CN1500780A - 具有氧杂环丁烷基基团的（甲基）丙烯酸化合物以及用其制造的液晶薄膜 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种新化合物，其适合作为一种包含一个活性基团的侧链型液晶聚合物质的起始材料，该活性基团在液晶取向结构的固化方面具有优良的活性。这种新化合物是一种如下式所示的具有氧杂环丁烷基基团的(甲基)丙烯酸化合物，其中R1为氢或甲基，R2为氢、甲基或乙基，“L1－M－L2”代表一个中间部分，n和m独立地是0到10的整数。另外，本发明还提供了一种包含该侧链型液晶聚合物质的液晶薄膜和一种安装了这样液晶薄膜的显示装置。

Description

具有氧杂环丁烷基基团的(甲基) 丙烯酸化合物以及用其制造的液晶薄膜
发明领域
本发明涉及一种新的具有可聚合氧杂环丁烷基基团的(甲基)丙烯酸化合物以及一种由此(甲基)丙烯酸化合物衍生的新的侧链型液晶聚合物质。本发明还涉及一种包含所述聚合物质的液晶薄膜以及一种安装了所述液晶薄膜的液晶显示装置。
现有技术概述
近年来，由于研发中更多地将液晶材料应用于光学目的上，为了获得一种具备颜色校正和宽视角性能的液晶显示装置，一种由排列液晶材料所制造的液晶薄膜已经出现。
已知很多不同的将液晶材料制成薄膜的方法。例如，在公开号为3-9321的日本专利申请中披露的，先将液晶聚合物质成型在一个能够排列此物质的基材上，接着加热此薄膜到等于或高于玻璃化转变温度“Tg”的温度，然后迅速冷却薄膜以便固定液晶取向。然而，虽然这种方法适用于主链型和侧链型液晶聚合物质，但是，当使用一种高Tg的主链型液晶聚合物质时，基材是有限的，并会增加负荷与合格排列的工序。而且，当使用一种侧链型液晶聚合物质时，所得液晶薄膜的耐热性会有问题，并且在临近Tg温度时存在液晶取向混乱的缺点。
另外，公开号为8-21915的日本专利申请中披露的，通过浇注一种包含活性基团的液晶低分子量物质到一个具有排列基材的液晶单元中，并加热此单元到其中的物质显现出液晶相的温度，以使其取向到液晶取向状态，接着用例如光或热的外力聚合此物质来固定取向。然而，这种方法很难控制所得液晶薄膜的参数，因为取向的液晶是低分子量物质，因此诸如流动性和双折射的物理性质非常依赖于温度。此外，此方法所得的液晶薄膜的耐热性会有问题，因为这种液晶的结构在聚合后变得近似于侧链型液晶聚合物质，因此不会得到十分高的Tg。
公开号为10-120640的日本专利申请中披露的，用外力聚合并固定液晶取向的另一个方法，一种液晶聚合物质和活性低分子量物质的混合物可以取向为一种液晶相，接着在外力作用下使其反应和固化。然而，因为液晶聚合物质和活性低分子量物质的反应不能充分发展，所以无法获得足够的Tg，导致所得液晶薄膜的耐热性有问题。
考虑到这些问题，公开号为2000-319527的日本专利申请中披露了一种目前认为是最有效的方法，将一个活性基团直接引入具有相应的低Tg液晶聚合物质中，比如侧链型，然后在例如光或热的外力作用下，在活性基团取向为液晶态后，使他们交联，从而提高了Tg。然而，此方法很难合成这样具有活性基团的侧链型液晶聚合物质。例如，当引入活性基团前已构造了聚合结构，它的数量会不足。另一方面，通过聚合其中一个活性基团，可以将具有两个活性基团的单体合成为一个侧链型液晶聚合物质，使得其他活性基团的活性维持在比进行反应的活性基团的活性低的水平上是十分必要的，这会导致在聚合物质的活性基团取向为液晶相后，其趋向不足的问题。
鉴于以上问题，本发明提供一种新的化合物，其适合作为一种包含一个活性基团的侧链型液晶聚合物质的起始材料，此物质在液晶取向结构的固化时具有优良的活性以及提供一种由此化合物衍生出的一种侧链型液晶聚合物质。此外，本发明还提供一种具有优良耐热性的液晶薄膜，其通过固化液晶材料的取向状态，由包含所述侧链型液晶聚合物质的液晶材料制成以及一种安装了这样液晶薄膜的显示装置。
在深入研究之后，本发明者制造出一种具有氧杂环丁烷基基团的新的能够聚合的化合物，其能用于作为一种易于合成并且具备优良取向性能和取向结构固定性能的侧链型液晶聚合物质的起始材料。
发明概述
本发明的第一方面，提供一种如下式所示的具有氧杂环丁烷基基团的(甲基)丙稀酸化合物
其中R1为氢成甲基，R2为氢、甲基或乙基，L1和L2独立地为选自单键、-O-、-O-CO-和-CO-O-，M代表选自以下式(2)、(3)和(4)的化学式，n和m各自独立地为0到10的一个整数：
        -P1-L3-P2-L4-P3-    (2)
        -P1-L3-P3-          (3)
        -P3-                (4)
其中P1和P2各自独立地代表选自下式(5)的基团，P3为选自下式(6)的基团，L3和L4各自独立地代表选自单键、-CH＝CH-、-C≡C-、-O-、-O-CO和-CO-O-
和
Figure A0316489800072
本发明的第二方面，提供一种通过均聚如式(1)所示具有氧杂环丁烷基基团的(甲基)丙烯酸化合物的(甲基)丙烯酸部分而得到或者其与其他(甲基)丙烯酸化合物共聚而得到的侧链型液晶聚合物质。
本发明的第三方面，提供具有下面式(7)所示的侧链型液晶聚合物质单元，该单元由带有如式(1)所示的氧杂环丁烷基基团的(甲基)丙烯酸化合物衍生。
Figure A0316489800081
本发明的第四方面，提供包括5到100％摩尔的上面所述式(7)的单元的侧链型液晶聚合物质。
本发明的第五方面，提供重均分子量为2000到100000的侧链型液晶聚合物质。
本发明的第六方面，提供一种包含10％或以上质量的所述侧链型液晶聚合物质的液晶材料。
本发明的第七方面，提供的侧链型液晶材料进一步包含一种光阳离子引发剂和/或热阳离子引发剂。
本发明的第八方面，提供一种通过固定液晶材料的取向状态而得到的液晶薄膜。
本发明的第九方面，提供一种制造液晶薄膜的方法，其中使液晶材料附于一个排列的基材上以便使液晶材料排列成为液晶取向状态，接着用光辐射和/或热处理固定这种取向。
本发明的第十方面，提供的制造液晶薄膜的方法，其中的取向状态是一种通过固定选自向列型、扭转向列型、胆甾型和向列混合取向中的一种而得到的取向状态。
本发明的第十一方面，提供一种包括液晶薄膜的光学薄膜。
本发明的第十二方面，提供的光学薄膜是一种选自一种延迟薄膜、一种颜色校正薄膜、一种视角改进薄膜、一种圆形偏振薄膜和一种光学旋光薄膜的薄膜。
附图简述
图1表示实施例1所得丙烯酸化合物1的1H-NMR光谱。
图2表示实施例2所得丙烯酸化合物2的1H-NMR光谱。
图3表示实施例3所得丙烯酸化合物3的1H-NMR光谱。
图4表示实施例4所得丙烯酸化合物4的1H-NMR光谱。
图5表示实施例5所得丙烯酸化合物5的1H-NMR光谱。
图6表示实施例6所得丙烯酸化合物6的1H-NMR光谱。
图7表示对比实施例1所得丙烯酸化合物7的1H-NMR光谱。
图8表示对比实施例1所得丙烯酸化合物8的1H-NMR光谱。
图9表示实施例7所得侧链型液晶聚丙烯酸酯4的1H-NMR光谱。
图10表示对比实施例2所得侧链型液晶聚丙烯酸酯13的1H-NMR光谱。
图11表示对比实施例3所得双官能氧杂环丁烷单体的1H-NMR光谱。
图12是实施例10中使用的构成液晶显示装置的组成部分的轴向排列示意图。
图13是实施例11中使用的构成液晶显示装置的组成部分的轴向排列示意图。
发明详述
以下将对本发明做更详细的说明。
本发明所述具有氧杂环丁烷基基团的(甲基)丙烯酸化合物由下式表示
Figure A0316489800091
在式(1)中，R1式氢或甲基，R2式氢、甲基或乙基，L1和L2独立地为选自单键、-O-、-O-CO-和-CO-O-，M代表选自以下式(2)、(3)和(4)的化学式，n和m各自独立地为0到10中的一个整数
        -P1-L3-P2-L4-P3-    (2)
        -P1-L3-P3-          (3)
        -P3-                (4)
其中P1和P2各自独立地代表选自下式(5)的基团，P3为选自下式(6)的基团，L3和L4各自独立地代表选自单键、-CH＝CH-、-C≡C-、-O-、-O-CO-和-CO-O-
Figure A0316489800101
和
Figure A0316489800102
本发明所述具有氧杂环丁烷基(甲基)丙烯酸化合物的特征在于它包含一个由芳香酯组成的中间部分，由烃链组成的键合的间隔部分，在一个末端的活性氧杂环丁烷基基团和在另一个末端的(甲基)丙烯酸，并且通过均聚这种化合物的(甲基)丙烯酸基团或者共聚其与其他(甲基)丙烯酸化合物而得到的聚合物质显现出液态结晶性。
首先，每一个组成部分说明如下。
本发明所述具有氧杂环丁烷基基团(甲基)丙烯酸化合物的中间部分由式(1)中的“-L1-M-L2-”表示，其中M代表“-P1-L3-P2-L4-P3-、“-P1-L3-P3-”或“-P3-。中间部分的结构是1到3个芳香环或环己烷环直接键合(单键)或者经由一个醚键(-O-)或者经由一个酯键(-CO-O-)来连接到间隔部分、氧杂环丁烷基基团或(甲基)丙烯酸基团。
在式(1)中，L1、L2、L3和L4各自独立地是一个单键(意思是说两侧的基团不经由“L”代表的基团而直接键合)或者代表-CH＝CH-、-C≡C-、-O-、-O-CO-或-CO-O-。P1和P2各自独立地为选自式(5)的基团，而P3为选自式(6)的基团。
虽然中间部分可以任选自上述化合物，优选的例子由下式表示
式(1)中“-(CH2)n-”和“-(CH2)m-”表示的间隔部分分别代表一个单键，即“n”或“m”为0或一个具有1到10个碳原子的二价直链烃，即“n”或“m”是1到10中的一个整数。只要预期的化合物显现出液态结晶性，中间部分可以不经由间隔部分直接键合到或经由醚键(-O-)或者酯键(-CO-O-)来键合到氧杂环丁烷基基团部分和(甲基)丙烯酸部分。总体来说，中间部分和(甲基)丙烯酸基团部分之间太短的间隔会缩小显现液晶性的温度范围，而太长的间隔会对所得液晶薄膜的耐热性有不利影响。鉴于此，中间部分和(甲基)丙烯酸基团部分之间的间隔部分一般有1到8个，优选2到6个碳原子。在中间部分和氧杂环丁烷基基团部分之间太长的间隔会对所得液晶薄膜有不利影响。因此，在中间部分和氧杂环丁烷基基团部分之间的间隔部分一般有0到6个，优选0到4个碳原子(0个碳原子在此表示中间部分的键直接连接到氧杂环丁烷基基团部分)。
具有一个本发明所述氧杂环丁烷基基团的(甲基)丙烯酸化合物的一个末端是活性氧杂环丁烷基基团，而另一个末端是(甲基)丙烯酸基团。由于所述化合物是既具有阳离子聚合能力的氧杂环丁烷基基团又具有自由基或阴离子聚合能力的(甲基)丙烯酸的双官能单体，(甲基)丙烯酸基团只能由自由基或阴离子聚合反应聚合，因此所得的侧链型液晶聚合物质具有一个有阳离子聚合能力的氧杂环丁烷基基团。也就是说，侧链型液晶聚合物质是(甲基)丙烯酸基团通过自由基或阴离子聚合反应合成的，同时有阳离子聚合能力的氧杂环丁烷基基团，除了在阳离子聚合反应条件下，其活性都是很低的。侧链型液晶聚合物质比主链型液晶聚合物质的Tg温度低，因此易于在低的温度下取向。取向过程后，侧链型液晶聚合物质就被取向了，在阳离子条件下，氧杂环丁烷基基团被聚合，例如被熟化和被交联，这导致Tg升高。因此，一个具有改进耐热性和机械强度的液晶薄膜能用所得的侧链型液晶聚合物质制造。
在合成具有氧杂环丁烷基基团的(甲基)丙烯酸化合物中没有特殊的限制，因此，可以用普通的有机化学合成方法来进行合成。
例如，依靠Williamson’s的醚合成法或一种使用凝结剂的酯合成法将一个具有氧杂环丁烷基基团的部分联结到一个具有(甲基)丙烯酸基团的部分上，从而合成出一个具有两个活性官能团的(甲基)丙烯酸化合物，例如一个氧杂环丁烷基基团和一个(甲基)丙烯酸基团。更具体的是，本发明中所述具有氧杂环丁烷基基团的(甲基)丙烯酸化合物可以通过以下步骤合成出来：
Figure A0316489800121
上面的缩写代表以下化合物：
    DCC：1，3-二环己基碳化二酰亚胺
    DMAP：4-二甲基氨基吡啶
    DCM：二氯甲烷
    PPTS：p-甲苯磺酸吡啶鎓
    THF：四氢呋喃
    DMF：二甲基甲酰胺
    BHT：2，6-二-叔-丁基-4-甲基苯酚
本发明所述侧链型液晶聚合物质是一种包含由式(1)所示含氧杂环丁烷基基团的(甲基)丙烯酸化合物衍生来的下面的式(7)所示单元的物质。
包含式(7)所示单元的侧链型液晶聚合物质能够通过均聚含式(1)所示氧杂环丁烷基基团的(甲基)丙烯酸化合物中的(甲基)丙烯酸部分而合成或者其与其他(甲基)丙烯酸化合物通过自由基或阴离子聚合反应进行共聚来合成。对于此聚合反应条件没有特殊限制。因此，此聚合反应可以在普通条件下进行。
一个自由基聚合反应的实例是，可以将(甲基)丙烯酸化合物溶解在一种溶剂中，例如二甲基甲酰胺(DMF)并且用2，2′-偶氮异丁基腈(AIBN)或过氧化苯甲酰(BPO)做引发剂在温度为80到90℃时反应几个小时。另外，为了稳定地显现液晶相，要用溴化铜(I)/2，2′-二吡啶-基或TEMPO-基的引发剂来引导进行活化的自由基聚合反应，以便控制分子量分布。这些自由基聚合反应需要严格处于脱氧条件下进行。
一个阴离子聚合反应的实例是，将(甲基)丙烯酸化合物溶解在一种溶剂中，例如四氢呋喃(THF)，再用强碱反应，例如有机锂化合物、有机钠化合物或一种格利雅试剂。另外，此聚合反应可以通过优化引发剂或反应温度而转化成活化的阴离子聚合反应，从而控制分子量分布。这些阴离子聚合反应需要严格处于脱水和脱氧条件下进行。
只要化合物显现出一种液态结晶性，对共聚的(甲基)丙烯酸化合物类型没有特殊限制。然而，优选具有中间基团的(甲基)丙烯酸化合物，因为中间基团能够增强所得聚合物质的液晶性。更具体的是，更优选是下式代表的化合物：
本发明所述侧链型液晶聚合物质包括摩尔含量为5到100％的式(7)的单元，特别优选摩尔含量为10到100％。本发明所述侧链型液晶聚合物质具有优选为2000到100000，更优选为5000到50000的重均分子量。
接下来，下面将对本发明所述含侧链型液晶聚合物质的聚合液晶材料进行说明。
本发明所述聚合的液晶材料含所述侧链型液晶聚合物质为质量含量为至少10％或其以上，优选30％或其以上，更优选50％或其以上。侧链型液晶聚合物质量含量低于10％的的组合物不是优选的，因为组合物中聚合基团的浓度会降低。并因此聚合后的机械强度不足。
本发明所述聚合的液晶组合物可以包括除了侧链型液晶聚合物质之外的多种化合物，这些化合物可以不干扰液态结晶性地混合。这样的化合物的例子是具有阳离子聚合能力官能基团的化合物，例如具有氧杂环丁烷基、环氧基和乙烯醚基，也是具有薄膜成型能力的多种聚合物，还是多种显现液晶向列、胆甾型液晶或discotic液态结晶性的低分子或聚合化合物。而且，可以混合多种光学活性物质，而不管是否其显现出液态结晶性，以便使聚合液晶组合物显现出胆甾型液态结晶性。
在本发明的聚合液晶材料经过取向处理之后，通过阳离子聚合反应使氧杂环丁烷基基团连接起来，从而改进了所得液晶薄膜的耐热性。因此，为了使阳离子聚合反应进行得容易并且快速，聚合液晶组合物优选包括一种光或热阳离子发生剂，其在如光或热的外力作用下产生阳离子。如果必要，可以在组合中使用敏化剂。
这里所用的“光阳离子发生剂”代表一个化合物，其可以通过特定波长的光辐射来产生阳离子。它们可以是有机硫鎓盐基、碘鎓盐酯基或磷鎓盐基化合物的作用，这些化合物中的相反离子优选为锑酸盐、磷酸盐和硼酸盐。具体的例子是Ar3S+SbF6 -、Ar3P+BF4 -和Ar2I+PF6 -，其中Ar代表苯基或取代苯基基团。磺酸酯、三嗪、二偶氮甲烷、β-酮砜、亚胺基磺酸酯根合和安息香磺酸酯都是合适的。
这里所用的“热阳离子发生剂”代表一个化合物，其可以通过被加热到某个温度来产生阳离子。它们可以是苄基锍盐、苄基铵盐、苄基吡啶鎓盐、苄基磷鎓盐、hydradinium盐、碳酸酯、磺酸酯、胺酰亚胺、五氯锑-乙酰氯复合物、二芳基碘鎓盐-二苄基氧化铜和卤化硼-叔胺加合物。
由于加入到聚合液晶组合物之中的阳离子发生剂的数量会依据组成侧链型液晶聚合物质的中间部分或间隔部分的结构，氧杂环丁烷基基团的当量重量和液晶取向的条件而改变，所以加入量不能确切规定。然而，它通常处于质量为100ppm到质量含量为20％之间的范围内，优选为100ppm质量到10％质量，更优选为0.2％质量到7％质量，最优选为0.5％质量到5％质量。质量含量低于100ppm是不合适的，因为所发生的阳离子不足而使聚合反应没有进展，质量含量高于20％也是不合适的，因为会在所得的液晶薄膜中残留大量的阳离子发生剂从而恶化耐光性。
下面，将对用含有上述的聚合液晶组合物的液晶材料制成的液晶薄膜进一步进行说明。虽然没有限制，液晶薄膜可以通过将液晶材料附在一种排列基材上进行取向并且在光辐射和/或热处理条件下固化此取向而制造出来。
首先，本发明所述液晶材料附在一个排列基材上从而排列此材料。排列基材的实例是薄膜，例如聚酰亚胺、聚亚苯基硫化物、聚亚苯基氧化物、聚醚醚酮、聚对萘二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚芳基化物和三乙酰基纤维素。尽管其中一些薄膜显现出了足够的排列液晶材料的能力，因此他们可以直接作为排列基材来使用，但是其中的大多数要在进行过例如摩擦、拉伸、偏振辐射或斜射光辐射的处理后使用，以使薄膜显现排列性能或增强其排列性能。另外，常见的例如聚酰亚胺、聚乙烯醚或聚乙烯肉桂酸酯的排列薄膜，可以被层压到基材薄膜上，并经过例如摩擦、拉伸、偏振辐射或斜射光辐射的处理以使其具有排列性能。
在出现所使用的排列基材未能光学各向同性问题的情况下，所得的液晶薄膜在一个确定使用的波长范围内是非透明的，或者此排列基材太厚以致于在实际使用中会产生问题，此排列基材会暂时被使用直到液晶薄膜被层压并转移到一种光学各向同性薄膜或一种透明薄膜上，该透明薄膜在一个确定使用的波长范围内是透明的或者附着在一个液晶单元上。转移方法可以是任何常见的方法。例如，公开号为4-57017和5-333313的日本专利申请中公开的方法，将一个带排列基材的液晶层经由一种压敏粘合剂或粘合剂层压到基材上，在其上液晶层发生转移，用压敏粘合剂或粘合剂固化表面层，只有通过剥离排列基材而使液晶薄膜转移到基材上。
液晶层转移到其上的基材的实例是三乙酰基纤维素薄膜，例如Fujitack(由Fuji Photo Film Co.Ltd.制造)和Konicatack(由Konica Corp.制造)；是透明薄膜例如TPX薄膜(由Mitsui Chemical Inc.制造)，Arton膜(由JSR制造)，Zeonex薄膜(由Nippon Zeon Co.Ltd.制造)和Acryprene薄膜(由Mitsubishi Rayon Co.Ltd.制造)；以及是用硅酮处理的或在其表面提供一个可剥离层的聚对苯二甲酸乙二酯薄膜。如果必要，液晶薄膜可以直接转移到一种偏振薄膜是。
只要其是光学级的，对于用于转移液晶薄膜的压敏粘合剂或粘合剂没有特殊要求。因此，可以使用常见的丙烯酸基、环氧基或氨基甲酸乙酯基的粘合剂。
通过将处于熔化态的液晶材料直接涂覆在一个排列基材上的方法或将液晶材料的溶液直接涂覆在一个排列基材上并干燥以除去溶剂的方法，液晶材料被附着在一个排列基材上并被成型为液晶材料层。
对用于形成溶液的溶剂没有特殊的要求，只要其能够溶解本发明所述的液晶材料，而且能够在合适条件下被蒸发。优选的溶剂是酮类，例如丙酮、甲乙酮和异佛尔酮；醚醇类，例如丁氧乙基醇、己氧乙基醇和甲氧基-2-丙醇；乙二醇醚类，例如乙二醇二甲基醚和二乙基二醇二甲基醚；酯类，例如醋酸乙酯和乳酸乙酯；酚类，例如苯酚和氯酚；氨类，例如N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺和N-甲基吡咯烷酮；卤素基溶剂类，例如氯仿、四氯乙烷和二氯苯；以及以上溶剂的混合物。可以将表面活性剂、消泡剂或均化剂加入此溶液中，以便在排列基材上成型为均一的薄膜层。
只要能保证薄膜层的均一性，对于直接涂覆液晶材料的方法或对于其溶液都没有特殊限制。因此，可以使用任何常规的方法。方法的例子是旋转涂覆法、模板涂覆法、幕帘涂覆法、浸涂法和辊涂法。
在涂覆液晶材料溶液的方法中，优选在涂覆后增加一个干燥步骤以除去溶剂。只要能保证薄膜层的均一性，对于干燥步骤没有特殊限制。因此，可以使用任何常规的方法，并且溶剂可以在加热器(加热炉)中或吹热空气来除去。
在排列基材上成型的液晶材料层经过热处理或类似方法以形成液晶取向，并且进一步经过光辐射和/或热处理以固化取向。第一步的热处理，液晶材料被加热到显现出液晶相的温度以便使材料可以用本身所具有的自取向能力进行取向。由于按照所使用的液晶材料的液晶相特性温度(转化温度)的最适宜条件和限制，热处理的条件不同，所以其不能被完全确定。然而，它通常处于10到250℃的范围内，优选为30到160℃。液晶材料层优选加热到等于或高于玻璃转变温度的温度，更优选为高于玻璃转变温度10℃的温度。过低的温度是不合适的，因为有可能不会充分地取向为液晶相，而过高的温度也是不合适的，因为液晶材料中的阳离子聚合反应活性基团和排列基材会受到不利的影响。热处理通常持续3秒到30分钟，优选为10秒到10分钟。热处理少于3秒是不合适的，因为有可能取向不够充分，而热处理多于30分钟也是不合适的，因为会降低生产率。
通过对液晶材料层进行热处理或类似处理而形成液晶取向后，用组合物中的阳离子聚合反应基团进行聚合反应固化液晶材料而维持其液晶取向状态。实施固化过程来固化液晶取向，因而通过固化(交联)反应固定如此形成的取向使薄膜层变得更加坚硬。
如上所述，由于本发明所述液晶材料具有阳离子聚合反应基团，优选使用阳离子聚合反应引发剂(阳离子发生剂)来聚合(交联)活性基团。作为这样的聚合引发剂，光阳离子发生剂比热阳离子发生剂要好。
光阳离子发生剂情况下，在其加入之后，为了液晶取向而进行热处理之前的各工序在黑暗条件(屏蔽光线到光阳离子不会解离的程度)下进行，由此液晶材料不会固化直到发生取向过程，因而液晶材料能够被取向到液晶相而维持足够的流动性。此后，从能够发射合适波长的光源发出的光线辐射以产生阳离子，从而固化液晶材料。
从光源发射出的光线的光辐射具有光阳离子发生剂的吸收波长的光谱，例如金属卤化物灯、高压汞灯、低压汞灯、氙气灯、电弧放电灯和激光从而分解光阳离子发生剂。在整体的辐射剂量上，每平方厘米的辐射剂量大体上处于1到2000 mJ的范围，优选为10到1000mJ。然而，当光阳离子发生剂的吸收范围与光源的光谱完全不同或者液晶材料本身也能够吸收光源所发射的光波长时，辐射剂量不限于上述范围。在这些情况下，解决方法是，可以使用合适的敏化剂或具有不同吸收波长的两种或更多种光阳离子发生剂。
在光辐射的同时温度需要在能使液晶材料显现液晶取向的温度范围内。而且，优选的实施光辐射的温度是液晶材料的Tg，或者高于Tg的温度，以使固化顺利进行。
按上述过程，液晶材料层变成了有足够硬度和强度的薄膜。更明确的，由于通过固化反应而得到了中间部分的三维键，所以本发明所述的液晶材料层(薄膜)不仅在耐热性(温度升高而液晶取向可以维持)，而且在例如抗擦划、抗磨损和抗断裂的机械强度方面得到改进。本发明在工业检测中表现极其出色，因为其可以完成直接对抗的任务，即易于控制液晶取向，同时又改进优良的热/机械强度。
固化了液晶取向的液晶材料层能够作为光学薄膜来使用，此形式可以是受到排列基材的支持的薄膜残留物(排列基材/(排列层)/液晶膜)，此形式可以是被转移到一个除排列基材外的透明基材薄膜或其类似物质的薄膜(透明基材膜/液晶膜)，或者是液晶薄膜单层的形式。
本发明所述液晶材料层的液晶取向状态将能够通过适当地选择侧链型液晶聚合物质和其他组成液晶材料的化合物的结构来进行控制。本发明所述液晶材料层可以呈现出向列取向、扭转向列取向、胆甾型取向、向列混合取向、碟状液晶取向和碟状C*取向，并且能制造出固化了取向的光学薄膜。
本发明所述液晶薄膜特别作为一个光学薄膜来使用并被安装在一个液晶显示装置中。光学薄膜有很多不同的用途，优选用于光学延迟薄膜、颜色校正薄膜、视角改进薄膜、圆形偏振薄膜和旋光薄膜。
例如，固化了向列或扭转向列取向的一种光学薄膜可以作为一个光学延迟薄膜和一个用于STN-、TN-、OCB-或HAN-传送的补偿板或者反射型液晶显示装置的补偿板来使用。一个固化了胆甾型或碟状C*取向的光学薄膜可以作为一个偏振反射薄膜，按照由于选择性反射的视角，利用其反射光颜色变化，用于亮度增强、反射颜色过滤和多种修饰薄膜。固化了碟状取向的光学薄膜可以作为衍射薄膜使用。利用前视的延迟，固化了向列混合取向的光学薄膜可以作为光学延迟薄膜或波板来使用，利用延迟的视角从属的不对称性，可以作为用于TN-型液晶显示装置的视角改进薄膜来使用。
侧链型液晶聚合物质易于通过本发明所述的具有氧杂环丁烷基的(甲基)丙烯酸化合物的自由基或阴离子聚合反应制造。侧链型液晶聚合物质易于在低的温度下取向，并且被阳离子聚合以便聚合并交联氧杂环丁烷基从而获得一个有固定取向的液晶薄膜。所得的液晶薄膜在耐热性和硬度方面得到增强并且机械强度优良。
下面的实施例将对本发明做进一步说明，但只是对本发明的分析而不是限制。
以下是实施例中用到的分析方法。
(1)1H-NMR分析
化合物溶解在氘化氯仿中并用400MHz的1H-NMR进行测定(由NipponElectronics Co.Ltd.制造的JNM-GX400)。
(2)GPC分析
通过将化合物溶解在四氢呋喃中并使用Tosoh公司所生产的装备了一系列相连接的TSK-GEL、Super H1000、Super H2000、Super H3000和Super H4000的8020GPC系统，四氢呋喃作为洗脱剂使用。聚苯乙烯用作分子量校对的标准物。
(3)相特性观测
在一个熔炉热台上加热样品，用Olympus BH2偏振显微镜对液晶相特性进行观测。
用Perkin Elmer Co.生产的差示扫描量热器DSC7来测量相转变温度。
(4)液晶薄膜参数分析
用Otsuka Electronics Co.Ltd.生产的KOBRA来测量向列取向的延迟。
                         实施例1
与方案1相对应，用3-乙基-3-羟甲基氧杂环丁烷(OXT-101，由ToagoseiCo.Ltd.制造)合成了一种具有氧杂环丁烷基基团的丙烯酸化合物(丙烯酸化合物1)。
丙烯酸化合物1的1H-NMR光谱如附图1所示。附图1中的“x”表示杂质的峰。
                           方案1
                          实施例2
与方案2相对应，用3-乙基-3-羟甲基氧杂环丁烷(OXT-101，由ToagoseiCo.Ltd.制造)合成了一种具有氧杂环丁烷基基团的丙烯酸化合物(丙烯酸化合物2)。
丙烯酸化合物2的1H-NMR光谱如附图2所示。
Figure A0316489800211
                             方案2
                            实施例3
与方案3相对应，合成了一种具有氧杂环丁烷基基团的丙烯酸化合物(丙烯酸化合物3)。丙烯酸化合物3的1H-NMR光谱如附图3所示。
Figure A0316489800212
                             方案3
                            实施例4
与方案4相对应，合成了一种具有氧杂环丁烷基基团的丙烯酸化合物(丙烯酸化合物4)。丙烯酸化合物4的1H-NMR光谱如附图4所示。
Figure A0316489800221
                             方案4
                            实施例5
与方案5相对应，合成了一种具有氧杂环丁烷基基团的丙烯酸化合物(丙烯酸化合物5)。丙烯酸化合物5的1H-NMR光谱如附图5所示。
Figure A0316489800222
                             方案5
                            实施例6
与方案6相对应，合成了一种具有氧杂环丁烷基基团的丙烯酸化合物(丙烯酸化合物6)。丙烯酸化合物6的1H-NMR光谱如附图6所示。
Figure A0316489800223
                             方案6
                           对比实施例1
与方案7相对应，合成了丙烯酸化合物(其中m＝1)和不具有氧杂环丁烷基基团的丙烯酸化合物(m＝3)(丙烯酸化合物7和8)。丙烯酸化合物7和8的1H-NMR光谱分别如附图7和8所示。
Figure A0316489800231
                          方案7
                         实施例7
具有氧杂环丁烷基基团的侧链型液晶聚丙烯酸酯的合成
使丙烯酸化合物1到8进行自由基聚合反应，用2，2′-偶氮异丁基腈做引发剂，用DMF做溶剂，在氮气环境下，于90℃温度下，反应6小时，并为了净化用甲醇再沉淀，从而获得具有氧杂环丁烷基基团的侧链型液晶聚丙烯酸酯(聚丙烯酸酯1到12)。
                       对比实施例2
不具有氧杂环丁烷基基团的侧链型液晶聚丙烯酸酯的合成
用与实施例7相同的过程，合成了不具有氧杂环丁烷基基团的侧链型液晶聚丙烯酸酯(聚丙烯酸酯13和14)。
表1显示了聚丙烯酸酯1到14每种的配方、分子量、Tg和相特性。在表1中，“Sm”、“Nm”、和“Iso”分别表示碟状液晶相、向列相和各向同性相。由“相(Sm)-温度-相(Nm)”所表示的相特性也可以表示在温度为250℃或更高温度时聚丙烯酸酯显现出了各向同性相。
聚丙烯酸酯化合物4和13的1H-NMR光谱分别如附图9和10所示。
                                            表1
聚合物组数            单体单元(摩尔比率百分含量)  重均分子量 Tg(℃)  相特性
 1  2  3  4  5  6  7  8
 1  100  39600  81  Sm-170℃-Nm
 2  50  50  21500  78  Sm-152℃-Nm
 3  20  80  9700  81  Sm-138℃-Nm
 4  10  90  9500  79  Sm-109℃-Nm
 5  20  80  21400  71  Sm
 6  20  80  6100  61  Sm-213℃-Nm
 7  20  80  5500  56  Sm-140℃-Nm
 8  20  40  40  5500  60  Sm
 9  20  80  5600  63  Sm
 10  50  50  4900  66  Sm
 11  50  50  5200  66  Sm-123℃-Nm
 12  50  50  9500  74  Sm-144℃-Iso
 13  100  6600  74  Nm
 14  50  50  7900  59  Sm-128℃-Nm
                            对比实施例3
双官能氧杂环丁烷单体的合成
与方案8相对应，合成了一个双官能氧杂环丁烷单体。单体的1H-NMR光谱如图11所示。
通过DSC分析和Metler观测，发现单体显现出“结晶-69℃-向列相-95℃-各向同性相”的相特性。
Figure A0316489800251
                   方案8
                  实施例8
用侧链型液晶聚丙烯酸酯(聚丙烯酸酯4)制造液晶薄膜
1.0g在实施例7中获得的聚丙烯酸酯4溶解在9ml环己烷中，并在黑暗环境下向此溶液中加入0.05g含50％六氟锑酸三芳基锍(由Aldrich Co.制造的试剂)的碳酸丙二酯溶液，接着用孔径为0.45μm的聚四氟乙烯过滤器过滤不溶解物从而准备了一个液晶材料的溶液。
溶液被旋转涂覆到一个50μm厚度的由TEIJIN有限公司制造的聚萘二甲酸乙二酯(polyethylene naphthalate)薄膜“Teonex Q-51”上，其表面已经经过了人造纤维布的摩擦处理，并经过在加热板上60℃的干燥过程。在薄膜上得到的液晶材料层在空气氛围下通过由高压汞灯发射的总辐射量为450mJ/cm2的紫外光进行辐射，同时加热到150℃然后冷却，从而得到一个固化了的液晶材料层。
由于作为基材的聚萘二甲酸乙二酯薄膜的双折射很大，而不优选作为一个光学薄膜，所以将所得薄膜(液晶材料层)经过由Toagosei Co.Ltd.生产的紫外固化型粘合剂“UV-1394”转移到三乙酰基纤维素薄膜(TAC)上，从而获得一个光学薄膜。更确切的说，厚度为5μm的UV-1394被涂覆到薄膜上的固化了的液晶材料层上并用TAC薄膜层压。在层压制品为了固化粘合剂而从TAC薄膜一侧进行400mJ/cm2的紫外光辐射之后，再剥离聚萘二甲酸乙二酯薄膜(基材)。
用偏振显微镜对所得光学薄膜的观测结果是，可以证实其显现出不发生旋转位移的单域均一性(monodomain uniform)向列液晶取向和延迟为115nm。只有液晶材料部分被剥离时，用DSC测量其玻璃转变温度。测量的结果为95℃。薄膜液晶材料的表面的铅笔硬度为2H等级，因此证实此薄膜有足够的硬度。
光学薄膜经由无载体的压敏粘合剂层压在2mm厚玻璃板上，并在此光学薄膜上覆盖层压一个偏光器(由Sumitomo Chemical Co.Ltd.生产的SQW-862)，使得液晶层的摩擦轴与偏振器的吸收轴一致排列。通过背景光下的偏振器观测样品可以发现其是均一的薄膜。在样本放置于设定温度为80℃的恒温器中24小时之后，将其移出并做相同观测。结果没有观测到液晶取向的变化或扰乱。
如上所述，可以发现聚丙烯酸酯4的应用使得有可能制造显现优良液晶取向性能，并且在液晶取向的固化后改进了热稳定性和强度的薄膜。
                           对比实施例4
用侧链型液晶聚丙烯酸酯(聚丙烯酸酯13)制造液晶薄膜
1.0g在对比实施例2中得到的聚丙烯酸酯13溶解在9ml环己烷中，接着用孔径为0.45μm的聚四氟乙烯过滤器过滤不溶解物，从而准备了一种液晶材料的溶液。
溶液被旋转涂覆到一个50μm厚度的由TEIJIN有限公司制造的聚萘二甲酸乙二酯薄膜“Teonex Q-51”上，其表面已经经过了人造纤维布的摩擦处理，并经过在加热板上60℃的干燥过程。将得到的在薄膜上的液晶材料层在温度为150℃时加热5分钟，然后淬火到室温从而获得液晶材料层。
由于作为基材的聚萘二甲酸乙二酯薄膜的双折射很大，优选不作为一个光学薄膜，所以将所得薄膜(液晶材料层)经过由Toagosei Co.Ltd.生产的紫外固化型粘合剂“UV-1394”转移到三乙酰基纤维素薄膜(TAC)上，从而获得一个光学薄膜。更确切的说，厚度为5μm的UV-1394被涂覆到薄膜上的固化了的液晶材料层上并用TAC薄膜层压。在层压制品为了固化粘合剂而从TAC薄膜一侧进行400mJ/cm2的紫外光辐射之后，再剥离聚萘二甲酸乙二酯薄膜(基材)。
用偏振显微镜对所得光学薄膜的观测结果是，可以证实其显现出不发生旋转位移的单域均一性向列液晶取向和延迟为100nm。然而，只有在液晶材料部分被剥离时，用DSC测量其玻璃转变温度之后，发现是低的80℃。薄膜液晶材料的表面的铅笔硬度为B等级，因此证明此薄膜太软而不能用作光学薄膜。
光学薄膜经由无载体的压敏粘合剂层压在2mm厚玻璃板上，并在此光学薄膜上覆盖层压一个偏光器(由Sumitomo Chemical Co.Ltd.生产的SQW-862)，使得液晶层的摩擦轴与偏振器的吸收轴一致排列。通过背景光下的偏振器观测样品可以发现其是均一的薄膜。在样本放置于设定温度为80℃的恒温器中24小时之后，将其移出并做相同观测。发现由于扰乱了液晶取向而使薄膜外围出现空隙。
                             实施例9
用侧链型液晶聚丙烯酸酯(聚丙烯酸酯4)制造液晶薄膜
0.8g实施例7中所得的聚丙烯酸酯4和0.2g对比实施例3中所得的双官能氧杂环丁烷单体都溶解在9ml环己烷中，并在黑暗环境下向此溶液中加入0.05g含50％六氟锑酸三芳基锍(由Aldrich Co.制造的试剂)的碳酸丙二酯溶液，接着用孔径为0.45μm的聚四氟乙烯过滤器过滤不溶解物从而准备了一个液晶材料的溶液。
溶液被旋转涂覆到一个100μm厚度的由DuPont有限公司生产的聚酰亚胺薄膜“KAPTON”上，其表面已经经过了人造纤维布的摩擦处理，并经过在加热板上60℃的干燥过程。在薄膜上得到的液晶材料层在空气氛围下通过由高压汞灯发射的总辐射量为450mJ/cm2的紫外光进行辐射，同时加热到150℃然后冷却，从而得到一个固化了的液晶材料层。
由于用作基材的聚酰亚胺薄膜是褐色，而优选不用作光学薄膜，所以将所得薄膜(液晶材料层)经过由Toagosei Co. Ltd.生产的紫外固化型粘合剂“UV-1394”转移到三乙酰基纤维素薄膜(TAC)上，从而获得一个光学薄膜。更确切地说，厚度5μm的UV-1394被涂覆到薄膜上固化了的液晶材料层上并用TAC薄膜层压。在层压制品为了固化粘合剂而从TAC薄膜一侧进行400mJ/cm2的紫外光辐射之后，再剥离聚萘二甲酸乙二酯薄膜(基材)。
用偏振显微镜对所得光学薄膜的观测结果是，可以证实其显现出不发生旋转位移的单域均一性向列液晶取向和从前面观察的延迟为115nm。沿垂直于摩擦轴的斜方向40°角观察的延迟为141nm，而从其对向角，如-40°为53nm，其与40°时的延迟是不对称的。另外，任何角度时不存在延迟为0nm的角度。从这些观测中可以发现，薄膜显现出了混合向列取向结构。
此外，只有在液晶材料部分被剥离，其玻璃转变温度用DSC测量之后，没有发现Tg。
光学薄膜经由无载体的压敏粘合剂层压在2mm厚玻璃板上，并在此光学薄膜上覆盖层压一个偏光器(由Sumitomo Chemical Co.Ltd.生产的SQW-862)，使得液晶层的摩擦轴与偏振器的吸收轴一致排列。通过背景光下的偏振器观测样品可以发现其是均一的薄膜。在样本放置于设定温度为80℃的恒温器中24小时之后，将其移出并做相同观测。结果没有观测到液晶取向的变化或扰乱。
薄膜液晶材料的表面的铅笔硬度为2H等级，因此证实此薄膜有足够的硬度。如上所述，可以发现聚丙烯酸酯4的应用使得有可能制造显现优良液晶取向性能，并且在液晶取向的固化后改进了热稳定性和强度的薄膜。
                           实施例10
实施例8中所得的延迟为115nm的光学薄膜(这里指“光学薄膜A”)和除了改变了的液晶材料层的厚度的用实施例8的同样过程所得的延迟为265nm的光学薄膜(这里指“光学薄膜B”)，它们组合用作宽的频带宽度λ/4板，并与一个具有反射体的透射反射(transflective)TFT-TNECB-型液晶单元组装在一起，从而制造出如图12布置的液晶显示装置。液晶单元包括Merck Ltd生产的ZLI-1695来作为液晶材料，此材料已经成型为一个同质取向的厚度为5μm的液晶层。单元分界面的前倾角为2°，而液晶单元的Δnd为310nm。所使用的偏振器SQW-862由Sumitomo Chemical Co.Ltd.生产。
结果可以证实的是，CR＝8，即达到优秀的白和黑。
                            实施例11
通过光学薄膜A来成型宽的频带宽度λ/4板，在实施例9(这里指“光学薄膜C”)中得到的此光学薄膜具有前延迟115nm，以及在实施例10中得到的光学薄膜12，它们与一个TFT-透射反射ECB-型具有反射体的液晶单元组装在一起，从而制造出如图13布置的液晶显示装置。液晶单元包括Merck Ltd生产的ZLI-1695来作为液晶材料，此材料已经成型为一个同质取向的厚度为5μm的液晶层。单元分界面的前倾角为2°，而液晶单元的Δnd为310nm。所使用的偏振器SQW-862由Sumitomo Chemical Co.Ltd.生产。
结果可以证实的是，CR＝8，即达到优秀的白和黑。此外，还可以证实此显示装置能获得比实施例10更宽的视角。

Claims (12)

1、一种具有氧杂环丁烷基基团的(甲基)丙稀酸化合物，如式
所示，其中R1为氢或甲基，R2为氢、甲基或乙基，L1和L2独立地为选自单键、-O-、-O-CO-和-CO-O-，M代表选自以下式(2)、(3)和(4)的化学式，n和m各自独立地为0到10中的一个整数：
        -P1-L3-P2-L4-P3-    (2)
        -P1-L3-P3-          (3)
        -P3-                (4)
其中P1和P2各自独立地代表选自下式(5)的基团，P3为选自下式(6)的基团，L3和L4各自独立地代表选自单键、-CH＝CH-、-C≡C-、-O-、-O-CO-和CO-O-
2、均聚权利要求1所定义的具有氧杂环丁烷基基团的(甲基)丙烯酸化合物的(甲基)丙烯酸部分或其与另一种(甲基)丙烯酸化合物共聚所获得的一种侧链型液晶聚合物质。
3、根据权利要求2所述的侧链型液晶聚合物质，其具有一个由权利要求1所定义的具有氧杂环丁烷基基团的(甲基)丙烯酸化合物衍生的式(7)所代表的单元：
Figure A0316489800032
4、根据权利要求3所述的侧链型液晶聚合物质，其中所述式(7)单元的摩尔含量为5％到100％。
5、根据权利要求2所述的侧链型液晶聚合物质，其重均分子量为2000到100000。
6、一种液晶材料，其包含权利要求2所定义的侧链型液晶聚合物质的质量含量为10％或更多。
7、所述液晶材料，其进一步包含一种光阳离子引发剂和/或一种热阳离子引发剂。
8、一种液晶薄膜，其通过固化权利要求6或7所定义的液晶材料的取向状态而形成。
9、一种制造液晶薄膜的方法，其中将权利要求6或7所定义的液晶材料附在一个排列的基材上使液晶材料排列成液晶取向状态，接着通过光辐射和/或热处理来固化这种取向。
10、根据权利要求9所述制造液晶薄膜的方法，其中所述取向状态是通过固化选自向列型、扭转向列型、胆甾型和混合向列型取向中的一种而得到的一种取向状态。
11、一种光学薄膜，其包括权利要求8所定义的液晶薄膜。
12、根据权利要求11所述的光学薄膜，其选自一种延迟薄膜、一种颜色校正薄膜、一种视角改进薄膜、一种圆形偏振薄膜和一种光学旋光薄膜。
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