CN102508378A - 基于近晶-胆甾相转变改善胆甾相液晶平面取向的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了基于近晶-胆甾相转变改善胆甾相液晶平面取向的方法，涉及光学薄膜材料的技术领域，如光增量膜及红外屏蔽薄膜等胆甾相液晶显示材料的平面取向方法。将近晶相液晶、向列相液晶、胆甾相液晶、手性添加剂等按照一定比例混合，配制具有近晶相-胆甾相相转变的液晶复合体系，搅拌均匀后灌入液晶盒或者两片塑料薄膜之间，对样品薄膜在近晶相-胆甾相相转变温度进行热处理，主要有两种方式，一种是从近晶相缓慢升温至胆甾相，另外一种是在近晶相-胆甾相相转变温度附近保温较长时间。其优点在于这两种热处理方法均可得改善不同螺距的胆甾相液晶薄膜的平面取向，提高液晶薄膜的透过率，有效改善胆甾相液晶器件的光学特性。

Description

基于近晶-胆甾相转变改善胆甾相液晶平面取向的方法
技术领域
本发明属于液晶智能与显示材料应用技术领域，特别是提供了一种基于利用近晶相-胆甾相相转变的热处理改善胆甾相液晶平面取向的方法，这种方法处理后液晶薄膜材料的各种光学性能均得到明显改善，可以广泛应用于液晶显示、智能玻璃及其相关领域的研究中。
背景技术
在能源消耗急剧增长的今天，人类对能源的需求越来越大。电能和动力性能源已成为我们生活中不可缺少的必需能源消耗品。我们的生活方式越来越依赖于电能和现代化机械给我们带来的便利。可是，在这样的依赖和便利背后，我们不知不觉地给我们的生活环境造成了可怕的破坏，空气中的有害气体和烟尘量的增加使我们的呼吸由享受沦落为一种为了生存而进行的挣扎，同时本来应属于我们子孙的一份埋在地下的发展基金也越来越少。于是，节约能源成为人类社会可持续发展的一个重要方面。
液晶自从1888年发现以来，在近20年来得到蓬勃的发展。从开始流行的电子表，到液晶电视、手机，再到现在的电子纸、电子书，人们日常生活中液晶的应用越来越广泛。
当液晶显示技术日新月异的同时，节能环保又成为我们将要面对的新课题。我们知道，绝大多数液晶自身不会发光，需要有背光源系统提供光源，液晶显示器的亮度在一定程度上影响着图像的质量。由于背光源系统占整个主机的电耗比重很高，因此增加背光源本身的亮度非明智之举。使用光增亮膜可以显著增加液晶显示屏的光利用率和亮度，从而降低液晶显示屏的背光源灯管的耗电量。另外，便携式液晶显示器如笔记本电脑、手机等，节能为其重要需求，使用光增亮膜不仅可以提升显示亮度而且可以增长待机时间，节能效果优异，这种光增亮膜可以通过具有宽波反射特性胆甾相液晶薄膜来制备。
胆甾相液晶分子独特的螺旋状结构决定了它特殊的光学特性，例如选择性反射、圆二色性、旋光性等性质，使胆甾液晶在诸多领域有着广泛的应用，常常被用来制备具有节能环保功能的光学器件。1996年，荷兰Philips公司的D.J.Broer等人利用手性可聚合单体梯度扩散的原理制备了反射整个可见光区域的单层胆甾相液晶高分子薄膜，并将之应用到液晶显示光增亮膜上。除此之外，反射波长在可见光区域的胆甾相液晶可应用于温度指示、肿瘤检查、防伪商标、反射液晶显示、彩色滤光片、反射型圆偏振片等方面；反射波长在近红外光区域的胆甾相液晶可应用于节能环保的建筑玻璃或者涂料方面；反射波长在中远红外光区域的胆甾相液晶在军事上的屏蔽隐身方面具有潜在应用前景。
胆甾相液晶分子取向的控制是液晶显示质量的关键因素，排列的好坏直接影响液晶器件的对比度、阈值电压、响应时间、视角特性等。例如液晶显示光增量膜、胆甾相液晶的偏振片、彩色滤光器、反射型彩色显示等液晶器件均要求胆甾相液晶具有均一的平面取向。
常用的排列取向方法中，摩擦取向技术因其工艺简单、成本低廉等优点而被广泛采用。这种方法主要是利用织物摩擦聚酰亚胺薄膜得到液晶分子平面取向的摩擦取向法。然而，摩擦过程中产生的大量粉尘和带电粒子增加了薄膜中的缺陷结构，即油丝织构，破坏了胆甾相液晶分子的平面取向，降低了液晶薄膜的光学性质，破坏了器件的显示特性和产品的合格率。总的来说，随着液晶薄膜厚度的增加，胆甾相液晶分子的有序度降低，这主要是由于来自于玻璃基板或塑料基板的聚酰亚胺薄膜的取向力作用会随液晶薄膜厚度的增加而降低。
目前，随着液晶显示向大屏幕化、高信息容量、大视角、高清晰度和多畴显示的发展，摩擦取向方法的缺陷变得越来越明显。
鉴于上述原因，申请人等开发出一种新的热处理方法，这种方法主要是利用材料具有近晶相-胆甾相相转变的特点，对液晶薄膜样品在近晶相-胆甾相相转变温度进行热处理，从而消除胆甾相液晶中的缺陷，改善了胆甾相液晶的平面取向，提高液晶薄膜的光透过率等光学性质，以便最大限度地节约能耗，达到节能环保的目的。
在众多胆甾相液晶的应用中，均需要改善液晶体系的平面取向，提高液晶薄膜的透过率。但据我们的查新结果，至今还没有关于本文提到的这种在近晶相-胆甾相相转变热处理方法的文献报道和专利申请。
发明内容
本发明的目的是提供了一种对胆甾相液晶进行平面取向处理的方法，通过比较简单的热处理工艺，可以大大提高胆甾相液晶薄膜的透过率，使液晶薄膜的透过率基本达到50％，以便满足胆甾相液晶的众多应用中对其光学性能的要求。
本发明的技术方案是：基于近晶-胆甾相转变改善胆甾相液晶平面取向的方法，具体包括以下步骤：
步骤1：将重量百分比为90～40％的主体胆甾相液晶材料中引入重量百分比为10～60％的及近晶相液晶材料，得到具有近晶相-胆甾相相转变的液晶复合体系，
步骤2：然后把液晶复合体系灌入用玻璃基板制作的液晶盒中，或者用塑料薄膜将液晶复合体系压制成液晶薄膜，由玻璃微珠或间隔垫来控制液晶复合薄膜的厚度；
步骤3：把液晶复合薄膜从清亮点缓慢冷却至近晶相，液晶分子形成焦锥织构，复合薄膜呈现光散射的不透明状态；
步骤4：将薄膜从近晶相以0.2-10℃/min加热到胆甾相或在近晶相-胆甾相相转变温度后保温5-40分钟，可有效提高液晶复合薄膜的平面取向效果及透过率到50％以上。
本发明所述的玻璃基板及塑料薄膜材料均没有进行取向处理，但本发明对于已经进行过平面取向处理的玻璃基板及塑料薄膜材料仍然适用。
进一步，所述的主体胆甾相液晶材料为本身具有胆甾相的液晶构成、小分子向列相液晶混合物SLC1717或向列相液晶性可聚合单体C6M加入手性化合物得到，其中的手性化合物为S811，R811，R011，CB15，ZLI4572；所述的近晶相液晶为烷基联苯氰类和烷氧基联苯氰类液晶中的一种或几种。
本发明所使用的向列相液晶为小分子向列相液晶，如SLC1717；也可以为光可聚合向列相液晶单体，其基本结构如下：
Figure BDA0000114561640000051
本发明所使用的胆甾相液晶为小分子胆甾相液晶或光可聚合胆甾相液晶单体，其基本结构如下，其中(3)为本发明5*CBB：
Figure BDA0000114561640000052
本发明所使用的近晶相液晶可以为光可聚合近晶相液晶单体，也可以为小分子近晶相液晶，如烷基联苯氰类和烷氧基联苯氰类液晶，其基本结构如下，当(7)中的n＝8时为8CB：
Figure BDA0000114561640000053
本发明所使用的手性化合物，可以为溶解在向列相液晶中的手性添加剂，如S811，CB15，ZLI4571等，其结构如下，其中(9)为S811：
Figure BDA0000114561640000061
进一步，所述步骤1：利用向列相液晶/胆甾相液晶/近晶相液晶/手性添加剂配制具有近晶相-胆甾相相转变的液晶复合体系；各组分的重量百分比范围为：0～90％/0～90％/7～60％/3～30％。
本发明的优点在于：利用复合液晶体系具有近晶相-胆甾相相转变的特点，在相转变温度进行热处理可以有效提高胆甾相液晶分子排列的有序性，消除胆甾相液晶中的缺陷，改善胆甾相液晶的平面取向，提高胆甾相液晶薄膜的透过率，从而提高光的利用率。此热处理方法省去了在玻璃基板或者塑料薄膜上旋涂聚酰亚胺或其他取向层，并对取向层进行摩擦取向的步骤，避免了表面取向力随液晶层厚度增加而减小的不利因素，减少了实际制作过程中引入杂质及静电的可能性，这种方法操作简单，不受液晶层厚度的影响，可以有效消除胆甾相液晶的缺陷，胆甾相液晶薄膜的透过率提高效果明显。
附图说明
图1-图3为实施例1中样品1以10.0℃/min，5.0℃/min，0.5℃/min升温速率从近晶相升温到胆甾相温度T2的偏光显微镜照片。
图4为实施例1中样品1以10.0℃/min，5.0℃/min，0.5℃/min升温速率从近晶相升温到胆甾相温度T2的透过率曲线。
图5-图7为实施例2中样品1在近晶相-胆甾相相转变温度T1保温5min，10min，40min后，以20.0℃/min的速率升温到胆甾相温度T2的偏光显微镜照片。
图8为实施例2中样品1在近晶相-胆甾相相转变温度T1保温5min，10min，40min后，以20.0℃/min的速率升温到胆甾相温度T2的透过率曲线。
图9-10为比较例3中样品1在胆甾相温度T3和T4分别保温0min，5min，40min的透过率曲线。
图11为比较例4中样品2在近晶相-胆甾相相转变温度T5保温40min后，以20.0℃/min的速率升温到胆甾相的偏光显微镜照片。
图12为比较例4中样品2在近晶相-胆甾相相转变温度T5分别保温0min，10min，40min后，以20.0℃/min的速率升温到胆甾相的的透过率曲线。
图13为比较例4中样品3在近晶相-胆甾相相转变温度T6保温40min后，以20.0℃/min的速率升温到胆甾相的偏光显微镜照片。
图14为比较例4中样品3在近晶相-胆甾相相转变温度T6分别保温0min，10min，40min后，以20.0℃/min的速率升温到胆甾相的透过率曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
实施实例1
首先将玻璃清洗干净，制作液晶盒。调制具有近晶相-胆甾相相转变的近晶相液晶8CB/胆甾相液晶5*CBB/小分子向列相液晶SLC1717/手性添加剂S811的混合物(样品1)，其各组分的重量百分比为27.7％/44.3％/18.0％/10.0％，通过偏光显微镜观察其发生近晶相-胆甾相相转变温度为51.7℃(T1)，清亮点为135.0℃。在清亮点将样品1灌入液晶盒或两层塑料薄膜中间，并把液晶盒或薄膜材料的样品冷却至45.0℃，液晶样品呈现光散射的焦锥织构。然后从样品的近晶相以10.0℃/min，5.0℃/min，0.5℃/min，升温至样品的胆甾相温度T2(70.0℃)，通过偏光显微镜测试样品的织构变化，并使用紫外分光光度计测试样品的透过率变化，分别如图1-4所示。随着升温速率的降低，到达胆甾相时样品的平面织构变好，透过率升高到达50％，从而证明降低升温率有利于平面织构的升高。
实施实例2
首先将玻璃清洗干净，制作液晶盒。调制具有近晶相-胆甾相相转变的近晶相液晶8CB/胆甾相液晶5*CBB/小分子向列相液晶SLC1717/手性添加剂S811的混合物(样品1)，其各组分的重量百分比为27.7％/44.3％/18.0％/10.0％，通过偏光显微镜观察其发生近晶相-胆甾相的相转变温度为51.7℃(T1)，清亮点为135.0℃。在清亮点将样品1灌入液晶盒或两层塑料薄膜中间，并把液晶盒或薄膜材料的样品冷却至45℃，液晶样品呈现近晶相，为光散射的焦锥织构。然后从样品的近晶相以20.0℃/min的速率升温至样品的近晶相-胆甾相相转变温度T1，然后在近晶相-胆甾相相转变温度分别保温不同时间，保温后继续以20.0℃/min的速率升温至T2，样品呈现胆甾相。通过使用偏光显微镜分别测试保温时间为5min，10min，40min，的样品的织构变化并使用紫外分光光度计测试样品的透过率变化，如图5-8所示。随着保温时间的延长，到达胆甾相时样品的平面织构变好，透过率升高，从而证明延长在近晶相-胆甾相相转变温度的保温时间有利于平面织构的升高。
比较实例1
首先将玻璃清洗干净，制作液晶盒。调制具有近晶相-胆甾相相转变的近晶相液晶8CB/胆甾相液晶5*CBB/小分子向列相液晶SLC1717/手性添加剂S811的混合物(样品1)，其各组分的重量百分比为27.7％/44.3％/18.0％/10.0％，通过偏光显微镜观察其发生近晶相-胆甾相相转变温度为51.7℃(T1)，清亮点为135.0℃。在清亮点将样品1灌入液晶盒或两层塑料薄膜中间，并把液晶盒或薄膜材料的样品冷却至45.0℃，液晶样品呈现光散射的焦锥织构。然后从样品的近晶相以20.0℃/min升温至样品的胆甾相温度T2(70.0℃)，通过偏光显微镜测试样品的织构变化，并使用紫外分光光度计测试样品的透过率变化后可知，到达胆甾相时样品的平面织构不好，透过率很低为10％左右，较快的升温速率不利于改善样品的平面织构和提高透过率。
比较实例2
首先将玻璃清洗干净，制作液晶盒。调制具有近晶相-胆甾相相转变的近晶相液晶8CB/胆甾相液晶5*CBB/小分子向列相液晶SLC1717/手性添加剂S811的混合物(样品1)，其各组分的重量百分比为27.7％/44.3％/18.0％/10.0％，通过偏光显微镜观察其发生近晶相-胆甾相的相转变温度为51.7℃(T1)，清亮点为135.0℃。在清亮点将样品1灌入液晶盒或两层塑料薄膜中间，并把液晶盒或薄膜材料的样品冷却至45℃，液晶样品呈现近晶相，为光散射的焦锥织构。然后从样品的近晶相以20.0℃/min的速率升温至样品的近晶相-胆甾相相转变温度T1，不在近晶相-胆甾相相转变温度保温，并继续以20.0℃/min的速率升温至T2。通过偏光显微镜测试的样品的织构并使用紫外分光光度计测试样品的透过率可知，不在样品的近晶相-胆甾相相转变温度保温，得到样品的平面织构很差，并且透过率很低，为10％左右。
比较实例3
首先将玻璃清洗干净，制作液晶盒。调制具有近晶相-胆甾相相转变的近晶相液晶8CB/胆甾相液晶5*CBB/小分子向列相液晶SLC1717/手性添加剂S811的混合物(样品1)，其各组分的重量百分比为27.7％/44.3％/18.0％/10.0％，通过偏光显微镜观察其发生近晶相-胆甾相相转变温度为51.7℃，清亮点为135.0℃。在清亮点将样品1灌入液晶盒或两层塑料薄膜中间，并把液晶盒或薄膜材料的样品冷却至45.0℃，液晶薄膜样品为近晶相呈现光散射的焦锥织构，光散射状态。然后从样品的近晶相以20.0℃/min的速率分别升温至样品1的胆甾相温度T3(70.0℃)和T4(130.0℃)，然后在T3和T4分别保温不同时间，通过使用偏光显微镜测试样品在T3和T4平面织构有所提高，透过率也有一定程度的上升，但是效果不是很明显，从而证明与样品1在胆甾相保温相比，在近晶相-胆甾相相转变温度保温更有利与改善液晶薄膜的平面取向，提高透过率。
比较实例4
首先将玻璃清洗干净，制作液晶盒。调制具有近晶相-胆甾相相转变的近晶相液晶8CB/胆甾相液晶5*CBB/小分子向列相液晶SLC1717/手性添加剂S811的混合物(样品2和3)，其各组分的重量百分比分别为25.2％/40.4％/16.4％/18.0％，28.6％/45.9％/18.6％/6.8％，通过偏光显微镜观察样品2和3的近晶相-胆甾相相转变温度分别为34.8℃和62.1℃，清亮点分别为125.7℃和149.3℃。在清亮点将样品2和3分别灌入液晶盒或两层塑料薄膜中间，并把液晶盒或薄膜材料的样品2和3冷却至其近晶相(30.0℃和60.0℃)，液晶样品呈现焦锥织构，光散射状态。然后从样品的近晶相，即样品呈现光散射的焦锥织构，以20.0℃/min的速率分别为升温至样品2和3的近晶相-胆甾相相转变温度T5(34.8℃)和T6(62.1℃)，然后在近晶相-胆甾相相转变温度分别保温不同时间，保温后继续以20.0℃/min的速率升温至样品2和3的胆甾相温度T7(70.0℃)和T8(90.0℃)，通过使用偏光显微镜测试不同保温时间的样品2和3的织构变化(如图11、图12图14图15所示)，并使用紫外分光光度计测试样品的透过率变化(图13和图16所示)。随着保温时间的延长，到达胆甾相时样品2和3的平面织构变好，透过率升高，从而证明这种在近晶相-胆甾相相转变温度对样品进行热处理的方法适用于不同螺距的样品，均可以达到改善平面织构，提高透过率的效果。

Claims (3)

1. 一种基于近晶-胆甾相转变改善胆甾相液晶平面取向的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1：将重量百分比为40 - 90%的主体胆甾相液晶材料中引入重量百分比为10 -60%的及近晶相液晶材料，得到具有近晶相-胆甾相相转变的液晶复合体系， 
步骤2： 然后把液晶复合体系灌入用玻璃基板制作的液晶盒中，或者用塑料薄膜将液晶复合体系压制成液晶薄膜，由玻璃微珠或间隔垫来控制液晶复合薄膜的厚度；
步骤3：把液晶复合薄膜从清亮点缓慢冷却至近晶相，液晶分子形成焦锥织构，复合薄膜呈现光散射的不透明状态；
步骤4：将薄膜从近晶相以0.2-10 oC/min加热到胆甾相或在近晶相-胆甾相相转变温度后保温5-40分钟，可有效提高液晶复合薄膜的平面取向效果及透过率到50%以上。
2.如权利要求1所述的基于近晶相-胆甾相相转变的热处理改善胆甾相液晶平面取向的方法，其特征在于，所述的主体胆甾相液晶材料为本身具有胆甾相的液晶构成、小分子向列相液晶混合物SLC1717或向列相液晶性可聚合单体C6M加入手性化合物得到，其中的手性化合物为S811，R811，R011，CB15，ZLI4572；所述的近晶相液晶为烷基联苯氰类和烷氧基联苯氰类液晶中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的基于近晶相-胆甾相相转变的热处理改善胆甾相液晶平面取向的方法，其特征在于，所述步骤1：利用向列相液晶/胆甾相液晶/近晶相液晶/手性添加剂配制具有近晶相-胆甾相相转变的液晶复合体系； 各组分的重量百分比范围为：0 ~ 90%/0 ~ 90%/7 ~ 60%/3 ~ 30%。
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