CN103923498A - 形成黑矩阵的组合物、黑矩阵、显示基板和改性方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种形成黑矩阵的组合物、黑矩阵、显示基板和改性方法。该形成黑矩阵的组合物包括炭黑，炭黑的表面带有活性基团，活性基团能使炭黑由聚集体状态转换为纳米粒子的单分散状态。该组合物通过带在炭黑表面的活性基团，使炭黑能由聚集体状态转换为纳米粒子的单分散状态，从而大大提升了炭黑在形成黑矩阵的组合物中的分散效果，进而使黑矩阵的遮光效果更加均匀；另外，改性后的炭黑，还大大增强了黑矩阵与玻璃基板的粘结强度；本发明中形成黑矩阵的组合物中不再需要添加分散剂以及其它偶联剂，从而减少了制备工序，节约了成本。

Description

形成黑矩阵的组合物、黑矩阵、显示基板和改性方法

技术领域

本发明涉及显示技术领域，具体地，涉及一种形成黑矩阵的组合物、黑矩阵、显示基板和改性方法。

背景技术

薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD）经过最近几十年的发展，技术和工艺日趋成熟，已经取代冷阴二极管（CCFL）显示器，成为显示领域的主流产品。

在TFT-LCD的显示面板中，由于金属引线（如栅线和数据线）、薄膜晶体管等处电场混乱，透光不受控制，不能用于显示，所以必须要将这些位置的光挡住，这就需要在这些位置设置黑矩阵。

由于炭黑具有良好的遮光性能，所以被广泛用作形成黑矩阵的主要材料。但目前所使用的黑矩阵，普遍存在以下两方面的问题：一方面，如图1所示，炭黑1粒子很容易团聚，形成粒径较大（粒径一般分布在1-10μm之间）的聚集体大颗粒（如图2所示），所以通常需要在形成黑矩阵3的材料中添加分散剂，这不仅使得黑矩阵3的材料成本上升，而且使得形成黑矩阵3的材料成分更加复杂，炭黑1的分散效果也远远达不到理想的程度，这会直接导致黑矩阵3的遮光效果不均匀。

现今，为了满足对黑矩阵的遮光性能的要求，主要通过增加黑矩阵中炭黑的用量或者增加黑矩阵的厚度来实现，这样导致的直接后果就是黑矩阵所在显示基板的表面断差增大，表面断差增大会引发一系列的问题，如显示面板中的隔垫物位置精度的控制问题、摩擦形成取向膜时断差导致摩擦不均匀等。另一方面，在显示面板进行信赖性测试中，发现在剥离测试电极时，黑矩阵和黑矩阵所在的显示基板（玻璃基板）之间通常会在剥离作用力下分离开来，这说明黑矩阵与其所在的玻璃基板之间的粘结强度不够。

目前，随着显示器逐步向高分辨率以及窄边框的方向进一步发展，对黑矩阵的遮光均匀度和与玻璃基板的粘结强度要求越来越高。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述技术问题，提供一种形成黑矩阵的组合物、黑矩阵、显示基板和改性方法。该形成黑矩阵的组合物通过带在炭黑表面的活性基团，使炭黑能由聚集体状态转换为纳米粒子的单分散状态，从而大大提升了炭黑在形成黑矩阵的组合物中的分散效果，进而使黑矩阵的遮光效果更加均匀。

本发明提供一种形成黑矩阵的组合物，包括炭黑，所述炭黑的表面带有活性基团，所述活性基团能使所述炭黑由聚集体状态转换为纳米粒子的单分散状态。

优选地，所述纳米粒子的粒径范围为10-100nm。

优选地，所述炭黑经改性剂的改性处理使其表面带有所述活性基团，所述改性剂包括具有氧化性的酸类。

优选地，所述具有氧化性的酸类包括硝酸，所述活性基团包括羧基和硝酸根基，所述硝酸能对所述炭黑进行氧化，使所述炭黑表面带有所述羧基和所述硝酸根基，所述羧基经电离后能使所述炭黑表面带有COO^-键。

优选地，所述具有氧化性的酸类包括过硫酸铵和/或硫酸，所述活性基团包括羧基和硫酸根基，所述过硫酸铵和/或所述硫酸能对所述炭黑进行氧化，使所述炭黑表面带有所述羧基和所述硫酸根基，所述羧基经电离后能使所述炭黑表面带有COO^-。

优选地，所述改性剂还包括硅烷偶联剂，所述硅烷偶联剂能通过所述COO^-键嫁接到所述炭黑表面，所述硅烷偶联剂带有的所述活性基团包括硫酸根基、羧基或硝酸根基。

优选地，所述硅烷偶联剂的通式为YSiX₃，所述Y为含有官能团的有机链，所述官能团能与所述COO^-键进行反应并链接，所述官能团包括羟基、-NH₂、-SH或-HSO₃；所述X为可水解的基团，所述X包括甲氧基、乙氧基或乙酰氧基，所述X水解后能链接在所述有机链的末端并生成硅羟基，所述硅羟基能与玻璃基板表面结合形成硅氧硅键。

优选地，所述组合物还包括聚合体丙烯类聚合物、单体丙烯酸酯、起始剂和溶剂，所述溶剂用于将所述聚合体丙烯类聚合物、所述单体丙烯酸酯、所述起始剂和所述炭黑进行溶解混合，所述起始剂用于引发所述聚合体丙烯类聚合物和所述单体丙烯酸酯发生光聚合反应。

本发明还提供一种黑矩阵，所述黑矩阵采用上述的组合物形成。

本发明还提供一种显示基板，所述显示基板包括彩膜基板和/或阵列基板，所述彩膜基板和/或所述阵列基板包括上述的黑矩阵。

本发明还提供一种改性方法，包括：采用改性剂对炭黑进行改性处理，使所述炭黑表面带有活性基团，所述改性处理具体包括：

将所述改性剂与所述炭黑进行混合搅拌，使所述改性剂与所述炭黑进行反应；

通过离心洗涤对所述炭黑进行洗涤；

对洗涤后的所述炭黑进行烘干。

优选地，所述改性剂包括具有氧化性的酸类，所述炭黑与所述具有氧化性的酸类的混合质量比范围为1:5-1:20，所述具有氧化性的酸类包括硝酸、过硫酸铵或硫酸，所述硝酸和所述硫酸的浓度范围为2-20mol/L，所述过硫酸铵的浓度范围为1-10mol/L。

优选地，所述改性剂还包括硅烷偶联剂，所述炭黑与所述硅烷偶联剂的混合质量比范围为1:5-1:20，所述硅烷偶联剂的浓度范围为0.5-5mol/L。

优选地，所述搅拌的速度范围为30r/min-200r/min；

所述反应的温度范围为40℃-100℃，所述反应的时长范围为0.5h-12h；

所述烘干的温度范围为40℃-150℃，所述烘干的时间范围为2h-36h。

本发明的有益效果：本发明所提供的形成黑矩阵的组合物，通过带在炭黑表面的活性基团，使炭黑能由聚集体状态转换为纳米粒子的单分散状态，从而大大提升了炭黑在形成黑矩阵的组合物中的分散效果，进而使黑矩阵的遮光效果更加均匀；另外，改性后的炭黑，还大大增强了黑矩阵与玻璃基板的粘结强度；本发明中形成黑矩阵的组合物中不再需要添加分散剂，从而节约了成本。

本发明所提供的黑矩阵通过采用上述组合物，能使黑矩阵的遮光效果更加均匀。本发明所提供的显示基板通过采用该黑矩阵，从而大大提升了显示基板的显示效果。

附图说明

图1为现有技术中炭黑在形成黑矩阵的组合物中的分布示意图；

图2为图1中炭黑的粒径尺寸分布图；

图3为本发明实施例1中炭黑在形成黑矩阵的组合物中的分布示意图；

图4为图3中炭黑的粒径尺寸分布图；

图5为本发明实施例1中硝酸和带有硫酸根基的硅烷偶联剂对炭黑进行改性反应的反应过程示意图；

图6为本发明实施例1中通过不同的改性时间对炭黑进行改性后的炭黑的粒径尺寸分布图；

图7为本发明实施例2中硫酸和带有硫酸根基的硅烷偶联剂对炭黑进行改性反应的反应过程示意图。

其中的附图标记说明：

1.炭黑；2.玻璃基板；3.黑矩阵。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明所提供的一种形成黑矩阵的组合物、黑矩阵、显示基板和改性方法作进一步详细描述。

实施例1：

本实施例提供一种形成黑矩阵3的组合物，如图3所示，包括炭黑1，炭黑1的表面带有活性基团，活性基团能使炭黑1由聚集体状态转换为纳米粒子的单分散状态。

如图4所示，纳米粒子的粒径范围为10-100nm。

本实施例中，炭黑1经改性剂的改性处理使其表面带有活性基团，改性剂包括具有氧化性的酸类。其中，具有氧化性的酸类为硝酸，如图5所示，活性基团包括羧基和硝酸根基，硝酸能对炭黑1进行氧化，使炭黑1表面带有羧基（-COOH）和少量的硝酸根基NO₃ ^-，羧基在水中容易电离，羧基经电离后能使炭黑1表面带有COO^-键，由于COO^-键和NO₃ ^-都带有负电荷，所以能使炭黑1表面带上负电荷，基于同性电荷相互之间相互排斥的原理，炭黑1能在同性电荷排斥力的作用下由粒径较大的微米聚集体状态向粒径较小的纳米单分散状态转换，从而能够提升炭黑1在形成黑矩阵的组合物中的分散效果，进而能够使黑矩阵的遮光效果更加均匀。

改性剂还包括硅烷偶联剂，硅烷偶联剂能通过COO^-键嫁接到炭黑1表面，硅烷偶联剂带有的活性基团包括硫酸根基、羧基或硝酸根基。

其中，硅烷偶联剂的通式为YSiX₃，Y为含有官能团的有机链，官能团能与COO^-键进行反应并链接，官能团包括羟基、-NH₂、-SH或-HSO₃；X为可水解的基团，X包括甲氧基、乙氧基或乙酰氧基，X水解后能链接在有机链的末端并生成硅羟基，硅羟基能与玻璃基板表面结合形成硅氧硅键。

本实施例中，如图5所示，硅烷偶联剂带有的活性基团为硫酸根基（SO₄ ^2-），由于硫酸根基带有二价的负电荷，所以带有硫酸根基的硅烷偶联剂的嫁接能使得炭黑1表面所带的负电荷量增多，炭黑1表面带有的同性电荷量越多，则炭黑1表面之间的排斥力越大，炭黑1也就越容易转换为粒径较小的单分散粒子状态，从而能够进一步提升炭黑1在形成黑矩阵的组合物中的分散效果，使黑矩阵的遮光效果更加均匀。另外，本实施例中，X为乙氧基（CH₃-CH₂-O-），乙氧基水解之后在有机链的末端形成硅羟基，由于黑矩阵最终要涂覆到玻璃基板2上，玻璃基板2的主要成分为硅类化合物，在其表面存在一定数量的硅羟基，两者经过缩合反应能生成硅氧硅键（Si-O-Si）进而结合到一起。硅氧硅键的存在能够使黑矩阵与玻璃基板2紧密地结合在一起，从而大大增强了黑矩阵与玻璃基板2之间的粘结强度，使黑矩阵不容易从玻璃基板2上剥离下来。

通过使用硅烷偶联剂，可在无机物质（玻璃基板2）与有机物质（黑矩阵）的界面之间架起“分子桥”，把两种性质悬殊的材料连接在一起，从而提高了复合材料（黑矩阵与玻璃基板2之间的材料复合）的性能。

上述通过硝酸和带有硫酸根基的硅烷偶联剂对炭黑1进行改性反应的反应过程如图5所示。

需要说明的是，上述对炭黑1的改性处理，也可以使炭黑1表面带有正电荷。总之，只要确保经过改性处理的炭黑1表面带有同性电荷，就能够起到使炭黑1进行分散的作用。

形成黑矩阵的组合物还包括聚合体丙烯类聚合物、单体丙烯酸酯、起始剂和溶剂，溶剂用于将聚合体丙烯类聚合物、单体丙烯酸酯、起始剂和炭黑1进行溶解混合，起始剂用于引发聚合体丙烯类聚合物和单体丙烯酸酯发生光聚合反应。其中，聚合体丙烯类聚合物和单体丙烯酸酯是聚合反应的主体，光聚合反应（如曝光）能使形成黑矩阵的组合物固化到玻璃基板2上。

本实施例还提供一种改性方法，包括：采用改性剂对炭黑进行改性处理，使炭黑表面带有活性基团，改性处理具体包括：

步骤S1：将改性剂与炭黑进行混合搅拌，使改性剂与炭黑进行反应；

步骤S2：通过离心洗涤对炭黑进行洗涤；

步骤S3：对洗涤后的炭黑进行烘干。

其中，改性剂包括具有氧化性的酸类，还包括硅烷偶联剂，在改性处理过程中，先使具有氧化性的酸类与炭黑在混合搅拌下进行反应，炭黑与具有氧化性的酸类的混合质量比范围为1:5-1:20，具有氧化性的酸类包括硝酸、过硫酸铵或硫酸，硝酸和硫酸的浓度范围为2-20mol/L，过硫酸铵的浓度范围为1-10mol/L。其中，搅拌的速度范围控制在30r/min-200r/min；反应时的温度范围控制在40℃-100℃，反应的时长范围控制在0.5h-12h。具有氧化性的酸类与炭黑的反应结束后，采用高速的离心洗涤将炭黑洗涤至偏酸性，然后将炭黑置于烘箱中进行烘干活化，烘干的温度范围为40℃-150℃，烘干的时间范围为2h-36h。最后将烘干后的炭黑用玻璃棒轻轻碾压。

接着，在碾压后的炭黑中加入合适的溶剂，通过超声使炭黑在溶剂中进行一定时间的分散，然后对溶有炭黑的溶剂进行搅拌，搅拌的同时缓慢加入硅烷偶联剂，硅烷偶联剂与炭黑在混合搅拌中进行反应。炭黑与硅烷偶联剂的混合质量比范围为1:5-1:20，硅烷偶联剂的浓度范围为0.5-5mol/L。其中，搅拌的速度范围控制在30r/min-200r/min；反应时的温度范围控制在40℃-100℃，反应的时长范围控制在0.5h-12h。硅烷偶联剂与炭黑反应结束后，采用高速离心洗涤溶剂以及未反应的物料去除，然后将留下的产物置于表面皿中，在烘箱中进行烘干，烘干的温度范围为40℃-150℃，烘干的时间范围为2h-36h。

如图6（a）、（b）和（c）中所示分别为改性时间为0h、2h、4h的炭黑的粒径分布图，由图中可以看出，改性时间越长，炭黑从聚集体状态向单分散状态的转换越明显，即改性时间越长，单分散状态的炭黑粒子的粒径越小。粒径越小，则炭黑在形成黑矩阵的组合物中的分散效果越好，黑矩阵的遮光效果也就越均匀。

通过上述改性方法及其中的改性参数，能使炭黑最终转换为纳米粒子的高分散状态，从而大大提高了炭黑在形成黑矩阵的组合物中的分散效果，进而大大提升了黑矩阵的遮光效果。

实施例2：

本实施例提供一种形成黑矩阵的组合物，与实施例1中不同的是，具有氧化性的酸类为过硫酸铵和/或硫酸。本实施例中，如图7所示，具有氧化性的酸类为硫酸，活性基团包括羧基和硫酸根基，硫酸能对炭黑1进行氧化，使炭黑1表面带有羧基（COOH）和硫酸根基（SO₄ ^2-），羧基经电离后能使炭黑1表面带有COO^-。

由于COO^-键和SO₄ ^2-都带有负电荷，所以能使炭黑1表面带上负电荷，基于同性电荷相互之间相互排斥的原理，炭黑1能在同性电荷排斥力的作用下由粒径较大的微米聚集体状态向粒径较小的纳米单分散状态转换，从而能够提升炭黑1在形成黑矩阵的组合物中的分散效果，进而能够使黑矩阵的遮光效果更加均匀。

本实施例中组合物的其他组成以及炭黑的改性方法均与实施例1中相同，此处不再赘述。

实施例1-2的有益效果：实施例1-2中所提供的形成黑矩阵的组合物，通过带在炭黑表面的活性基团，使炭黑能由聚集体状态转换为纳米粒子的单分散状态，从而大大提升了炭黑在形成黑矩阵的组合物中的分散效果，进而使黑矩阵的遮光效果更加均匀；另外，通过硅烷偶联剂对炭黑的改性，大大增强了黑矩阵与玻璃基板的粘结强度；实施例1-2中形成黑矩阵的组合物中不再需要添加分散剂，从而节约了成本。

实施例3：

本实施例提供一种形成黑矩阵的组合物，与实施例1-2中不同的是，改性剂只包括具有氧化性的酸类，不包括硅烷偶联剂。

本实施例中，虽然不再采用硅烷偶联剂对炭黑进行改性，但只要在通过具有氧化性的酸类对炭黑进行改性之后，炭黑表面能够带有足够的同性电荷，同样能够使炭黑由聚集体状态转换为纳米粒子的单分散状态，从而提升炭黑在形成黑矩阵的组合物中的分散效果，进而使黑矩阵的遮光效果更加均匀。

相应地，对炭黑的改性方法中，改性剂也只包括具有氧化性的酸类。

本实施例中组合物的其他组成以及改性方法的其他步骤均与实施例1或2中相同，此处不再赘述。

实施例3的有益效果：实施例3中所提供的形成黑矩阵的组合物，通过带在炭黑表面的活性基团，使炭黑能由聚集体状态转换为纳米粒子的单分散状态，从而大大提升了炭黑在形成黑矩阵的组合物中的分散效果，进而使黑矩阵的遮光效果更加均匀；另外，实施例3中形成黑矩阵的组合物中不再需要添加分散剂，从而节约了成本。

实施例4：

本实施例提供一种黑矩阵，该黑矩阵采用实施例1-3任意一个中的组合物形成。

通过采用实施例1-3任意一个中的组合物，能使黑矩阵的遮光效果更加均匀。

实施例5：

本实施例提供一种显示基板，显示基板包括彩膜基板和/或阵列基板，彩膜基板和/或阵列基板包括实施例4中的黑矩阵。

通过采用实施例4中的黑矩阵，从而大大提升了彩膜基板和/或阵列基板的显示效果。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种形成黑矩阵的组合物，包括炭黑，其特征在于，所述炭黑的表面带有活性基团，所述活性基团能使所述炭黑由聚集体状态转换为纳米粒子的单分散状态。

2.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述纳米粒子的粒径范围为10-100nm。

3.根据权利要求2所述的组合物，其特征在于，所述炭黑经改性剂的改性处理使其表面带有所述活性基团，所述改性剂包括具有氧化性的酸类。

4.根据权利要求3所述的组合物，其特征在于，所述具有氧化性的酸类包括硝酸，所述活性基团包括羧基和硝酸根基，所述硝酸能对所述炭黑进行氧化，使所述炭黑表面带有所述羧基和所述硝酸根基，所述羧基经电离后能使所述炭黑表面带有COO-键。

5.根据权利要求3所述的组合物，其特征在于，所述具有氧化性的酸类包括过硫酸铵和/或硫酸，所述活性基团包括羧基和硫酸根基，所述过硫酸铵和/或所述硫酸能对所述炭黑进行氧化，使所述炭黑表面带有所述羧基和所述硫酸根基，所述羧基经电离后能使所述炭黑表面带有COO^-。

6.根据权利要求4或5所述的组合物，其特征在于，所述改性剂还包括硅烷偶联剂，所述硅烷偶联剂能通过所述COO^-键嫁接到所述炭黑表面，所述硅烷偶联剂带有的所述活性基团包括硫酸根基、羧基或硝酸根基。

7.根据权利要求6所述的组合物，其特征在于，所述硅烷偶联剂的通式为YSiX₃，所述Y为含有官能团的有机链，所述官能团能与所述COO^-键进行反应并链接，所述官能团包括羟基、-NH₂、-SH或-HSO₃；所述X为可水解的基团，所述X包括甲氧基、乙氧基或乙酰氧基，所述X水解后能链接在所述有机链的末端并生成硅羟基，所述硅羟基能与玻璃基板表面结合形成硅氧硅键。

8.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述组合物还包括聚合体丙烯类聚合物、单体丙烯酸酯、起始剂和溶剂，所述溶剂用于将所述聚合体丙烯类聚合物、所述单体丙烯酸酯、所述起始剂和所述炭黑进行溶解混合，所述起始剂用于引发所述聚合体丙烯类聚合物和所述单体丙烯酸酯发生光聚合反应。

9.一种黑矩阵，其特征在于，所述黑矩阵采用权利要求1-8任意一项所述的组合物形成。

10.一种显示基板，所述显示基板包括彩膜基板和/或阵列基板，其特征在于，所述彩膜基板和/或所述阵列基板包括权利要求9所述的黑矩阵。

11.一种改性方法，其特征在于，包括：采用改性剂对炭黑进行改性处理，使所述炭黑表面带有活性基团，所述改性处理具体包括：

将所述改性剂与所述炭黑进行混合搅拌，使所述改性剂与所述炭黑进行反应；

通过离心洗涤对所述炭黑进行洗涤；

对洗涤后的所述炭黑进行烘干。

12.根据权利要求11所述的改性方法，其特征在于，所述改性剂包括具有氧化性的酸类，所述炭黑与所述具有氧化性的酸类的混合质量比范围为1:5-1:20，所述具有氧化性的酸类包括硝酸、过硫酸铵或硫酸，所述硝酸和所述硫酸的浓度范围为2-20mol/L，所述过硫酸铵的浓度范围为1-10mol/L。

13.根据权利要求12所述的改性方法，其特征在于，所述改性剂还包括硅烷偶联剂，所述炭黑与所述硅烷偶联剂的混合质量比范围为1:5-1:20，所述硅烷偶联剂的浓度范围为0.5-5mol/L。

14.根据权利要求11所述的改性方法，其特征在于，

所述搅拌的速度范围为30r/min-200r/min；

所述反应的温度范围为40℃-100℃，所述反应的时长范围为0.5h-12h；

所述烘干的温度范围为40℃-150℃，所述烘干的时间范围为2h-36h。