CN103242856A - 液晶组合物及液晶显示器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种液晶组合物及其应用，该液晶组合物包含5-60%重量的通式I的化合物；10-50%重量的通式II的化合物；以及10-80%重量的通式Ш的化合物。本发明的液晶组合物具有大的介电各向异性、较快的响应速度和良好的低温存储稳定性。本发明还提供包含该液晶组合物的有源矩阵液晶显示器件。
Description
技术领域
本发明涉及一种液晶组合物，特别涉及一种具有适当的介电各向异性、较快的响应速度及良好的低温存储稳定性的液晶组合物及其在有源矩阵液晶显示器件中的应用。
背景技术
液晶显示元件被用于以手表、台式电子计算机为代表的家庭用各种电器、测定仪器、汽车用仪表盘、文字处理机、电子记事簿、打印机、计算机、电视等。作为液晶显示方式可举出TN（扭曲向列）型、STN（超扭曲向列）型、DS（动态光散）型、IPS（平面切换）型、OCB（色散超垂直）型、ECB（电压控制双折射）型或VA（垂直取向）型等代表方式。并且，作为驱动方式通常也从以往的静态驱动变为多元驱动，单纯矩阵方式最近则由TFT（薄膜晶体管）和TFD（薄膜二极管）等驱动的有源矩阵（AM）方式成为了主流。
这些元件还有适当特性的液晶组合物。所述液晶组合物具有向列相。应改良组合物的一般特性以获得具有良好一般特性的AM元件。下文的表1概述两者的一般特性之间的关系。组合物的一般特性将基于市售AM元件进一步说明。向列相的温度范围与元件可使用的温度范围有关。优选的最大向列相温度为70℃或以上且优选的最小温度为-10℃或以下。组合物的粘度与元件的反应时间有关。对于显示动态影像而言，需要短反应时间。因此，需要小粘度的组合物，更需要在低温下的小粘度组合物。
表1液晶组合物以及AM元件的一般特性
| 编号 | 组合物的一般特性 | AM元件的一般特性 |
| 1 | 向列相的温度范围宽 | 可用温度范围宽 |
| 2 | 粘度小1) | 反应时间短 |
| 3 | 光学各向异性适合 | 对比率大 |
| 4 | 介电各向异性的绝对值大 | 临界电压低，电力消耗小，且对比率大 |
| 5 | 电阻率大 | 电压保持率大且对比率大 |
| 6 | 对紫外光以及热稳定 | 使用寿命长 |
1）液晶组合物可在短时间内注射入单元中。
组合物的光学各向异性与元件的对比率有关。组合物的光学各向异性（Δn）与元件的单元间隙（d）的乘积（Δn·d）经设计以使对比率最大。乘积的适当值取决于操作模式的种类。在具有VA模式的元件中，适当值为0.30微米至0.40微米。在此情况下，对于具有小单元间隙的元件而言，需要具有大光学各向异性的组合物。组合物的大介电各向异性有助于使元件具有低临界电压、小电力消耗以及大对比率。因此，需要大介电各向异性。组合物的大电阻率有助于使元件具有大电压保持率以及大对比率。因此，需要在室温以及在高温下在初始阶段具有大电阻率的组合物，需要在长期使用之后在室温以及在高温下仍具有大电阻率的组合物。组合物的紫外光稳定性以及热稳定性与液晶元件的使用寿命有关。当稳定性较高时，元件的使用寿命较长。用于液晶投影机、液晶电视等的AM元件需要这些特性。
较理想的AM元件是具有可使用的温度范围广、响应时间短、对比度大、临界电压低、电压保持率大、寿命长等特性，较理想的是响应时间甚至短于1毫秒。然而，由于液晶通常作为多种组分的混合物使用，各组分之间的彼此互溶则显得尤为重要，而根据不同的应用领域，液晶必须满足不同的要求，如介电各向异性和光学各向异性等，但是在现有技术中显著存在的缺点是较长的响应时间、较低电阻率且操作电压过高等，如EP0673986、DE19528106、DE19528107。另外，低温存储稳定性较差也是现有许多液晶材料的缺陷。因此，在液晶材料领域，需要具有改进性能的新型液晶组合物。特别地，对于许多应用类型而言，组合物的特性较理想的是向列相的上限温度高、向列相的下限温度低、粘度小、光学各向异性大、介电常数各向异性大、电阻率大、对紫外线的稳定性高、对热的稳定性高等。
本发明的目的是提供一种液晶组合物，其具备向列相的上限温度高、向列相的下限温度低、粘度小、光学各向异性大、介电各向异性大、电阻率大、对紫外线的稳定性高、对热的稳定性高等特性中的至少一种特性。该液晶组合物可应用于AM元件中，使该AM元件具有响应时间短、电压保持率大、对比度大、寿命长等特性。
发明内容
本发明提供一种液晶组合物，包含：
5-60%（重量）的通式I的化合物
10-50%（重量）通式Ⅱ的化合物
10-80%（重量）通式Ш的化合物
其中，
R1、R2、R3和R4相同或不同，各自独立地表示H、碳原子数为1-7的烷基或烷氧基，或碳原子数为2-7的烯基或烯氧基；
L1、L2、L3和L4相同或不同，各自独立地为H或F，且L2和L3中至少一个为F；
Z1、Z2、Z3、Z4和Z5相同或不同，各自独立地选自由-COO-、-OCO-、-CH2O-、-OCH2-、-CH2CH2-、-(CH2)4-、-CF2O-、-OCF2-、-C2F4-、-CH2CF2-、-CF=CF-、-CH=CH-和碳碳单键组成的组；
X1和X2相同或不同，各自独立地表示H、F、CN、SCN、碳原子数为1至7的氟代烷基、碳原子数为1至7的氟代烷氧基、碳原子数为2至7的氟代烯基或碳原子数为2至7的氟代烯氧基；
m和n相同或不同，各自独立地表示0或1；
a、b、c和d相同或不同，各自独立地表示0、1或2，且a+b+c+d≤4。
在本发明的实施方案中，优选所述通式I的化合物占所述液晶组合物总重量的15-40%；所述通式Ⅱ的化合物占所述液晶组合物总重量的10-40%；以及所述通式Ш的化合物占所述液晶组合物总重量的25-70%。
在一些实施方案中，所述通式I的化合物选自由如下化合物组成的组中一种或多种的化合物：
其中，
所述R1选自由碳原子数为1-5的烷基或烷氧基和碳原子数为2-5的烯基或烯氧基组成的组；
所述L1表示H或F。
在一些实施方案中，所述通式Ⅱ的化合物选自由如下化合物组成的组中一种或多种的化合物：
其中，
所述R2选自由碳原子数为1-5的烷基或烷氧基和碳原子数为2-5的烯基或烯氧基组成的组。
在一些实施方案中，所述通式Ш的化合物选自由如下化合物组成的组中一种或多种的化合物：
其中，
所述R3和所述R4相同或不同，各自独立地选自由碳原子数为1-5的烷基或烷氧基和碳原子数为2-5的烯基或烯氧基组成的组。
在一些实施方案中，所述通式I的化合物特别优选为下述化合物的一种或多种：
在一些实施方案中，所述通式Ⅱ的化合物特别优选为下述化合物的一种或多种：
在一些实施方案中，所述通式Ш的化合物特别优选为下述化合物的一种或多种：
以及
本发明的另一方面提供一种液晶显示器件，所述液晶显示器件包含本发明的液晶组合物。
本发明的再一方面提供一种有源矩阵液晶显示器件，所述液晶显示器件包含本发明的液晶化合物。
本发明通过对上述化合物进行组合实验，通过与对照的比较，确定了包括上述液晶组合物的液晶介质，具有适当的介电各向异性、粘度小、较快的响应速度以及低温稳定性好的特性。
在本发明中如无特殊说明，所述的比例均为重量比，所有温度均为摄氏度温度，所述的响应时间数据的测试选用的盒厚为7μm。
附图说明
图1是化合物I-1-1的1H NMR图；
图2是化合物I-1-2的1H NMR图；
图3是化合物I-1-3的1H NMR图；
图4是化合物I-2-1的1H NMR图。
具体实施方式
以下将结合具体实施方案来说明本发明。需要说明的是，下面的实施例为本发明的示例，仅用来说明本发明，而不用来限制本发明。在不偏离本发明主旨或范围的情况下，可进行本发明构思内的其他组合和各种改良。
为便于表达，以下各实施例中，液晶组合物的基团结构用表2所列的代码表示：
表2液晶化合物的基团结构代码
以如下结构式的化合物为例：
该结构式如用表2所列代码表示，则可表达为：nCPUF，代码中的n表示左端烷基的C原子数，例如n为“3”，即表示该烷基为-C3H7；代码中的C代表环己烷基。
以下实施例中测试项目的简写代号如下：
Cp（℃）： 清亮点（向列-各向同性相转变温度）
Δn： 光学各向异性（589nm，20℃）
Δε： 介电各向异性（1KHz，25℃）
γ1： 扭转粘度（mPa*s，在20℃下）
t-30℃： 低温储存时间（在-30℃下）
其中，折射率各向异性使用阿贝折光仪在钠光灯（589nm）光源下、20℃测试得；介电测试盒为TN90型，盒厚7μm。
在以下的实施例中所采用的各成分均由本申请的发明人按照公知的方法，也可以藉由适当组合有机合成化学中的方法来进行合成。这些合成技术是常规的，所得到各液晶化合物经测试符合电子类化合物标准。关于向起始原料中引入目标末端基团、环结构及结合基团的方法，记载在有机合成（Organic Syntheses，John Wiley & Sons，Inc）、有机反应（OrganicReactions，John Wiley&Sons，Inc）、综合有机合成（Comprehensive Organic Synthesis，Pergamon Press）、新实验化学讲座（丸善株式会社）等出版物中。实施例中涉及的化合物均为已知的常规化合物，其制备方法为本领域技术人员所熟知。
制备例1化学式（I-1）的合成路线如下表示：
其具体工艺如下：
其中，化合物A和化合物B均可通过现有技术公知方法合成（其合成方法参考CN100415730C）。
250mL三口瓶中加入17mmol化合物A，17mmol化合物B，50mL甲苯，25mL乙醇，25mL水，68mmol碳酸钠，在氮气保护下加入0.85mmol Pd(PPh3)4，继续在氮气保护下，回流，反应6小时，反应完毕后，将反应液进行后处理，通过柱层析提纯，得到白色固体I-1，GC≥99%。
R1：CH3，制备得到以下结构式的化合物：
收率：84.5%；DSC：C106.8I；△n：0.193；△ε：24；Cp：66.6；
R1：C2H5，制备得到以下结构式的化合物：
收率：75.5%；DSC：C80I；△n：0.166；△ε：24；Cp：46.8；
R1：C3H7，制备得到以下结构式的化合物：
收率：75.7%；DSC：C75I；△n：0.164；△ε：24；Cp：50.5。
化合物I-1-1的1H-NMR图见图1；
化合物I-1-2的1H-NMR图见图2；
化合物I-1-3的1H-NMR图见图3。
制备例2化合物（I-2）的合成路线如下表示：
其具体工艺步骤如下：
1）合成化合物D
250mL三口瓶中加入20mmol化合物A，21mmol3,5-二氟溴苯，50mL甲苯，25mL乙醇，25mL水，80mmol碳酸钠，在氮气保护下，加入1mmol Pd(PPh3)4，继续在氮气保护下，回流，反应6小时，反应完毕后，将反应液进行后处理，柱层析提纯，得到白色固体D，收率75%，GC≥98%。
2）合成化合物E
250mL三口瓶中加入15mmol化合物D，100mL无水四氢呋喃，氮气保护下，降温至-78℃，滴加4.4mL n-BuLi溶液（2.5mol/L,正己烷溶液），滴加完毕后，继续控温-78℃搅拌1h，滴加13mmol CF2Br2和20ml无水四氢呋喃的混合物，滴加完毕后，继续控温-78℃，搅拌1h，反应完毕后，将反应液倒入500g冰水混合物中，进行后处理，得到淡黄色固体为化合物E和化合物E1的混合物（GC，E/E1=77.2/20.5)，收率：74.7%，直接进行下一步。
3）合成化合物F
250mL三口瓶中加入上步所得黄色固体E（按GC纯度折算，为11mmol），13mmol对溴苯酚，15mmol碳酸钾，125mL DMF，于120℃反应5h，反应完毕后，进行后处理，经柱层析提纯得到白色固体F，收率：41.2%，GC≥98%。
4）合成化合物I-2
250mL三口瓶中加入4.4mmol化合物F，4.4mmol化合物B，15mL甲苯，8mL乙醇，8mL水，17.5mmol碳酸钠，在氮气保护下加入0.22mmol Pd(PPh3)4，继续在氮气保护下，回流，反应6小时，反应完毕后，将反应液进行后处理，柱层析提纯，得到白色固体I-2，收率：79.9%，GC≥98%。
R1：C3H7，制备得到以下结构式的化合物：
收率：79.9%；DSC：C85.1N131I；△n：0.24；△ε：27；Cp：133。
化合物I-2-1的1H-NMR图见图4。
按照以下实施例规定的各液晶组合物的配比，制备液晶组合物。所述液晶组合物的制备是按照本领域的常规方法进行的，如采取加热、超声波、悬浮等方式按照规定比例混合制得。
表3和表4所列是对照例液晶组合物的成分、配比及填充于液晶显示器两基板之间进行性能测试的测试结果，以便于与说明本发明液晶组合物进行性能对比。
对照例1
按表3中所列的各化合物及重量百分数配制成对照例1的液晶组合物，其填充于液晶显示器两基板之间进行性能测试，测试数据如下表所示：
表3液晶组合物配方及其测试性能
对照例2
按表4中所列的各化合物及重量百分数配制成对照例2的液晶组合物，其填充于液晶显示器两基板之间进行性能测试，测试数据如下表所示：
表4液晶组合物配方及其测试性能
实施例1
按表5中所列的各化合物及重量百分数配制成实施例1的液晶组合物，其填充于液晶显示器两基板之间进行性能测试，测试数据如下表所示：
表5液晶组合物配方及其测试性能
实施例2
按表6中所列的各化合物及重量百分数配制成实施例2的液晶组合物，其填充于液晶显示器两基板之间进行性能测试，测试数据如下表所示：
表6液晶组合物配方及其测试性能
实施例3
按表7中所列的各化合物及重量百分数配制成实施例3的液晶组合物，其填充于液晶显示器两基板之间进行性能测试，测试数据如下表所示：
表7液晶组合物配方及其测试性能
实施例4
按表8中所列的各化合物及重量百分数配制成实施例4的液晶组合物，其填充于液晶显示器两基板之间进行性能测试，测试数据如下表所示：
表8液晶组合物配方及其测试性能
参照对比例1和2，从以上实施例1、2、3和4的测试数据可见，本发明所提供液晶组合物具有较小的粘度、较大的介电各向异性、适当高的折射率各向异性以及高的清亮点，其优点在于响应速度块、具有良好的显示效果及低温存储稳定性，适用于AM显示器件中。
Claims (11)
1.一种液晶组合物，包含：
5-60%（重量）的通式I的化合物
10-50%（重量）通式Ⅱ的化合物
10-80%（重量）通式Ш的化合物
其中，
R1、R2、R3和R4相同或不同，各自独立地表示H、碳原子数为1-7的烷基或烷氧基，或碳原子数为2-7的烯基或烯氧基；
L1、L2、L3和L4相同或不同，各自独立地为H或F，且L2和L3中至少一个为F；
Z1、Z2、Z3、Z4和Z5相同或不同，各自独立地选自由-COO-、-OCO-、-CH2O-、-OCH2-、-CH2CH2-、-(CH2)4-、-CF2O-、-OCF2-、-C2F4-、-CH2CF2-、-CF=CF-、-CH=CH-和碳碳单键组成的组；
X1和X2相同或不同，各自独立地表示H、F、CN、SCN、碳原子数为1至7的氟代烷基、碳原子数为1至7的氟代烷氧基、碳原子数为2至7的氟代烯基或碳原子数为2至7的氟代烯氧基；
m和n相同或不同，各自独立地表示0或1；
a、b、c和d相同或不同，各自独立地表示0、1或2，且a+b+c+d≤4。
2.根据权利要求1所述的液晶组合物，其特征在于，所述通式I的化合物选自由如下化合物组成的组中一种或多种的化合物：
其中，
所述R1选自由碳原子数为1-5的烷基或烷氧基和碳原子数为2-5的烯基或烯氧基组成的组；
所述L1表示H或F。
3.根据权利要求1所述的液晶组合物，其特征在于，所述通式Ⅱ的化合物选自由如下化合物组成的组中一种或多种化合物：
其中，
所述R2选自由碳原子数为1-5的烷基或烷氧基和碳原子数为2-5的烯基或烯氧基组成的组。
4.根据权利要求1所述的液晶组合物，其特征在于，所述通式Ш的化合物选自由如下化合物组成的组中一种或多种化合物：
其中，
所述R3和所述R4相同或不同，各自独立地选自由碳原子数为1-5的烷基或烷氧基和碳原子数为2-5的烯基或烯氧基组成的组。
5.根据权利要求1所述的液晶组合物，其特征在于，所述通式I的化合物占所述液晶组合物总重量的15-40%；所述通式Ⅱ的化合物占所述液晶组合物总重量的10-40%；以及所述通式Ш的化合物占所述液晶组合物总重量的25-70%。
6.根据权利要求2所述的液晶组合物，其特征在于，所述通式I的化合物选自由如下化合物组成的组中一种或多种的化合物：
7.根据权利要求3所述的液晶组合物，其特征在于，所述通式Ⅱ的化合物选自由如下化合物组成的组中一种或多种化合物：
8.根据权利要求4所述的液晶组合物，其特征在于，所述通式Ш的化合物选自由如下化合物组成的组中一种或多种化合物：
9.根据权利要求1至8所述的液晶组合物，其特征在于，所述液晶组合物包含：
16%（重量）的式（Ш-1-1）的化合物；
14%（重量）的式（Ⅱ-1-4）的化合物；
7%（重量）的式（Ⅱ-3-2）的化合物；
7%（重量）的式（Ⅱ-4-2）的化合物；
5%（重量）的式（Ⅱ-4-3）的化合物；
6%（重量）的式（Ⅱ-2-3）的化合物；
6%（重量）的式（Ш-4-1）的化合物；
4%（重量）的式（Ш-2-1）的化合物；
3%（重量）的式（Ш-5-2）的化合物；
3%（重量）的式（Ш-6-2）的化合物；
4%（重量）的式（Ш-4-3）的化合物；
6%（重量）的式（I-1-1）的化合物；
6%（重量）的式（I-1-2）的化合物；
8%（重量）的式（I-1-3）的化合物；以及
5%（重量）的式（I-2-1）的化合物；
或者，所述液晶组合物包含：
40%（重量）的式（Ш-1-1）的化合物；
3%（重量）的式（Ⅱ-1-4）的化合物；
3%（重量）的式（Ⅱ-4-3）的化合物；
6%（重量）的式（Ⅱ-3-1）的化合物；
10%（重量）的式（Ⅱ-3-1）的化合物；
6%（重量）的式（Ш-3-1）的化合物；
3%（重量）的式（Ш-4-1）的化合物；
3%（重量）的式（Ш-4-3）的化合物；
4%（重量）的式（I-1-1）的化合物；
7%（重量）的式（I-1-2）的化合物；
7%（重量）的式（I-1-3）的化合物；以及
8%（重量）的式（I-2-1）的化合物；
或者，所述液晶组合物包含：
40%（重量）的式（Ш-1-1）的化合物；
2%（重量）的式（Ⅱ-3-1）的化合物；
4%（重量）的式（Ⅱ-3-2）的化合物；
8%（重量）的式（Ш-4-1）的化合物；
3%（重量）的式（Ⅱ-1-4）的化合物；
4%（重量）的式（Ш-2-1）的化合物；
3%（重量）的式（Ш-5-2）的化合物；
3%（重量）的式（Ш-6-2）的化合物；
8%（重量）的式（Ш-4-3）的化合物；
8%（重量）的式（Ⅱ-5-2）的化合物；
5%（重量）的式（I-1-2）的化合物；
6%（重量）的式（I-1-3）的化合物；以及
6%（重量）的式（I-2-1）的化合物；
或者，所述液晶组合物包含：
46%（重量）的式（Ш-1-1）的化合物；
5%（重量）的式（Ⅱ-1-4）的化合物；
5%（重量）的式（Ⅱ-3-2）的化合物；
4%（重量）的式（Ш-4-1）的化合物；
5%（重量）的式（Ⅱ-3-3）的化合物；
3%（重量）的式（Ш-5-2）的化合物；
3%（重量）的式（Ш-6-2）的化合物；
3%（重量）的式（Ш-4-4）的化合物；
5%（重量）的式（Ⅱ-6-2）的化合物；
5%（重量）的式（I-1-1）的化合物；
5%（重量）的式（I-1-2）的化合物；
6%（重量）的式（I-1-3）的化合物；以及
5%（重量）的式（I-2-1）的化合物。
10.一种液晶显示器件，包含权利要求1～9中的任一项所述的液晶组合物。
11.一种有源矩阵液晶显示器件，所述液晶显示器件包含权利要求1～9中的任一项所述的液晶组合物。
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