CN113341617B - 一种功能化取向层及其应用、液晶显示器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功能化取向层及其应用、液晶显示器件及其制备方法，该功能化取向层的制备原料包括制备原料包括取向层材料和功能性材料，其中，功能性材料含有活性反应基团，活性反应基团选自酯基、醚基、烃基、环氧基、氨基、羟基、醛基、酮基、炔基、羧基、卤素基团中的任一种。以上功能化取向层中通过功能性材料的添加，可为取向层提供易于反应的活性官能团，在使用时可通过反应键合的方式提高界面强度，且不会破坏取向层原有的取向效果。

Description

一种功能化取向层及其应用、液晶显示器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及液晶材料技术领域，尤其是涉及一种功能化取向层及其应用、液晶显示器件及其制备方法。
背景技术
液晶作为一种软物质材料，广泛地应用在液晶显示、智能玻璃、软体机器人、光学通信及增强现实等领域。在微观层面上，液晶分子通过自组装具有一定的取向方向，但液晶分子的宏观取向也极其重要，利用取向层可以控制液晶分子的各向异性。一般来说，通过物理或化学方法可以在基板表面覆盖一层取向层，取向层诱导液晶分子定向排列。但是目前的取向层表面通常仅具有取向功能，无法增强基板界面的特性，液晶显示器件中基板与液晶盒内液晶混合体系的界面强度较弱。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种功能化取向层及其应用、液晶显示器件及其制备方法。
本发明的第一方面，提出了一种功能化取向层，其制备原料包括取向层材料和功能性材料，所述功能性材料含有活性反应基团，所述活性反应基团选自酯基、醚基、烃基、环氧基、氨基、羟基、醛基、酮基、炔基、羧基、卤素基团中的任一种。
根据本发明实施例的功能化取向层，至少具有以下有益效果：该功能化取向层的制备原料包括取向层材料和含有特定活性反应基团的功能性材料；其中，通过功能性材料的添加，可为取向层提供易于反应的活性官能团，在使用时可通过反应键合的方式提高界面强度，且不会破坏取向层原有的取向效果。
在本发明的一些实施方式中，所述功能性材料选自两亲分子和/或硅烷，所述两亲分子和所述硅烷含有所述活性反应基团；
优选地，所述硅烷的结构式为：
Figure BDA0003053685520000021
其中，X1、X2、X3各自独立地选自卤素原子(如氟、氯、溴、碘)、烷氧基、羟基、烷基中的任一种，且X1、X2、X3至少有一个为卤素原子或烷氧基；R1为C1-C30烷基中的任一种；Z为所述活性反应基团。
在本发明的一些实施方式中，所述取向层材料选自硅烷类取向材料,和/或含长链烷基的两亲分子。
在本发明的一些实施方式中，所述硅烷类取向材料选自以下结构物质中的至少一种：
Figure BDA0003053685520000022
其中，X1、X2、X3各自独立地选自卤素原子(如氟、氯、溴、碘)、烷氧基、羟基、烷基中的任一种，且X1、X2、X3至少有一个为卤素原子或烷氧基；R2为C1-C30烷基中的任一种；Y为一价阴离子，优选为氟、氯、溴中的任一种。其中，以上具有
Figure BDA0003053685520000023
结构的取向层材料可提供平行取向，另两类结构的取向层材料则可提供垂直取向。
以上功能化取向层可采用包括取向层材料和功能性材料的混合材料通过溶液浸泡法和/或气相沉积法在基板上进行制备；或者，在进一步制备液晶器件等应用器件过程中，将取向层材料和功能性材料与包括主体液晶的液晶混合材料混合填充于液晶盒中，而后通过加热处理使取向层材料和功能性材料组装到液晶盒的上下基板上，以形成功能化取向层。
本发明的第二方面，提出了一种本发明第一方面所提出的任一种功能化取向层的在制备液晶显示器件、动态光学器件、智能窗、智能涂层中应用。
本发明的第三方面，提出了一种液晶显示器件，包括第一方面所提出的任一种功能化取向层。
在本发明的一些实施方式中，还包括：相对设置的第一基板和第二基板，所述第一基板和所述第二基板的相对表面上均设有所述功能化取向层，所述第一基板与所述第二基板之间封装形成调节区，所述调节区内填充有液晶混合物，所述液晶混合物包括主体液晶和聚合物网络，所述聚合物网络与所述功能化取向层键合连接。其中，聚合物网络具体可与功能化取向层表面功能化材料中的活性反应基团键合连接；功能性材料的选择可根据聚合物网络的配制而定，而聚合物网络一般由光引发剂在紫外光的作用下引发可聚合单体聚合形成，功能性材料可参与可聚合单体的聚合过程，可聚合单体所形成的聚合网络可通功能性材料上的活性反应基团与功能性材料键合，以实现与取向层的界面连接，为调节聚合物网络和界面的粘附力提供选择，提高基板与液晶混合物之间的界面强度。
以上液晶显示器件通过在第一基板和第二基板的相对表面上设置以上功能化取向层，该功能化取向层被配置可以与调节区内液晶混合物中的聚合物网络键合连接，从而可提高第一基板和第二基板与液晶混合物之间的界面强度，同时该功能化取向层不会破坏取向层原有的取向效果。
另外，液晶混合物中，主体液晶可选自正性液晶、负性液晶中的至少一种。第一基板和第二基板可选用玻璃基板、ITO玻璃基板、金属基板、PET基板、PET-ITO复合基板、聚合物基板(包括聚合物导电基板)中的至少一种。
本发明的第四方面，提出了本发明第三方面所提出的任一种液晶显示器件的制备方法，包括以下步骤：
S1、准备第一基板和第二基板；而后取包括取向层材料和功能性材料的混合材料在第一基板和所述第二基板上制备功能化取向层；具体可采用以上混合材料通过溶液浸泡法和/或气相沉积法在第一基板和第二基板上制备功能化取向层；其中，功能化取向层中的功能性材料用以与液晶盒内所形成的聚合物网络键合连接；
S2、将所述第一基板和所述第二基板上设有所述功能化取向层的表面相对设置，制备液晶盒；
S3、取包括主体液晶、可聚合单体和光引发剂的液晶混合材料填充于所述液晶盒内，而后进行紫外光照射，以使所述光引发剂在所述紫外光的作用下引发所述可聚合单体聚合形成聚合物网络，同时聚合物网络与所述功能化取向层的表面的功能性材料键合连接。
根据本发明以上实施例的液晶显示器件的制备方法，至少具有以下有益效果：该制备方法通过采用包括取向层材料和功能性材料的混合材料在第一基板和第二基板上制备功能化取向层，其中功能化取向层上具有功能性材料，其可与液晶盒内的聚合物网络键合连接，可提高第一基板和第二基板与液晶盒内液晶混合物之间的界面强度，同时其不会破会取向层中取向层材料的取向效果。
步骤S3中，液晶混合材料可配置为包括90～99wt％主体液晶、1～10wt％可聚合单体和0.1～1wt％光引发剂。可聚合单体可选用可聚合液晶单体(如丙烯酸酯类、甲基丙烯酸酯类、乙烯基醚类、环氧类、氧杂环丁烷类可聚合液晶单体)和/或非液晶性可聚合单体；光引发剂可选用自由基型光引发剂、阴离子型光引发剂、阳离子型光引发剂、配位化合物类光引发剂中的至少一种。紫外光照射可采用波长为280～405nm的紫外灯作为光源，紫外灯的光强度可为5～50mW/cm2，紫外光照射的时间可控制在5～30min。
本发明的第五方面，提出了本发明第三方面所提出的任一种液晶显示器件的制备方法，包括以下步骤：
S1、准备第一基板和第二基板，将所述第一基板和所述第二基板相对设置制备液晶盒；
S2、取包括主体液晶、可聚合单体、光引发剂、取向层材料和功能性材料的液晶混合材料填充于所述液晶盒内，而后进行加热处理，以使所述取向层材料和所述功能性材料组装到所述第一基板和所述第二基板上形成功能化取向层；而后进行紫外光照射，以使所述光引发剂在所述紫外光的作用下引发所述可聚合单体聚合形成聚合物网络，同时聚合物网络与所述功能化取向层的表面的功能性材料键合连接。
根据本发明以上实施例的液晶显示器件的制备方法，至少具有以下有益效果：该制备方法通过采用包括主体液晶、可聚合单体、光引发剂、取向层材料和功能性材料的液晶混合材料填充于由相对设置的第一基板和第二基板封装形成的液晶盒内，通过加热处理可使其中的取向层材料和功能性材料组装到第一基板和第二基板上，形成功能化取向层，其中功能化取向层上具有功能性材料，其可与液晶盒内的聚合物网络键合连接，可提高第一基板和第二基板与液晶盒内液晶混合物之间的界面强度，同时不会破会功能化取向层中取向层材料的取向效果。
在本发明的一些实施方式中，所述取向层材料的添加量为所述液晶混合材料的体积的0.03～1％，所述功能性材料的添加量为所述液晶混合材料的体积的0.03～20％。
另外，步骤S2中，液晶混合材料具体可先通过采用主体液晶、可聚合单体和光引发剂混合配制第一液晶混合材料，而后将取向层材料、功能性材料与第一液晶混合材料混合配置液晶混合材料；其中，主体液晶、可聚合单体和光引发剂的质量比可控制在(90～99)：(1～10)：(0.1～1)。加热处理的温度可控制在50～120℃，加热时间可控制为10～30min；紫外光照射可采用波长为280～405nm的紫外灯作为光源，紫外灯的光强度可为5～50mW/cm2，紫外光照射的时间可控制在5～30min。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
图1为实施例1所制得液晶显示器件的结构示意图；
图2为将实施例1所制得液晶显示器件的液晶盒打开后第一基板的扫描电镜图；
图3为将实施例1所制得液晶显示器件的液晶盒打开后第二基板的扫描电镜图。
附图标记：第一基板100、第二基板200、取向层材料300、功能性材料400、聚合物网络500、主体液晶600。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例制备了一种液晶显示器件，具体过程以下步骤：
S1、取第一玻璃基板和第二玻璃基板，在第一玻璃基板的边缘设置厚度为10μm的间隔子，而后间隔子上设置第二玻璃基板，以使第一玻璃基板和第二玻璃基板通过间隔子间隔相对设置，制备液晶盒；
S2、称取96.8质量份的主体液晶HNG30400-200(江苏和成显示科技股份有限公司)，3质量份的可聚合单体HCM009(江苏和成显示科技股份有限公司)和0.2质量份的光引发剂苯偶酰双甲醚，混合均匀制得第一液晶混合材料；
S3、称取0.05体积份的取向层材料二甲基十四烷基[3-(三甲氧基硅基)丙基]氯化铵(TDTA)、0.1体积份的功能性材料γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(A174)和99.85体积份步骤S2制得的第一液晶混合材料，充分搅拌均匀，制得液晶混合材料；
其中，TDTA的结构式为：
Figure BDA0003053685520000051
A174的结构式为：
Figure BDA0003053685520000052
S4、在100℃下，将步骤S3制得的液晶混合材料通过毛细力填充到步骤S1制得的液晶盒内，并在100℃下加热台上保温15min，以使取向层材料TDTA和功能性材料A174组装到第一玻璃基板和第二玻璃基板的相对表面上形成功能化垂直取向层；具体地，TDTA中的甲氧基团能与第一玻璃基板和第二玻璃基板的表面形成化学接枝，且TDTA中的长链烷基可诱导液晶盒内的主体液晶垂直取向；A174中的甲氧基团也可与第一玻璃基板和第二玻璃基板的表面形成化学接枝，且A174中的酯基不会破坏TDTA形成的垂直取向效果，并为垂直取向层的表面提供可反应的官能团；
S5、将步骤S4处理后的液晶盒的温度降至室温，而后置于波长为365nm、光强为27mW/cm2的紫外灯下照射5min，在紫外光照射过程中，光引发剂苯偶酰双甲醚引发可聚合单体HCM009发生自由基聚合形成聚合物网络，功能性材料A174中的酯基可参与到自由基聚合过程中，从而与聚合物网络键合连接，从而可提高第一玻璃基板和第二玻璃基板与液晶盒内液晶混合物之间的界面强度，同时其不会破坏垂直取向层中取向材料TDTA形成的垂直取向效果。
以上液晶显示器件的制备过程，通过将取向层材料和功能性材料与第一液晶混合材料混合配置液晶混合材料，而后将其填充于液晶盒中，进而通过加热处理使取向层材料和功能性材料组装到第一玻璃基板和第二玻璃基板的表面，形成功能化垂直取向层。
通过以上方法制得的液晶显示器件，其结构示意图如图1所示，该液晶显示器件包括相对设置的第一基板100和第二基板200，本实施例中第一基板100和第二基板200均为玻璃基板，第一基板100和第二基板200的相对表面上均设有由取向层材料300和功能性材料400构成的功能化垂直取向层，第一基板100和第二基板200之间封装形成调节区，调节区内填充有液晶混合物，液晶混合物包括聚合物网络500和主体液晶600，聚合物网络500与功能化垂直取向层的功能性材料400键合连接，主体液晶600在功能化垂直取向层的取向层材料300作用下垂直取向。
将以上制得的液晶显示器件的液晶盒打开，利用扫描电镜分别对第一基板和第二基板的相对表面进行观察，所得结果分别如图2、图3所示。其中，由观察结果图2显示，在第一基板的表面可以明显观察到大量的聚合物网络通过功能性材料与取向层表面连接；而由观察结果图3显示，在第二基板的表面同样观察到聚合物网络连接在第二基板上。由上说明，通过在第一基板和第二基板的相对表面上设置以上功能化垂直取向层，可有效提高第一基板和第二基板与液晶混合物之间的界面强度。
实施例2
本实施例制备了一种液晶显示器件，具体过程包括以下步骤：
S1、称取0.1体积份的取向层材料TDTA和1体积份的功能性材料A174置于甲醇溶液中，制得混合溶液；
S2、取第一基板和第二基板，将第一基板和第二基板均浸泡于步骤S1制得的混合溶液中30min，以使取向层材料TDTA和功能性材料A174组装到第一基板和第二基板上；取出后在第一基板的边缘设置间隔子，而后间隔子上设置第二基板，以使第一玻璃基板和第二玻璃基板通过间隔子间隔相对设置，制备液晶盒；
S3、称取95.8质量份的主体液晶HNG30400-200(江苏和成显示科技股份有限公司)，4质量份的可聚合单体HCM009(江苏和成显示科技股份有限公司)和0.2质量份的光引发剂苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦，混合均匀制得液晶混合材料；
S4、在60℃下，将步骤S3制得的液晶混合材料通过毛细力填充到步骤S2制得的液晶盒内，并在60℃下加热台上保温30min；
S5、将步骤S4处理后的液晶盒的温度降至室温，而后置于波长为365nm、光强为27mW/cm2的紫外灯下照射8min。
实施例3
本实施例制备了一种液晶显示器件，本实施例与实施例1的区别在于：主体液晶采用E7代替HNG30400-200，可聚合单体采用N,N-二(2,3-环氧丙氧基)苯胺代替HCM009，光引发剂采用2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚代替苯偶酰双甲醚，功能性材料采用3-环氧丙氧基丙基三乙氧基硅烷代替A174。
实施例4
本实施例制备了一种液晶显示器件，本实施例与实施例2的区别在于：取向层材料采用三甲氧基[3-(甲氨基)丙基]硅烷代替TDTA，主体液晶采用5CB代替HNG30400-200，可聚合单体采用4,4’-二[6-(丙烯酰氧基)己氧基]联苯代替HCM009。
以上各实施例制得的液晶显示器件通过在第一基板和第二基板的相对表面上设置功能化取向层，该功能化取向层被配置以与调节区内液晶混合物中的聚合物网络键合连接，从而可提高第一基板和第二基板与液晶混合物之间的界面强度，同时该功能化取向层不会破坏取向层原有的取向效果。以上液晶显示器件进而可应用于制备电子设备，因此，本发明还提供了一种电子设备，包括以上任一种液晶显示器件。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种液晶显示器件，其特征在于，包括功能化取向层，所述功能化取向层的制备原料包括取向层材料和功能性材料，所述功能性材料含有活性反应基团，所述活性反应基团选自酯基、醚基、烃基、环氧基、氨基、羟基、醛基、酮基、炔基、羧基、卤素基团中的任一种；
还包括：相对设置的第一基板和第二基板，所述第一基板和所述第二基板的相对表面上均设有所述功能化取向层，所述第一基板与所述第二基板之间封装形成调节区，所述调节区内填充有液晶混合物，所述液晶混合物包括主体液晶和聚合物网络，所述聚合物网络与所述功能化取向层表面功能性材料中的活性反应基团键合连接。
2.根据权利要求1所述的液晶显示器件，其特征在于，所述功能性材料选自两亲分子和/或硅烷，所述两亲分子和所述硅烷含有所述活性反应基团。
3.根据权利要求2所述的液晶显示器件，其特征在于，所述硅烷的结构式为：
Figure FDA0004122080470000011
其中，X1、X2、X3各自独立地选自卤素原子、烷氧基、羟基、烷基中的任一种，且X1、X2、X3至少有一个为卤素原子或烷氧基；R1为C1-C30烷基中的任一种；Z为所述活性反应基团。
4.根据权利要求1所述的液晶显示器件，其特征在于，所述取向层材料选自硅烷类取向材料,和/或含长链烷基的两亲分子。
5.根据权利要求4所述的液晶显示器件，其特征在于，所述硅烷类取向材料选自以下结构物质中的至少一种：
Figure FDA0004122080470000012
其中，X1、X2、X3各自独立地选自卤素原子、烷氧基、羟基、烷基中的任一种，且X1、X2、X3至少有一个为卤素原子或烷氧基；R2为C1-C30烷基中的任一种；Y为一价阴离子。
6.根据权利要求5所述的液晶显示器件，其特征在于，Y为氟、氯、溴中的任一种。
7.权利要求1至6中任一项所述的液晶显示器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、准备第一基板和第二基板；而后取包括取向层材料和功能性材料的混合材料在第一基板和所述第二基板上制备功能化取向层；
S2、将所述第一基板和所述第二基板上设有所述功能化取向层的表面相对设置，制备液晶盒；
S3、取包括主体液晶、可聚合单体和光引发剂的液晶混合材料填充于所述液晶盒内，而后进行紫外光照射，以使所述光引发剂在所述紫外光的作用下引发所述可聚合单体聚合形成聚合物网络，同时聚合物网络与所述功能化取向层的表面的功能性材料键合连接。
8.权利要求1至6中任一项所述的液晶显示器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、准备第一基板和第二基板，将所述第一基板和所述第二基板相对设置制备液晶盒；
S2、取包括主体液晶、可聚合单体、光引发剂、取向层材料和功能性材料的液晶混合材料填充于所述液晶盒内，而后进行加热处理，以使所述取向层材料和所述功能性材料组装到所述第一基板和所述第二基板上形成功能化取向层；而后进行紫外光照射，以使所述光引发剂在所述紫外光的作用下引发所述可聚合单体聚合形成聚合物网络，同时聚合物网络与所述功能化取向层的表面的功能性材料键合连接。
9.根据权利要求8所述的液晶显示器件的制备方法，其特征在于，所述取向层材料的添加量为所述液晶混合材料的体积的0.03～1％，所述功能性材料的添加量为所述液晶混合材料的体积的0.03～20％。
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