专利名称：两相薄膜材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及用于制备两相薄膜材料的方法和组合物。具体而言，本发明提供了用于但不限于微电子学、光学、通信、或计算机技术的用于制备各向异性晶体薄膜的方法和组合物。
背景技术：
一种基于晶体薄膜的改性光学材料的可能方法是通过与高分子量化合物如聚合物相互作用赋予这些薄膜高机械性能。
基于聚合物-染料体系的薄膜材料是公知的。这类体系被广泛地用作极性薄膜。具体而言，含碘的半晶质无规立构聚(乙烯醇)(PVA)是公知的。这些薄膜具有高度的光学性能，并用于薄膜晶体管/液晶显示器以及高精度光学装置，请参见，例如，B.Bahadur编著的“Liquid Crystals-Application and Uses”Vol.1，WorldScientific，Singapore，New York，July(1990)，p.101。在这些薄膜中的光学活性组分的选择通常受到所用聚合物-染色体系的二向色性的限制。然而，由于多碘(polyiodine)分子比其它染料显示出更高的二向色性，因此PVA-染料体系可用作极性膜。不利地，PVA-碘极性膜和体系在升高的温度和/或高湿度下常常是不稳定的，其从聚合物基体中释放多碘。为了解决该缺陷，Han等的“AtacticPoly(vinyl alcohol)/Dye Polarizing Film with High Durability”(2003)，International Display Manufacturing Conference，Taipei 18-21，披露了一种具有改善的稳定性的体系。其使用了偶氮染料(例如，直接靛兰或直接红)而不是碘。由于不受理论的限制，值得相信的是该薄膜的稳定性取决于该染料分子的自身性质以及其与聚合物基体的相互作用。
最近，一种有希望的水溶性二向色性有机染料已经作为具有平面分子结构的光学膜材料被披露。这类化合物的杂环分子和分子聚集体在可见光谱范围内具有强的二向色性。用于获得这些染料材料的晶体薄膜的方法在下文进行描述。
在第一阶段，水溶性染料可以形成溶致液晶相。Yeh等的“Molecular Crystalline Thin Film E-Polarizer”，Molecular Materials，14，2000，描述了由二向色性染料的盘形分子组成的柱状聚集体。Lydon的“Handbooks of Liquid Crystals”Chromonics，1998，pp.981-1007，描述了在稀释溶液中能够聚集的染料分子。
在第二阶段，将剪切力施加于溶致液晶相(以油墨或膏糊形式存在)，用以在该剪切力的方向定向(配向)该分子柱。液晶油墨或膏糊的高触变性可以提供在剪切力诱导状态下高度的分子有序化以及在除去该剪切作用后保持该分子的有序化。
在第三阶段，溶剂(如包括但不限于水)的蒸发导致结晶，同时随之由经预取向的液晶相形成固态晶体薄膜(参见，例如，美国专利第6,563,640号)，将其结合于此作为参考。这类晶体薄膜(TCFs)具有使其适合于用作偏振片的高折射(例如，双折射)光学各向异性以及吸收指数。偏振片及其应用(例如，不限于液晶显示器)被披露于Bobrov，Yu.A.，Opt.Tech.，66，547(1999)以及Ignatov等人的Society for Information Display，Int.Symp.Digest of TechnicalPapers，Long Beach，California，May 2000，vol.XXXI，p.1102。
实际上，在聚合物-染料体系中最经常遇到的相互作用类型是在界面的粘合相互作用。在定向聚合物基片的作用下的该机理被广泛地用于获得各种液晶染料的定向层，接着形成液晶薄膜。在相当大的范围内，通过这些材料的性能(如介电性)来确定聚合物膜的粘合和定向性能，用以保持偏振(极性，充电)状态。然而，染料层与聚合物层之间的相互作用强度是有限的并且不能超过可确定各单独组分强度的内聚力(粘合力)的量值。
考虑到染料分子聚集体之间以及聚集体与聚合物之间结合的强度较低，需要用于在聚合物-染料体系中提高相互作用的强度的方法。
Tazuke等人的Polymer Letters，16(10)，525(1978)，以及Turner的Macromolecules，13(4)，782(1980)指出含有化学键合染料的聚合物的光学和机械性能比机械混合物的类似性能更高。然而，共价键的形成并非总是易于进行，而通常需要将适宜的活性基团引入聚合物和染料，其就染料而言，有时是很难的。
获得用于液晶显示器的薄膜的方法被披露于美国专利第5,730,900号。根据该方法，薄膜是由取向的聚合物基体和包含在其中的液晶化合物组成的。
聚合物与染料之间的离子交换型的离子型相互作用在Tkachev等人的Polymethacrylates Containing Immobilized DyeOptical andSorption Properties，Vysokomol.Soedin.，1994，vol.36(8)，p.1326中进行了研究。在该体系中，染料分子作为抗衡离子并且通过离子键与聚合物链结合。这类聚合物-染料体系的光学性能的分析表明以这种方式将染料固定在聚合物上的该体系比不含化学键的体系更稳定。
具有带电荷的聚(二烯丙基甲基氯化铵)大分子的上述种类的水溶性有机染料分子的相互作用在Schneider，T.等人的Self-Assembled Monolayers and Multilayered Stacks of LyotropicChromonic Liquid Crystalline Dyes with In-Plane Orientational Order，Langmuir 2000，16，p.5227中进行了研究。该聚合物在水中离解同时生成带正电荷的聚离子和带负电荷的氯离子(出现在溶液中)。取代的两性染料分子包含磺酸基，其在溶液中带负电荷。在聚合物-染料界面处分子层的表面之间所产生的离子(静电)相互作用用于取向-有序化的单层的自组装以及液晶染料的多层堆叠。在这种情况下，各聚合物层起到用于邻接结晶层的定向基片的作用。所形成的自组装结构是强光学各向异性的具有聚合物和染料的可替换单层的强多层材料。然而，实际应用通常需要特定独特厚度的光学材料功能性层。这类层不能利用已知的方法获得，其仅仅在液体介质才是可适用的。因此，存在一种对用于制备在非液体介质中具有聚合物和染料的薄交替层的聚合物-染料体系的方法的需求。存在一种对用于制备用于光学器件的具有特定独特厚度的聚合物-染料体系的方法的需求。
发明内容
本发明披露了一种制备具有高工作特性的两相薄膜材料的方法。所披露的方法用于提供特定厚度且具有优良的光学性能和所需的机械性能的两相各向异性薄膜材料。
本发明的上述和其它方面以及优点是通过由以下方法制备的两相薄膜材料而实现的，该方法包括以下步骤(i)制备超分子溶致液晶，该超分子包括有机化合物分子，该有机化合物分子包括至少一个极性基团；(ii)在基片上沉积一层溶致液晶(LLC)；(iii)向该LLC层施加外部定向或取向作用；(iv)除去溶剂，以便形成超分子晶体薄膜层；(v)利用粘合剂溶液处理该薄膜，该粘合剂溶液包括至少一个活性基团，其参与该薄膜的极性基团的化学相互作用，并随后形成聚合物相；以及(vi)固化该聚合物薄膜相，以便形成两相薄膜材料。
总体上，本发明的两相薄膜材料包括第一相，包括构成晶体结构的超分子；以及第二相，包括聚合物薄膜。
在一个具体实施例中，本发明的多层薄膜材料包括一种以上的第一相和第二相的交替层，该第一相包括具有晶体结构的超分子，而该第二相包括聚合物薄膜。
本领域技术人员将能够理解以下所描述的附图仅仅用于示意性说明的目的。这些附图并不以任何方式用于限制本发明的保护范围。
图1A示出了本发明的一个具体实施例，其中一薄层晶体膜已经在基片上被沉积并干燥。该晶体薄膜包括有机分子，该有机分子包括附在其上的极性基团。
图1B示出了在有机溶剂中用粘合剂B溶液处理呈现有序化的超分子体系的晶体薄膜。
图1C示出了在用紫外光辐射固化后经晶体薄膜(呈现出超分子有序化的体系)处理后的包括晶体层和聚合物层的两相薄膜材料。
图2示出了多层薄膜材料，该多层薄膜材料包括第一相和第二相的交替层，该第一相包括晶体薄膜，而第二相包括聚合物层。
具体实施例方式
本发明披露了一种获得在宽波长范围内具有选择性功能的光学各向异性薄膜材料。该功能性光学层是基于在溶液中可形成溶致液晶中间相的各种有机物。在一个方面，将外部取向作用施加于这些溶致液晶，并且除去溶剂而形成包括有序化的超分子体系的各向异性晶体薄膜。然而，这些薄膜不具有足够的机械强度。为了改善机械强度，用粘合剂处理该光学薄膜，该粘合剂能够形成保护性薄膜形式的聚合物相。该聚合物相在工作光谱范围内可以赋予该晶体薄膜机械强度，而不会严重地影响晶体薄膜的光学性能。
在本发明中，术语“相”描绘了物质的状态。在特定相中，该物质相对于化学组成和物理状态而言都是均匀的，参见，例如，P.W.Atkins，Physical Chemistry，Oxford University Press，1978，p.312。
在另一方面，本发明的超分子被定义为单体单元的聚合物阵列在本文中已知的具有平面结构和取代的极性基团的有机分子或化合物的有机化合物分子，并通过诸如但不限于π-π(或芳烃-芳烃)等这样的非共价键而结合在一起，参见，例如，Brandveld，“Supramolecular Polymers，Chem.Rev.，101，4071-97(2001)”。
针对它们的化学结构而言，在典型的具体实施例中，这些有机物分子是多环化合物，其包括但不限于包含π键的共轭体系的碳环和/或杂环。在可供选择的具体实施例中，共轭作用能够通过氢的质子化或去质子化作用而获得。
在又一方面，这些有机分子被极性基团所取代。一般而言，这些极性基团是亲水的，并且水和在其它极性溶剂中控制有机分子的溶解性。适合于本发明的一类有机化合物包括但不限于有机染料。
本发明的超分子包括通过以下非共价键合而相互连接的π共轭体系，该非共价键合例如，但不限于π-π、离子、范德瓦尔斯分子间力、金属-金属、金属-π、金属-π*、金属-σ、偶极-偶极、配位、氢、疏水-疏水或亲水-亲水相互作用(参照以上注释)。这些超分子可以描述成具有π共轭体系的有机分子的聚合物阵列，其中通过非共价键连接的上述分子具有以下通式{M}n(F)d， (1)其中M(单体单元)是一种能够通过π-π键参与如有机分子的化学相互作用的多环有机化合物；n是该聚合物链中的分子数目并可达10000；F是暴露于超分子间空间的极性基团；而d是每个分子的极性基团的数目，并在1至4之间变化。
极性基团可以是可离子化的和/或不可离子化的。可离子化的极性基团通常包括强无机酸的阴离子基团，例如但不限于磺基、硫酸根、硼酸根、磷酸根和磷酸盐基团以及羧基。此外，可离子化的极性基团还包括阳离子片断，例如，但不限于质子化的氨基或亚胺基以及一些具有pH-依赖性能的两性基团)。在溶液中，这些极性基团总是伴随有一种或几种相同或不同的抗衡离子。多价的抗衡离子可以同时属于一个以上的有机分子。不可离子化的极性基团包括但不限于氢氧根、氯、溴、氟、烷氧基、三卤烷氧基、氰基、硝基、酮、醛、酯、环氧化合物、硼酸酯、硫代酸酯、硫醇、异氰酸酯、异硫氰酸酯、链烯烃、炔烃等等。
非极性基团的特定例子包括但不限于甲基、乙基、甲氧基、乙氧基等。
该本发明中所使用的有机物分子通常具有椭球形的平面构型。这些分子是对称的或不对称的，具有或不具有排列在周围的取代基。在典型的具体实施例中，本发明的有机分子是两亲的，并且可以同时包含化学上类似或不同的取代基。
取代基团与溶剂的优先相互作用导致被称作溶致液晶(LLC)或中间相的相同类型的有机环状分子的有序化结构的形成。溶致液晶的特征在于其在广泛的浓度、温度以及pH值范围内具有稳定性区域的相图。
在极性溶剂中通过使用有机物形成这类溶致液晶是获得所披露的本发明技术效果的必要条件。主要的极性溶剂是水或水与可与水混溶的极性溶剂的混合物，其中水可以在溶剂中以任何比例存在。在一个方面，本发明利用能够形成溶致液晶的可溶性有机物，例如，参见公开的美国专利第2001/0029638号，题目为“DichroicPolarizer and a Material for Its Fabrication”。适宜的有机分子包括但不限于多次甲基染料(例如，假异花青(假异菁，peudoisocyanine)、频哪氰醇)；三芳甲烷染料(例如，碱性甸子、酸性浅蓝3)；二氨基呫吨染料(例如，磺基罗丹明)；吖啶染料(例如，碱性黄K)；磺化吖啶染料(例如，反式-喹吖啶酮)；蒽醌染料的水溶性衍生物(例如，活性浅蓝KX)；磺化的瓮染料产品(例如，黄烷士酮、阴丹士林黄、瓮黄4K、瓮暗绿G、瓮紫C、阴丹酮、苝紫、瓮猩红2G)；偶氮染料(例如，苯并红紫4B、直接耐晒黄O)；水溶性二嗪染料(例如，酸性暗蓝3)；磺化二噁嗪染料产品(颜料紫二噁嗪)；可溶性噻嗪染料(例如，亚甲蓝)；水溶性酞菁衍生物(例如，八羧基酞菁铜盐)；荧光增白剂；色甘酸二钠(disodiumchromoglycanate)、苝四羧酸二酰亚胺红(PADR)、PADR苯并咪唑(即紫色)、萘四羧酸苯并咪唑(即黄色、酒红色)、苯并咪唑和菲并-9′，10′2，3-喹喔啉的磺基和氨基衍生物等等。在本发明的另一方面，提供了一种通过利用以溶性磺酸基衍生物的可离子化有机分子(包括单独的磺基衍生物或其混合物或单独的磺基衍生物体系)形式来形成溶致液晶(中间相)的方法。
取决于pH，磺基衍生物可以以酸、盐或其组合物的形式存在。在典型的具体实施例中，抗衡离子包括H+、NH4+、K+、Li+、Na+、Cs+、Ca++、Sr++、Mg++、Ba++、Co++、Mn++、Zn++、Cu++、Pb++、Fe++、Ni++、Al+++、Ce+++、La+++等或其混合物。
当被溶解于水中时，这些磺基衍生物或其混合物的分子形成以类似于一叠硬币的方式堆积的不等轴(棒状)聚集体。在这样的溶液中的每个聚集体是具有双电层的胶束，而该溶液作为一个整体可以被称为高度分散的(胶态)亲液体系。当溶液的浓度(胶束浓度)增加时，不等轴聚集体经历自发有序化(也称作“自有序化”或“自组装”)。其导致向列型亲液(nematic lyotropic)中间相的形成，从而使体系变成液晶。在列上的染料分子的高度有序使得其中间相可以用于获得经取向(定向)的二向色性材料。由这些材料形成的膜具有高度的光学各向异性。液晶态的形成可以容易地通过常见的方法，但不限于，借助于偏光显微镜来证实。
在溶致液晶(中间相)中，磺基衍生物或磺基衍生物的混合物或体系的浓度范围可以从大约3至50质量％。在某些具体实施例中，在LLC中，磺基衍生物或磺基衍生物的混合物或体系的浓度范围是在为大约7至15质量％的范围内。在不同的实施例中，该中间相可以另外包括达约5质量％的表面活性剂和/或增塑剂。通过改变磺酸基团的数目以及盘形分子中改性基团或取代基的数目和类型，可以控制在液晶溶液中形成的聚集体的亲水-疏水平衡，并且改变溶液粘度。这依次地影响超分子的大小和形状，有机分子、化合物和/或超分子的分子有序程度，溶致液晶的溶解性和稳定性。
应该强调的是上述所有的化合物都能够在溶液中形成稳定的溶致液晶，该溶液为单一磺基衍生物或单一磺基衍生物彼此或与某些其它有机化合物的混合物或体系，其在可见光谱范围内是无色或弱吸收的。在除去溶剂后，这些中间相可以形成具有高度光学特性的各向异性晶体膜。
用于浓缩LLC的适宜方法包括蒸发、蒸馏、惰性气体、加热到较低温度、真空蒸馏或其组合。这种处理导致膏糊状组合物(“油墨”)的形成，其能够使溶致液晶状态保持足够长的时间。
典型地，溶致液晶层是通过将溶液或浓缩液施加(涂敷)在干净的基片表面上而形成。这些基片通常是由玻璃、聚合物、半导体、金属、合金、硅酸盐、某些其它材料或其组合制成。基片可以是亲水的或疏水的；它可以是平面的或具有一些其它的预定形状。所施加的液晶层的结构可以通过使用聚合物材料的配向基片进行控制。高分子介电涂层的配向性能是通过已知化学方法(利用聚离子形式的极性聚合物，参见，例如，美国专利申请第2002/0168511A1号)或物理方法来提供的，其中，最广泛使用的是将载流子注入介电材料中。这是通过利用可产生机械摩擦的抛光辊处理该材料或通过暴露于电晕放电、或通过等离子处理而实现的。载流子注入过程是通用的并且可用于处理任何包括由所公开的方式得到的薄膜的高分子涂层。
除了载流子注入方法之外，还有其它外部取向有机分子的已知方法，例如，但不限于机械的、电的、磁的、等离子的或物理取向或配向力或作用，以及披露于美国专利第5,739,296号和第6,174,394号中的那些方法以及其组合。取向作用的强度必须是足够的，以便取向溶致液晶中间相中的超分子动力单元，该取向作用的强度取决于液晶溶液的性能，例如，但不限于液晶溶液或混合物的性质、浓度、温度、pH等等。在LLC中所形成的取向作用浸染并控制该材料和由其衍生的物质的光学性能。
在本发明的不同方面，在有机分子的溶致液晶层上的外部取向作用是由机械剪切所产生的。典型地，通过使用一种或多种不同类型的配向装置可以获得由机械剪切力而产生的定向，该配向装置包括但不限于平行于LLC层的表面或与此表面成一角度定向的刀片、圆柱形刮板或平板。设置从表面至配向器具边缘的间距，以便获得所期望厚度的膜。
在一系列的具体实施例中，随后的溶剂去除是在室温及温和条件下进行达1小时的时间段。可供选择地，如果允许的话，为了节省时间，溶剂可以在约20至60℃的温度范围内并在相对湿度约40至70％下通过加热而被除去。现在参照图1A，这种处理留下被有机晶体膜3的定向薄层覆盖的基片1，从而产生薄膜-基片结构20。
必须对去除溶剂的方式进行选择，以便避免损害先前所得到的溶致液晶结构的取向，同时保证在外部取向作用期间产生的应力的弛豫。在大多数具体实施例中，溶剂去除步骤应该在升高的湿度条件下进行。用于确保LLC层中的高结晶度的重要因素包括但不限于从体系中去除溶剂过程的速率和方向特性。所得到的晶体层3呈现为具有分子有序化和经排列结构的足够薄的连续膜，其中有机分子被聚集成可形成超分子集合、聚集体、胶体、微粒、悬浮物或其混合物的有序化的取向集合。这种集合和结构的形成是由溶液中分子的特定液晶取向而产生的，在该溶液中在超分子组装之前的这些分子通过进入一维和/或二维相互定向的准晶体聚集体，已经具有局部有序。当将该准晶体聚集体溶液和/或混合物施加(涂敷)于基片表面上，同时施加外部取向作用时，溶液和/或混合物中的有机分子和/或聚集体通过自组装成为超分子复合物而进行宏观取向。这种取向不仅在干燥期间被保留。干燥还可以由于结晶而依次增强分子的排序。现参照图1A，示出了所得到的晶体薄膜3以及从晶体薄膜附着在基片1上的至少一个取代基F。晶体薄膜3具有沿着光轴之一在3.4±0.3范围内的晶面间距。该薄膜可以是双折射的，并且呈现二向色性、偏振以及相移(相位差片或延迟片)性能，该性能与在相对于光轴的相互垂直方向的折射率差异有关。该薄膜还可以具有光学滤光片的性能。该薄膜可以结合不同的性能，并可以同时执行几种功能。
现参照图1B，本发明制备两相膜材料的下一步骤包括用粘合剂(包括分子、大分子或低聚物)处理具有超分子有序结构的固态晶体膜3，用以形成保护性聚合物薄膜、相、或层5，如图1C所示，并且形成均一的物理化学体系40。新近形成的含有单一粘合剂分子B的相5彼此相互作用并且在相界面10与有机分子或化合物的极性基团相互作用。典型地，粘合剂分子之间的分子间化学相互作用明显高于在相界面10处的层3和层5之间的分子间化学相互作用。现在参照图1C，如果对粘合剂分子或单体进行选择以使各粘合剂分子具有两种不同的取代基(例如，链烯烃和极性阳离子部分)，粘合剂分子可以分子间聚合以形成交联聚合物层5；以及如果层3具有负性基团(例如，但不限于磺酸盐)，则通过离子相互作用而分子间键合成晶体层3。在可替换的具体实施例中，可以使用具有一个活性基团或取代基的粘合剂分子。可以将适合的电荷引入或赋予聚合物(例如，载流子注入等)，或将该聚合物掺杂带电荷的原子(例如，金属等)、离子(例如，金属、电解质等)、或包括连接子(例如，同基双功能连接子、异基双功能连接子、三功能连接子等)的化合物，用以促进相间交联。在所选择的具体实施例中，粘合剂的化学性质通过共价或非共价相互作用使相间的交联易于进行。
在一系列的具体实施例中，粘合剂分子具有一种以上的活性基团。在特定的具体实施例中，可以特定地使用具有活性(反应性)的不同粘合剂分子的混合物。在另外一系列的具体实施例中，粘合剂分子是含有杂环化合物的饱和、部分不饱和或完全不饱和的脂肪族或芳香族化合物及其具有至少一种活性(反应性)基团(例如，但不限于链烯烃、炔烃、胺、肼、醇、硫醇、酮、醛、酯、羧酸、酰基氯、异氰酸酯、乙烯酮、异硫氰酸酯、环氧化物、丙烯酸酯(盐)或硫代酸酯)的混合物。在可供选择的具体实施例中，预先制备的具有附着在其上的适宜的活性基因或聚合基团的聚合物、树脂、或低聚物膜可以通过将利用预先制备的聚合物、树脂溶液或其低聚物的溶液沉积，以便在没有在晶体膜上进行原位聚合的情况下获得相似的两相光学材料。
一般而言，活性基团可以被广义地划分为亲核或亲电部分。就各部分类型而言，它可以被进一步地限定为饱和亲核/亲电部分(例如，胺类、肼、叠氮化物、碳阴离子、硫醇、磷、醇类、含氧阴离子、烷基卤化物、硼酸酯、环氧化物等…)或不饱和亲核/亲电部分(例如，链烯烃、炔烃、丙二烯、氰基、酮、醛、酯、羧酸、丙烯酸酯(盐)、乙烯酮、异氰酸酯、酰基氯、磺酰氯、磷酰氯、膦酰酰胺(二氧磷基酰胺)、异硫氰酸酯、硫代氰酸酯、硫酮等…)。
适合的活性基团和可聚合反应的其它实例可以在Hermanson，G.T.，Bioconjugate Techniques，Academic Press，Inc.，San Diego，Calif.(1996)中找到，将其全部内容结合于此作为参考。
在典型的实施例中，含有共价键和/或非共价键的粘合剂分子或单体可以通过自由基反应、缩合反应、离子相互作用或这些反应的结合而被引发和/或进行聚合。
在一个方面，对聚合反应和条件进行选择，以制得结构均匀且对晶体薄膜3的光学性能影响或干扰最小的薄膜。
在另一个方面，化学反应(通常为通过离子类型机理的聚合反应)可以通过对有机膜3中的极性基团而言起抗衡离子作用的质子、氢氧化物或金属阳离子而引发，该金属阳离子包括碱土金属的、碱金属的、有机的、无机的、过渡族的土金属或稀土金属或其结合。
该聚合过程可以由加热、紫外光辐射或化学相互作用(例如，与相同抗衡离子的相互化学作用)来引发。聚合化合物(即粘合剂)可以包含与反应类型相应的催化剂(例如，用于固化树脂的催化剂)。在具体实施例中，用于紫外光引发过程的粘合剂可以包括光敏剂，例如，但不限于酮、二苯甲酮等，其用量达约0.5％。可选地，在有或没有化学引发剂(例如，但不限于过氧化苯甲酰或N-氧化物)存在的情况下，自由基聚合可以被热引发。
本发明适宜的粘合剂、分子或单体包括环氧树脂以及甲基丙烯酸甲酯。
在另一方面，聚合物膜可以达体系质量的约10至60％。粘合剂可以包含各种或是分开的或在混合物中的改性添加剂(例如，用于改善膜性能的邻苯二甲酸二丁酯这样的增塑剂)，其总含量达约20质量％。对于芳香族单体，聚合度高于约40，而对于脂肪族单体，聚合度高于约120，其可确保形成作为保护膜的具有高机械性能的高分子量聚合物。大分子的长度不短于染料柱之间的堆间距(40-100)。
在另一个方面，合成聚合物的分子量分布范围是从约4000至20000。在某些具体实施例中，该分布落在约5000至8000的范围内。尽管该聚合物的分子量分布可以大得多(例如，约10或更多倍)，但是这可能使高质量薄膜的形成变得复杂化。
在某些具体实施例中，根据聚合物的结构和制备条件，该薄膜可以是晶体的或部分晶体的。在另外的具体实施例中，对于两相的中每一相而言，该薄膜的厚度是相当的，其通常在约0.1-2.0微米的范围内变化。
制备两相薄膜材料的最后步骤是聚合物薄膜的固化，在该过程中，获得所需要的两相材料。在某些具体实施例中，根据具体的聚合物该过程可以以不同的方式进行。在典型的具体实施例中，固化可以在升高的温度(高于约100℃)下发生，同时曝光时间在约10分钟至约10小时的范围内。在另外的具体实施例中，可以采用在紫外光照射条件下的“冷固化”或室温固化。
在一个方面，本发明可以用于获得多层薄膜材料。现在参照图2，两相膜材料用作基片，用以在制备多层材料60的过程中形成第二溶致液晶层30。根据上述方法和本发明的典型具体实施例，溶致液晶层30形成于该基片的表面上。该溶致液晶可以与层3相同或不同。在某些具体实施例中，该两相膜材料可以用作用于该溶致液晶层形成的配向基片，并对晶体过程起作用。在另一具体实施例中，基片的配向是通过施加外部取向作用(如机械配向和/或剪切)、通过施加电场、通过用等离子体处理、或任何可以针对本文中所描述的有机分子、超分子或LLC的外部力的结合。接着，在LLC层30沉积之后，第二粘合剂或聚合物层50可以通过沉积预先制备的膜而被加入，该预先制备的膜包括聚合物、树脂、低聚物、嵌段共聚物、染料、添加剂、表面活性剂、金属、增塑剂或其混合物。可供选择地，第二聚合物层50可以由本文中所述的聚合反应而生成，该聚合反应包括但不限于共价反应(例如，自由基聚合、缩合反应等…)、非共价反应(例如，离子、π-π键、范德瓦尔斯分子键、金属-金属、金属-π、金属-π*、金属-σ、偶极-偶极、配位、氢、疏水-疏水或亲水-亲水相互作用)或其结合。不管用于引入聚合物层50的方法，该聚合物可以与层5相同或不同。有利地，在不同的具体实施例中，可以将所制备的材料、膜或层控制到任何预定的和需要的厚度。
以上对本发明的具体实施例的描述是用于举例说明和描述的目的。它们不是用于穷举或将本发明限制于所披露的确定形式，并且很明显，根据上述教导的多种改进具体实施方式
、以及变化都是可能的。因此本发明的保护范围包括在此公开的一般范围，并由在此所附的权利要求及其等同替换所限定。
实施例以下所描述的实施例仅用于举例说明的目的，而不是以任何方式来限制本发明的保护范围。
实施例1两相薄膜材料的制备在第一步骤中，制备有机分子晶体膜。将蒸馏水加入到装有10.0克磺化亚萘甲酰基苯并咪唑的烧瓶中。将该混合物边加热边搅拌直至完全溶解。最终溶液的质量百分比浓度为大约7％至15％，并且，如果必要的话，可以在减压下将过量的水蒸馏掉。然后，将该浓缩液施加(涂敷)在玻璃基片上。在出现晶体膜中间相以后，将用作配向器具的上部玻璃板相对于涂布有LLC膜的下部玻璃基片移动，而使该膜有序化。最后，在温度约为20℃和相对湿度为65％的条件下将该膜进行干燥。该膜具有约0.5μm的厚度，并且呈现出各向异性的光学性能。
按照以下方法合成高分子量环氧树脂。将装有机械搅拌器、温度计以及回流冷凝器的圆底烧瓶中加入24.5克的二甲苯和16.7克的环氧树脂(DER-300)，并将该混合物边加热边搅拌至约120℃。然后，加入10.0克的双酚A和0.04克的2-甲基咪唑(即，固化催化剂)，并通过加热该混合物而进行聚合以回流(即，142-144℃)直至获得高粘性溶液。最后，将该混合物用乙基溶纤剂(冷却至约120℃)和甲乙酮(冷却至约80℃)以1∶5的比例进行稀释，直至所得溶液中的最终树脂浓度为8-10％。聚合物具有15000的分子量，而环氧基的残余含量为0.4％。
将基片上的有机分子晶体膜浸渍在环氧树脂溶液中2至3秒。然后，将该基片样品小心地在竖直位置举起。将所获得的透明膜在室温下的空气中干燥约30分钟，然后在约150℃下干燥15分钟。最终的两相膜材料具有1μm的厚度。用偏光显微镜对晶体膜结构以及聚合物膜质量进行研究。用IR光谱仪来证实相间交联的形成。该两相膜材料呈现出各向异性的光学性能。
用Ocean PC 2000和Cary 500(Varian)光谱仪对该两相膜材料样品在400nm至700nm的范围内进行光谱测定。该膜的光谱特征与在500、560和660nm区域内的特征吸收谱带所显示的单层光谱特征相似。
该膜的光学性能列于下表1中。
表1
在此，T、H0和H90分别是未经偏振及经偏振(平行和垂直)的光的透射特性；Ep是偏振效率，CR是对比度，而Kd是二向色比。该膜的极限弯曲强度是40MPa。
实施例2两相膜材料的制备在第一步骤中，制备有机分子晶体膜。将蒸馏水加入到装有包括阴丹酮、芘紫、和还原红14以5∶1∶2比例混合的8.0克的磺化染料混合物中。将该混合物边加热边搅拌直至完全溶解。溶液的最终浓度是10％。如果认为必要的话，过量的水可以在减压下蒸馏掉，以便获得适当的浓缩液。然后，将该浓缩液施加(涂敷)在玻璃基片上。在出现液晶中间相以后，将用作配向器具的上部玻璃板相对于涂布有LLC层的下部玻璃基片移动，而使该薄膜有序化。最后，在温度为约20℃和相对湿度为70％的条件下将该薄膜进行干燥。该薄膜具有0.4约μm的厚度，并且呈现出各向异性的光学性能。
将涂布有该薄膜的基片浸渍在5至6％的聚甲基丙烯酸甲酯(摩尔分子量为8000)的单体溶液中3至4秒，该单体中含有0.037克(0.5％溶液)的光引发剂(例如，二苯甲酮)以及0.015克(6％溶液)的叔丁基硫醇(例如，一种分子量调节剂)。从聚合物溶液/混合物中将样品取出，接着将其暴露于紫外光辐射15分钟。然后，将该样品在室温下的空气中干燥2小时。
该薄膜的光学性能列于下表2中。
表2
在此，T、H0和H90分别是未经偏振及经偏振(平行和垂直)的光的透射特性；Ep是偏振效率，CR是对比度，而Kd是二向色比。最终薄膜的厚度约为1.0微米，并且极限弯曲强度是40MPa。
上述实验数据表明，粘合剂和包括有序化的有机分子的固态薄膜之间的相间相互作用与其它操作一起可以提供具有可控厚度的坚固的均匀薄膜，该薄膜至少具有与单独的初始薄膜相同的光学性能。
权利要求
1.一种制备两相薄膜材料的方法，包括以下步骤在极性溶剂中制备溶致液晶，所述极性溶剂包括超分子，所述超分子包括有机化合物的分子，其中每个分子包括至少一个极性基团；在基片上沉积一层所述溶致液晶；施加外部取向作用；除去所述溶剂，以形成超分子晶体薄膜；利用粘合剂处理所述薄膜，所述粘合剂包括至少一个活性基团，接着形成聚合物相以及所述活性基团与所述薄膜的极性基团的化学相互作用；以及固化聚合物薄膜相，以形成所述两相薄膜材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中制备所述溶致液晶包括浓缩所述有机化合物溶液。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述有机化合物的含量是在约3质量％至50质量％的范围内。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述有机化合物在所述溶致液晶中的质量百分含量是在约7质量％至15质量％的范围内。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述极性溶剂是水。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述超分子是具有π共轭体系的有机分子聚合物阵列，其中所述分子通过非共价键连接，具有以下通式{M}n(F)d，其中M是通过π-π键与其它多环有机分子连接的多环有机分子；n是所述聚合链中所述有机分子的数目，并具有达10,000的数值；F是暴露于超分子间空间的极性基团；而d是每个所述有机分子的极性基团的数目，并从1至4变化。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述极性基团是可离子化的，并且确保用于形成所述溶致液晶的所述极性溶剂中所述有机分子的溶解性。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述极性基团与一个或多个抗衡离子结合。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述溶致液晶进一步包括浓度达约5质量％的表面活性剂。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中所述溶致液晶进一步包括浓度达约5质量％的增塑剂。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中所述外部取向作用是机械剪切。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中所述外部取向作用是电场或磁场、或其组合。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中所述外部取向作用与所述溶质液晶层的沉积是同时施加或单独施加的。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中所述极性溶剂是在约20℃至60℃的温度范围内、并在约40％至70％的相对湿度的条件下被除去的。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中所述极性溶剂是在约20℃的温度下持续超过约1小时的时间段而被除去的。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其中所述粘合剂的活性基团与所述超分子的极性基团的所述化学相互作用不干扰所述超分子晶体薄膜。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的方法，其中所述粘合剂包括至少一种聚合物。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述聚合物包括树脂。
19.根据权利要求1至16中任一项所述的方法，其中所述粘合剂包括至少一种脂肪族或芳香族单体。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述粘合剂进一步包括至少一种脂肪族或芳香族单体。
21.根据权利要求1至19中任一项所述的方法，其中所述粘合剂包括浓度达约0.5质量％的光敏剂。
22.根据权利要求1至16、或19中任一项所述的方法，其中所述单体是不饱和化合物。
23.根据权利要求1至16、或19中任一项所述的方法，其中所述单体包括至少一种亲核活性基团。
24.根据权利要求1至16、或19中任一项所述的方法，其中所述单体包括至少一种亲电子活性基团。
25.根据权利要求1至17、或21中任一项所述的方法，其中所述粘合剂是不饱和或饱和化合物。
26.根据权利要求1至16、19或22中任一项所述的方法，其中所述聚合物相的形成是通过自由基机理进行的。
27.根据权利要求1至17、21或25中任一项所述的方法，其中所述聚合物相的形成是通过自由基机理进行的。
28.根据权利要求1至16、19或23中任一项所述的方法，其中所述聚合物相的形成是通过缩合机理进行的。
29.根据权利要求1至16、19或24中任一项所述的方法，其中所述聚合物相的形成是通过离子机理进行的。
30.根据权利要求1至17、或19所述的方法，其中所述聚合物相的形成是通过结合的机理进行的。
31.根据权利要求1至16、22或26中任一项所述的方法，其中所述聚合物相的形成是通过热引发的。
32.根据权利要求1至17、19或30所述的方法，其中所述聚合物相的形成是通过热引发的。
33.根据权利要求1至16、22或26中任一项所述的方法，其中所述聚合物相的形成是通过化学相互作用引发的。
34.根据权利要求1至16、23或28中任一项所述的方法，其中所述聚合物相的形成是通过化学相互作用引发的。
35.根据权利要求1至16、24或29中任一项所述的方法，其中所述聚合物相的形成是通过化学相互作用引发的。
36.根据权利要求1至16、19或30中任一项所述的方法，其中所述聚合物相的形成是通过化学相互作用引发的。
37.根据权利要求1至16、24、29或35中任一项所述的方法，其中所述聚合物相的形成是通过与所述有机分子的极性基团结合的抗衡离子引发的。
38.根据权利要求1至17、21、25或27中任一项所述的方法，其中所述聚合物相形成是通过紫外光辐射引发的。
39.根据权利要求1至17、19或30中任一项所述的方法，其中所述聚合物相形成是通过紫外光辐射引发的。
40.根据权利要求1至17、或19中任一项所述的方法，其中所述粘合剂与所述超分子的所述极性基团的相互作用是通过所述极性基团的抗衡离子来催化的。
41.根据权利要求1至40中任一项所述的方法，其中所述聚合物相在高于约100℃的温度下被固化。
42.一种两相薄膜材料，包括第一相，包括超分子的晶体薄膜，所述超分子包括至少一个极性基团；以及第二相，包括聚合物薄膜。
43.根据权利要求42所述的两相薄膜材料，其中所述材料是各向异性的。
44.根据权利要求42或43所述的两相聚合物材料，其中所述晶体薄膜具有沿着所述光轴之一具有3.4±0.3的晶面间距的晶体结构。
45.根据权利要求42至44中任一项所述的两相薄膜材料，其中所述薄膜材料不小于所述第一相的40质量％。
46.根据权利要求42至45中任一项所述的两相薄膜材料，其中所述聚合物相是由芳香族单体形成的，并且具有大于40的聚合度。
47.根据权利要求42至45中任一项所述的两相薄膜材料，其中所述聚合物相是由脂肪族单体形成的，并且具有大于120的聚合度。
48.根据权利要求42至47中任一项所述的两相薄膜材料，其中所述聚合物相具有在约4,000至20,000范围内的分子量分布。
49.根据权利要求48所述的两相薄膜材料，其中所述聚合物相具有在约5,000至8,000范围内的分子量分布。
50.根据权利要求42至49中任一项所述的两相聚合物材料，其中所述聚合物相包括浓度在约1质量％至20质量％范围内的增塑剂。
51.根据权利要求42至50中任一项所述的两相薄膜材料，其中所述薄膜材料是偏振的。
52.根据权利要求42至51中任一项所述的两相薄膜材料，其中所述薄膜材料是相位差片或滤光片。
53.一种两相薄膜材料，其中所述两相薄膜材料是通过权利要求1至41所述的方法制得的。
54.根据权利要求42至53中任一项所述的两相薄膜材料，其中所述薄膜材料包括一个以上的晶体薄膜以及一个以上的聚合物薄膜。
55.根据权利要求42至54中任一项所述的两相薄膜材料，其中所述薄膜材料包括至少一个所述晶体薄膜和/或所述聚合物薄膜的交替层。
56.根据权利要求42至55中任一项所述的两相薄膜材料，其中所述薄膜材料用作制备多层薄膜材料的基片，所述多层薄膜材料具有一层以上的所述第一相和/或第二相的交替层。
57.根据权利要求42至56中任一项所述的两相薄膜材料，其中所述基片用作沉积所述溶致液晶层的配向基片。
58.根据权利要求56或57所述的两相薄膜材料，其中所述基片是通过用机械方法或施加电场或磁场、或等离子处理将外部取向作用施加到所述表面上来配向的。
全文摘要
本发明提供了两相薄膜材料及其制备方法。该两相薄膜材料通常包括第一相，该第一相包括超分子晶体薄膜；以及第二相，该第二相包括聚合物薄膜。制备两相薄膜材料的方法包括以下步骤制备包括有机化合物分子的超分子溶致液晶，该有机化合物包括至少一个极性基团；沉积一层溶致液晶；对该LLC层施加外部取向作用；以及通过用粘合剂处理该LCC层。
文档编号C09K19/00GK1846155SQ200480025294
公开日2006年10月11日 申请日期2004年9月23日 优先权日2003年9月23日
发明者帕维尔·I·拉扎列夫, 叶连娜·N·西多连科 申请人:日东电工株式会社