CN118085890A - 一种液晶取向剂及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于液晶取向剂技术领域，具体涉及一种液晶取向剂及其制备方法与应用。液晶取向剂包含聚酰胺酸、聚酰胺酸部分亚胺化所得产物、聚酰胺酸完全亚胺化所得聚酰亚胺中的一种或多种的混合物，其中聚酰胺酸以四羧酸二酐组分a和二胺组分b为原料反应制得。本发明提供的液晶取向剂对电荷传导效率高，所制得的液晶取向膜具有残像性良好的的特性，且长时间点亮显示对比度不下降，同时具有优秀的耐摩擦性，能有效提高液晶显示元件的画面显示质量。

Description

一种液晶取向剂及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于液晶取向剂技术领域，具体涉及一种液晶取向剂及其制备方法与应用。

背景技术

一些LCD液晶显示屏会出现残像现象，屏幕的残像表现为当液晶显示器长时间显示同一画面，然后切换下一个画面时，上一个画面会残留在下一个画面中。残像产生的原理是液晶盒内的电荷被传导性能低，在外加电场的作用下正负电荷分别聚集在液晶盒的两侧，当外加电场关闭时，由于电荷不能快速被传导，会在液晶盒内形成一个反向电场，导致形成残留影像。随着LCD液晶显示屏在各行各业的应用越来越广，市场对显示画面质量及工厂产线良品率提出了更高的要求，降低液晶取向膜的残像性成为了LCD液晶显示屏的重要改进方向。

聚酰亚胺是一类具有优异热稳定性、机械性能和化学稳定性的高分子材料。在液晶显示技术中，聚酰亚胺常被用作液晶取向剂，即用于控制液晶分子的排列方向，从而影响液晶显示器的性能。液晶取向剂的性能直接决定了液晶显示器的残像、对比度等关键指标，通过优化聚酰亚胺的分子结构、链段长度和官能团种类及分布，影响液晶分子的排列和稳定性，进而可以改善液晶取向效果，减少残像现象，提高液晶显示器的对比度和显示效果。

为了使液晶取向膜具有更良好的显示对比度和耐摩擦性，以及对残像具有良好的性能，有必要提供一种包含新结构的聚酰亚胺的全新液晶取向剂，用于制备液晶取向膜和相关液晶显示元件。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明首先提供一种液晶取向剂。

本发明采用的技术方案为：

一种液晶取向剂，包括聚酰胺酸、聚酰胺酸部分亚胺化所得产物、聚酰胺酸完全亚胺化所得聚酰亚胺中的一种或多种的混合物，所述聚酰胺酸以四羧酸二酐组分a和二胺组分b为原料反应制得，所述二胺组分b选自通式(1)或通式(2)中的任意一种或多种的混合：

通式(1)中，X₁选自单键、-O-、-NH-、-N(CH₃)-、-N(CH₃)-CO-、-NH-CO-、-O-CO-、-S-、-SO-中的任意一种；

通式(2)中，X₂、X₃独立选自单键、-O-、-NH-、-N(CH₃)-、-N(CH₃)-CO-、-NH-CO-、-O-CO-、-S-、-SO-中的任意一种；

通式(1)和通式(2)中，R₁、R₂、R₃、R₄、R₅分别独立选自：氢原子、卤素、-CF₃、C₁～C₁₈烷基、含有1-8个苯环的芳基化合物、含有1-8个杂环的化合物中的任意一种；

通式(1)中，m为0或1，通式(2)中，q为0-16的整数。

优选的，所述二胺组分b选自如下式1-1、式1-2、式1-3、式1-4或式1-5所示的结构中的任意一种或多种的混合：

优选的，所述四羧酸二酐组分a为均苯四羧酸二酐、1,2,3,4-环丁烷四羧酸二酐、3,3’,4,4’-联苯砜四羧酸二酐、1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐、3,3’,4,4’-联苯四羧酸二酐、2,3,3’,4’-联苯四羧酸二酐、1,2,3,4-环戊烷四羧酸二酐、3,3’,4,4’-二苯醚四羧酸二酐、3,3’,4,4’-二苯甲酮四羧酸二酐、2,3,5-三羧基环戊基乙酸二酐、1,3-二甲基-1,2,3,4-环丁烷四羧酸二酐中的任意一种或多种的组合。

优选的，所述二胺组分b还包括对苯二胺、对苯二甲酸二对氨基苯酯、1,5-二氨基萘、1,8-二氨基萘、对氨基苯乙胺、4,4’-二氨基二苯甲烷、4,4’-二氨基二苯乙烷、4,4’-二氨基苯甲酰胺、4(4-庚基环己基)苯基-3,5-二氨基苯甲酸酯、2,2’-二甲基-4,4’-二氨基联苯、4,4’-二氨基二苯醚、1,4-二(4-氨基苯氧基)苯、4,4’-二氨基二苯甲酮、1,2-双(4-氨基苯氧基)乙烷、1,3-双(4-氨基苯氧基)丙烷、1,4-双(4-氨基苯氧基)丁烷、1,5-双(4-氨基苯氧基)戊烷、1,6-双(4-氨基苯氧基)己烷、N,N’二(4-氨基苯基)哌嗪、2,2-双[4(4-氨基苯氧基)苯基]丙烷、1-十二烷氧基-2,4-苯二胺、3,5-二氨基苯甲酸中的任意一种或多种的组合。

优选的，所述液晶取向剂还包括溶剂，所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮、γ-丁内酯、二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二乙二醇丁醚、乙二醇单乙醚、乙二醇单丁醚、二乙二醇二甲醚、乙二醇甲乙醚、乙二醇二甲醚、二丙酮醇中的任意一种或多种的组合。

优选的，所述液晶取向剂中，聚酰胺酸、聚酰胺酸部分亚胺化所得产物、聚酰胺酸完全亚胺化所得聚酰亚胺中的一种或多种的混合物的浓度为4～8wt％，其余为溶剂。

本发明还提供一种液晶取向膜，由如上所述的液晶取向剂制备获得。

本发明还提供一种液晶显示元件，包含如上所述的液晶取向膜。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的液晶取向剂含有酰肼基团，酰肼基团中N-N双氮结构的两对孤电子对形成的电子云叠加，加强了二胺和酸酐之间亚胺键的电子云密度，更加有利于传导液晶盒因偏置电压、漏电、杂质离子等因素产生的电荷，进而极大地提高电荷的传导效率。

本发明中液晶取向剂对电荷传导效率高，所制得的液晶取向膜具有残像性良好的的特性，且长时间点亮显示对比度不下降，同时具有优秀的耐摩擦性，能有效提高液晶显示元件的画面显示质量。

具体实施方式

为了便于理解，下面结合实施例对本发明的技术方案做出更为具体的说明。

实施例1

1、化合物b-1-1的合成

步骤1、在三口烧瓶加入21.966g 2-氨基对苯二甲酸二甲酯、11.11g三乙胺、140g二氯甲烷搅拌溶解后，60min内滴完14.057g对苯甲酰氯，TLC跟踪，直至原料苯甲酰氯无剩余，停止搅拌，过滤除去三乙胺盐酸盐，浆料倒入70g水中搅拌20min、分层，除去水相，洗涤，旋蒸除去二氯甲烷，将固体倒入100g甲醇中重结晶，过滤、烘干，得25.45g黄色晶体，产物测HPLC-MS，m/z＝313.31，确认为中间产物b-0-1，以为标准计算，此反应收率为81.23％；

步骤2、将15.66g中间产物b-0-1溶于80mL THF中，30min滴入64g 25wt％水合肼，回流12小时，降温至25℃，过滤，滤饼为粗产品；粗产品经THF重结晶，过滤、干燥，得产品b-1-1(质量12.13g，收率77.45％)。

该合成路径可表示如下：

该化合物b-1-1的高分辩率质谱，ESI源，正离子模式，分子式C₁₅H₁₅N₅O₃，理论值313.12，测试值313.11；元素分析(C₁₅H₁₅N₅O₃)，理论值C：57.5，H：4.83，N：22.35，O：15.32，实测值C：57.5，H：4.84，N：22.35，O：15.31。

2、化合物b-1-2的合成

步骤1、在三口烧瓶加入31.739g对羟基苯甲酸甲酯、15.2g无水碳酸钾、160g DMF，加热至120℃，30min滴完11.3g 1,3-二氯丙烷，TLC跟踪，直至原料对羟基苯甲酸甲酯无剩余，停止搅拌，反应液过滤，得黄色溶液，加入1000g水造粒，过滤得黄色固体。将所得黄色固体加入80g无水乙醇加热重结晶，降至室温，析出固体，抽滤，烘干，得26.56g黄色晶体，产物测HPLC-MS，m/z＝344.13，确认为中间产物b-0-2，以为标准计算，此反应收率为77.2％；

步骤2、将17.206g中间产物b-0-2溶于100ml乙醇中，30min滴入64g 25wt％水合肼，回流12小时，降温至25℃，过滤，滤饼为粗产品；粗产品经乙醇重结晶，过滤、干燥，得产品b-1-2(质量12.36g，收率71.82％)。

该合成路径可表示如下：

该化合物b-1-2的高分辩率质谱，ESI源，正离子模式，分子式C₁₇H₂₀N₄O₄，理论值344.15，测试值344.17；元素分析(C₁₇H₂₀N₄O₄)，理论值C：59.29，H：5.85，N：16.27，O：18.58，实测值C：59.28，H：5.86，N：16.27，O：18.58。

3、化合物b-1-3的合成

步骤1、在三口烧瓶加入42.036g 2-羟基对苯二甲酸二甲酯、11.66g无水碳酸钠与220g甲苯，加热至60℃，30min滴完29.807g碘甲烷，TLC跟踪，直至原料2-羟基对苯二甲酸二甲酯无剩余，停止搅拌，反应液过滤，得黄色溶液，加入1500g水造粒，过滤得黄色固体，加入110g甲醇搅拌30min抽滤，烘干，得36.47g黄色晶体，产物测HPLC-MS，m/z＝224.21，确认为中间产物b-0-3，以为标准计算，此反应收率为81.34％；

步骤2、将22.421g中间产物b-0-3溶于110mL 1,4-二氧六环中，60min滴入128g25wt％水合肼，回流12小时，降温至25℃，过滤，滤饼为粗产品；粗产品经1,4-二氧六环重结晶，过滤、干燥，得产品b-1-3(质量18.13g，收率74.32％)。

该合成路径可表示如下：

该化合物b-1-3的高分辩率质谱，ESI源，正离子模式，分子式C₉H₁₂N₄O₃，理论值224.09，测试值224.11。元素分析(C₉H₁₂N₄O₃)，理论值C：48.21，H：5.39，N：24.99，O：21.41，实测值C：48.22，H：5.37，N：24.98，O：21.42。

4、化合物b-1-4的合成

步骤1、在三口烧瓶加入15.117g对氨基苯甲酸甲酯、17.059g对氯苯甲酸甲酯、4.4g氢氧化钠与120g二甲基亚砜DMSO，加热至70℃，液相色谱跟踪，直至反应达到平衡，停止搅拌，浆料倒入1200g水中搅拌20min，过滤得黄色固体，加入500g水进行打浆后，过滤、洗涤、烘干，得19.54g黄色晶体，产物测HPLC-MS，m/z＝285.1，确认为中间产物b-0-4，以为标准计算，此反应收率为68.57％；

步骤2、将14.265g中间产物b-0-4溶于70mL THF中，30min滴入64g 25wt％水合肼，回流12小时，降温至25℃，过滤，滤饼为粗产品；粗产品经THF重结晶，过滤、干燥，得产品b-1-4(质量9.38g，收率65.82％)。

该合成路径可表示如下：

该化合物b-1-4的高分辩率质谱，ESI源，正离子模式，分子式C₁₄H₁₅N₅O₂，理论值285.12，测试值285.11。元素分析(C₁₄H₁₅N₅O₂)，理论值C：58.94，H：5.30，N：24.55，O：11.21，实测值C：58.94，H：5.30，N：24.56，O：11.20。

5、化合物1-5的合成

步骤1、在三口烧瓶加入15.872g对氨基苯甲酸甲酯、11.11g三乙胺与130g二氯甲烷，60min内滴完19.86g对甲酸甲酯苯甲酰氯，TLC跟踪，直至原料对甲酸甲酯苯甲酰氯无剩余，停止搅拌，过滤除去三乙胺盐酸盐，浆料倒入60g水中搅拌20min，分层，除去水相，洗涤，旋蒸除去乙二氯甲烷，将固体倒入100g甲醇中重结晶，过滤、烘干，得黄色晶体27.29g，产物测HPLC-MS，m/z＝313.1，确认为中间产物b-0-5，以为标准计算，此反应收率为87.15％；

步骤2、将15.66g中间产物b-0-5溶于80mL THF中，30min滴入64g 25wt％水合肼，回流12小时，降温至25℃，过滤，滤饼为粗产品；粗产品经THF重结晶，过滤、干燥，得产品b-1-5(质量12.31g，收率78.63％)。

该合成路径可表示如下：

该化合物b-1-5的高分辩率质谱，ESI源，正离子模式，分子式C₁₅H₁₅N₅O₃，理论值313.12，测试值313.13。元素分析(C₁₅H₁₅N₅O₃)，理论值C：57.5，H：4.83，N：22.35，O：15.32，实测值C：57.49，H：4.83，N：22.35，O：15.33。

实施例2

制备液晶取向剂，包括实施例1制备的化合物b-1-1～b-1-5，其余使用的原料编号如下：

四羧酸二酐组分a：

化合物a-1：1,2,3,4-环丁烷四羧酸二酐，结构式如下：

化合物a-2：1,3-二甲基-1,2,3,4-环丁烷四羧酸二酐，结构式如下：

化合物a-3：均苯四甲酸二酐，结构式如下：

二胺组分b：

化合物b-2-1：对苯二胺

化合物b-2-2：4,4’-二氨基二苯乙烷

化合物b-2-3：4,4’-二氨基二苯醚

化合物b-2-4：1-十二烷氧基-2,4-苯二胺

化合物b-2-5：对苯二甲酸二对氨基苯酯

合成例1：

步骤如下：

S1、聚合：将二胺化合物b-1-1(50％摩尔分数)、化合物b-2-1(30％摩尔分数)和化合物b-2-2(20％摩尔分数)溶解于N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中，加入四羧酸二酐化合物a-1(100％摩尔分数)，在40℃下反应8小时，得含有15wt％的聚酰胺酸(聚合体PA-1-1)的溶液；

S2、稀释：取聚合体PA-1-1聚酰胺酸溶液(100质量份)，加入N-甲基吡咯烷酮NMP(75质量份)和二乙二醇丁醚BC(75质量份)，室温下搅拌2小时，经过0.2μm的滤膜过滤，得液晶取向剂A-1-1；上述所得液晶取向剂A-1-1中聚合物的浓度为6wt％，溶剂BC含量为30wt％，其余为N-甲基吡咯烷酮NMP。

参考上述合成例1步骤，调整合成聚酰胺酸原料的种类和摩尔分数，制备得到合成例2-20，比较例1-18，见表1、表2。

表1合成例1-20配方

表2比较例1-18配方

实施例3

按照下列的方法制备IPS型液晶显示盒，准备两片3cm×4cm厚度为0.5mm的玻璃基板，其中下基板带有梳齿型的ITO电极，电极宽度10μm，相邻梳型电极的间距为10μm，像素电极与公共电极成交叉排列。基中上玻璃基板没有电极，将实施例2中所制备的液晶取向剂，涂覆在两个基板上，经过前烘100℃，3min，主固化(烘箱，230℃，30min)，将得到膜厚100nm的聚酰亚胺取向膜。

将带有聚酰亚胺涂层的上下玻璃基板，然后用摩擦机摩擦该ITO玻璃基板上的聚酰亚胺薄膜，即得涂覆在ITO玻璃基板上的液晶取向膜。在下玻璃片取向膜一面喷洒4μm间隔子，在上玻璃片划上一定图形的封框胶，将上下玻璃片有取向膜面相对、且摩擦方向反向平行预贴合，再放入真空贴合机内抽真空、贴合，将贴合后的液晶盒放入130℃热板烘烤10min固化封框胶，灌入液晶，随后用光固化胶封口，获得液晶盒。

性能表征

(1)液晶取向膜的耐摩擦性能

液晶取向膜的耐摩擦性可以通过摩擦机对取向膜摩擦，检测摩擦后的取向膜的雾度，进一步而言，耐摩擦性的检测方法如下。

测试耐摩擦性的条件如下：液晶取向剂涂覆在80×80mm的ITO玻璃基板上，经过前烘100℃，3min，主固化(烘箱，230℃，30min)，将得到膜厚100nm的聚酰亚胺取向膜。该取向膜在摩擦机上摩擦50次，压入量0.5mm，雾度计检测摩擦完成后将取向膜的雾度值。

◎：雾度≤0.2，耐摩擦性能优秀；

○：0.2＜雾度≤0.5，耐摩擦性能良好；

△：0.5＜雾度，耐摩擦性能差。

(2)液晶显示元件的对比度稳定性能

将所述制造的液晶显示元件(未贴合偏光板的液晶单元)以饱和交流电压驱动24小时后测试对比度。仪器为亮度计(装置型号：CA310)，在配备偏光显微镜下测试液晶显示元件，测试的最小亮度作为黑度。对液晶原件施加任意矩形波电压，测试最大亮度作为白度。对比度定义为白度与黑度的比值。

液晶显示元件对比度评价结果如下：

◎：对比度≥1200，液晶显示元件对比度良好；

○：800≤对比度＜1200，液晶显示元件对比度一般；

△：对比度＜800，液晶显示元件对比度不良。

(3)液晶取向膜的热稳定性能

液晶取向膜的热稳定性能可通过液晶显示元件的电压保持率可评价(以下简称VHR)，进一步而言，电压保持率的检测方法如下：

测试VHR的条件是：加载5V电压、60μs后，断开电压，并测量断开电压167ms后的VHR(记为VHR₀)；然后将该液晶显示元件置于60℃的环境下24小时，再用相同的方法测量此时的VHR(记为VHR₁)；通过公式计算VHR的变化值(记为ΔVHR)，ΔVHR＝(VHR₀-VHR₁)/VHR₀×100％，越低的ΔVHR，表示热稳定性越好。

◎：ΔVHR≤5％，热稳定性能优秀；

○：5％＜ΔVHR≤10％，热稳定性能良好；

△：10％＜ΔVHR，热稳定性能差。

(4)液晶取向膜的残像性能

液晶取向膜的残像性能可通过液晶显示元件的残余电压来评价(以下简称RDC)，进一步而言，液晶显示元件的残留电压的检测方法如下。

测试RDC的条件是：用上述操作制作的液晶显示元件，在60℃的环境温度下施加1小时的直流5V的电压，撤去外加电压，将像素电极与公共电极短接1s，然后立即测试两电极之间的残留电压，测试时间为600s；

RDC的评价标准如下所示：

◎：RDC≤0.2V，残像性能优秀；

○：0.2V＜RDC≤0.6，残像性能良好；

△：RDC＞0.6V，残像性能差。

具体的测试结果如表3、4所示：

表3合成例1-20制备的液晶显示元件性能

表4比较例1-18制备的液晶显示元件性能

可以看出，较比较例1-18，本发明的合成例1-20，由具有特定酰肼结构的b-1-1～b-1-5与b-2-1～b-2-5按照不同的摩尔分数进行混合形成二胺组分，和a-1～a-3四羧酸二酐组分反应生成聚酰胺酸，所制得的液晶显示元件的耐摩擦性能好、对比度优异与残性良好，明显优于比较例1-18，同时本发明的合成方法简单，市场前景广阔，适合规模化应用推广。

以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而并非对本发明的限制；尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种液晶取向剂，其特征在于，包括聚酰胺酸、聚酰胺酸部分亚胺化所得产物、聚酰胺酸完全亚胺化所得聚酰亚胺中的一种或多种的混合物，所述聚酰胺酸以四羧酸二酐组分a和二胺组分b为原料反应制得，所述二胺组分b选自通式(1)或通式(2)中的任意一种或多种的混合：

通式(1)中，X₁选自单键、-O-、-NH-、-N(CH₃)-、-N(CH₃)-CO-、-NH-CO-、-O-CO-、-S-、-SO-中的任意一种；

通式(2)中，X₂、X₃独立选自单键、-O-、-NH-、-N(CH₃)-、-N(CH₃)-CO-、-NH-CO-、-O-CO-、-S-、-SO-中的任意一种；

通式(1)和通式(2)中，R₁、R₂、R₃、R₄、R₅分别独立选自：氢原子、卤素、-CF₃、C₁～C₁₈烷基、含有1-8个苯环的芳基化合物、含有1-8个杂环的化合物中的任意一种；

通式(1)中，m为0或1，通式(2)中，q为0-16的整数。

2.根据权利要求1所述的一种液晶取向剂，其特征在于，所述二胺组分b选自如下式1-1、式1-2、式1-3、式1-4或式1-5所示的结构中的任意一种或多种的混合：

3.根据权利要求1所述的一种液晶取向剂，其特征在于，所述四羧酸二酐组分a为均苯四羧酸二酐、1,2,3,4-环丁烷四羧酸二酐、3,3’,4,4’-联苯砜四羧酸二酐、1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐、3,3’,4,4’-联苯四羧酸二酐、2,3,3’,4’-联苯四羧酸二酐、1,2,3,4-环戊烷四羧酸二酐、3,3’,4,4’-二苯醚四羧酸二酐、3,3’,4,4’-二苯甲酮四羧酸二酐、2,3,5-三羧基环戊基乙酸二酐、1,3-二甲基-1,2,3,4-环丁烷四羧酸二酐中的任意一种或多种的组合。

4.根据权利要求1所述的一种液晶取向剂，其特征在于，所述二胺组分b还包括对苯二胺、对苯二甲酸二对氨基苯酯、1,5-二氨基萘、1,8-二氨基萘、对氨基苯乙胺、4,4’-二氨基二苯甲烷、4,4’-二氨基二苯乙烷、4,4’-二氨基苯甲酰胺、4(4-庚基环己基)苯基-3,5-二氨基苯甲酸酯、2,2’-二甲基-4,4’-二氨基联苯、4,4’-二氨基二苯醚、1,4-二(4-氨基苯氧基)苯、4,4’-二氨基二苯甲酮、1,2-双(4-氨基苯氧基)乙烷、1,3-双(4-氨基苯氧基)丙烷、1,4-双(4-氨基苯氧基)丁烷、1,5-双(4-氨基苯氧基)戊烷、1,6-双(4-氨基苯氧基)己烷、N,N’二(4-氨基苯基)哌嗪、2,2-双[4(4-氨基苯氧基)苯基]丙烷、1-十二烷氧基-2,4-苯二胺、3,5-二氨基苯甲酸中的任意一种或多种的组合。

5.根据权利要求1所述的一种液晶取向剂，其特征在于，所述液晶取向剂还包括溶剂，所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮、γ-丁内酯、二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二乙二醇丁醚、乙二醇单乙醚、乙二醇单丁醚、二乙二醇二甲醚、乙二醇甲乙醚、乙二醇二甲醚、二丙酮醇中的任意一种或多种的组合。

6.根据权利要求5所述的一种液晶取向剂，其特征在于，所述液晶取向剂中，聚酰胺酸、聚酰胺酸部分亚胺化所得产物、聚酰胺酸完全亚胺化所得聚酰亚胺中的一种或多种的混合物的浓度为4～8wt％，其余为溶剂。

7.一种液晶取向膜，其特征在于，由权利要求1-6中任一项所述的液晶取向剂制备获得。

8.一种液晶显示元件，其特征在于，包含如权利要求7所述的液晶取向膜。