CN104130782B - 一种具有低临界频率的双频液晶材料 - Google Patents

一种具有低临界频率的双频液晶材料 Download PDF

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Abstract

本发明公布一种具有低临界频率的双频液晶材料，由20.0～25.0％的组分A、20.0～25.0％的组分B、17.5～22.5％的组分C、7.5～12.5％的组分D、7.5～12.5％的组分E、5.0～10.0％的组分F和5.0～10.0％的组分G按总量100％熔融混合形成；其中，组分A是具有环己烷氟代二苯乙炔骨架结构的系列衍生物；B是具有氟代二苯乙炔骨架结构的系列衍生物；C是具有环己烷苯环骨架结构的系列衍生物；D是具有二苯乙炔骨架结构的系列衍生物；E是具有三环单酯侧氟基端氰基骨架结构的系列衍生物；F是具有三环双酯侧二氰基骨架结构的系列衍生物。该材料具有低的临界频率、较宽的液晶相温度和低粘度，用于制备低工作电压、快速响应的双频驱动液晶器件。

Description

一种具有低临界频率的双频液晶材料
技术领域
本发明属于液晶材料技术领域，具体涉及一种具有低临界频率的双频液晶材料及其应用。
背景技术
液晶的棒状分子形貌决定了液晶具有光学、电学等的各向异性，双频液晶的主要特征是介电常数随交流电频率的升高而降低，在交流电频率较低(小于500Hz)下介电各向异性大于零(相当于正性液晶)，在交流电频率较高(大于100kHz)下介电各向异性小于零(相当于负性液晶)，使双频液晶介电各向异性为零的频率称为临界频率。因此此类液晶材料在平行于分子长轴和垂直于分子长轴都具有较强的极性。因此本发明的液晶化合物具有双频电场驱动特性，即在低频交流电场驱动下介电各向异性大于零，在高频交流电场驱动下介电各向异性小于零，得以在许多光电和显示设备上实际应用。
双频液晶具有显著的光电特性，与向列相液晶相比，它可以通过改变频率来达到使液晶转动的目的，而不用以往通过改变电压的方式，这样双频液晶就成为了可由频率来控制的光阀，在一些光学仪器上使用双频液晶可以极大的降低器件的驱动电压和响应时间。因此近年来它在光学器件等领域的应用受到越来越多的关注。但是，目前双频液晶材料临界频率比较高(在50kHz以上)，而双频液晶材料在高频下会有介电损耗，影响液晶器件的使用寿命。而且临界频率较高造成提供高频的驱动设备体积过大，不利于双频液晶再便携设备上的使用。改善这些问题的有效途径就是设计低临界频率的双频液晶。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有低临界频率的双频液晶材料，该液晶材料的临界频率≤15kHz，这种材料适用于制备性能优异的光电器件、双稳态显示设备、建筑节能薄膜等。
为达成上述目的，本发明通过混合多种单体而制备的宽温域低粘度且具有低临界频率(≤15kHz)的双频液晶材料，由20.0～25.0％的具有环己烷氟代二苯乙炔骨架结构的系列衍生物作为组分A、20.0～25.0％的具有氟代二苯乙炔骨架结构的系列衍生物作为组分B、17.5～22.5％的具有环己烷苯环骨架结构的系列衍生物作为组分C、7.5～12.5％的具有二苯乙炔骨架结构的系列衍生物作为组分D、7.5～12.5％的具有三环单酯侧氟基端氰基骨架结构的系列衍生物作为组分E、5.0～10.0％的具有三环双酯侧二氰基骨架结构的系列衍生物作为组分F、5.0～10.0％的具有三苯环双酯侧二氰基端氰基骨架结构的系列衍生物作为组分G按总量100.0％熔融混合形成。
本发明的原理是：组分A提供了分子的刚性以及较低的结晶点，氟侧基可降低材料粘度；组分B的氟代二苯乙炔有利于提高液晶垂直于分子长轴方向的极性；组分C的分子量小，结晶点低，可拓宽向列相温域；组分D增大了分子共轭，增强液晶的介电各向异性；组分E同时提供了平行于分子长轴方向和垂直于分子长轴方向的极性，有利于双频调制，和各组分相溶性较好；组分F和G增大了垂直于分子长轴方向的极性，拓宽了向列相温域。七大类由不同链长烷基或烷氧基衍生物混合而成的液晶，可以降低共结晶点，增宽向列相温域并有效消除近晶相，最终达到各项性能的均衡和最优，满足实际应用的需求。
上述双频液晶材料，进一步地，其中组分A分子结构是二苯乙炔上一个苯环4号位和环己烷连接，另一个苯环2、3号位的氢被氟取代，端基R1为含1到9个碳的烷基，端基R2为含1到9个碳的烷氧基，组分A由上述衍生物中的任意一种或多种以任意比例混合而成：
(其中n为1-9的整数)
进一步地，其中组分B分子结构是二苯乙炔上一个苯环2、3号位的氢被氟取代，端基R1为含1到9个碳的烷基，端基R2为含1到9个碳的烷氧基，组分B由上述衍生物中的任意一种或多种以任意比例混合而成：
(其中n为1-9的整数)
进一步地，其中组分C分子结构是环己烷和苯环直接相连，端基R1为含1到9个碳的烷基，端基R2为含1到9个碳的烷氧基，组分C由上述衍生物中的任意一种或多种以任意比例混合而成：
(其中n为1-9的整数)
进一步地，其中组分D分子结构是以二苯乙炔为骨架，端基R1为含1到9个碳的烷基，端基R2为含1到9个碳的烷氧基，组分D由上述衍生物中的任意一种或多种以任意比例混合而成：
(其中n为1-9的整数)
进一步地，其中组分E分子结构具有三环单酯侧氟，苯环3号位被氟取代，一端基为氰基，另一端基R1为含1到9个碳的烷基，组分E由上述衍生物中的任意一种或多种以任意比例混合而成：
(其中n为1-9的整数)
进一步地，其中组分F分子结构是以三环双酯为骨架，中间苯环2、3号位被氰基取代，两端基R1为含1到9个碳的烷基，组分F由上述衍生物中的任意一种或多种以任意比例混合而成：
(其中n为1-9的整数)
进一步地，其中组分G分子结构是以三苯环双酯为骨架，中间苯环2、3号位被氰基取代，端基R1为含1到9个碳的烷基，组分G由上述衍生物中的任意一种或多种以任意比例混合而成：
(其中n为1-9的整数)
上述具有低临界频率的双频液晶材料的临界频率为不大于15kHz。
上述具有低临界频率的双频液晶材料作为光电显示器件、双稳态器件和建筑节能薄膜的材料的用途。该液晶材料还适用于制备反式PDLC或PSLC等。
本发明的有益效果在于：
本发明通过混合A～G多种组分而制备的宽温域低粘度且具有低临界频率(≤15kHz)的双频液晶材料，其中，组分A提供了分子的刚性以及较低的结晶点，氟侧基可降低材料粘度；组分B的氟代二苯乙炔有利于提高液晶垂直于分子长轴方向的极性；组分C的分子量小，结晶点低，可拓宽向列相温域；组分D增大了分子共轭，增强液晶的介电各向异性；组分E同时提供了平行于分子长轴方向和垂直于分子长轴方向的极性，有利于双频调制，和各组分相溶性较好；组分F和G增大了垂直于分子长轴方向的极性，拓宽了向列相温域。七大类由不同链长烷基或烷氧基衍生物混合而成的液晶，可以降低共结晶点，增宽向列相温域并有效消除近晶相，最终达到各项性能的均衡和最优，满足实际应用的需求。
本发明提供的液晶材料具有低的临界频率(≤15kHz)，同时具有较宽的液晶相温度(-40～100℃)的特点，能够制备低工作电压、快速响应的双频驱动液晶器件，适用于显示、光电器件等广阔的应用领域。
附图说明
图1为实施例一双频液晶材料的介电各项异性和频率的关系曲线图。
图2为实施例二双频液晶材料的介电各项异性和频率的关系曲线图。
具体实施方式
下面通过具体实施对本发明做进一步详细的描述，但不以任何方式限制本发明的范围。
在以下实施例中，具有低临界频率的双频液晶材料由20.0～25.0％的组分A、20.0～25.0％的组分B、17.5～22.5％的组分C、7.5～12.5％的组分D、7.5～12.5％的组分E、5.0～10.0％的组分F和5.0～10.0％的组分G按总量100.0％熔融混合形成；其中，组分A是具有环己烷氟代二苯乙炔骨架结构的系列衍生物；组分B是具有氟代二苯乙炔骨架结构的系列衍生物；组分C是具有环己烷苯环骨架结构的系列衍生物；组分D是具有二苯乙炔骨架结构的系列衍生物；组分E是具有三环单酯侧氟基端氰基骨架结构的系列衍生物；组分F是具有三环双酯侧二氰基骨架结构的系列衍生物；组分G是具有三苯环双酯侧二氰基端氰基骨架结构的系列衍生物。本发明实施例中液晶材料各组分化合物的分子结构式及比例范围如下，其中端基R1为烷基，端基R2为烷氧基，n为1-9的整数：
实施例一：
双频液晶材料由21.63％的组分A(A-1：R1＝C3H7，R2＝OC2H5占12.38％；A-2：R1＝C3H7，R2＝OCH3占9.25％)、21.78％的组分B(B-1：R1＝C3H7，R2＝OC2H5占8.52％；B-2：R1＝C3H7，R2＝OCH3占9.38％；B-3：R1＝C4H9，R2＝OCH3占3.88％)、19.84％的组分C(C-1：R1＝C3H7，R2＝OCH3占12.01％；C-2：R1＝C3H7，R2＝OC2H5占7.83％)、9.42％的组分D(D-1：R1＝C4H9，R2＝OC2H5占4.85％；D-2：R1＝C5H11，R2＝OC2H5占4.57％)、11.45％的组分E(E：R1＝C5H11占11.45％)、8.38％的组分F(F-1：R1＝C3H7占4.26％；F-2：R1＝C5H11占4.12％)、7.50％的组分G(G-1：R1＝C3H7占3.55％；G-2：R1＝C5H11占3.95％)熔融混合形成。各组分化合物分子结构式及比例如下表1。
表1实施例一中液晶材料各组分化合物的分子结构式及比例
实施例一实际测试液晶的物理性质如下：液晶清亮点Tc＝102.2℃，结晶点Tm＝-41.0℃，双折射率Δn(589nm，25℃)＝0.22，非寻常光折射率ne(589nm，25℃)＝1.72，寻常光折射率no(589nm，25℃)＝1.50，粘度γ(25℃)＝37.4mm2/s。
介电各向异性和频率的关系如图1所示，介电各向异性在低频段随着频率的增加先稳定在2.25左右，随后逐渐减小，当频率达到14.6kHz时，介电各向异性减小到零，故此双频液晶材料的临界频率为14.6kHz；随着频率的继续增高，介电各向异性先逐步减小到-6.98后增大到零。这是由于液晶分子振动来不及适应电场方向改变的速度，平行于分子长轴的介电常数随频率的升高而不断降低，而垂直于分子长轴的介电常数在低频段受频率影响较小，变化不大，在高频段也随频率的升高而不断减小，减小的速率更快，在极高频段介电常数不再随频率发生变化。
实施例二：
双频液晶材料由21.80％的组分A(A-1：R1＝C3H7，R2＝OC2H5占11.55％；A-2：R1＝C3H7，R2＝OCH3占10.25％)、20.52％的组分B(B-1：R1＝C3H7，R2＝OC2H5占10.43％；B-2：R1＝C3H7，R2＝OCH3占10.09％)、23.36％的组分C(C-1：R1＝C3H7，R2＝OCH3占13.54％；C-2：R1＝C3H7，R2＝OC2H5占9.82％)、11.46％的组分D(D-1：R1＝C3H7，R2＝OC2H5占5.34％；D-2：R1＝C5H11，R2＝OC2H5占6.12％)、11.36％的组分E(E-1：R1＝C5H11占5.88％、E-2：R1＝C3H7占5.48％)、6.37％的组分F(F-1：R1＝C3H7占3.15％；F-2：R1＝C5H11占3.22％)、5.13％的组分G(G-1：R1＝C3H7占2.17％；G-2：R1＝C5H11占2.96％)熔融混合形成。各组分化合物分子结构式及比例如下表2。
表2实施例二中液晶材料各组分化合物的分子结构式及比例
实施例二实际测试液晶的物理性质如下：液晶清亮点Tc＝97.5℃，结晶点Tm＝-40.1℃，双折射率Δn(589nm，25℃)＝0.21，非寻常光折射率ne(589nm，25℃)＝1.71，寻常光折射率no(589nm，25℃)＝1.50，粘度γ(25℃)＝34.0mm2/s。
介电各向异性和频率的关系如图2所示，介电各向异性在低频段随着频率的增加先稳定在1.75左右随后逐渐减小，当频率达到15.0kHz时，介电各向异性减小到零，故此双频液晶材料的临界频率为15.0kHz；随着频率的继续增高，介电各向异性先逐步减小到-0.81后增大到零。相对于实施例一来说，本实施例增大了组分C的含量，减少了组分F和G的含量，使得总体介电常数减小，粘度降低，临界频率有所增加。原因是组分F和G介电常数较大，粘度也较大，其中侧基双氰基和中间两个酯基对双频特性有极大贡献。实施例一和实施例二可以按照不同需求应用在不同的方面。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是，凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种具有低临界频率的双频液晶材料，其特征在于，由20.0～25.0％的组分A、20.0～25.0％的组分B、17.5～22.5％的组分C、7.5～12.5％的组分D、7.5～12.5％的组分E、5.0～10.0％的组分F和5.0～10.0％的组分G按总量100.0％熔融混合形成；
所述组分A是具有环己烷氟代二苯乙炔骨架结构的系列衍生物，所述组分A的分子结构式为式1：
其中端基R1为烷基，端基R2为烷氧基，n为1～9的整数；所述组分A由分子结构式为式1的衍生物中的任一种或多种以任意比例混合而成；
所述组分B是具有氟代二苯乙炔骨架结构的系列衍生物，所述组分B的分子结构式为式2：
其中端基R1为烷基，端基R2为烷氧基，n为1～9的整数；所述组分B由分子结构式为式2的衍生物中的任一种或多种以任意比例混合而成；
所述组分C是具有环己烷苯环骨架结构的系列衍生物，所述组分C的分子结构式为式3：
其中端基R1为烷基，端基R2为烷氧基，n为1～9的整数；所述组分C由分子结构式为式3的衍生物中的任一种或多种以任意比例混合而成；
所述组分D是具有二苯乙炔骨架结构的系列衍生物，所述组分D的分子结构式为式4：
其中端基R1为烷基，端基R2为烷氧基，n为1～9的整数；所述组分D由分子结构式为式4的衍生物中的任一种或多种以任意比例混合而成；
所述组分E是具有三环单酯侧氟基端氰基骨架结构的系列衍生物，所述组分E的分子结构式为式5：
其中端基R1为烷基，n为1～9的整数；所述组分E由分子结构式为式5的衍生物中的任一种或多种以任意比例混合而成；
所述组分F是具有三环双酯侧二氰基骨架结构的系列衍生物，所述组分F的分子结构式为式6：
其中端基R1为烷基，n为1～9的整数；所述组分F由分子结构式为式6的衍生物中的任一种或多种以任意比例混合而成；
所述组分G是具有三苯环双酯侧二氰基端氰基骨架结构的系列衍生物，所述组分G的分子结构式为式7：
其中端基R1为烷基，n为1～9的整数；所述组分G由分子结构式为式7的衍生物中的任一种或多种以任意比例混合而成。
2.根据权利要求1所述具有低临界频率的双频液晶材料，其特征在于，所述液晶材料的临界频率为不大于15kHz。
3.权利要求1所述具有低临界频率的双频液晶材料作为光电显示器件、双稳态器件和建筑节能薄膜的材料的用途。
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