晶显示器利用液晶材料的光学各向异性和介电各向异性的特性来实现显示功能，所以液晶材料决定了显示器件性能。目前，TFT显示器件占据了平板液晶显示器件的主流，由于液晶非自主发光，需要背光源来实现显示，存在外界强光源下清晰度不够的缺点，所以半透半反射型液晶显示器弥补了这一缺点。该种显示器对液晶材料要求Δn相对较低，一般在0.088左右，随着技术进步，开发更低光学各向异性(Δn)液晶材料非常重要。
液晶用于激光技术，利用其光学各向异性，对激光进行相位差调节，起到调光聚光、退偏和光隔离，特别在红外探测技术上是空间军事遥感探测系统的重要组成部分，可实现全天后战场监视、军事目标侦查、透过烟雾或伪装成像、目标识别、化学武器排放物的监视等。但是一般红外探测是全光谱的，这就容易造成在7～14μm或8～12μm波段由于热成像和红外辐射耦合而使红外仪无法在高热杂背景下准确识别目标，产生虚警和误警。液晶可调谐红外滤光片的应用能有效提高红外成像的分辨率，增加工作通道数，从而有效确探测信息，在空间侦查、监视、目标识别、大规模杀伤武器探测等方面有着重要作用。目前大多应用于激光调谐的液晶采用普通TN型液晶，由于这种材料含有CN基团，其活性非常大，容易吸附离子，严重导致了激光阈值损伤，红外吸收系数较大，所以开发一款专业适用于激光技术的液晶非常重要。
采用光学各向异性Δn在0.04～0.07，电阻率ρ＞5×1013Ω·cm，电荷保持率VHR＞99％的液晶材料，在红外激光调谐有着最好的应用效果，但目前并无相关材料信息公开报道。公开号为EP0416117A，公开日为1991年3月31日的欧洲专利“LIQUID CRYSTAL COMPOSITION”公开了一种向列相液晶材料，其中Δn在0.065～0.120，电阻率ρ为1×1012～5×1013Ω·cm的液晶材料，经过实际测试红外吸收系数0.5～0.7cm-1，该专利公开的混合液晶材料Δn最低在0.065，但相对来说还是高于0.06，未达到最佳值范围，且红外吸收系数＞0.5cm-1，对激光阈值损伤太大，不能用于激光调谐器件中。
发明内容
本发明的目的是提供一种极低光学各向异性混合液晶材料，专用于激光调谐的液晶材料，具有极低的Δn值、高的电阻率和电荷保持率以及较宽的使用温度范围，且对激光阈值损伤小，拥有较低的红外吸收系数，在国防武器系统上有着重要应用意义。
本发明所采用的技术方案是，一种极低光学各向异性混合液晶材料，按质量百分比，由20％-75％的A组份和25％-80％的B组份组成，这两种组份质量百分比之和为100％；
A组份为：
其中，环己烷基团为反式结构，R1为饱和烷基、烯基或烷氧基，R2为饱和烷基、烯基或烷氧基；
B组份为：
其中，环己烷基团为反式结构，R3为饱和烷基或烯基，L1为F或H，L3为F或H，L2为F、Cl、H或饱和烷基，Z1作为桥键连接，为单键使得环己烷基团直接相连或乙撑基，Z2作为桥键连接，为单键使得环己烷基团直接相连或酯键。
本发明所采用的另一个技术方案是，一种极低光学各向异性混合液晶材料，按质量百分比，由67％-73％的A组份、25％-30％的B组份和2％-3％的C组成；这三种组份质量百分比之和为100％；
A组份为：
Figure BSA00000502037400033
其中，环己烷基团为反式结构，R1为饱和烷基、烯基或烷氧基，R2为饱和烷基、烯基或烷氧基；
B组份为：
Figure BSA00000502037400041
其中，环己烷基团为反式结构，R3为饱和烷基或烯基，L1为F或H，L3为F或H，L2为F、Cl、H或饱和烷基，Z1作为桥键连接，为单键使得环己烷基团直接相连或乙撑基，Z2作为桥键连接，为单键使得环己烷基团直接相连或酯键；
C组份为：
Figure BSA00000502037400042
其中，环己烷基团为反式结构，R4为饱和烷基，R5为饱和烷基，L4为F或H。
其中，A组份为以下化合物中任意一种或多种以任意比例混合而成的混合物：
Figure BSA00000502037400051
其中，B组份为以下化合物中任意一种或多种以任意比例混合而成的混合物：
Figure BSA00000502037400052
Figure BSA00000502037400061
Figure BSA00000502037400071
C组份为以下化合物中任意一种或多种以任意比例混合而成混合物：
Figure BSA00000502037400072
Figure BSA00000502037400081
本发明的有益效果是，制备出的液晶材料具备极低的光学各向异性(Δn＝0.0450～0.0650)、较宽的向列相温度区间(结晶点TSN＜-5℃，清亮点TNI＞60℃)、高的电阻率(ρ＞5×1013Ω·cm)和电荷保持率(VHR＞99％)特性，红外吸收系数＜0.5cm-1，可应用于半反射半透射型液晶显示器件、红外激光探测显示器、红外波段液晶电调谐滤波器、激光空间光调制器、激光功率限制器、激光隔离器等，在军事侦查、激光武器、原子能等领域有着重要用途；且响应时间Tr≤15ms，具有更好的显示效果。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明采用三大类化合物，利用其不同性能进行混配，以达到混合液晶各项性能最优。其中A组分，具有双环己烷结构，双折射率(0.02～0.05)、红外吸收系数(＜0.3cm-1)低，电阻率高(＞5×1014Ω·cm)，作为有效主要组成；B组分，以环己烷与苯环做骨架，具有含氟取代基团的化合物，用于形成液晶向列相，抑制由于组分A添加带来的混合液晶材料近晶相产生；组分C单体液晶材料具有高清亮点温度(＞200℃)，可以提高混合液晶材料使用温度。
本发明所涉及到的化合物，单体液晶采用如下标记法：
Figure BSA00000502037400082
Figure BSA00000502037400091
本发明中液晶特性值的测试采用了行业内通行的日本电子机械工业会标准(Standard of Electric Industries Association of Japan)EIAJ·ED-2521A简述如下：
光学各向异性测试采用阿贝折射仪，在目镜上加装偏光板，通以热水保持体系25℃恒温，主棱镜垂直取向处理，采用589nm光源，当偏光与取向方向一致时测量n//，旋转偏光板测量n⊥，Δn＝n//-n⊥，取三次平行测量的平均值既为混合液晶光学各向异性值。
电阻率(ρ)测试采用Keisly 6517连接不锈钢标准测试模具系统，保持系统电磁屏蔽，恒温25℃下，将0.6g待测样品注入模具，加载10V方波电压测试，取三次平行测量均值为混合液晶电阻率。
电荷保持率(VHR)测试采用无TFT元件的5μm TN盒元件，将待测样品注入盒中，加5V、60微秒脉冲电压对盒充电，以60Hz频率测量电压降，计算单位周期终了电压于初始电压比，取三次平行测量均值既为混合液晶材料电荷保持率。
响应时间(Tr)采用电荷保持率所用灌注混合液晶后5μm TN盒，在4.5V、50HZ方波电压下，测试其透光率从10％-90％和90％-10％一个周期内总变化时间。
向列相TNI测试采用热台偏光显微镜，以1℃/min速率升温，当显微镜中视场由明变暗时记录下仪器温度，为向列态向各向同性态转变温度，实验三次，结果平行取平均值即为被测混合液晶TNI。
红外吸收系数，采用1055nm激光光源，在标准皿中盛装混合液晶材料，利用光电检测器进行检测。
实施例1
Figure BSA00000502037400101
以50g混合液晶材料为例描述其制备过程：利用电子天平分别称量以下九种物质：
  单体液晶   质量(g)
  2CCGF   2.50
  3CCGF   10
  5CCGF   2.50
  3CCV1   6.00
  5CCV   5.50
  5CC01   3.00
  3CC01   12.00
  3CC02   3.00
  3CC2   5.50
将上述九种物质放入具有磁力搅拌功能的100ml玻璃三口瓶中，在氮气的保护下，并以加热温度为50℃的条件下，边加热边搅拌，瓶内的混合物由固体物熔解成液态，加热3分钟，当瓶内的混合物达到70℃，保温30分钟，保温完后自然冷却至室温，形成乳白状不透明向列相混合液晶材料，密封保存。
实施例2
Figure BSA00000502037400111
以50g混合液晶材料为例描述其制备过程：利用电子天平分别称量以下九种物质：
  单体液晶   质量(g)
  2CCGF   5
  3CCGF   5
  5CCGF   5
  3CCPMe   5
  5CCV   4.5
  5CC01   2.5
  3CC01   12.5
  3CC02   3
  3CCV1   7.5
将上述九种物质放入具有磁力搅拌功能的100ml玻璃三口瓶中，在氮气的保护下，并以加热温度为50℃的条件下，边加热边搅拌，瓶内的混合物由固体物熔解成液态，加热3分钟，当瓶内的混合物达到70℃，保温30分钟，保温完后自然冷却至室温，形成乳白状不透明向列相混合液晶材料，密封保存。
实施例3
Figure BSA00000502037400121
以50g混合液晶材料为例描述其制备过程：利用电子天平分别称量以下八种物质：
  单体液晶   质量(g)
  3CCGF   5
  5CCGF   5
  3CECGF   2.5
  3CCV1   9
  5CCV   4.5
  5CC01   7.5
  3CC01   12.5
  3CC02   4
将上述八种物质放入具有磁力搅拌功能的100ml玻璃三口瓶中，在氮气的保护下，并以加热温度为50℃的条件下，边加热边搅拌，瓶内的混合物由固体物熔解成液态，加热3分钟，当瓶内的混合物达到70℃，保温30分钟，保温完后自然冷却至室温，形成乳白状不透明向列相混合液晶材料，密封保存。
实施例4
Figure BSA00000502037400131
以50g混合液晶材料为例描述其制备过程：利用电子天平分别称量以下八种物质：
  单体液晶   质量(g)
  2CCGF   3
  3CCUF   3.5
  5CCUF   3.5
  5CECGF   8.5
  3CCV1   9
  5CCV   4.5
  5CC01   3
  3CC01   15
将上述八种物质放入具有磁力搅拌功能的100ml玻璃三口瓶中，在氮气的保护下，并以加热温度为50℃的条件下，边加热边搅拌，瓶内的混合物由固体物熔解成液态，加热3分钟，当瓶内的混合物达到70℃，保温30分钟，保温完后自然冷却至室温，形成乳白状不透明向列相混合液晶材料，密封保存。
实施例5
Figure BSA00000502037400141
以50g混合液晶材料为例描述其制备过程：利用电子天平分别称量以下七种物质：
  单体液晶   质量(g)
  3CECGF   7.5
  5CECGF   7.5
  3CCV1   6
  5CCV   3
  5CC01   4.5
  3CC01   20
  3CGPC5   1.5
将上述七种物质放入具有磁力搅拌功能的100ml玻璃三口瓶中，在氮气的保护下，并以加热温度为50℃的条件下，边加热边搅拌，瓶内的混合物由固体物熔解成液态，加热3分钟，当瓶内的混合物达到70℃，保温30分钟，保温完后自然冷却至室温，形成乳白状不透明向列相混合液晶材料，密封保存。
实施例6
Figure BSA00000502037400151
以50g混合液晶材料为例描述其制备过程：利用电子天平分别称量以下七种物质：
  单体液晶   质量(g)
  3CECGF   8.5
  2CECGF   6.5
  3CCV1   6
  5CCV   3
  5CC01   4.5
  3CC01   20
  3CGPC3   1.5
将上述七种物质放入具有磁力搅拌功能的100ml玻璃三口瓶中，在氮气的保护下，并以加热温度为50℃的条件下，边加热边搅拌，瓶内的混合物由固体物熔解成液态，加热3分钟，当瓶内的混合物达到70℃，保温30分钟，保温完后自然冷却至室温，形成乳白状不透明向列相混合液晶材料，密封保存。
实施例7
Figure BSA00000502037400161
以50g混合液晶材料为例描述其制备过程：利用电子天平分别称量以下九种物质：
  单体液晶   质量(g)
  2CCGF   3.5
  3CCGF   3.5
  5CCGF   3.5
  3CECGF   8.5
  5CECGF   8.5
  3CCZUF   7.5
  5CCZUF   5
  5CCV   7
  3CCV1   3
将上述九种物质放入具有磁力搅拌功能的100ml玻璃三口瓶中，在氮气的保护下，并以加热温度为50℃的条件下，边加热边搅拌，瓶内的混合物由固体物熔解成液态，加热3分钟，当瓶内的混合物达到70℃，保温30分钟，保温完后自然冷却至室温，形成乳白状不透明向列相混合液晶材料，密封保存。
实施例8
Figure BSA00000502037400171
Figure BSA00000502037400181
以50g混合液晶材料为例描述其制备过程：利用电子天平分别称量以下八种物质：
  单体液晶   质量(g)
  3CCZGF   6.5
  3CCZUF   6.5
  5CCZUF   2
  5CCV   3
  5CC01   4.5
  3CC4   6.5
  3CC01   20
  3CGPC5   1
将上述八种物质放入具有磁力搅拌功能的100ml玻璃三口瓶中，在氮气的保护下，并以加热温度为50℃的条件下，边加热边搅拌，瓶内的混合物由固体物熔解成液态，加热3分钟，当瓶内的混合物达到70℃，保温30分钟，保温完后自然冷却至室温，形成乳白状不透明向列相混合液晶材料，密封保存。
实施例9
Figure BSA00000502037400182
以50g混合液晶材料为例描述其制备过程：利用电子天平分别称量以下八种物质：
  单体液晶   质量(g)
  3CECGF   7.5
  3CCUF   5
  5CCV   5
  5CC01   4.5
  3CC01   20
  3CC4   4.5
  3CCV1   2.5
  3CGPC5   1
将上述八种物质放入具有磁力搅拌功能的100ml玻璃三口瓶中，在氮气的保护下，并以加热温度为50℃的条件下，边加热边搅拌，瓶内的混合物由固体物熔解成液态，加热3分钟，当瓶内的混合物达到70℃，保温30分钟，保温完后自然冷却至室温，形成乳白状不透明向列相混合液晶材料，密封保存。

Claims (2)

1.一种极低光学各向异性的向列相混合液晶材料，其特征在于：按重量百分比，由20％-75％的A组份和25％-80％的B组份组成，这两种组份重量百分比之和为100％；
所述的A组份为以下化合物中任意一种或多种以任意比例混合而成的混合物：
Figure FFW0000008974020000011
所述的B组份由以下化合物中任意一种或多种以任意比例混合而成混合物：
Figure FFW0000008974020000021
Figure FFW0000008974020000041
2.一种极低光学各向异性的向列相混合液晶材料，其特征在于，按重量百分比，由67％-73％的A组份、25％-30％的B组份和2％-3％的C组成；这三种组份重量百分比之和为100％；
所述的A组份为以下化合物中任意一种或多种以任意比例混合而成的混合物：
Figure FFW0000008974020000042
Figure FFW0000008974020000051
所述的B组份由以下化合物中任意一种或多种以任意比例混合而成混合物：
Figure FFW0000008974020000052
Figure FFW0000008974020000061
Figure FFW0000008974020000071
所述的C组份由以下化合物中任意一种或多种以任意比例混合而成混合物：
Figure FFW0000008974020000072
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