CN115820267B

CN115820267B - 一种全息聚合物分散液晶材料及其应用

Info

Publication number: CN115820267B
Application number: CN202310152702.0A
Authority: CN
Inventors: 李锐; 刘万里; 赵鑫; 郑昱
Original assignee: Journey Technology Ltd
Current assignee: Journey Technology Ltd
Priority date: 2023-02-23
Filing date: 2023-02-23
Publication date: 2023-06-20
Anticipated expiration: 2043-02-23
Also published as: CN115820267A

Abstract

本发明提供一种全息聚合物分散液晶材料及其应用。所述全息聚合物分散液晶材料包括液晶组合物、可聚合单体和在可见光波段可固化的胶水；所述液晶组合物包括如下式I~式III所示化合物，所述可聚合单体包括至少一种如下式IV所示化合物。本发明中提供的全息聚合物分散液晶材料具有优异的性能，由此制备得到的体全息光栅具有高的衍射效率、低的雾度，以及可以在全息态及透明态之间切换，可满足体全息光波导的应用要求。

Description

一种全息聚合物分散液晶材料及其应用

技术领域

本发明属于液晶材料技术领域，具体涉及一种全息聚合物分散液晶材料及其应用。

背景技术

增强现实(augment reality，AR)，是将真实世界信息和虚拟世界信息实时叠加到同一个画面或空间的新技术。通过计算机生成提示信息、虚拟物体或虚拟场景，并叠加到真实世界中被人类器官所感知，从而达到增强现实的感官体验。目前AR技术已广泛应用在游戏、零售、教育、工业、军事和医疗等领域。

制作AR的波导技术目前分为三类：阵列光波导、表面浮雕光波导、体全息光波，其中体全息光波导技术由于具有成本较低、适宜规模化生产等优势，受到国内外的广泛关注。

当前对于体全息材料的研究集中在光致聚合物方面，CN113527143A公开了一种书写单体及其制备方法以及光致聚合物组合物及其光栅。所述书写单体为含有芴基的氨基甲酸酯丙烯酸酯单体，由书写单体制备得到的光致聚合物可以达到较高的折射率调制度及衍射效率，但是由于光致聚合物对电信号无感应，因此在材料曝光形成光栅后，无法再对其进行调谐。

全息聚合物分散液晶(Holographic polymer dispersed liquid crystal，HPDLC)是一种新型全息材料，具有成本低廉、制作工艺简单、衍射效率高且雾度低等突出优势，与光致聚合物（PP）相比，由于液晶材料具有双折射，且可以对电场产生感应，可以在no及ne之间切换，因此可以使用电信号对光栅进行调谐，不加电压时液晶折射率与聚合物存在较大差值，器件呈现全息状态，当施加电压时，液晶发生偏转，此时液晶折射率与聚合物近似，器件将不再呈现全息状态。

HPDLC的组分主要包含丙烯酸酯单体、聚氨酯丙烯酸酯预聚物、光引发剂、液晶以及少量添加剂,材料曝光时，聚合物单体发生聚合反应，随着聚合反应的进行，液晶与聚合物发生相分离，聚合反应的速度是影响相分离的关键因素，反应速度过快，则聚合物无法形成光栅结构，反应速度过慢，液晶会被聚合物包裹，无法相分离完全，导致衍射效率低下，雾度升高。因此，如何提供一种HPDLC材料，用以制备得到具有高的衍射效率、低的雾度，以及可以在全息态及透明态之间切换的体全息光栅，已成为目前亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种全息聚合物分散液晶材料及其应用。本发明中通过对全息聚合物分散液晶材料进行设计，通过选用具有特定结构式的液晶组合物和可聚合单体，制备得到的全息聚合物分散液晶材料具有优异的性能，由此制备得到的体全息光栅具有高的衍射效率、低的雾度，以及可以在全息态及透明态之间切换，可满足体全息光波导的应用要求。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种全息聚合物分散液晶材料，所述全息聚合物分散液晶材料包括液晶组合物、可聚合单体和在可见光波段可固化的胶水；

所述液晶组合物包括如下式I~式III所示化合物，所述可聚合单体包括至少一种如下式IV所示化合物：

式I；

式II；

式III；

式IV；

其中，R₁、R₂、R₃各自独立地表示

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、直链或支链的C1~C7烷基、C1~C7烷氧基、C2~C7链状烯基、C3~C7链状烯氧基，/>

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、直链或支链的C1~C7烷基、C1~C7烷氧基、C2~C7链状烯基、C3~C7链状烯氧基中至少一个氢原子可以被氟原子取代；

Sp₁、Sp₂各自独立地表示单键、C1~C6直链烷基，C1~C6直链烷基中至少一个-CH₂-可以被-O-、-COO-或-C=C-取代；

L₁表示F、Cl、直链或支链的C1~C7烷基、C3~C6环烷基、C1~C7烷氧基、C2~C6链状烯基、C2~C6链状烯氧基；

p表示1~5的整数，q表示0~4的整数。

本发明中，通过对全息聚合物分散液晶材料进行设计，通过选用具有特定结构式的液晶组合物和可聚合单体，制备得到的全息聚合物分散液晶材料具有优异的性能，由此制备得到的体全息光栅具有高的衍射效率、低的雾度，以及可以在全息态及透明态之间切换，可满足体全息光波导的应用要求。

本发明中，使用带有氰基的高共轭的化合物可以提升液晶的双折射率，进而提升材料的衍射效率，式IV所示化合物选择双官能团的可聚合单体，具有适中的聚合速度，可以使液晶与聚合物在聚合的过程中更易分相。本发明中，通过式I至式IV化合物的配合作用，制备得到的全息聚合物分散液晶材料具有优异的性能，由此制备得到的体全息光栅具有高的衍射效率、低的雾度。

本发明中，所述C1~C7中碳原子的个数可以是1、2、3、4、5、6或7。

所述C2~C7中碳原子的个数可以是2、3、4、5、6或7。

所述C3~C7中碳原子的个数可以是3、4、5、6或7。

所述C1~C6中碳原子的个数可以是1、2、3、4、5或6。

所述C2~C6中碳原子的个数可以是2、3、4、5或6。

所述p表示1、2、3、4或5的整数，q表示0、1、2、3或4的整数。

本发明中，在可见光波段可固化的胶水是指在波长为400~760 nm内可发生光固化的胶水。

需要说明的是，本发明中，“至少一个氢原子可以被氟原子取代”是指氢原子不被氟原子取代或者至少一个氢原子被氟原子取代。

以下作为本发明的优选技术方案，但不作为对本发明提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本发明的目的和有益效果。

作为本发明的优选技术方案，所述式I所示化合物包括如下式I-1~I-4所示化合物中的至少一种：

式I-1；

式I-2；

式I-3；

式I-4。

作为本发明的优选技术方案，所述式II所示化合物包括如下式II-1~II-4所示化合物：

式II-1；

式II-2；

式II-3；

式II-4。

作为本发明的优选技术方案，所述式III所示化合物包括如下式III-1~III-4所示化合物：

式III-1；

式III-2；

式III-3；

式III-4。

作为本发明的优选技术方案，所述式IV所示化合物包括如下式IV-1~IV-4所示化合物：

式IV-1；

式IV-2；

式IV-3；

式IV-4。

作为本发明的优选技术方案，以所述全息聚合物分散液晶材料的重量百分含量为100%计，所述液晶组合物的重量百分含量为20~50%，例如可以是20%、22%、25%、27%、30%、33%、35%、38%、40%、42%、46%或50%等。

作为本发明的优选技术方案，以所述全息聚合物分散液晶材料的重量百分含量为100%计，所述可聚合单体的重量百分含量为30~80%，例如可以是30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%或80%等。

作为本发明的优选技术方案，以所述全息聚合物分散液晶材料的重量百分含量为100%计，所述在可见光波段可固化的胶水的重量百分含量为1~20%，例如可以是1%、2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%或20%等。

需要说明的是，本发明中对于胶水的具体选择没有任何特殊的限制，本领域常用的在可见光波段可固化的胶水均适用，示例性地包括但不限于：聚氨酯丙烯酸树脂体系的胶水、环氧丙烯酸酯体系的胶水、聚酯丙烯酸酯体系的胶水、聚醚丙烯酸酯体系的胶水或纯丙烯酸酯体系的胶水。

作为本发明的优选技术方案，所述全息聚合物分散液晶材料中还包括光引发剂。

优选地，所述光引发剂包括双2,6-二氟-3-吡咯苯基二茂钛（光引发剂784）。

优选地，以所述全息聚合物分散液晶材料的重量百分含量为100%计，所述光引发剂的重量百分含量为0.1~5%，例如可以是0.1%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、4.5%或5%等。

本发明中，所述全息聚合物分散液晶材料的制备方法包括如下步骤：

将全息聚合物分散液晶材料的各组分按照一定配比放入棕色玻璃瓶中，并往瓶中加入磁力转子，在35~45℃下，搅拌20~40 min至搅拌均匀，冷却到室温，得到所述全息聚合物分散液晶材料。

第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的全息聚合物分散液晶材料的应用，所述全息聚合物分散液晶材料用于制备体全息光栅。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明中通过对全息聚合物分散液晶材料进行设计，通过选用具有特定结构式的液晶组合物和可聚合单体，制备得到的全息聚合物分散液晶材料具有优异的性能，由此制备得到的体全息光栅具有高的衍射效率、低的雾度，以及可以在全息态及透明态之间切换，可满足体全息光波导的应用要求，其衍射效率为65%~70%，雾度为1.7%~2%。

具体实施方式

为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

实施例和对比例中部分组分来源如下：

下述实施例和对比例中使用的NOA61为UV胶。

实施例1

本实施例提供一种全息聚合物分散液晶材料，所述全息聚合物分散液晶材料包括如下重量百分含量的组分：

实施例2

实施例3

实施例4

实施例5

实施例6

实施例7

对比例1

本对比例提供一种全息聚合物分散液晶材料，所述全息聚合物分散液晶材料包括如下重量百分含量的组分：

对比例2

对比例3

对比例4

对比例5

对上述实施例和对比例提供的全息聚合物分散液晶材料的性能进行测试，具体测试方法如下：

分别将上述实施例和对比例中全息聚合物分散液晶材料各组分按照上述比例放入棕色玻璃瓶中，并往瓶中加入磁力转子，控温40℃开启搅拌，搅拌30min至材料均匀，冷却到室温后即得HPDLC材料；

然后在在避光状态下，灌入玻璃盒中，利用虹吸效应，材料会慢慢吸入玻璃盒，直至全部灌满，玻璃盒空腔厚度为8 μm。分别对包含上述实施例和对比例提供的全息聚合物分散液晶材料的玻璃盒的性能进行测试：

衍射效率：采用东南大学学位论文《全息聚合物分散液晶（H-PDLC）光栅的研究》第38页提供的测试光路进行测试，其中，衍射效率=衍射光强/入射光强×100%；

雾度测试：采用WGT-S透光率/雾度测定仪测试雾度。

上述实施例和对比例提供的全息聚合物分散液晶材料的性能测试结构如下表1所示：

表1

由上述内容可知，本发明中通过对全息聚合物分散液晶材料进行设计，通过选用具有特定结构式的液晶组合物和可聚合单体，制备得到的全息聚合物分散液晶材料具有优异的性能，由此制备得到的体全息光栅具有高的衍射效率、低的雾度，以及可以在全息态及透明态之间切换，可满足体全息光波导的应用要求，其衍射效率为65%~70%，雾度为1.7%~2%。

与实施例1相比，若选用其他结构式的化合物作为液晶组合物组分（对比例1）或选用其他结构式的可聚合单体（对比例2），制备得到的全息聚合物分散液晶材料的性能较差，由此制备得到的体全息光栅衍射效率较低、雾度较高。

与实施例1相比，若液晶组合物中仅含式I、式II或式III中的任意两种（对比例3-5），制备得到的全息聚合物分散液晶材料的性能也较差，由此制备得到的体全息光栅衍射效率较低、雾度较高。

综上所述，本发明中通过对全息聚合物分散液晶材料进行设计，通过选用具有特定结构式的液晶组合物和可聚合单体，制备得到的全息聚合物分散液晶材料具有优异的性能，由此制备得到的体全息光栅具有高的衍射效率、低的雾度，以及可以在全息态及透明态之间切换，可满足体全息光波导的应用要求。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的全息聚合物分散液晶材料的组成，但本发明并不局限于上述详细全息聚合物分散液晶材料的组成，即不意味着本发明必须依赖上述详细全息聚合物分散液晶材料的组成才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。