CN104152153A - 一种低阈值低粘度的向列相液晶材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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CN104152153A CN201410352863.5A CN201410352863A CN104152153A CN 104152153 A CN104152153 A CN 104152153A CN 201410352863 A CN201410352863 A CN 201410352863A CN 104152153 A CN104152153 A CN 104152153A
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Abstract

本发明公开了一种低阈值低粘度的向列相液晶材料及其制备方法和应用，所述液晶材料由37.57～42.29％的具有二联环己基为骨架结构的系列衍生物作为组分A、35.13～39.76％的具有二苯乙炔苯基为骨架结构侧基二氟的系列衍生物作为组分B、7.56～12.43％的具有以中间基团连接环己基和苯基为骨架结构的系列衍生物作为组分C、5.52～9.81％的具有苯基环己基侧氟为骨架结构的系列衍生物作为组分D、0.0～4.38％的具有以二氟乙烯连接二苯基为骨架结构的系列衍生物作为组分E、0.0～4.34％的具有以酯基连接二苯基为骨架结构侧基二氟端基氰基的系列衍生物作为组分F、0.0～1.87％的具有以环己基二联苯为骨架结构侧基二氟末基氟基的系列衍生物作为组分G熔融混合形成的向列相液晶材料。

Description

一种低阈值低粘度的向列相液晶材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于液晶材料技术领域，具体涉及一种低阈值低粘度的向列相液晶材料及其制备方法和应用。
背景技术
液晶作为一种重要的材料，由于其优异的光学、电学性能，已经被广泛的应用于各种显示器件中。
液晶的电光响应速度对液晶显示器及其他液晶光学器件的性能有着十分重要的影响。目前，越来越多的液晶应用都要求向列相液晶材料具有更短的响应时间，如液晶显示器、应用于自适应光学的液晶空间光调制器、应用于光通讯的液晶光开关、光调制器等。而降低向列相液晶的粘度是提高液晶显示器件响应速度的一种有效方法。
此外，为降低液晶显示器件的功耗，需要较低的驱动电压，即要求所采用的液晶材料具有较低的阀值电压，而液晶材料的阀值电压一般由液晶材料的介电各向异性决定。但目前我们所用到的介电各向异性很大的液晶材料，其相应的粘度也非常大，而低粘度的液晶材料，其介电各向异性却相对较小。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种低阈值低粘度的向列相液晶材料，该液晶材料的阈值电压较低(≤2.0V)、粘度较低(≤15mm2·s-1)，可以制备性能优异的光电器件，在快速响应、显示方面有广阔的应用前景。
为达成上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种低阈值低粘度的向列相液晶材料，以质量百分比计，所述液晶材料包括37.57～42.29％的组分A、35.13～39.76％的组分B、7.56～12.43％的组分C、5.52～9.81％的组分D、0.0～4.38％的组分E、0.0～4.34％的组分F、0.0～1.87％的组分G；
其中，组分A由具有二联环己基为骨架结构的系列衍生物组成；
组分B由具有二苯乙炔苯基为骨架结构侧基二氟的系列衍生物组成；
组分C由具有以中间基团连接环己基和苯基为骨架结构的系列衍生物组成；
组分D由具有苯基环己基侧氟为骨架结构的系列衍生物组成；
组分E由具有以二氟乙烯连接二苯基为骨架结构的系列衍生物组成；
组分F由具有以酯基连接二苯基为骨架结构侧基二氟端基氰基的系列衍生物组成；
组分G由具有以环己基二联苯为骨架结构侧基二氟末基氟基的系列衍生物组成。
进一步地，组分A由下述通式所示化合物中任意一种或多种以任意比例混合而成：
其中，R1为含1到9个碳的烷基或含1到9个碳的烷氧基，R2为含1到9个碳的烷基或含1到9个碳的不饱和烷基。
进一步地，组分B由下述通式所示化合物中的任意一种或多种以任意比例混合而成：
其中，R3、R4为含1到9个碳的烷基。
进一步地，组分C由下述通式所示化合物中的任意一种或多种以任意比例混合而成：
其中，中间基团X为烷基或环己基，R5为含1到9个碳的烷基或含1到9个碳的烷氧基或氰基或氟基，R6为含1到9个碳的烷基或含1到9个碳的不饱和烷基。
更进一步地，中间基团X为烷基时，可以为乙基或丁基。
进一步地，组分D由下述通式所示化合物中的任意一种或多种以任意比例混合而成：
其中，R7为氰基或氟基，R8为含1到9个碳的烷基或含1到9个碳的不饱和烷基或或n为1-9的整数。
进一步地，组分E由下述通式所示化合物中的任意一种或多种以任意比例混合而成：
其中，R9和R10为含1到9个碳的烷基。
进一步地，组分F由下述通式所示化合物中的任意一种或多种以任意比例混合而成：
其中，R11为含1到9个碳的烷基或含1到9个碳的不饱和烷基。
进一步地，组分G由下述通式所示化合物中的任意一种或多种以任意比例混合而成：
其中，R12为含1到9个碳的烷基。
本发明还提供了上述的低阈值低粘度的向列相液晶材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：将组分A至组分G熔融混合即得低阈值低粘度的向列相液晶材料。
本发明的有益效果在于：该液晶材料具有粘度低(≤15mm2·s-1)，阈值电压较低(≤2.0V)的特点，能够制备低工作电压、快速响应的液晶器件，适用于显示、光电器件等广阔的应用领域。
本发明提供的低阈值低粘度的向列相液晶材料作为光电显示器件的材料的用途。该向列相液晶材料可用于制备性能优异、快速响应的光电显示器件。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合具体实施的例子对本发明做进一步详细的描述，然而，所述的实施例不应以限制的方式解释。
在本发明中，低阈值低粘度的向列相液晶材料由37.57～42.29％的具有二联环己基为骨架结构的系列衍生物作为组分A、35.13～39.76％的具有二苯乙炔苯基为骨架结构侧基二氟的系列衍生物作为组分B、7.56～12.43％的具有以中间基团连接环己基和苯基为骨架结构的系列衍生物作为组分C、5.52～9.81％的具有苯基环己基侧氟为骨架结构的系列衍生物作为组分D、0.0～4.38％的具有以二氟乙烯连接二苯基为骨架结构的系列衍生物作为组分E、0.0～4.34％的具有以酯基连接二苯基为骨架结构侧基二氟端基氰基的系列衍生物作为组分F、0.0～1.87％的具有以环己基二联苯为骨架结构侧基二氟末基氟基的系列衍生物作为组分G按总质量100％熔融混合形成。
本发明的具体设计原理如下：组分A作为主要成分之一，二联环己烷骨架的粘度低，极性较小，和其它组分相溶性较好，末端上有碳碳双键，对液晶性能影响很大；组分B提供了分子的刚性以及较低的熔点，极性侧基可降低材料粘度，粘度较低同时具有较大的介电各向异性，电阻率也较高；组分C中间桥键采用烷基和环己基，柔性较好；组分D侧基采用含氟基团的液晶不仅粘度大幅降低，而且具有较好的互溶性；组分E、F和G共轭强，极性大，调节液晶的综合性能如介电常数，双折射率，电阻率等，降低阈值电压。七大类由不同链长烷基或烷氧基衍生物混合而成的液晶，稳定性好，可以降低共熔点，增宽向列相温域并有效消除近晶相，最终达到各项性能的均衡和最优，满足实际应用的需求。
性能参数中S→N表示晶体与向列相液晶之间的转变温度；Clearing Point为液晶相与各项同性相之间的转变温度，也就是清亮点温度；ne为非寻常光折射率；no为寻常光折射率；Δn为双折射率；ε∥液晶长轴介电常数；ε⊥为液晶短轴介电常数；Δε为介电各向异性常数；V10为液晶阈值电压；V90为液晶饱和电压。本发明所涉及的折射率测试温度均为25℃，对应波长589nm。涉及到的介电常数测试条件为：1KHz,25℃。涉及到的粘度测试温度为25℃。
实施例1：
液晶材料由40.24％的组分A(A-1：R1＝C3H7，R2＝C2H3占34.15％；A-2：R1＝C3H7，R2＝C5H11占2.85％；A-3：R1＝OC2H5，R2＝C5H9占3.24％)、36.21％的组分B(B-1：R1＝C2H5，R2＝C3H7占11.23％；B-2：R1＝C2H5，R2＝C4H9占8.64％；B-3：R1＝C3H9，R2＝C4H9占8.78％；B-4：R1＝C3H9，R2＝C2H5占7.56％)、11.55％的组分C(C-1：R1＝OC4H9，R2＝C3H7占2.98％；C-2：R1＝OC2H5，X＝C2H4，R2＝C3H7占2.87％；C-3：R1＝CH3，X＝C6H12，R2＝C2H3占2.67％；C-4：R1＝F，X＝C6H12，R2＝C3H7占3.03％)、5.93％的组分D(D-1：R1＝CN，R2＝C2H3占5.57％；D-2：R1＝F，R2＝C6H12-C2H3占0.09％；D-3：R1＝F，R2＝C6H12-C2H5占0.27％)、3.06％的组分E(E：R1＝C3H7，R2＝C3H7占3.06％)、2.68％的组分F(F：R2＝C4H7占2.68％)、0.33％的组分G(G-1：R1＝C3H7占0.12％；G-2：R1＝C5H11占0.21％)熔融混合形成。各组分化合物分子结构式及比例如下表1。
表1 实施例1中液晶材料中各组分化合物的分子结构式及比例
实施例1中液晶材料的物理性质的实际测试结果如下表2。
表2 实施例1液晶材料的相关参数
项目 结果
S→N(℃) -40.3
Clearing Point(℃) 74.0
Viscosity(mm2s-1,25℃) 10.0
Δn(589nm,25℃) 0.14
ne(589nm,25℃) 1.63
no(589nm,25℃) 1.49
ε∥(1KHz,25℃) 6.7
ε⊥(1KHz,25℃) 3.1
Δε(1KHz,25℃) 3.6
V10,25(V) 2.0
V90,25(V) 3.4
实施例2：
液晶材料由37.92％的组分A(A-1：R1＝C3H7，R2＝C2H3占31.37％；A-2：R1＝C3H7，R2＝C5H11占3.91％；A-3：R1＝OC2H5，R2＝C5H9占2.64％)、37.89％的组分B(B-1：R1＝C2H5，R2＝C3H7占12.47％；B-2：R1＝C2H5，R2＝C4H9占9.57％；B-3：R1＝C3H9，R2＝C4H9占8.62％；B-4：R1＝C3H9，R2＝C2H5占7.23％)、9.63％的组分C(C-1：R1＝OC4H9，R2＝C3H7占2.75％；C-2：R1＝OC2H5，X＝C2H4，R2＝C3H7占2.23％；C-3：R1＝C2H5，X＝C6H12，R2＝C2H3占2.14％；C-4：R1＝C2H5，X＝C6H12，R2＝C3H7占2.51％)、8.15％的组分D(D-1：R1＝F，R2＝C2H3占5.88％；D-2：R1＝F，R2＝C6H12-C2H3占2.27％)、3.45％的组分E(E：R1＝C3H7，R2＝C3H7占3.45％)、2.96％的组分F(F：R2＝C4H7占2.96％)熔融混合形成。各组分化合物分子结构式及比例如下表3。
表3 实施例2中液晶材料中各组分化合物的分子结构式及比例
实施例2中液晶材料的物理性质的实际测试结果如下表4。
表4 实施例2液晶材料的相关参数
项目 结果
S→N(℃) -42.1
Clearing Point(℃) 87.0
Viscosity(mm2s-1,25℃) 12.9
Δn(589nm,25℃) 0.14
ne(589nm,25℃) 1.53
no(589nm,25℃) 1.39
ε∥(1KHz,25℃) 7.1
ε⊥(1KHz,25℃) 3.1
Δε(1KHz,25℃) 4.0
V10,25(V) 1.2
V90,25(V) 3.1
实施例3：
液晶材料由41.92％的组分A(A-1：R1＝C3H7，R2＝C2H3占35.49％；A-2：R1＝C3H7，R2＝C5H11占3.91％；A-3：R1＝OC2H5，R2＝C5H9占2.52％)、35.45％的组分B(B-1：R1＝C2H5，R2＝C3H7占10.38％；B-2：R1＝C2H5，R2＝C4H9占9.31％；B-3：R1＝C3H9，R2＝C4H9占8.57％；B-4：R1＝C3H9，R2＝C2H5占7.19％)、12.17％的组分C(C-1：R1＝OC4H9，R2＝C3H7占3.36％；C-2：R1＝OC2H5，X＝C2H4，R2＝C3H7占2.84％；C-3：R1＝C2H5，X＝C6H12，R2＝C2H3占2.18％；C-4：R1＝C2H5，X＝C6H12，R2＝C3H7占3.09％)、9.29％的组分D(D-1：R1＝F，R2＝C2H3占6.98％；D-2：R1＝F，R2＝C6H12-C2H3占2.31％)、1.87％的组分G(G：R1＝C3H7占1.87％)熔融混合形成。各组分化合物分子结构式及比例如下表3。
表5 实施例3中液晶材料中各组分化合物的分子结构式及比例
实施例3中液晶材料的物理性质的实际测试结果如下表6。
表6 实施例3液晶材料的相关参数
项目 结果
S→N(℃) -39.5
Clearing Point(℃) 89.3
Viscosity(mm2s-1,25℃) 12.9
Δn(589nm,25℃) 0.15
ne(589nm,25℃) 1.55
no(589nm,25℃) 1.40
ε∥(1KHz,25℃) 7.4
ε⊥(1KHz,25℃) 3.1
Δε(1KHz,25℃) 4.3
V10,25(V) 1.4
V90,25(V) 3.6
实施例4：
液晶材料由42.29％的组分A(A-1：R1＝C3H7，R2＝C2H3占37.16％；A-2：R1＝C3H7，R2＝C3H7占5.13％)、39.76％的组分B(B-1：R1＝C2H5，R2＝C3H7占10.21％；B-2：R1＝C2H5，R2＝C4H9占9.64％；B-3：R1＝C3H9，R2＝C4H9占9.77％；B-4：R1＝C3H9，R2＝C2H5占10.14％)、12.43％的组分C(C-1：R1＝OC4H9，R2＝C3H7占3.19％；C-2：R1＝OC2H5，X＝C2H4，R2＝C3H7占3.46％；C-3：R1＝CH3，X＝C6H12，R2＝C2H3占2.85％；C-4：R1＝CH3，X＝C6H12，R2＝C3H7占2.93％)、5.52％的组分D(D-1：R1＝CN，R2＝C2H3占3.49％；D-2：R1＝F，R2＝C6H12-C2H3占1.43％；D-3：R1＝F，R2＝C6H12-C2H5占0.60％)熔融混合形成。各组分化合物分子结构式及比例如下表7。
表7 实施例4中液晶材料中各组分化合物的分子结构式及比例
实施例4中液晶材料的物理性质的实际测试结果如下表8。
表8 实施例4液晶材料的相关参数
项目 结果
S→N(℃) -38.8
Clearing Point(℃) 72.7
Viscosity(mm2s-1,25℃) 14.1
Δn(589nm,25℃) 0.13
ne(589nm,25℃) 1.63
no(589nm,25℃) 1.50
ε∥(1KHz,25℃) 6.2
ε⊥(1KHz,25℃) 3.0
Δε(1KHz,25℃) 3.2
V10,25(V) 1.8
V90,25(V) 3.3
实施例5：
液晶材料由37.57％的组分A(A-1：R1＝C3H7，R2＝C2H3占30.28％；A-2：R1＝C3H7，R2＝C3H7占3.72％；A-3：R1＝OC2H5，R2＝C5H9占3.57％)、35.13％的组分B(B-1：R1＝C2H5，R2＝C3H7占9.62％；B-2：R1＝C2H5，R2＝C4H9占8.37％；B-3：R1＝C3H9，R2＝C4H9占8.24％；B-4：R1＝C3H9，R2＝C2H5占8.90％)、7.56％的组分C(C-1：R1＝OC4H9，R2＝C3H7占2.33％；C-2：R1＝OC2H5，X＝C2H4，R2＝C3H7占1.97％；C-3：R1＝CH3，X＝C6H12，R2＝C2H3占2.15％；C-4：R1＝CH3，X＝C6H12，R2＝C3H7占1.11％)、9.81％的组分D(D-1：R1＝CN，R2＝C2H3占2.69％；D-2：R1＝CN，R2＝C2H5占2.28％；D-3：R1＝F，R2＝C6H12-C2H3占2.91％；D-4：R1＝F，R2＝C6H12-C2H5占1.93％)、4.38％的组分E(E：R1＝C3H7，R2＝C3H7占4.38％)、4.34％的组分F(F：R2＝C4H7占4.34％)、1.21％的组分G(G：R1＝C3H7占1.21％)熔融混合形成。各组分化合物分子结构式及比例如下表9。
表9 实施例5中液晶材料中各组分化合物的分子结构式及比例
实施例5中液晶材料的物理性质的实际测试结果如下表10。
表10 实施例5液晶材料的相关参数
项目 结果
S→N(℃) -37.2
Clearing Point(℃) 73.5
Viscosity(mm2s-1,25℃) 14.9
Δn(589nm,25℃) 0.11
ne(589nm,25℃) 1.59
no(589nm,25℃) 1.48
ε∥(1KHz,25℃) 6.2
ε⊥(1KHz,25℃) 3.0
Δε(1KHz,25℃) 3.2
V10,25(V) 1.9
V90,25(V) 3.8
实施例1-5的主要成分组分A和B，对低粘度有很大贡献，其他组分含量较少，以调控向列相温度以及双折射率、介电常数等其他参数，得到综合性能较好的低阈值电压的向列相液晶。实施例1-5所述的液晶混合物在相近的液晶相温域范围、光学各向异性和介电各向异性的条件下，粘度均较目前市场上存在的液晶混合物低，使得使用该液晶混合物的液晶显示器的响应速度快、能耗也大幅降低。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是，凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种低阈值低粘度的向列相液晶材料，其特征在于，以质量百分比计，所述液晶材料包括37.57～42.29％的组分A、35.13～39.76％的组分B、7.56～12.43％的组分C、5.52～9.81％的组分D、0.0～4.38％的组分E、0.0～4.34％的组分F、0.0～1.87％的组分G；
其中，组分A由具有二联环己基为骨架结构的系列衍生物组成；
组分B由具有二苯乙炔苯基为骨架结构侧基二氟的系列衍生物组成；
组分C由具有以中间基团连接环己基和苯基为骨架结构的系列衍生物组成；
组分D由具有苯基环己基侧氟为骨架结构的系列衍生物组成；
组分E由具有以二氟乙烯连接二苯基为骨架结构的系列衍生物组成；
组分F由具有以酯基连接二苯基为骨架结构侧基二氟端基氰基的系列衍生物组成；
组分G由具有以环己基二联苯为骨架结构侧基二氟末基氟基的系列衍生物组成。
2.根据权利要求1所述的低阈值低粘度的向列相液晶材料，其特征在于，组分A由下述通式所示化合物中任意一种或多种以任意比例混合而成：
其中，R1为含1到9个碳的烷基或含1到9个碳的烷氧基，R2为含1到9个碳的烷基或含1到9个碳的不饱和烷基。
3.根据权利要求1所述的低阈值低粘度的向列相液晶材料，其特征在于，组分B由下述通式所示化合物中的任意一种或多种以任意比例混合而成：
其中，R3、R4为含1到9个碳的烷基。
4.根据权利要求1所述的低阈值低粘度的向列相液晶材料，其特征在于，组分C由下述通式所示化合物中的任意一种或多种以任意比例混合而成：
其中，中间基团X为烷基或环己基，R5为含1到9个碳的烷基或含1到9个碳的烷氧基或氰基或氟基，R6为含1到9个碳的烷基或含1到9个碳的不饱和烷基。
5.根据权利要求1所述的低阈值低粘度的向列相液晶材料，其特征在于，组分D由下述通式所示化合物中的任意一种或多种以任意比例混合而成：
其中，R7为氰基或氟基，R8为含1到9个碳的烷基或含1到9个碳的不饱和烷基或或n为1-9的整数。
6.根据权利要求1所述的低阈值低粘度的向列相液晶材料，其特征在于，组分E由下述通式所示化合物中的任意一种或多种以任意比例混合而成：
其中，R9和R10为含1到9个碳的烷基。
7.根据权利要求1所述的低阈值低粘度的向列相液晶材料，其特征在于，组分F由下述通式所示化合物中的任意一种或多种以任意比例混合而成：
其中，R11为含1到9个碳的烷基或含1到9个碳的不饱和烷基。
8.根据权利要求1所述的低阈值低粘度的向列相液晶材料，其特征在于，组分G由下述通式所示化合物中的任意一种或多种以任意比例混合而成：
其中，R12为含1到9个碳的烷基。
9.权利要求1-8任一所述的低阈值低粘度的向列相液晶材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：将组分A至组分G熔融混合即得低阈值低粘度的向列相液晶材料。
10.权利要求1～8任一所述的低阈值低粘度的向列相液晶材料作为光电显示器件材料的应用。
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