聚乙烯醇_PVA_偏光膜的制备及性能研究

1、材料研究文章编号:100321545(2004022*聚乙烯醇(PVA 偏光膜的制备及性能研究左亚曼,邱万奇,刘正义,龚建勋(华南理工大学机械工程学院,广东广州510640摘要:本文采用流延法制备出聚乙烯醇偏光膜,并用紫外可见分光光度仪分别对含碘及含碘、镍、钴的2种偏光膜的光学性能进行了研究。结果表明,偏光膜中加入镍、钴后,偏光膜的单片透光率增加,单片偏光系数及组合偏光率增加;垂直组合时,泄漏光的波峰值左移。关键词:偏光膜;聚乙烯醇;偏光率中图分类号:TQ325.9文献标识码:A收稿日期:2003210231基金项目:广东省科技攻关计划项目1022B26650;广东省自然科学基金重点项目116

2、2B65130。作者简介:左亚曼,女,1978年生,华南理工大学机械工程学院硕士生。偏光膜是液晶显示器三大材料之一,由美国Polaroid 公司创始人Edwin H.Land 于20世纪30年代发明。在当今信息社会时代,液晶显示器已成为电子设备的主要显示器件之一,市场需求很大。从已发表文献的数量上看,液晶显示器的其它2种主要材料透明导电膜玻璃和液晶都有众多的研究,然而有关偏光膜的文献却很少。本文采用流延法制备聚乙烯醇(PVA 偏光膜,并对其光学性能进行研究。1试验1.1试验用偏光膜的制备1.1.1采用流延法制备聚乙烯醇基膜。具体步骤为:将2.5g 聚合度为1750的聚乙烯醇在80溶解在40ml

3、 水中,冷却后倒在平板玻璃上,在室温下干燥,得到聚乙烯醇基膜,厚度约55m 。1.1.2为使基膜具有偏光效应,使基膜在拉伸条件下染色,同时观察I 、Ni 、Co 等元素对偏光膜光学性能的影响,本试验配制以下4种偏光剂染色液:(1I 2(1g +H 3BO 3(5g +H 2O (300ml ;(2I 2(1g +H 3BO 3(5g +KI (10g +H 2O (300ml ;(3ZnCl 2(4g +H 3BO 3(5g +KI (8g +H 2O (300ml ;(4NiSO 4(1g +CoSO 4(1g +H 3BO 3(3g +H 2O (300ml ;1.1.3将基膜装卡在拉伸装

4、置上,连同拉伸装置一起浸入50的溶液(1中,碘分子迅速扩散到基膜上,基膜颜色变深,直到成为蓝黑色,然后加力将基膜拉伸至原长的5.5倍左右,然后从溶液中取出,不卸载,在空气中干燥后再放松拉力,得到偏光膜1。1.1.4将基膜连同拉伸装置一起依次在(2、(3溶液中浸泡,基膜颜色变深,成为蓝黑色,然后浸入50的溶液(4并拉伸至原长的5.5倍左右,在空气中干燥后再卸去拉力,得到偏光膜2。该偏光膜在浸液过程中有Ni 、Co 、I 等元素一起进入聚乙烯醇分子中。1.2偏光膜光学性能试验首先,我们将光视为电磁波,并且为了简化易懂,我们只考虑其电场向量E 。如果把入射的自然光中每一个电场向量分解成相互垂直的2个

5、分量,由于自然光的电场向量在02范围内是均匀分布的,所以它们在2个方向上之和应该相等,且其光强度也相等。偏光膜有个特殊性质,就是只允许在某一方向的振动光波通过,而其他方向振动的光将被全部或部分阻挡。图1中a 、b 和c 分别表示自然光的电场向量,分解后的2个相互垂直的直线偏振光的电场向量及透过偏光膜后的直线偏振光的电场向量。由此可知,一个理想的偏光膜的透光率应该等于50%,但是实际的透光率总小于这个数值,这是因为任何偏光膜的表面和内部总有反射和吸收,引起入射光能量损耗1。 a 自然光b 分解后相互垂直的直线偏振光c 直线偏振光图1自然光经过偏光膜后状态的变化 用美国热电公司生产的UN ICAM

6、 UV540紫外可见分光光度仪研究偏光膜的光学性能。分别测量平行、垂直于拉伸轴方向的偏光膜单片透过率和将2片偏光膜平行组合和垂直组合的透过率。通过公式(1和(2来计算偏光膜的单片偏光系数及组合偏光率2,3。P =(T +T 2-4T T +T (1P =(T -T /(T +T (2式中:P :单片偏光膜偏光系数;P :两片偏光膜组合偏光率;T :平行于拉伸轴方向的偏光膜单片透光率;T :垂直于拉伸轴方向的偏光膜单片透光率;T :两片偏光膜平行组合透光率;T :两片偏光膜垂直组合透光率。2结果与讨论 图2中偏光膜1曲线是将偏光膜1平行于拉伸轴方向放入分光光度仪内,使入射光垂直照射其表面测得的单

7、片透光率曲线。可见,不同的波长对应不同的透光率,曲线似山脉状。在波长400600nm 之间透光率较高,平均达到50%;在500nm 处是最大值,透光率超过53%;而在620680nm 波段透过率较低。图2中偏光膜2曲线是偏光膜2在上述条件下测得的单片透光率曲线,曲线形状和图2中偏光膜1曲线类似,但在390460nm 波段较平坦,在400nm 附近没有峰值出现,在500nm 和580nm 处的峰值最高,在620680nm 波段透光率也超过了50%。图2平行于拉伸轴方向单片偏光膜透光率曲线图3是偏光膜1和偏光膜2垂直于拉伸轴方向放入分光光度仪内所测得的单片透光率曲线。在图3偏光膜1曲线中,400n

8、m 左右峰值最高,而随着波长的增加呈衰减趋势。图3偏光膜2曲线的曲线形状同图3偏光膜1曲线类似,但是峰值比图3偏光膜1曲线的峰值小,同时曲线的最大值左移,由400nm 移至380nm 。图3垂直于拉伸轴方向单片偏光膜透光率曲线图4是分别将两片偏光膜1和2片偏光膜2平行于拉伸轴方向叠加组合,放入分光光度仪内测得的透光率曲线。图4偏光膜1曲线中,500nm 为最大值,400nm 附近也存在一个峰值,而在620680nm 波段透过率较低。从图4偏光膜2曲线中可看出,在350700nm 波段上透过率峰值下降,400nm 处没有峰值 。图4两片平行组合偏光膜透光率曲线图5偏光膜1曲线为取2片偏光膜1,一

9、片平行于拉伸轴方向,另一片垂直于拉伸轴方向,叠加组合放入分光光度仪内,使入射光线连续通过组合偏光膜时测得的透过率曲线。图5偏光膜2曲线是同样方法测得组合的偏光膜2的透光率曲线。在图5偏光膜1曲线中,400nm 出现明显峰值。大于400nm ,透过率急速下降,在550nm 以上波段为一恒定值,约0.5%。从图5偏光膜2曲线上看,曲线形状与图5偏光膜1曲线相似,只是最大值降低,同时峰值左移,由原来的400nm 移至385nm 处。550nm 以上波段的透过率几乎为零。图5两片垂直组合偏光膜透光率曲线从图2曲线上还可以看出,在比较宽的波段透光率都超过50%,这是由于聚乙烯醇的分子在被拉伸时按拉伸方向

10、排列,有强烈的取向,透光率是由碘(二色性染料的染色量来决定的。染色量少,透光率就升高,而偏光率下降4。从内部分子结构上看,拉伸之前的聚乙烯醇分子呈卷曲杂乱排列,拉伸之后变为按拉伸方向将卷曲的分子拉得比较直,并平行排列起来,从而形成碘链,其内部分子结构如图6所示。碘中所含的传导电子可以沿链运动。当光束经过偏光膜时,入射光波中平行于碘链的分量驱动电子,对电子作功,因而被强烈吸收,而垂直于碘链的分量则可完全透过,即使有减弱,减弱程度也不大1,而碘对各波段的可见光具有选择吸收,这就造成在某些波段的透光率高,而在有的波段透光率低。图2偏光膜1曲线中,在450nm 波长,其透光率低于500nm 处,是由于

11、碘吸收450nm 光波强于500nm 光波的缘故。在图2偏光膜2曲线中,390nm 以上波段的透过率均超过了理论值(50%,这是由于在偏光膜2中加入了NiSO 4和CoSO 4,在浸液过程中Ni 元素、Co 元素同碘一起进入聚乙烯醇分子中,拉伸之后的碘链中含有Ni 元素和Co 元素,致使碘链不连续,减弱了碘链吸收光波的作用,使入射光波中平行于碘链的分量部分地透过 。图6溶液中PVA 2I 2H 3BO 3络合物结构模型表1是偏光膜1和偏光膜2光学性能的比较。从表中可以看出偏光膜2具有较高的透光率,单片和2片组合的偏光率也较高。这主要是由于偏光膜2中含有Ni 离子和Co 离子,使定向排列的碘处于

12、稳定状态,稳定了PVA 2I 络合物,因而有较好的性能2。表1偏光膜1、2光学性能比较%单片透光率单片偏光系数组合偏光率偏光膜149.58384.69688.480偏光膜253.61289.06689.7273结论本试验对比了2种工艺制作的偏光膜的光学性能,一种是只加入碘的偏光膜,另一种是在制作过程中除了加碘外,同时加入镍、钴元素的偏光(下转第12页3第19卷第2期左亚曼等:聚乙烯醇(PVA 偏光膜的制备及性能研究C 的乘积3:Z =C (2在本研究中,假设介质1为水,介质2为空气,则根据文献3中的数据并计算可得:Z 1=1C 1=1.499106kg m -2s -1(3Z 2=2C 2=3

13、.550102kg m -2s-1(4代入式(1计算可得理论反射系数为0.9995,接近于1。而根据表5结果,在220kHz 的频率范围内,该材料的声压反射系数均在0.85以上,最大值为0.95,具有较好的反声性能,但距理论计算值0.9995仍有一定的差距。经分析,可能有如下原因:(1由于钢管形状所限,空气层不能布满整个材料的声入射面,因此有部分声波直接经橡胶透射过去,从而降低了声压反射系数;(2在本研究中,空气层并未直接与水层接触,中间还隔有橡胶层及钢管管壁,因此有一定的声能损失。如果能改进材料的工艺结构设计,采取尽可能的增大空气层所占声入射面的比例等措施,有可能进一步提高材料的声压反射系数

14、。这方面还有待做进一步的工作。3结论(1该复合材料是一种有效的水声反声材料。(2该反声材料在常压下220kHz 的频率范围内均具有0.85以上的声压反射系数,具有一定的应用价值。参考文献:1缪荣兴,宫继祥.水声无源材料技术概要M .杭州:浙江大学出版社,1995.24.2顾金海,叶学千.水声学基础M .北京:国防工业出版社,1981.26.3王荣津.水声材料手册M .北京:科学出版社,1983.1415,114,126127.Study on a N e w Kind of Marine Acoustic R eflecting MaterialCHEN L ei ,MA Y u 2pu ,L

15、 IN Xin 2z hi(Luoyang Ship Material Research Institute ,Luoyang 471039,China Abstract :A new kind of marine acoustic reflecting material is studied.The results show that the sound pressure reflection coef 2ficient of the material is always upwards of 0.85when the sound frequency ranges from 2to 20kH

16、z without additional hydraulic pressure.The material can be applied in certain aspects of marine acoustics.K eyw ords :Marine acoustic reflecting material ;S ound transmitting rubber ;S ound pressure transmission coefficient ;S ound pres 2sure reflection coefficient (上接第3页膜。试验结果表明,制备过程中加入镍、钴元素,偏光膜的垂

17、直于拉伸轴单片透光率曲线及2片垂直组合透光率曲线的波峰值降低、左移。且加入镍、钴元素后,偏光膜的单片透光率、单片偏光系数及组合偏光率增加。参考文献:1龙槐生,等.光的偏振及其应用M .北京:机械工业出版社,1989.2张公正,等.改性聚乙烯醇偏光膜的制备及性能研究J .功能材料,1995,26(1:8286.3范志新.液晶器件工艺基础M .北京:北京邮电大学出版社,2000.4堀浩雄,铃木幸治,金轸裕.彩色液晶显示M .北京:科学出版社,2003.Preparation and Evaluation on PVA Polarizing FilmZUO Ya 2m an ,Q IU W an 2

18、qi ,L IU Zheng 2yi ,GON G Jian 2x un(Department of Mechanical Engineering ,SCU T ,Guangzhou 510640,China Abstract :Polarizing films were prepared by means of flowing method.Optical properties of the polarizing films containing iodine element and containing iodine ,nickel and cobalt elements were studied by UV 2range spectrophotometer.The results confirm that polarizing fi