CN108485682A - 一种通过特殊棒状分子或其聚合物调控液晶分子取向的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过特殊棒状分子或其聚合物调控液晶分子取向的方法。首先将特殊棒状分子或其聚合物作为掺杂剂分别与液晶分子进行掺杂,形成均一的混合物,在混合物熔点温度上利用毛细效应将混合物吸入空液晶盒,均可在液晶盒内诱导液晶分子取向。该方法利用特殊棒状分子或其聚合物与液晶分子之间作用力来诱导液晶分子的取向,相比于利用电场、磁场等外部条件诱导液晶分子取向的传统方法,该方法更加简单易行,且具有良好的稳定性。本发明在液晶显示屏材料、光电材料、生物医学等领域具有潜在的应用前景。
Description
技术领域
本发明公开了一种通过特殊棒状分子或其聚合物调控液晶分子取向的方法,属于材料技术领域。
背景技术
液晶是一类特殊的形态,既具有液体的流动性,又有晶体的各向异性,因而其应用涉及到物理学、材料学等多个领域。液晶的双折射性、散射性、旋光性等性质随着液晶分子排列的改变而变化,从而广泛应用于显示屏材料。控制液晶分子的排列是液晶显示设备的关键之处。传统基于摩擦取向的方法,由于摩擦过程中产生的静电、微尘等,严重影响了材料的使用。在科学的不断进步下,利用光、电、磁场等调控液晶取向的方法被相继提出,但是这些方法都是通过外部刺激(如光、电、磁)来实现,导致过程复杂。
本发明试图在无外部条件刺激下,利用一种特殊棒状分子或其聚合物分别与液晶分子掺杂,由于特殊棒状分子或其聚合物与液晶分子之间的作用力,可以实现对液晶分子取向的控制。对于含偶氮苯液晶基元的特殊棒状分子或其聚合物可以通过光照进一步控制液晶分子排列。
发明内容
本发明旨在提供一种通过特殊棒状分子或其聚合物调控液晶分子取向的方法。
本发明的技术方案为:
一种通过特殊棒状分子或其聚合物调控液晶分子取向的方法,包括如下步骤:
(1)制备特殊棒状分子及其聚合物;
(2)将所得的特殊棒状分子或其聚合物分别与液晶分子掺杂,溶于有机溶剂中混合均匀,常温下挥发干溶剂后,得到混合均匀的混合物样品;
(3)将所制备的液晶盒加热到上述混合物熔点上,利用毛细管的吸入效应在所述液晶盒空隙间吸入混合物,所述液晶分子在液晶盒内垂直排列,从而实现对液晶分子取向的调控。
进一步,所述步骤(1)中的特殊棒状分子及其聚合物结构如式Ⅰ所示:
式Ⅰ中,R’为式Ⅱ中的一种:
其中0≤n≤12,m≥50,R”为H,CH3的一种;
式Ⅰ中,R为式Ⅲ中的一种:
-CO- -COO- -OCO- -NHCO- -CONH-
Ⅲ
式Ⅰ中,W为式Ⅳ中的一种:
其中R1为(CH2)n,(CH2)nO中的一种,且0≤n≤18;
其中R2为H,(CH2)nCH3,O(CH2)nCH3,NH(CH2)nCH3,CN,NO2,
SO3Na中的一种,且0≤n≤18。
进一步,所述步骤(2)中特殊棒状分子与液晶分子以2.5%-80%的质量分数溶于有机溶剂中。
进一步,所述步骤(2)中聚合物与液晶分子以0.01%-20%的质量分数溶于有机溶剂中。
进一步,所述步骤(2)中液晶分子为4'-丙基-4-氰基联苯(3CB)、4'-正丁基-4-氰基联苯(4CB)、4'-正戊基-4-氰基联苯(5CB)、4'-正己基-4-氰基联苯(6CB)、 4'-正庚基-4-氰基联苯(7CB)、4'-正辛基-4-氰基联苯(8CB)、4'-正癸基-4-氰基联苯(10CB)、4'-丁氧基-4-氰基联苯(4OCB)、4'-戊氧基-4-氰基联苯(5OCB)、4'-己氧基-4-氰基联苯(6OCB)、4'-庚氧基-4-氰基联苯(7OCB)、4'-辛氧基-4-氰基联苯 (8OCB)中的一种。
进一步,所述步骤(2)中有机溶剂为二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃、丙酮中的一种。
进一步,所述步骤(1)中特殊棒状分子和其聚合物均含有偶氮苯液晶基元,使用所述液晶盒调控液晶分子取向时,在不同波长光源的照射下,液晶的取向会发生变化。
本发明具有如下的技术效果:
(1)本发明通过将不同质量分数的特殊棒状分子或其聚合物与液晶分子掺杂,在未施加外部条件如电场或磁场的诱导下即可实现对液晶分子取向的调控,这种方法简单易行,为往后液晶取向的调控提供了一个简单的途径。
(2)本发明通过引入具有光响应效应的偶氮苯基团,使特殊棒状分子及其聚合物都具备光电特性。两者都能在光照条件下进一步诱导液晶分子排列,可以在显示屏等多方面应用。
附图说明
图1为实施例1中含偶氮苯的特殊棒状分子以及其聚合物的1H NMR图;
图2为实施例1中5CB在液晶盒a、b中取向的偏光图(右上角为锥光图);
图3为实施例1中5CB在液晶盒a内经紫外-可见光照后的偏光图(右上角为锥光图);
图4为实施例1中5CB在液晶盒b内经紫外-可见光照后的偏光图(右上角为锥光图);
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明,但本发明并不限于此。
实施例1
一种通过含偶氮苯的特殊棒状分子或其聚合物调控5CB液晶取向的方法,包括如下步骤:
(1)含偶氮苯的特殊棒状分子及其聚合物的制备:
原料:对乙酰氨基苯酚,1-溴辛烷,丙酮,无水碳酸钾,无水乙醇,氢氧化钠,亚硝酸钾,苯酚,盐酸,对苯二甲酸,草酰氯,二氯甲烷,四氢呋喃(THF),三乙胺,偶氮二异丁腈(AIBN)、氯苯、二氯甲烷。
称取干燥的原料乙烯基对苯二甲酸(1.2g,7.22mmol),溶于加有50ml干燥的二氯甲烷和2ml草酰氯[(COCl)2]的100mL圆底烧瓶中,置于60℃油浴锅中,搅拌反应至澄清。将其反应液旋干,之后加入30ml精制的四氢呋喃得到酰氯化的反应液,备用。取4-(4'-羟基)辛氧基偶氮苯(4.29g,13.10mmol),60ml 精制的四氢呋喃和精制的三乙胺(2.12g,20.96mmol)于250mL圆底烧瓶中,放置其冰水浴中搅拌。将上述制备的酰氯化的反应液逐滴加入圆底烧瓶中,滴加完后撤出冰浴于室温下反应12h。反应完毕,过滤并旋干,然后溶于三氯甲烷,用蒸馏水水洗多次,之后用无水硫酸镁干燥12h。然后过滤、旋干,得到初产品。用二氯甲烷作为展开剂,过层析柱分离,放入35℃的真空干燥箱中干燥过夜,得到含偶氮苯的特殊棒状分子(M8)。M8结构式如下图(A)所示:
在聚合玻璃管中分别加入一个小磁石、偶氮苯特殊棒状分子(M8)(0.5g,0.619mmol)、101μL精制氯苯溶解的0.01g/mL的AIBN、0.50g精制氯苯作为溶剂。经过冷冻-抽真空-通N2循环重复操作三次以上后,真空封管,置于恒温油浴锅70℃下,恒温反应一定时间后,取出聚合管,将其放置冰水浴中,终止其聚合反应,小心敲开聚合管,加入4倍量的CH2Cl2溶剂进行稀释,选用石油醚溶剂作沉淀剂,过滤得到目标聚合物,然后再将该聚合物用CH2Cl2溶解,在沉淀剂中沉淀,重复至多次以除去该聚合物中所包裹的单体和低聚物,真空干燥(40℃左右),得到目标聚合物(P8)。P8结构式如下图(B)所示:
(2)含偶氮苯的特殊棒状分子诱导4′-正戊基-[1,1′-联苯]-4-腈(5CB)排列
取质量分数为20%的含偶氮苯的特殊棒状分子与5CB掺杂,将其溶于三氯甲烷中,放于超声仪中超声处理使其混合均匀,之后放于常温下自然挥发干溶剂,即可得到质量分数为1%的含偶氮苯的特殊棒状分子与5CB的混合液晶,待用。取玻璃片于配有浓硫酸与双氧水体积比7:3混合溶液中,加热到130℃煮30分钟,用大量超纯水洗涤,并使用高纯氮气吹干,制成液晶盒a。将液晶盒放置于热台上加热到含偶氮苯的特殊棒状分子与5CB的混合物的熔点以上,利用毛细管的吸入效应在液晶盒空隙间吸入混合物。通过偏光显微镜(POM)观察可知,在混合物的向列相温度区间内观察到视野为暗区,于锥光下有黑十字消光现象。因此,可以推断5CB在液晶盒内是垂直排列的。如图2所示(右上角为锥光图)。
(3)含偶氮苯的特殊棒状聚合物诱导4′-正戊基-[1,1′-联苯]-4-腈(5CB) 排列
取质量分数为1%的含偶氮苯的特殊棒状聚合物与5CB掺杂,将其溶于三氯甲烷中,放于超声仪中超声处理使其混合均匀,之后放于常温下自然挥发干溶剂,即可得到质量分数为1%的含偶氮苯的特殊棒状聚合物与5CB的混合物,待用。使用上述(2)中处理的玻璃片,制成液晶盒b。将液晶盒放置于热台上加热到含偶氮苯的特殊棒状聚合物与5CB的混合物的熔点以上,利用毛细管的吸入效应在液晶盒空隙间吸入混合物,通过偏光显微镜(POM)观察可知,在混合物的向列相温度区间内观察到视野为暗区,于锥光下有黑十字消光现象。因此,可以推断5CB在液晶盒内是垂直排列的。如图2所示(右上角为锥光图)。
(4)通过紫外-可见光照调控5CB的排列
将上述吸入混合物的液晶盒a或者液晶盒b置于365nm的紫外光源下照射 4s后,该液晶盒在偏光下观察到双折射现象且于锥光下观察到正交的黑十字现象已经消失。如图3所示,5CB在液晶盒中紫外光源照射4s后的偏光照片(右上角为锥光图),从图3可以看出,5CB的垂直排列被破坏。之后将液晶盒a 置于波长为475nm光源的照射下,双折射现象消失并且重新出现了正交的黑十字现象,可以说明5CB重新恢复到垂直排列。由上述现象说明了该含偶氮苯的特殊棒状分子可调控液晶小分子的排列。
实施例2
一种通过含联苯偶氮的特殊棒状分子或其聚合物调控5CB液晶区间的方法,包括如下步骤:
(1)含联苯偶氮的特殊棒状分子或其聚合物的合成:
原料:4-(4'-羟基)偶氮苯联苯酚,1-溴辛烷,丙酮,无水碳酸钾,无水乙醇,氢氧化钠,亚硝酸钾,苯酚,盐酸,对苯二甲酸,草酰氯,二氯甲烷,四氢呋喃(THF),三乙胺,偶氮二异丁腈(AIBN)、氯苯、二氯甲烷。
称取干燥的原料乙烯基对苯二甲酸(1.2g,7.22mmol),溶于加有50ml干燥的二氯甲烷和2ml草酰氯[(COCl)2]的100mL圆底烧瓶中,置于60℃油浴锅中,搅拌反应至澄清。将其反应液旋干,之后加入30ml精制的四氢呋喃得到酰氯化的反应液,备用。取4-(4'-羟基)辛氧基偶氮苯联苯酚(5.27g,13.10mmol), 60ml精制的四氢呋喃和精制的三乙胺(2.12g,20.96mmol)于250mL圆底烧瓶中,放置其冰水浴中搅拌。将上述制备的酰氯化的反应液逐滴加入圆底烧瓶中,滴加完后撤出冰浴于室温下反应12h。反应完毕,过滤并旋干,然后溶于三氯甲烷,用蒸馏水水洗多次,之后用无水硫酸镁干燥12h。然后过滤、旋干,得到初产品。用二氯甲烷作为展开剂,过层析柱分离,放入35℃的真空干燥箱中干燥过夜,得到含联苯偶氮的特殊棒状分子,其结构式如下图(C)所示:
在聚合玻璃管中分别加入一个小磁石、含联苯偶氮的特殊棒状分子 (M8)(0.59g,0.619mmol)、101μL精制氯苯溶解的0.01g/mL的AIBN、0.50g 精制氯苯作为溶剂。经过冷冻-抽真空-通N2循环重复操作三次以上后,真空封管,置于恒温油浴锅70℃下,恒温反应一定时间后,取出聚合管,将其放置冰水浴中,终止其聚合反应,小心敲开聚合管,加入4倍量的CH2Cl2溶剂进行稀释,选用石油醚溶剂作沉淀剂,过滤得到目标聚合物,然后再将该聚合物用CH2Cl2溶解,在沉淀剂中沉淀,重复至多次以除去该聚合物中所包裹的单体和低聚物,真空干燥(40℃左右),得到目标聚合物,其结构式如下图(D) 所示:
(2)含联苯偶氮的特殊棒状分子诱导4′-正戊基-[1,1′-联苯]-4-腈(5CB) 排列
取质量分数为20%的含联苯偶氮的特殊棒状分子与5CB掺杂,将其溶于三氯甲烷中,放于超声仪中超声处理使其混合均匀,之后放于常温下自然挥发干溶剂,即可得到质量分数为1%的含联苯偶氮的特殊棒状分子与5CB的混合液晶,待用。使用上述实例1中处理的玻璃片,制成液晶盒c。将液晶盒放置于热台上加热到含联苯偶氮的特殊棒状分子与5CB的混合物的熔点以上,利用毛细管的吸入效应在液晶盒空隙间吸入混合物。通过偏光显微镜(POM)观察可知,在混合物的向列相温度区间内观察到视野为暗区,于锥光下有黑十字消光现象。因此,可以推断5CB在液晶盒内是垂直排列的。
(3)含联苯偶氮的特殊棒状聚合物诱导4′-正戊基-[1,1′-联苯]-4-腈(5CB) 排列
取质量分数为1%的含联苯偶氮的特殊棒状聚合物与5CB掺杂,将其溶于三氯甲烷中,放于超声仪中超声处理使其混合均匀,之后放于常温下自然挥发干溶剂,即可得到质量分数为1%的含联苯偶氮的特殊棒状聚合物与5CB的混合物,待用。使用上述实例1中处理的玻璃片,制成液晶盒d。将液晶盒放置于热台上加热到含联苯偶氮的特殊棒状聚合物与5CB的混合物的熔点以上,利用毛细管的吸入效应在液晶盒空隙间吸入混合物,通过偏光显微镜(POM) 观察可知,在混合物的向列相温度区间内观察到视野为暗区,于锥光下有黑十字消光现象。因此,可以推断5CB在液晶盒内是垂直排列的。
Claims (8)
1.一种通过特殊棒状分子或其聚合物调控液晶分子取向的方法,包括如下步骤:
(1)制备特殊棒状分子及其聚合物;
(2)将所得的特殊棒状分子或其聚合物分别与液晶分子掺杂,溶于有机溶剂中混合均匀,常温下待溶剂挥发干后,得到混合均匀的混合物样品;
(3)将所制备的液晶盒加热到上述混合物熔点上,利用毛细管的吸入效应在所述液晶盒空隙间吸入混合物,所述液晶分子在液晶盒内垂直排列,从而实现对液晶分子取向的调控。
2.如权利要求1所述的一种调控液晶分子取向的方法,其特征在于,所述步骤(1)中的特殊棒状分子及其聚合物结构如式Ⅰ所示:
式Ⅰ中,R’为式Ⅱ中的一种:
-H -CH=CH2 -(CH2)nCH3 -O(CH2)nCH3 -F -CN -NO2
其中0≤n≤12,m≥50,R”为H,CH3的一种;
式Ⅰ中,R为式Ⅲ中的一种:
-CO- -COO- OCO- -NHCO- -CONH-
Ⅲ
式Ⅰ中,W为式Ⅳ中的一种:
其中R1为(CH2)n,(CH2)nO中的一种,且0≤n≤18;
其中R2为H,(CH2)nCH3,O(CH2)nCH3,NH(CH2)nCH3,CN,NO2,
SO3Na中的一种,且0≤n≤18。
3.如权利要求1或2所述的一种调控液晶分子取向的方法,其特征在于,所述步骤(2)中特殊棒状分子与液晶分子以2.5%-80%的质量分数溶于有机溶剂中。
4.如权利要求1或2所述的一种调控液晶分子取向的方法,其特征在于,所述步骤(2)中聚合物与液晶分子以0.01%-20%的质量分数溶于有机溶剂中。
5.如权利要求1或2所述的一种调控液晶分子取向的方法,其特征在于,所述步骤(2)中液晶分子为4'-丙基-4-氰基联苯(3CB)、4'-正丁基-4-氰基联苯(4CB)、4'-正戊基-4-氰基联苯(5CB)、4'-正己基-4-氰基联苯(6CB)、4'-正庚基-4-氰基联苯(7CB)、4'-正辛基-4-氰基联苯(8CB)、4'-正癸基-4-氰基联苯(10CB)、4'-丁氧基-4-氰基联苯(4OCB)、4'-戊氧基-4-氰基联苯(5OCB)、4'-己氧基-4-氰基联苯(6OCB)、4'-庚氧基-4-氰基联苯(7OCB)、4'-辛氧基-4-氰基联苯(8OCB)中的一种。
6.如权利要求1或2所述的一种调控液晶分子取向的方法,其特征在于,所述步骤(2)中有机溶剂为二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃、丙酮中的一种。
7.如权利要求1或2所述的一种调控液晶分子取向的方法,其特征在于,所述步骤(1)中特殊棒状分子和其聚合物均含有偶氮苯液晶基元。
8.如权利要求7所述的一种调控液晶分子取向的方法,其特征在于,使用所述液晶盒调控液晶分子取向时,在不同波长光源的照射下,液晶的取向会发生变化。
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