相关申请的交叉引用:
本申请要求2016年2月12日提交的美国临时申请号62/294,783的权益,其通过引用全部结合于此。
关于联邦资助的研究或开发的陈述:不适用
发明背景
1.发明领域。
本发明总体上涉及半导体纳米粒子(“量子点”)。更具体地,其涉及结合无重金属量子点的聚合物膜。
2.包括根据37CFR 1.97和1.98公开的信息的相关领域的描述。
之前已经描述了含有分散在内部相(其之后分散在适合的气体阻隔外部相中)中的无重金属半导体纳米粒子的多相和两相聚合物膜——参见,例如,美国公布号2015/0047765“利用多相树脂的量子点膜”和美国公布号2015/0275078“量子点组合物”。
然而,在获得真正稳定的膜的过程中,尤其是在除了包括光试验(106/60/90)[90%相对湿度]以外还包括暗试验(0/60/RH)[0mW/cm2辐射率/在60℃/RH=室内湿度(未测量)]的测试条件下,存在许多挑战。对于与具有大约10-2g/m2天的水蒸气透过率(WVTR)并且具有50微米以下的树脂膜厚度的阻隔膜(例如,i-Components TBF1004阻隔膜,i-Components Co.Ltd.,701,Family Tower,958-2,Youngtong-dong,Paldal-gu Soowon-si,Gyeonggi-do,韩国)结合使用的当前可用的发红光的量子点(QD)来说,暗试验是尤其困难的。
发明概述
本发明涉及由含有优选具有高玻璃化转变温度(Tg)(优选大于35℃,并且更优选大于80℃)的快速固化内部相和某些内部相/外部相树脂组合的树脂制备高度稳定的膜。所描述的树脂由内部相和外部相组成,但是在一些情况中,由于其当使用光学显微镜观察时的均匀外观而可以被称为单一相。本发明的方法提供了制备稳定膜的可高度规模化和节省成本的方式。
在本文中,稳定性试验条件作为“(x/y/z)”报告,其中x是以mW/cm2表示的辐射率;y是以℃表示的温度;并且z是以百分数表示的相对湿度。
以下简写、首字母缩写词、和商品名在整篇本公开中使用:
IPM 肉豆蔻酸异丙酯
YR011 来自Showa Denko K.K.(Shiba Daimon,Minato-ku Tokyo JAPAN)的丙烯酸酯官能化的二氧化硅纳米粒子树脂
热解法二氧化硅(EVONIK DEGUSSA GMBH Rellinghauser
R106 Strasse 1-1145128Essen FED REP GERMANY)
CN104 来自Sartomer(Sartomer Technology USA,LLC Suite 202,103 Foulk Rd.,Wilmington DELAWARE 19803)的双酚A环氧二丙烯酸酯低聚物
CN104B80 来自Sartomer的双酚A环氧树脂二丙烯酸酯共混物
CN104C80 CN104和丙烯酸2-羟乙酯(HEA)的80/20共混物
CN104E70C5 CN104、甲基丙烯酸2-羟甲酯(HEMA)和丙烯酸2-羟乙酯(HEA)的70/20/5共混物
CN146 来自Sartomer的促进粘合的单官能丙烯酸类低聚物
SR833S 三环癸烷二甲醇二丙烯酸酯(可以借助自由基进行聚合的低粘度双官能丙烯酸酯单体)
LMA 甲基丙烯酸月桂酯
TMPTMA 三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯
IRG651 来自BASF(BASF SE Carl-Bosch-Strasse 38Ludwigshafen GERMANY)的(2,2-二甲氧基-1,2-二苯基乙-1-酮)光引发剂
IRG819 来自BASF的(双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)-苯基氧化膦)光引发剂
IBOA 丙烯酸异冰片酯
YR301 来自Showa Denko K.K.的另一种丙烯酸酯官能化的二氧化硅纳米粒子树脂
TMPTA 三羟甲基丙烷三丙烯酸酯
CITHROL DPHS PEG 30二聚羟基硬脂酸酯表面活性剂(Croda International Plc,Snaith,Goole,East Yorkshire DN149AA UK)
IPM 肉豆蔻酸异丙酯
TCDMDA 三环癸烷二甲醇二丙烯酸酯
LA 丙烯酸月桂酯
HEA 丙烯酸2-羟乙酯
HEMA 甲基丙烯酸2-羟乙酯
4-羟基-TEMPO 自由基抑制剂(4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶1-氧基,或“TEMPOL”)
附图的多个视图的简述
图1是示出针对由281C树脂(IBOA/(YR011/0.36重量%IRG819))制备的膜的光稳定性试验的结果的图表。
图2是示出针对由282B树脂(IBOA/(YR301/1重量%IRG819))制备的膜的光稳定性试验的结果的图表。
图3是示出针对由281A树脂(LMA/TMPTMA/(YR011/0.36重量%IRG819))制备的膜的暗稳定性试验(0/60/90)的结果的图表。
图4是示出针对由281C树脂(IBOA/(YR011/0.36重量%IRG819))制备的膜的暗稳定性试验(0/60/90)的结果的图表。
图5是示出针对由IBOA/CN104C80树脂制备(298B)的膜的光稳定性试验(106/60/90)的结果的图表。
图6是示出针对由IBOA/CN104C80树脂制备(298B)的膜的暗稳定性试验(0/60/90)的结果的图表。
图7是示出针对由(IBOA/TMPTA)/CN104E70C5制备(383C)的膜的暗稳定性试验(0/60/RH)的结果的图表。
图8是示出针对由(IBOA/TMPTA)/CN104E70C5制备(383C)的膜的光稳定性试验(106/60/90)的结果的图表。
图9是示出针对由IBOA/YR301制备(383I)的膜的暗稳定性试验(0/60/RH)的结果的图表。
图10是示出针对由(IBOA/Cithrol)/YR301制备(383J)的膜的暗稳定性试验(0/60/RH)的结果的图表。
图11是示出针对由(IBOA/TMPTA)/YR301制备(383K)的膜的暗稳定性试验(0/60/RH)的结果的图表。
图12是示出针对由IBOA/YR301制备(383I)的膜的光稳定性试验(106/60/90)的结果的图表。
图13是示出针对由(IBOA/Cithrol)/YR301制备(383J)的膜的光稳定性试验(106/60/90)的结果的图表。
图14是示出针对由IBOA/SR833S制备(383E)的膜的暗稳定性试验(0/60/RH)的结果的图表。
图15是示出针对由((IBOA/Cithrol)/SR833S)制备(383F)的膜的暗稳定性试验(0/60/RH)的结果的图表。
图16是示出针对由((IBOA/TMPTA)/SR833S)制备(383G)的膜的暗稳定性试验(0/60/RH)的结果的图表。
图17是示出针对由(IBOA/Cithrol)/SR833S制备(383F)的膜的光稳定性试验(106/60/90)的结果的图表。
图18是示出针对由(IBOA/TMPTA)/SR833S制备(383G)的膜的光稳定性试验(106/60/90)的结果的图表。
发明详述
根据一系列实验发现,在内部相和外部相之间的相分离越高,就能越好地维持阻隔树脂的气体阻隔性能。例如,IPM/Aerosil R106内部相当其与双酚A环氧树脂二丙烯酸酯外部相(来自Sartomer的CN104B80)时显示出良好的背光单元(BLU)稳定性(2.5mW/cm2),但是当与YR011(来自Showa Denko K.K.的丙烯酸酯官能化的二氧化硅纳米粒子树脂)或50∶50重量%的丙烯酸类低聚物(来自Sartomer的CN146)/三环癸烷二甲醇二丙烯酸酯(来自Sartomer的TCDMDA或SR833S)外部相一起使用时显示出非常差的稳定性,其在来自阻隔膜层压的样品的切片中具有明显的氧和/或水分的边缘进入(edge ingress)。为了提供良好的相分离和未固化液体对外部相的较少的污染,在本申请中的CN104B80的极性是重要的。然而,这限制了在配制物中这种内部相的范围,并且因为做出了增加这些树脂的乳液稳定性的努力,在内部相和外部相之间的相互作用可能会增加。如通过与较高粘度的(IPM/Aerosil R106)/YR011树脂(233B)相比,在来自仅IPM/YR011树脂(233A)的膜中观察到的阻隔膜层压的样品中较大的边缘进入证明了,在降低内部相向外部相中的扩散方面,内部相或外部相的较高的粘度可能是重要的。
当使用甲基丙烯酸月桂酯/三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯(LMA/TMPTMA)的固化内部相时,对于YR011和对于50∶50重量%的CN146/SR833S共混物来说,得到更稳定的膜,尽管事实是可以在这些体系中预期更高极性的内部相(与IPM相比)向外部相中的更大扩散。
使用具有无重金属-半导体纳米粒子珠的相同外部相制备树脂的实验展现出比固化内部相树脂更好的稳定性。珠由LMA/TMPTMA制备,但是含有较高比例的TMPTMA交联剂并且在与外部相混合之前完全固化。结论是,为了使由于软的、未固化内部相向外部相的混合所引起的气体阻隔性能降低最小化,在这些体系中内部相的完全固化是必需的。由于两相树脂的聚合的时间范围(在汞灯下30秒),与甲基丙烯酸酯内部相相反,丙烯酸酯可以提供更适合的固化体系。
在YR011、YR301和CN104C80(CN104:丙烯酸2-羟乙酯(HEA)=80∶20重量%)作为外部相的情况下,进行使用丙烯酸异冰片酯(IBOA)和IBOA/丙烯酸月桂酯(LA)作为内部相的实验。由于其高Tg(根据Sigma Aldrich,94℃)而选择IBOA,并且与LA相比将会在外部相中得到较少量的软材料。LA和IBOA的组合用于在膜中提供可能在卷装(roll-to-roll)过程中需要的更高的挠性。与IBOA相比,LA还提供与无重金属半导体纳米粒子稍好的相容性。在表1和表2中给出了所进行的一些实验的总结和所得到的结果。使用Hamamatsu仪器进行PLQY测量,并且使用积分球(LABSPHERE INC.231Shaker Street NORTH SUTTON NEW HAMPSHIRE 03260)得到EQE值。
具有较高玻璃化转变温度(Tg)或熔化温度(Tm)的丙烯酸酯单体的实例包括:丙烯酸山嵛酯(BEA,Tg=54℃);丙烯酸叔丁酯(TBA,Tg=43-107℃);丙烯酸二氢二环戊二烯基酯(DCPA,Tg=110℃);和丙烯酸硬脂酯(SA,Tm=41-49℃)。
具有较高玻璃化转变温度(Tg)或熔化温度(Tm)的甲基丙烯酸酯单体的实例包括:甲基丙烯酸山嵛酯(BEMA,Tm=44℃);甲基丙烯酸叔丁酯(TBMA,Tg=117℃);甲基丙烯酸环己酯(CHMA,Tg=105℃);和甲基丙烯酸甲酯(MMA,Tg=105℃)。
表1.用于比较丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯内部相与YR011系、YR301系、和CN104系外部相而制备的树脂。
注:样品281C和282A是相同的。
表2.由在表1中列出的树脂制备的膜的光学性能。膜约100μm厚并且在i-Component 125μm阻隔膜之间涂布。除了进行15秒的298A之外,固化在汞灯下进行30秒。
(样品281C和282A示出了样品与样品的差异)
对于具有0.36重量%IRG819的YR011外部相来说,发现由于在BLU上的阻隔膜层压的样品中观察到的水分和/或氧降解,仅IBOA的内部相得到最小的边缘进入。之前发现,将YR011中的IRG819的浓度增加至1重量%明显地增加了(LMA/TMPTMA)/YR011树脂的稳定性。据认为,其主要原因是,向外部相中扩散的LMA/TMPTMA的固化在这种较高的引发剂浓度下明显增加。一种新型、较廉价、丙烯酸酯官能化的二氧化硅纳米粒子树脂(YR301)还进行了在282B中在较高光引发剂浓度下的IBOA内部相的测试。在这种样品上的边缘进入明显小于其他样品。要指出的是,与LMA/TMPTMA相比,IBOA/(YR301或YR011)显示出明显更好的乳液稳定性,表明更高极性的IBOA更大程度地扩散并且与外部相相互作用更大。与LA或LMA系内部相相比的IBOA样品的增加的稳定性意味着使用快速固化、高Tg内部相在维持气体阻隔性能方面可能是至关重要的。通常,丙烯酸酯比甲基丙烯酸酯优选,原因在于其针对可以使用的自由基聚合反应的较高的增长速率常数。
具有丙烯酸酯官能化的二氧化硅纳米粒子树脂的所有以上样品并非都在光试验(106/60/90)中显示出适当的稳定性。尽管对于具有1重量%IRG819(282B)的IBOA/YR301来说在阻隔膜层压的样品中的边缘进入在120小时之后基本上是零,但是稳定性的下降比281C更显著。在282B中的较高的引发剂浓度可能导致膜在光试验期间的漂白。图1和图2示出了稳定性的差异。据思考认为,在282B中的内部相和外部相的混合可能不是有效的(通过由282B树脂制备的膜的光学显微术观察到不完全相分离)并且可能是观察到的稳定性的下降的原因(参见下文解释)。
将这些样品中的两个在90%湿度下进行暗试验(0/60/90)并且在图3和4(使用不同的量子点)中示出了LMA/TMPTMA和IBOA内部相之间的稳定性的差异。
对于CN104C80外部相(298)来说,在固化15和30秒之间没有观察到差异。在图5和图6中示出了光和暗稳定性试验的结果。
测试了大量的外部相和内部相。实例包括三个外部相和三个内部相,因为它们最佳地示出了体系的稳定性。使用在2.40mg/g的浓度下的发红光的量子点来制备在i-Components Co.的50μm阻隔膜之间的50μm厚度的膜。
外部相实例:
1.CN104E70C5外部相(69.3重量%CN104;24.75重量%甲基丙烯酸2-羟乙酯(HEMA);4.95重量%丙烯酸2-羟乙酯(HEA);125ppm 4-羟基-TEMPO抑制剂;1重量%IRG 819)。
2.YR301外部相(99.0重量%YR301;1.0重量%IRG819;125ppm 4-羟基-TEMPO抑制剂)。
3.SR833S外部相(99.0重量%SR833S;1.0重量%IRG819;125ppm 4-羟基-TEMPO抑制剂)。
内部相制备和与以上外部相混合的实例:
1.将在甲苯中的发红光的、无重金属半导体纳米粒子(PL=633nm,FWHM=57nm,QY=78%)在高真空下干燥并且通过搅拌过夜以23.8mg/g的浓度再分散在IBOA中。将浓缩的量子点溶液用IBOA进一步稀释并且以0.3重量%的浓度加入IRG819以提供11.9mg/g的最终浓度。将该内部相(20重量%)在500rpm下与外部相混合10分钟以提供2.4mg/g的发红光的量子点浓度。
2.将在甲苯中的发红光的、无重金属半导体纳米粒子在高真空下干燥并且通过搅拌过夜以23.8mg/g的浓度再分散在IBOA中。将浓缩的量子点溶液用IBOA进一步稀释并且在40℃下与Cithrol DPHS(在内部相中2.5重量%的最终浓度)混合1小时。在冷却之后,将IRG819以0.3重量%的浓度加入以提供11.9mg/g的最终浓度。将该内部相(20重量%)在500rpm下与外部相混合10分钟以提供2.4mg/g的发红光的量子点浓度。
3.将在甲苯中的发红光的、无重金属半导体纳米粒子在高真空下干燥并且通过搅拌过夜以23.8mg/g的浓度再分散在IBOA中。将浓缩的量子点溶液用IBOA和TMPTA(5重量%的内部相)进一步稀释并且以0.3重量%的浓度加入IRG819以提供11.9mg/g的最终浓度。将该内部相(20重量%)在500rpm下与外部相混合10分钟以提供2.4mg/g的发红光的量子点浓度。
CN 104E70C5系树脂(双酚A环氧二丙烯酸酯低聚物、甲基丙烯酸2-羟甲酯和丙烯 酸2-羟乙酯的共混物)
所制备的树脂在表3中列出。
表3.由CN104E70C5和IBOA系内部相(IP)制备的树脂和膜的光学性能。在再混合之后第0天、第5天和第14天由相同的树脂制备膜。通过在背光单元上暴露16小时将第0天和第14天的膜光增亮(photo-brightened,PB)。
树脂(除样品B外)的贮存寿命良好,并且在涂布时得到透明膜。当使用Cithrol时观察到最小的红移降低,表明Cithrol仅略微提高量子点在IBOA中的分散。膜的显微镜图像都显示出在外部相中分散的清晰内部区域。
所有样品都展现出差的暗稳定性(0/60/RH)并且具有TMPTA(383C)的样品针对光稳定性(106/60/90)具有稍长的寿命。显然,这种CN104系树脂(对于标准CN104/IPM系树脂来说也是同样的情况)对于半导体纳米粒子来说在暗试验中是较不稳定的。据思考认为,其组分(例如HEMA)的高极性允许水渗透至膜中。用水溶性较低的组分改进外部相可以提高稳定性。图7和8示出了383C的稳定性。
YR301系树脂(丙烯酸酯官能化的二氧化硅纳米粒子树脂)
所制备的树脂在表4中列出。
表4.由YR301和IBOA系内部相制备的树脂和膜的光学性能。在再混合之后第0天、第5天和第14天由相同的树脂制备膜。将第0天和第14天的膜光增亮(PB)。
树脂的贮存寿命良好,并且在涂布时得到透明膜。对于YR301来说吸光度略高于CN104E70C5。在显微镜图像中,可以看到清晰的内部区域,例外是其中相分离不再清晰的含有Cithrol DPHS的样品。
在图9-13中给出了稳定性曲线。对于暗稳定性试验来说,针对仅IBOA的内部相观察到优异的稳定性,尤其是在前500小时期间,并且QD峰曲线与LED峰强度曲线密切匹配。Cithrol DPHS的加入具有负面影响,在早期阶段中的两条线之间具有较大偏差。由于蜡状非固化材料的加入,这预期将会引起外部相的软化。可能由于极性TMPTA向外部相中的扩散,TMPTA的加入还导致稍大的偏差。
对于光稳定性曲线来说,样品383I和383J在500小时之后稳定,但是含Cithrol样品经过500小时后仍然更稳定。据信在383I中混合比在282B中好(仅有的区别是使用绿色量子点并且最终树脂在混合之后是较低程度的液态),在内部相和外部相之间得到清晰的相分离。这可以得到更好的气体阻隔树脂并且保护内部相免受外部相中的高引发剂浓度影响,因此提供好得多的初始稳定性。
通常,在暗稳定性方面,将YR301与快速固化、高Tg内部相一起使用是优选的。
SR833S系树脂(三环癸烷二甲醇二丙烯酸酯树脂)
所制备的树脂在表5中列出。
表5.由SR833S和IBOA系内部相制备的树脂和膜的光学性能。在再混合之后第0天、第5天和第14天由相同的树脂制备膜。将第0天和第14天的膜光增亮(PB)。
树脂的贮存寿命良好,并且在涂布时得到透明膜。在显微镜图像中,可以看到内部区域(与CN104E70C5和YR301相比,较不清晰),例外是其中相分离不再清晰的含有Cithrol DPHS的样品。不同于CN104E70C5和YR301的情况,观察到在使用Cithrol的情况下红移明显较少。
在图14-18中给出了稳定性曲线。在暗试验中,与YR301系膜相比,SR833S系膜较不稳定。类似地,Cithrol DPHS的加入具有略微的负面影响,在QD和峰强度线之间具有较大偏差。然而,与大多数可用的体系相比,如通过峰强度随时间的水平化看到的,这些样品仍然相对稳定。
对于光稳定性曲线来说,样品383F和383G在500小时之后稳定,并且含有Cithrol DPHS的样品显示出更好的稳定性,尤其是在1000小时之后。在其中内部相和外部相极性接近的这种树脂中,Cithrol可以帮助保护量子点免受外部相中的高引发剂浓度影响。
快速固化、高Tg内部相提高了两相树脂的稳定性。可能由于在外部相中未固化软材料的减少,这样的膜展现出良好的暗试验稳定性。当在内部相和外部相(例如IBOA/YR301)之间存在良好的相分离时,观察到光稳定性良好。当内部相和外部相彼此极性较接近(例如IBOA/SR833S)时,添加剂如Cithrol可能是有益的。
本发明的优点包括:
1.上述树脂体系是可商业规模化的。
2.这些树脂对于在i-Components Co.阻隔膜之间的50微米发红光QD膜展现出非常良好的稳定性(在光条件和暗条件二者下)。
3.树脂的乳液稳定性和贮存寿命良好。
前面给出了实施本发明的原理的体系的具体实施方案。本领域技术人员将能够设计即使未在本文中明确公开也能实施那些原理并且因此在本发明的范围内的备选方案和变化。尽管已经示出并且描述了本发明的具体实施方案,但是它们并非意在限制本专利涵盖的内容。本领域技术人员将会理解,可以在不背离如由以下权利要求在文字上和等价地涵盖的本发明的范围的情况下进行多种改变和修改。