CN105038810A - 一种液晶物理凝胶复合材料的制备方法及其产品 - Google Patents

一种液晶物理凝胶复合材料的制备方法及其产品 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液晶物理凝胶复合材料的制备方法及其产品，该方法包括：先将无机纳米粒子与液晶混合后超声分散，随后加入有机小分子凝胶因子并搅拌均匀，再加热搅拌直至凝胶因子完全溶解在液晶中，最后自然冷却至室温并静置即可得到液晶物理凝胶复合材料。本发明通过将无机纳米粒子掺杂在液晶物理凝胶中，利用无机纳米粒子与凝胶因子的协同凝胶效应而提高了复合材料的力学强度，而且液晶物理凝胶复合材料的电光性能不受添加的无机纳米粒子的影响。

Description

一种液晶物理凝胶复合材料的制备方法及其产品
技术领域
本发明属于液晶材料合成领域，更具体地，涉及一种液晶物理凝胶复合材料的制备方法及其产品。
背景技术
液晶在一维或二维远程有序的独特结构使其能在力、电或磁等外场作用下取向，可广泛应用于显示、光学与电光器件、生物检测等领域。流动性是赋予液晶对外场快速响应的重要特性之一，但该属性弱化了液晶的力学强度，限制了液晶器件的进一步发展。如何获得兼具快速刺激响应和高强度的液晶材料是拓展其应用领域的关键。
将液晶分散在基体中制得的液晶分散体兼具液晶的光学性能和刺激响应性及基体材料的强度和易加工的优势。液晶物理凝胶是一类新颖的刺激-响应、热可逆的液晶分散体，在大面积、超薄、柔性的光散射型电光显示、信息存储和高端防伪等领域有广阔的应用前景。然而，此类材料较低的强度导致其耐电压性低和抗剪切力弱，并最终影响实际应用。通过调节凝胶因子的化学结构，可提高液晶物理凝胶的储能模量和降低其驱动电压。如采用二(对甲基苄叉)山梨醇(MDBS)和二(3,4-二甲基苄叉)山梨醇(DMDBS)代替常用的亚苄基山梨醇(DBS)凝胶剂可提高5CB液晶的凝胶能力，当添加质量分数为1.5％的凝胶因子时，制得的物理凝胶的储能模量可达到104Pa以上。但该模量仍然偏低，无法满足高端应用领域的需求。
发明内容
针对现有液晶材料及液晶物理凝胶强度不高的缺陷，本发明提供了一种液晶物理凝胶复合材料的制备方法及其产品，其目的在于利用无机纳米粒子来改善液晶物理凝胶的力学性能。
按照本发明的一个方面，提供了一种液晶物理凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将无机纳米粒子与液晶材料进行混合，然后在20℃～55℃下超声波辅助分散，得到均匀分散的液晶/纳米粒子分散液，其中所述无机纳米粒子按照液晶材料质量的0.3％～10.0％进行配料；
(2)称取有机小分子凝胶因子，然后将其加入步骤(1)所得到的所述液晶/无机纳米粒子分散液，然后搅拌得到均匀分散的液晶/凝胶因子/纳米粒子分散液，其中所述有机小分子凝胶因子按照液晶材料质量的0.3％～5.0％进行配料；
(3)将步骤(2)所得到的所述液晶/凝胶因子/无机纳米粒子分散液在100℃～150℃的温度下加热，并同时剧烈搅拌，直至凝胶因子完全溶解在所述分散液中，自然冷却至室温，静置即可得到所需的液晶物理凝胶复合材料。
优选地，所述无机纳米粒子优选为纳米二氧化硅、纳米氧化锌、纳米氧化铝、纳米二氧化钛、纳米碳酸钙或纳米碳化硅；所述无机纳米粒子的平均粒径为10nm～500nm。
优选地，所述无机纳米粒子的质量进一步设定为所述液晶材料质量的1％～3％。
优选地，所述凝胶因子为亚苄基山梨醇、二(对甲基苄叉)山梨醇、二(3,4-二甲基苄叉)山梨醇、环己二胺、月桂酰-丙氨酸甲酯或N-脂肪酰谷氨酸。
优选地，所述液晶为向列相液晶。
按照本发明的另一方面，还提供了一种液晶物理凝胶复合材料，其特征在于，该复合材料是无机纳米粒子增强的液晶物理凝胶复合材料，其除了包括作为基本配料的液晶材料和有机小分子凝胶因子之外，还额外包含无机纳米粒子，该无机纳米粒子均匀分散于所述液晶材料中，与凝胶因子形成相互贯穿的网络结构；所述无机纳米粒子的质量为所述液晶材料质量的0.3％～10.0％，所述有机小分子凝胶因子的质量为所述液晶材料质量的0.3％～5.0％。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于将无机纳米粒子材料引入到液晶物理凝胶的制备中，一方面利用无机纳米粒子自身强度提升液晶物理凝胶复合材料的力学性能，另一方面利用无机纳米粒子，形成相互贯穿的网络结构，进一步提高复合材料的力学强度。所得液晶物理凝胶复合材料的模量不仅显著高于普通的液晶物理凝胶，而且液晶物理凝胶复合材料的电光性能不受添加的无机纳米粒子的影响。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的液晶物理凝胶复合材料的扫描电镜照片。
图2是本发明实施例1-3和对比例制备的液晶物理凝胶复合材料的储能模量曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
将2.0g的5CB和0.04g纳米二氧化硅混合，其中纳米二氧化硅的平均粒径为250nm，在20℃下超声波辅助分散得到均匀分散的5CB/纳米二氧化硅粒子分散液。
再向上述分散液中加入0.04g亚苄基山梨醇(DBS)，搅拌得到均匀分散的5CB/DBS/纳米二氧化硅分散液。
将5CB/DBS/纳米二氧化硅分散液在剧烈搅拌下于140℃加热至凝胶因子完全溶解在液晶中，然后将混合物自然冷却至室温，静置即可得到液晶物理凝胶复合材料；其中纳米二氧化硅的质量为5CB质量的2.0％，DBS的质量为5CB质量的2.0％。
实施例2
以所述的相同步骤重复实施例1，区别在于，其中纳米二氧化硅与5CB的质量比为1.0％。
实施例3
以所述的相同步骤重复实施例1，区别在于，其中纳米二氧化硅与5CB的质量比为3.0％。
实施例4
将2.0g的E7和0.006g纳米氧化锌混合，其中纳米氧化锌的平均粒径为10nm，在55℃下超声波辅助分散得到均匀分散的E7/纳米氧化锌粒子分散液。
再向上述分散液中加入0.10g有机小分子二(对甲基苄叉)山梨醇(MDBS)，搅拌得到均匀分散的E7/MDBS/纳米氧化锌分散液。
将E7/MDBS/纳米氧化锌分散液在剧烈搅拌下于150℃加热至凝胶因子完全溶解在液晶中，然后将混合物自然冷却至室温，静置即可得到液晶物理凝胶复合材料；其中纳米氧化锌的质量为E7质量的0.3％，MDBS的质量为E7质量的5.0％。
实施例5
将2.0g的7CB和0.2g纳米氧化铝混合，其中纳米氧化铝的平均粒径为500nm，在40℃下超声波辅助分散得到均匀分散的7CB/纳米氧化铝粒子分散液。
再向上述分散液中加入0.006g二(3,4-二甲基苄叉)山梨醇(DMDBS)，搅拌得到均匀分散的7CB/DMDBS/纳米氧化铝分散液。
将7CB/DMDBS/纳米氧化铝分散液在剧烈搅拌下于100℃加热至凝胶因子完全溶解在液晶中，然后将混合物自然冷却至室温，静置即可得到液晶物理凝胶复合材料；其中纳米氧化铝的质量为7CB质量的10.0％，DMDBS的质量为7CB质量的0.3％。
实施例6
将2.0g的8CB和0.1g纳米碳酸钙混合，其中纳米碳酸钙的平均粒径为80nm，在50℃下超声波辅助分散得到均匀分散的8CB/纳米碳酸钙粒子分散液。
再向上述分散液中加入0.04g环己二胺，搅拌得到均匀分散的8CB/环己二胺/纳米碳酸钙分散液。
将8CB/环己二胺/纳米碳酸钙分散液在剧烈搅拌下于145℃加热至凝胶因子完全溶解在液晶中，然后将混合物自然冷却至室温，静置即可得到液晶物理凝胶复合材料；其中纳米碳酸钙的质量为8CB质量的5.0％，环己二胺的质量为8CB质量的2.0％。
实施例7
将2.0g的5CT和0.08g纳米二氧化钛混合，其中纳米二氧化钛的平均粒径为130nm，在30℃下超声波辅助分散得到均匀分散的5CT/纳米二氧化钛粒子分散液。
再向上述分散液中加入0.08gN-脂肪酰谷氨酸，搅拌得到均匀分散的5CT/N-脂肪酰谷氨酸/纳米二氧化钛分散液。
将5CT/N-脂肪酰谷氨酸/纳米二氧化钛分散液在剧烈搅拌下于150℃加热至凝胶因子完全溶解在液晶中，然后将混合物自然冷却至室温，静置即可得到液晶物理凝胶复合材料；其中纳米二氧化钛的质量为5CT质量的4.0％，N-脂肪酰谷氨酸的质量为5CT质量的4.0％。
实施例8
将2.0g的P0616A和0.16g纳米碳化硅混合，其中纳米碳化硅的平均粒径为180nm，在20℃下超声波辅助分散得到均匀分散的P0616A/纳米碳化硅粒子分散液。
再向上述分散液中加入0.10g月桂酰-丙氨酸甲酯，搅拌得到均匀分散的P0616A/月桂酰-丙氨酸甲酯/纳米碳化硅分散液。
将P0616A/月桂酰-丙氨酸甲酯/纳米碳化硅分散液在剧烈搅拌下于150℃加热至凝胶因子完全溶解在液晶中，然后将混合物自然冷却至室温，静置即可得到液晶物理凝胶复合材料；其中纳米碳化硅的质量为P0616A质量的8.0％，月桂酰-丙氨酸甲酯的质量为P0616A质量的5.0％。
实施例9
将2.0g的月桂酰-丙氨酸甲酯(MBBA)和0.16g纳米碳化硅混合，其中纳米碳化硅的平均粒径为300nm，在30℃下超声波辅助分散得到均匀分散的MBBA/纳米碳化硅粒子分散液。
再向上述分散液中加入0.10g月桂酰-丙氨酸甲酯，搅拌得到均匀分散的MBBA/月桂酰-丙氨酸甲酯/纳米碳化硅分散液。
将MBBA/月桂酰-丙氨酸甲酯/纳米碳化硅分散液在剧烈搅拌下于150℃加热至凝胶因子完全溶解在液晶中，然后将混合物自然冷却至室温，静置即可得到液晶物理凝胶复合材料；其中纳米碳化硅的质量为MBBA质量的8.0％，月桂酰-丙氨酸甲酯的质量为MBBA质量的5.0％。
实施例10
以所述的相同步骤重复实施例1，区别在于，纳米粒子为纳米四氧化三铁，平均粒径为10nm。
对比例
将2.0g的5CB和0.04g的有机小分子亚苄基山梨醇(DBS)混合，搅拌得到均匀分散的5CB/DBS分散液。
将5CB/DBS分散液在剧烈搅拌下于140℃加热至凝胶因子完全溶解在液晶中，然后将混合物自然冷却至室温，静置即可得到液晶物理凝胶复合材料；其中月桂酰-丙氨酸甲酯的质量为5CB质量的2.0％。
试验例
将本发明实施例1的液晶物理凝胶复合材料加热至溶液状态，趁热滴至用无水乙醇洗净的硅片上，冷却至室温后将其在正己烷中浸泡48小时除去液晶，室温干燥形成干凝胶，由图1的扫描电镜照片可以看出，无机纳米粒子在凝胶纤维中分散均匀。
图2是本发明实施例1-3和对比例制备的液晶物理凝胶复合材料的储能模量曲线。样品的测试过程和条件如下：将待测的液晶物理凝胶复合材料置于样品池中升温至150℃使其完全溶解，然后冷却至25℃，放置10min，让所有样品的初始状态相同，再进行测试。其中，纳米二氧化硅与液晶的质量比分别为2％、1％、3％和0％。可以看出，当添加了无机纳米粒子时，液晶物理凝胶复合材料的储能模量明显提高，当纳米二氧化硅与液晶的质量比为2％时，其复合材料的储能模量可高达105Pa以上。
表1是本发明实施例1-3和对比例中制备的液晶物理凝胶复合材料的电光性能数据。从表中可以看出，对比于不含无机纳米粒子的液晶物理凝胶复合材料，无机纳米粒子含量分别为1.0％、2.0％和3.0％的复合材料的阈值电压(Vth)几乎不变，饱和电压(Vsat)和关态响应时间(ms)的变化幅度也都很小，说明无机纳米的加入对液晶物理凝胶复合材料的电光性能几乎没有影响。
表1
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种液晶物理凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将无机纳米粒子与液晶材料进行混合，然后在20℃～55℃下超声波辅助分散，得到均匀分散的液晶/纳米粒子分散液，其中所述无机纳米粒子按照液晶材料质量的0.3％～10.0％进行配料；
(2)称取有机小分子凝胶因子，然后将其加入步骤(1)所得到的所述液晶/无机纳米粒子分散液，然后搅拌得到均匀分散的液晶/凝胶因子/纳米粒子分散液，其中所述有机小分子凝胶因子按照液晶材料质量的0.3％～5.0％进行配料；
(3)将步骤(2)所得到的所述液晶/凝胶因子/无机纳米粒子分散液在100℃～150℃的温度下加热，并同时剧烈搅拌，直至凝胶因子完全溶解在所述分散液中，自然冷却至室温，静置即可得到所需的液晶物理凝胶复合材料。
2.如权利要求1所述的液晶物理凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，所述无机纳米粒子优选为纳米二氧化硅、纳米氧化锌、纳米氧化铝、纳米二氧化钛、纳米碳酸钙或纳米碳化硅；所述无机纳米粒子的平均粒径优选为10nm～500nm。
3.如权利要求1所述的液晶物理凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，所述无机纳米粒子的质量进一步设定为所述液晶材料质量的1％～3％。
4.如权利要求1所述的液晶物理凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，所述凝胶因子优选为亚苄基山梨醇、二(对甲基苄叉)山梨醇、二(3,4-二甲基苄叉)山梨醇、环己二胺、月桂酰-丙氨酸甲酯或N-脂肪酰谷氨酸。
5.如权利要求1所述的液晶物理凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，所述液晶材料为向列相液晶。
6.一种液晶物理凝胶复合材料，其特征在于，该复合材料是无机纳米粒子增强的液晶物理凝胶复合材料，其除了包括作为基本配料的液晶材料和有机小分子凝胶因子之外，还额外包含无机纳米粒子，该无机纳米粒子均匀分散于所述液晶材料中，与凝胶因子形成相互贯穿的网络结构；所述无机纳米粒子的质量为所述液晶材料质量的0.3％～10.0％，所述有机小分子凝胶因子的质量为所述液晶材料质量的0.3％～5.0％。
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