Способ получения смеси жидкого кристалла с полимером для дисплейной техники и оптоэлектроники
METHOD OF PRODUCING A MIXTURE OF LIQUID CRYSTAL WITH POLYMER FOR DISPLAY EQUIPMENT AND OPTOELECTRONICS

Изобретение относится к способам получения смесей жидкого кристалла (ЖК) с полимером в виде формованного продукта, которые могут быть использованы в дисплейной технике и оптоэлектронике. Такие смеси должны изменять оптические характеристики проходящего через них или отраженного от них света.
Известен способ получения смеси ЖК с полимером для дисплейной техники и оптоэлектроники путем смешения термотропного цианзамещенного ЖК, содержащего мезогенное азометиновое ядро, с полимером (полисульфоном марки UDEL Р-1700), осуществляемого при нагревании смеси выше температуры стеклования полимера и дальнейшего охлаждения до комнатной температуры (Elena Perju, Luminita Marin, Vasile Cristian Grigoras and Maria Bruma//Thermotropic and optical behaviour of new PDLC systems based on a polysulfone matrix and a cyanoazomethine liquid crystal//Liquid Crystals, V. 38, №7, (2011), p. 893-905).
Известен способ получения смеси ЖК с полимером для дисплейной техники и оптоэлектроники путем смешения термотропного ЖК на основе производного галогенированного бифинила с торговым названием Merck TL213 с мономером 2-этилгексилакрилатом с последующей фотополимеризацией мономера (J.B. Nephew, Т.С. Nihei, and S.A. Carter//Reaction-Induced Phase Separation Dynamics: A Polymer in a Liquid Crystal Solvent//Physical Review Letters, V. 80, №15, (1998), p. 3276-3279).
Наиболее близким к заявляемому является известный способ получения смеси ЖК с полимером в виде формованного продукта для дисплейной техники и оптоэлектроники путем смешения силоксанового полимера (кремнийорганического полимера или органосилоксана) с низкомолекулярным термотропным ЖК и формование продукта из полученной смеси. В данном способе в качестве силоксанового полимера используют полиметилфенилсилоксан, а в качестве низкомолекулярного термотропного ЖК используют мультикомпонентную смесь марки Е7. При этом смешение осуществляют путем растворения ЖК и вышеуказанного силоксанового полимера в органическом растворителе (тетрагидрофуране) с последующим перемешиванием полученной смеси в течение ночи и дальнейшим испарением пожаро- и взрывоопасного растворителя в течение нескольких дней с получением формованного продукта (образца) (Lamia Bedjaouia, Nicolas Gogibusb, Bernd Ewenb, Tadeusz Pakulab, Xavier Coqueretc, Mustapha Benmounaa, Ulrich Maschkec//Preferential solvation of the eutectic mixture of liquid crystals E7 in a polysiloxane//Polymer, V. 45, (2004), p.6555-6560) - прототип.
Недостатком известного способа является его относительная сложность, заключающаяся в использовании летучего и пожароопасного органического растворителя - тетрагидрофурана, требующего обязательной регенерации с использованием специального взрывозащищенного оборудования, а также многостадийность (растворение компонентов, перемешивание смеси и ее сушка от растворителя) и длительность вышеуказанных обязательных стадий.
Задача изобретения заключается в разработке способа получения смеси ЖК с полимером в виде формованного продукта для дисплейной техники и оптоэлектроники, лишенного вышеуказанных недостатков, и расширение арсенала технических средств, которые могут быть использованы в качестве способов получения смесей ЖК с полимером для дисплейной техники и оптоэлектроники.
Технический результат изобретения заключается в упрощении известного способа получения смеси ЖК с полимером в виде формованного продукта для дисплейной техники и оптоэлектроники.
Предварительно были проведены эксперименты с различными силоксановыми полимерами, которые показали, что указанный технический результат достигается только в том случае, если способ получения смеси ЖК с полимером в виде формованного продукта для дисплейной техники и оптоэлектроники включает смешение, по крайней мере, одного боросилоксана с низкомолекулярным термотропным ЖК, формование продукта из полученной смеси, оказание на него механического воздействия, вызывающего, по крайней мере, одноосную деформацию продукта на величину не менее 100%, и последующее прекращение механического воздействия.
Предложенный способ является новым и не описан в научно-технической литературе.
В предлагаемом способе в качестве низкомолекулярного термотропного ЖК могут быть использованы ЖК различных типов (нематические, смектические, холестерические, сегнетоэлектрические и т.д.), различных химических классов, а также их композиции, например, нематический ЖК пентилцианобифенил, холестерическая смесь на основе нематического жидкого кристалла ЖК-1277, легированного оптически активным (хиральным) соединением ХДН-1 (оба производства ГНЦ НИОПИК, Россия), холестерилпеларгонат, смектические ЖК, например, на основе ахиральных бифенилов и пиримидинов, а также коммерческие смектические смеси - ЖКС-178, ЖКС-285 (оба производства Физического Института РАН, Россия) и т.д. При этом в качестве низкомолекулярного термотропного ЖК можно использовать как индивидуальное химическое соединение, так и смесь на основе нескольких соединений. При использовании смесей помимо ЖК в них также могут входить различные добавки, например, такие как поверхностно-активные вещества, красители, дихроичные красители, оптически активные соединения, свето- и термостабилизаторы и т.д.
В предлагаемом техническом решении в качестве боросилоксана может быть использован, по крайней мере, один боросилоксан, например, такой как полидиметилборосилоксан, полиметилфенилборосилоксан, полиэтилборосилоксан, поливинилборосилоксан и т.д. При этом молекулярная масса боросилоксана может варьироваться в широких пределах, например, от 500 Дальтон (D) и выше. При этом при получении смеси ЖК с полимером можно использовать как один боросилоксан, так и смесь, содержащую два и более различных боросилоксанов.
Следует отметить, что в смеси ЖК с полимером содержание ЖК в зависимости от конкретной решаемой задачи может варьироваться в широких пределах, например, от 1 до 99 массовых процентов.
В предлагаемом изобретении смешение боросилоксана с низкомолекулярным термотропным ЖК можно осуществлять различными способами, например, путем ручного механического смешения, смешения с помощью механической мешалки, смешения с помощью экструдера и т.д. Осуществлять смешение можно в широком интервале температур. Продолжительность смешения может варьироваться в широких пределах в зависимости от конкретной решаемой технической задачи.
В предлагаемом способе после смешения боросилоксана с низкомолекулярным термотропным ЖК из полученной смеси формуют продукт, оказывают на него вначале механическое воздействие, вызывающее, по крайней мере, одноосную деформацию продукта на величину не менее 100%, затем механическое воздействие прекращают.
Экспериментально было установлено, что дополнительная, по крайней мере, одноосная деформация формованного продукта существенно улучшает однородность полученного продукта и приводит к получению более качественного продукта с одинаковыми свойствами по всему объему продукта. При этом деформация формованного продукта может быть как одноосной, так и двух- или трехосной. Величина допустимой минимальной, по крайней мере, одноосной деформации формованного продукта, равная 100%, была установлена экспериментально. При этом величина деформации по другим осям может как превышать эту величину, так и быть меньше. Иными словами, при получении смеси ЖК с полимером удается сформировать конечный продукт с хорошими эксплуатационными свойствами, если деформация хотя бы по одной из осей будет не менее 100%. Максимальная величина деформации, по крайней мере, по одной из осей определяется конкретной решаемой технической задачей и может быть значительной, например, 5000%. Величина деформаций по осям может быть как одинаковой по каждой из осей, так и отличатся друг от друга.
Одноосную деформацию смеси можно осуществлять различными способами, например, вручную, с помощью разрывной машины, с помощью вытяжных вальцов и т.д. Двухосную деформацию можно проводить также различными способами, например, в ручном режиме, с помощью механических двухосных зажимов. Трехосную деформацию смеси можно осуществлять, например, с помощью раздувной машины для получения полимерных пленок и т.д. Механическое воздействие на смесь можно проводить в широком интервале температур.
Формование продукта из полученной смеси можно осуществлять различными способами, например, путем выливания на стекло с образованием образцов пленки, путем использования формообразующей трубки, путем пропускания смеси через экструдер с кольцевым выходным отверстием у фильеры и т.д.
Для практического использования полученных смесей для дисплейной техники и оптоэлектроники после, по крайней мере, одноосной деформации формованного продукта, механическое воздействие на формованный продукт необходимо прекратить, поскольку использовать продукт под напряжением технологически трудноосуществимо. После прекращения механического воздействия эксплуатационные свойства смеси ЖК с полимером в виде формованного продукта полностью сохраняются, иными словами, релаксация смеси не оказывает влияния на ее эксплуатационные свойства.
Преимущества предложенного способа иллюстрируют следующие примеры.
Пример 1
99 г полидиметилборосилоксана с молекулярной массой 10000 D помещают на часовое стекло диаметра 150 мм, затем добавляют туда 1 г смектической жидкокристаллической смеси жидких кристаллов ЖКС-285 и полученную смесь боросилоксана с ЖК перемешивают вручную в течение 5 мин при 20°С. Получают 100 г смеси, содержащей 1 мас. % ЖК. Из полученной смеси получают формованный продукт в виде цилиндра длинной 10 см, который затем вначале вытягивают при 20°С вручную до длины 20 см, что соответствует одноосной деформации продукта на величину 100%, после чего вытяжку продукта прекращают. Полученный продукт помещают между двумя стеклянными пластинами с зазором 20 микрометров (мкм). Пластины со смесью в виде формованного продукта помещают между двумя скрещенными поляризаторами и освещают лучом лазерного света с длиной волны 635 нм. Путем вращения стекол со смесью в плоскости, перпендикулярной направлению лазерного света, с помощью фотометра определяют, что полученная смесь обладает двулучепреломлением и вращает плоскость проходящего через нее поляризованного света, что позволяет использовать полученный продукт в качестве фазовой пластинки в оптоэлектронике.
Пример 2
0,9 г полиметилфенилборосилоксана с молекулярной массой 5000 D и 0,1 г полиэтилборосилоксана с молекулярной массой 100000 D загружают в воронку экструдера фирмы Брабендер, цилиндр, которого охлажден до температуры 0°С, затем заливают в воронку 99 г жидкого нематического ЖК пентилцианобифенила и включают перемешивающую систему экструдера на 3 мин. Выходящий из экструдера формованный продукт в виде рукава вначале подвергают раздувному вытягиванию, приводящему к трехосной деформации на величину по длине 500% и 50% по ширине и высоте рукава, затем механическое воздействие на продукт прекращают. Полученный формованный продукт в виде пленки толщиной 20 мкм помещают между обкладками конденсатора, которыми являются две стеклянные пластины, снабженные прозрачными электродами. Пластины со смесью помещают в спектрофотометр. С помощью генератора сигналов к электродам подводят переменное электрическое напряжение 30 вольт. При подведении данного напряжения на спектрофотометре фиксируют увеличение пропускания проходящего через смесь видимого света на 95%, то есть образец становится существенно более прозрачным. При снятии электрического напряжения образец приобретает первоначальную мутность. Данные свойства дают возможность использовать полученную смесь в дисплейной технике.
Пример 3
Жидкую смесь 20 г полидиэтилборосилоксана с молекулярной массой 10000 D, 10 г поливинилборосилоксана с молекулярной массой 2000 D и 10 г полидиметилборосилоксана с молекулярной массой 500 D заливают в двугорлую круглодонную колбу объемом 250 мл, снабженную механической мешалкой. Затем через воронку в колбу засыпают 60 г порошкообразного холестерилпеларгоната, приобретающего свойства ЖК при нагревании, после чего колбу помещают в масляную баню, нагретую до 90°С, и включают перемешивание на 10 мин. Жидкую смесь выливают на стеклянную пластину и охлаждают до комнатной температуры. Полученный формованный продукт в виде пленки зажимают в двухосном зажиме и проводят двухосную деформацию на 200% по каждой из осей, затем механическое воздействие на пленку прекращают.
Полученную смесь в виде пленки наносят на металлическую пластину, нагретую до температуры 80°С. В результате нагрева смесь изменяет цвет отраженного света с мутно-белого на синий. Данное свойство позволяет использовать полученную смесь в оптоэлектронных датчиках.
Таким образом, из приведенных примеров видно, что предложенный способ действительно существенно упрощает известный способ получения смеси ЖК с полимером в виде формованного продукта для дисплейной техники и оптоэлектроники, а также расширяет арсенал технических средств, которые могут быть использованы для получения таких смесей.