CN103820128A - 一种正介电各向异性液晶组合物 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种正介电各向异性液晶组合物，所述液晶组合物包含质量百分含量为1%～60%的通式Ⅰ所示化合物、1%～70%的通式Ⅱ所示化合物、1%～70%的通式Ⅲ所示化合物、0～40%的通式Ⅳ所示化合物和0～40%的通式Ⅴ所示化合物；所述液晶组合物还包含有旋光性组分，其加入量为通式Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ所示化合物质量之和的0%～0.2%。该液晶组合物具有低旋转粘度、快响应速度、适当的正介电各向异性，特别适用于制造快速响应的有源矩阵TN-TFT、IPS-TFT液晶显示元件和液晶显示器。
Description
技术领域
本发明涉及一种液晶组合物，尤其是指一种可用于制造快速响应TFT-LCD的正介电各向异性液晶组合物。
背景技术
近年来，液晶显示器已经取代了传统的阴极射线管显示，成为当今信息显示领域的主流产品，广泛用于仪表、电脑、电视等各种显示器中。目前，人们对显示技术的要求也在不断提高，主要体现在要求液晶显示技术具有快速响应、低驱动电压和低功耗的特点。
液晶材料作为液晶显示器重要的光电子材料之一，对改善液晶显示器的性能发挥重要的作用。用于显示用的液晶材料均需要满足以下性能：①良好的化学、物理及热稳定性，对电场和电磁辐射的稳定性；②粘度（γ11）低；③具有合适的介电各向异性△ε；④合适的光学各向异性△n；⑤与其他液晶化合物的相溶性好。而作为TFT-LCD用液晶材料，具有比普通液晶材料更高的要求，除了上述特性外，还应具有较宽的向列相温度范围、非常高的电阻率、良好的抗紫外线性能、高电荷保持率、低蒸汽压、低离子浓度、低功耗、低旋转粘度等性能。
随着科研人员的不断努力，近年间研发出了大量适合作为液晶材料的化合物，常用的液晶化合物已经从联苯腈、酯类、含氧杂环类、嘧啶环类液晶化合物逐渐发展成为环己基苯类、苯乙炔类、乙基桥键类、端烯基液晶和各种含氟芳环类液晶化合物等，用于不断满足TN-LCD、STN-LCD、TFT-LCD等显示性能要求。
作为显示用液晶材料，必须要求有较宽的向列相温度范围、较高的稳定性、适合的旋转粘度、以及对电场的快速响应。但是到目前为止，还未找到任何一种单一的液晶化合物能达到上述性能要求，必须将多种液晶化合物组合成液晶组合物，才能够满足液晶显示材料的性能要求。
含氟类液晶由于具有低粘度、适中的介电各向异性、高电阻率、高电荷保持率等特性是TFT液晶显示用液晶材料的主要成分。向液晶分子中引入一个二氟亚甲氧基桥（-CF2O-）后，会使它的向列相温度范围很大程度的扩大，同时旋转粘度γ1也有所降低。另外由于二氟亚甲氧基桥（-CF2O-）的偶极矩的贡献，端基氟原子的偶极矩也有一定程度的提高，从而使液晶分子的介电各向异性△ε有所增加。德国默克和日本智索公司已经公开了一些具有不同取代基的具有二氟亚甲氧基桥（-CF2O-）的液晶化合物（CN1717468A，CN101143808A，CN101157862A等），并应用于液晶组合物中。
随着液晶显示行业的不断发展，人们对于具有不同性能的显示材料的需求也逐渐增多。因此，为了改善液晶显示性能，不断开发新的性能优异的液晶化合物和液晶组合物对液晶显示发展都具有重要的意义。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种可用于制备快速响应TFT-LCD的、旋转粘度低的、快速响应的正介电各向异性液晶组合物。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种正介电各向异性液晶组合物，包含通式Ⅰ所示的液晶化合物、通式Ⅱ所示的液晶化合物、通式Ⅲ所示的液晶化合物、通式Ⅳ所示的液晶化合物和通式Ⅴ所示的液晶化合物；
其中，
R1、R2、R7、R8、X4、X7分别是下列①～④所示基团中的任一基团：
①-H、-Cl、-F、-CN、-OCN、-OCF3、-CF3、-CHF2、-CH2F、-OCHF2、-SCN、-NCS、-SF5，
②含有1～15个碳原子的烷基、含有1～15个碳原子的烷氧基、含有2～15个碳原子的烯基、含有2～15个碳原子的烯氧基，
③一个或多个-CH2-被-CH=CH-、-C≡C-、-COO-、-OOC-、
-O-或-S-替代且替代后基团中的氧原子不直接相连的上述②所示基团，
④任意H原子被氟原子或氯原子取代的上述②、③所示基团；
R3、R4、R5、R6分别是H原子、含有1～10个碳原子的烷基或任意H原子被氟原子取代的含有1～10个碳原子的烷基、含有1～10个碳原子的烷氧基或任意H原子被氟原子取代的含有1～10个碳原子的烷氧基、含有2～10个碳原子的链烯基或任意H原子被氟原子取代的含有2～10个碳原子的链烯基、含有3～8个碳原子的链烯氧基或任意H原子被氟原子取代的含有3～8个碳原子的链烯氧基的其中任一基团；
X1、X2、X3、X5、X6分别是-H或-F；
Z1、Z2、Z3分别是单键、-CH2-、-CH2CH2-、-(CH2)3-、-(CH2)4-、-CH=CH-、-C≡C-、-COO-、-OOC-、-CF2O-、-OCH2-、-CH2O-、-OCF2-、-CF2CH2-、-CH2CF2-、-CF2CF2-或-CF=CF-的其中任意一种；
环A1、环A2、环A3、环A4、环A5、环A6、环A7、环A8、环A9、环A10、环A11分别是单键或下列基团中的任一基团：
a、b、d、e、f、g、h、i分别是0、1、2或3的其中任一数值，c是1或2的其中任一数值，且a+b+c≤5。
所述液晶组合物包含质量百分含量为1%～60%的通式Ⅰ所示的液晶化合物、1%～70%的通式Ⅱ所示的液晶化合物、1%～70%的通式Ⅲ所示的液晶化合物、0～40%的通式Ⅳ所示的液晶化合物和0～40%的通式Ⅴ所示的液晶化合物。
所述液晶组合物还包含有旋光性组分，旋光性组分的加入量为通式Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ所示液晶化合物质量之和的0.2%以下且不为零。
由于采用了上述技术方案，本发明所取得的技术进步在于：
本发明公开了一种正介电各向异性液晶组合物，该组合物性能优异，具有宽的向列相温度范围、适当的正介电各向异性、合适的光学各向异性、较低的旋转粘度、非常低的总响应时间、较低的阈值电压、较高的电阻率，适用于有源矩阵电光学元件和液晶显示器中，具有广阔的应用前景和市场价值。
通过对液晶组合物中各个组分质量百分含量的调整，液晶组合物可以获得不同的阈值电压、清亮点和双折射特性，便于在不同液晶盒厚和不同驱动电压下使用，适用范围非常广。同时，该液晶组合物还具有优良的高温稳定性和紫外稳定性、低粘度、快响应时间、适当的光学各向异性和适当的介电各向异性，因此可应用于具有有源矩阵寻址的光电显示器，优选通过薄膜晶体管（TFT）的矩阵寻址，特别适用于制造快速响应的有源矩阵TN-TFT、IPS-TFT液晶显示元件和液晶显示器。
通式Ⅰ所示的液晶化合物为四氢吡喃类二氟亚甲基醚类液晶化合物。四氢吡喃结构引入液晶分子后，由于四氢吡喃环上含有不对称的碳原子，因此能够诱导产生一个大的自发极化值，使得该类液晶化合物具有低旋转粘度和高介电各向异性。当其作为液晶组合物的组分时，能够有效降低液晶组合物的阈值电压和响应时间，改善液晶组合物的低温互溶性，使得液晶组合物具有高的响应速度，并易于产生良好的相序，液晶组合物的性能大大改善。通式Ⅰ所示的液晶化合物对于调配高端TFT液晶组合物、以及对低旋转粘度和高介电各向异性液晶化合物的研究具有重要意义，是一种非常适合于制备快速响应TFT-LCD的液晶化合物，尤其适用于TN-TFT、STN-TFT和IPS-TFT。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
下述实施例中所涉及的份数均为质量百分含量，温度单位为℃，其他符号的具体意义及测试条件如下：
c.p.表示液晶的清亮点（℃）；
S-N表示液晶的晶态到向列相的熔点（℃）；
Δn表示光学各向异性，△n=no-ne，其中，no为寻常光的折射率，ne为非寻常光的折射率，测试条件：589nm、25℃；
△ε表示介电各向异性，△ε=ε∥-ε⊥，其中，ε∥为平行于分子轴的介电常数，ε⊥为垂直于分子轴的介电常数，测试条件：25℃、1KHz、HP4284A、5.2微米TN左旋盒；
τ表示响应时间（ms），测试仪器：DMS-501，测试条件：25±0.5℃、5.2微米TN左旋盒；
V10表示液晶的光学阈值电压（V），V90表示液晶的饱和电压值（V），测试条件：25℃、5.2微米TN左旋盒；
γ1表示旋转粘度（mPa·s），测试条件：25±0.5℃。
一种正介电各向异性液晶组合物，包含通式Ⅰ所示的液晶化合物、通式Ⅱ所示的液晶化合物、通式Ⅲ所示的液晶化合物、通式Ⅳ所示的液晶化合物和通式Ⅴ所示的液晶化合物；
其中，
R1、R2、R7、R8、X4、X7分别是下列①～④所示基团中的任一基团：
①-H、-Cl、-F、-CN、-OCN、-OCF3、-CF3、-CHF2、-CH2F、-OCHF2、-SCN、-NCS、-SF5，
②含有1～15个碳原子的烷基、含有1～15个碳原子的烷氧基、含有2～15个碳原子的烯基、含有2～15个碳原子的烯氧基，
③一个或多个-CH2-被-CH=CH-、-C≡C-、-COO-、-OOC-、
-O-或-S-替代且替代后基团中的氧原子不直接相连的上述②所示基团，
④任意H原子被氟原子或氯原子取代的上述②、③所示基团；
R3、R4、R5、R6分别是H原子、含有1～10个碳原子的烷基或任意H原子被氟原子取代的含有1～10个碳原子的烷基、含有1～10个碳原子的烷氧基或任意H原子被氟原子取代的含有1～10个碳原子的烷氧基、含有2～10个碳原子的链烯基或任意H原子被氟原子取代的含有2～10个碳原子的链烯基、含有3～8个碳原子的链烯氧基或任意H原子被氟原子取代的含有3～8个碳原子的链烯氧基的其中任一基团；
X1、X2、X3、X5、X6分别是-H或-F；
Z1、Z2、Z3分别是单键、-CH2-、-CH2CH2-、-(CH2)3-、-(CH2)4-、-CH=CH-、-C≡C-、-COO-、-OOC-、-CF2O-、-OCH2-、-CH2O-、-OCF2-、-CF2CH2-、-CH2CF2-、-CF2CF2-或-CF=CF-的其中任意一种；
环A1、环A2、环A3、环A4、环A5、环A6、环A7、环A8、环A9、环A10、环A11分别是单键或下列基团中的任一基团：
a、b、d、e、f、g、h、i分别是0、1、2或3的其中任一数值，c是1或2的其中任一数值，且a+b+c≤5。
所述液晶组合物包含质量百分含量为1%～60%的通式Ⅰ所示的液晶化合物、1%～70%的通式Ⅱ所示的液晶化合物、1%～70%的通式Ⅲ所示的液晶化合物、0～40%的通式Ⅳ所示的液晶化合物和0～40%的通式Ⅴ所示的液晶化合物。
所述液晶组合物优选包含质量百分含量为5%～40%的通式Ⅰ所示的液晶化合物、10%～60%的通式Ⅱ所示的液晶化合物、5%～60%的通式Ⅲ所示的液晶化合物、5%～30%的通式Ⅳ所示的液晶化合物和5%～30%的通式Ⅴ所示的液晶化合物。
所述液晶组合物还包含有旋光性组分，所述旋光性组分的加入量为通式Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ所示液晶化合物质量之和的0.2%以下且不为零。
所述通式Ⅰ所示的液晶化合物优选Ⅰ-a～Ⅰ-k所示的化合物：
其中，-(F)是-H或-F；
所述通式Ⅰ所示的液晶化合物最优选自下列化合物：
所述通式Ⅱ所示的液晶化合物优选Ⅱ-a～Ⅱ-i所示的化合物：
其中，-(F)是-H或-F；
所述通式Ⅱ所示的液晶化合物最优选自下列化合物：
所述通式Ⅲ所示的液晶化合物优选Ⅲ-a～Ⅲ-l所示的化合物：
其中，-(F)是-H或-F；
所述通式Ⅲ所示的液晶化合物最优选自下列化合物：
所述通式Ⅳ所示的液晶化合物优选Ⅳ-a～Ⅳ-e所示的化合物：
所述通式Ⅳ所示的液晶化合物最优选自下列化合物：
所述通式Ⅴ所示的液晶化合物优选Ⅴ-a～Ⅴ-q所示的化合物：
其中，-(F)是-H或-F；
所述通式Ⅴ所示的液晶化合物最优选自下列化合物：
下面的实施例1～15分别按比例称取具有通式Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的液晶化合物，并在此基础上加入旋光性化合物，制备得液晶组合物。所使用的各种液晶单体均可以通过公知的方法进行合成，或通过商业途径获得。液晶组合物的制备方法采取常规方法，例如在高温下将各种组分的液晶单体溶解在溶剂中进行混合，然后在减压条件下蒸除溶剂，得到液晶组合物；或采取加热、超声波、悬浮等方法将液晶单体按比例混合制得。将所得的液晶组合物填充于液晶显示器两基板间进行性能测试。具体化合物的单体结构、用量（质量百分含量）、所得的液晶组合物的性能参数测试结果均列于表中。表1～15对应实施例1～15。
表1实施例1的液晶组合物的组分配比及其性能参数
表2实施例2的液晶组合物的组分配比及其性能参数
表3实施例3的液晶组合物的组分配比及其性能参数
表4实施例4的液晶组合物的组分配比及其性能参数
表5实施例5的液晶组合物的组分配比及其性能参数
表6实施例6的液晶组合物的组分配比及其性能参数
表7实施例7的液晶组合物的组分配比及其性能参数
表8实施例8的液晶组合物的组分配比及其性能参数
表9实施例9的液晶组合物的组分配比及其性能参数
表10实施例10的液晶组合物的组分配比及其性能参数
表11实施例11的液晶组合物的组分配比及其性能参数
表12实施例12的液晶组合物的组分配比及其性能参数
表13实施例13的液晶组合物的组分配比及其性能参数
表14实施例14的液晶组合物的组分配比及其性能参数
表15实施例15的液晶组合物的组分配比及其性能参数
由实施例1～15所示的液晶组合物的性能参数可知，本发明液晶组合物具有绝对值很大的正介电各向异性、较宽的向列相范围、较高的清亮点、较低的旋转粘度和较快的响应速度，而且在低温下稳定性非常好，特别适用于制造低电压驱动的、快速响应的有源矩阵TN-TFT、IPS-TFT液晶显示元件和液晶显示器。
本发明虽然仅仅列举了上述15个实施例的具体化合物及其配比用量（质量百分含量），并进行了性能测试，但是本发明的液晶组合物可以在上述实施例的基础上，利用本发明所涉及的通式Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ所代表的液晶化合物、以及通式Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的优选、最优选的液晶化合物进行进一步拓展和修改，并对其配比用量进行适当调整，对均能达到本发明的目的。
Claims (10)
1.一种正介电各向异性液晶组合物，其特征在于：所述液晶组合物包含通式Ⅰ所示的液晶化合物、通式Ⅱ所示的液晶化合物、通式Ⅲ所示的液晶化合物、通式Ⅳ所示的液晶化合物和通式Ⅴ所示的液晶化合物；
其中，
R1、R2、R7、R8、X4、X7分别是下列①～④所示基团中的任一基团：
①-H、-Cl、-F、-CN、-OCN、-OCF3、-CF3、-CHF2、-CH2F、-OCHF2、-SCN、-NCS、-SF5，
②含有1～15个碳原子的烷基、含有1～15个碳原子的烷氧基、含有2～15个碳原子的烯基、含有2～15个碳原子的烯氧基，
③一个或多个-CH2-被-CH=CH-、-C≡C-、-COO-、-OOC-、
-O-或-S-替代且替代后基团中的氧原子不直接相连的上述②所示基团，
④任意H原子被氟原子或氯原子取代的上述②、③所示基团；
R3、R4、R5、R6分别是H原子、含有1～10个碳原子的烷基或任意H原子被氟原子取代的含有1～10个碳原子的烷基、含有1～10个碳原子的烷氧基或任意H原子被氟原子取代的含有1～10个碳原子的烷氧基、含有2～10个碳原子的链烯基或任意H原子被氟原子取代的含有2～10个碳原子的链烯基、含有3～8个碳原子的链烯氧基或任意H原子被氟原子取代的含有3～8个碳原子的链烯氧基的其中任一基团；
X1、X2、X3、X5、X6分别是-H或-F；
Z1、Z2、Z3分别是单键、-CH2-、-CH2CH2-、-(CH2)3-、-(CH2)4-、-CH=CH-、-C≡C-、-COO-、-OOC-、-CF2O-、-OCH2-、-CH2O-、-OCF2-、-CF2CH2-、-CH2CF2-、-CF2CF2-或-CF=CF-的其中任意一种；
环A1、环A2、环A3、环A4、环A5、环A6、环A7、环A8、环A9、环A10、环A11分别是单键或下列基团中的任一基团：
a、b、d、e、f、g、h、i分别是0、1、2或3的其中任一数值，c是1或2的其中任一数值，且a+b+c≤5。
2.根据权利要求1所述的一种正介电各向异性液晶组合物，其特征在于：所述液晶组合物包含质量百分含量为1%～60%的通式Ⅰ所示的液晶化合物、1%～70%的通式Ⅱ所示的液晶化合物、1%～70%的通式Ⅲ所示的液晶化合物、0～40%的通式Ⅳ所示的液晶化合物和0～40%的通式Ⅴ所示的液晶化合物。
3.根据权利要求2所述的一种正介电各向异性液晶组合物，其特征在于：所述液晶组合物包含质量百分含量为5%～40%的通式Ⅰ所示的液晶化合物、10%～60%的通式Ⅱ所示的液晶化合物、5%～60%的通式Ⅲ所示的液晶化合物、5%～30%的通式Ⅳ所示的液晶化合物和5%～30%的通式Ⅴ所示的液晶化合物。
4.根据权利要求1～3任一项所述的一种正介电各向异性液晶组合物，其特征在于：
所述通式Ⅰ所示的液晶化合物是Ⅰ-a～Ⅰ-k所示化合物中的一种或几种：
所述通式Ⅱ所示的液晶化合物是Ⅱ-a～Ⅱ-i所示化合物中的一种或几种：
所述通式Ⅲ所示的液晶化合物是Ⅲ-a～Ⅲ-l所示化合物中的一种或几种：
所述通式Ⅳ所示的液晶化合物是Ⅳ-a～Ⅳ-e所示化合物中的一种或几种：
所述通式Ⅴ所示的液晶化合物是Ⅴ-a～Ⅴ-q所示化合物中的一种或几种：
其中，-(F)是-H或-F。
5.根据权利要求4所述的一种正介电各向异性液晶组合物，其特征在于：所述通式Ⅰ所示的液晶化合物是下列化合物中的一种或几种：
6.根据权利要求4所述的一种正介电各向异性液晶组合物，其特征在于：所述通式Ⅱ所示的液晶化合物是下列化合物中的一种或几种：
7.根据权利要求4所述的一种正介电各向异性液晶组合物，其特征在于：所述通式Ⅲ所示的液晶化合物是下列化合物中的一种或几种：
8.根据权利要求4所述的一种正介电各向异性液晶组合物，其特征在于：所述通式Ⅳ所示的液晶化合物是下列化合物中的一种或几种：
9.根据权利要求4所述的一种正介电各向异性液晶组合物，其特征在于：所述通式Ⅴ所示的液晶化合物是下列化合物中的一种或几种：
10.根据权利要求1所述的一种正介电各向异性液晶组合物，其特征在于：所述液晶组合物还包含有旋光性组分，所述旋光性组分的加入量为通式Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ所示液晶化合物质量之和的0.2%以下且不为零。
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