聚乙烯醇_PVA_偏光膜的制備及性能研究

1、材料研究文章編號:100321545(2004022*聚乙烯醇(PVA 偏光膜的制備及性能研究左亞曼,邱萬奇,劉正義,龔建勛(華南理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,廣東廣州510640摘要:本文采用流延法制備出聚乙烯醇偏光膜,并用紫外可見分光光度儀分別對含碘及含碘、鎳、鈷的2種偏光膜的光學(xué)性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,偏光膜中加入鎳、鈷后,偏光膜的單片透光率增加,單片偏光系數(shù)及組合偏光率增加;垂直組合時,泄漏光的波峰值左移。關(guān)鍵詞:偏光膜;聚乙烯醇;偏光率中圖分類號:TQ325.9文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A收稿日期:2003210231基金項目:廣東省科技攻關(guān)計劃項目1022B26650;廣東省自然科學(xué)基金重點項目116

2、2B65130。作者簡介:左亞曼,女,1978年生,華南理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士生。偏光膜是液晶顯示器三大材料之一,由美國Polaroid 公司創(chuàng)始人Edwin H.Land 于20世紀(jì)30年代發(fā)明。在當(dāng)今信息社會時代,液晶顯示器已成為電子設(shè)備的主要顯示器件之一,市場需求很大。從已發(fā)表文獻(xiàn)的數(shù)量上看,液晶顯示器的其它2種主要材料透明導(dǎo)電膜玻璃和液晶都有眾多的研究,然而有關(guān)偏光膜的文獻(xiàn)卻很少。本文采用流延法制備聚乙烯醇(PVA 偏光膜,并對其光學(xué)性能進(jìn)行研究。1試驗1.1試驗用偏光膜的制備1.1.1采用流延法制備聚乙烯醇基膜。具體步驟為:將2.5g 聚合度為1750的聚乙烯醇在80溶解在40ml

3、 水中,冷卻后倒在平板玻璃上,在室溫下干燥,得到聚乙烯醇基膜,厚度約55m 。1.1.2為使基膜具有偏光效應(yīng),使基膜在拉伸條件下染色,同時觀察I 、Ni 、Co 等元素對偏光膜光學(xué)性能的影響,本試驗配制以下4種偏光劑染色液:(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將基膜裝卡在拉伸裝

4、置上,連同拉伸裝置一起浸入50的溶液(1中,碘分子迅速擴(kuò)散到基膜上,基膜顏色變深,直到成為藍(lán)黑色,然后加力將基膜拉伸至原長的5.5倍左右,然后從溶液中取出,不卸載,在空氣中干燥后再放松拉力,得到偏光膜1。1.1.4將基膜連同拉伸裝置一起依次在(2、(3溶液中浸泡,基膜顏色變深,成為藍(lán)黑色,然后浸入50的溶液(4并拉伸至原長的5.5倍左右,在空氣中干燥后再卸去拉力,得到偏光膜2。該偏光膜在浸液過程中有Ni 、Co 、I 等元素一起進(jìn)入聚乙烯醇分子中。1.2偏光膜光學(xué)性能試驗首先,我們將光視為電磁波,并且為了簡化易懂,我們只考慮其電場向量E 。如果把入射的自然光中每一個電場向量分解成相互垂直的2個

5、分量,由于自然光的電場向量在02范圍內(nèi)是均勻分布的,所以它們在2個方向上之和應(yīng)該相等,且其光強(qiáng)度也相等。偏光膜有個特殊性質(zhì),就是只允許在某一方向的振動光波通過,而其他方向振動的光將被全部或部分阻擋。圖1中a 、b 和c 分別表示自然光的電場向量,分解后的2個相互垂直的直線偏振光的電場向量及透過偏光膜后的直線偏振光的電場向量。由此可知,一個理想的偏光膜的透光率應(yīng)該等于50%,但是實際的透光率總小于這個數(shù)值,這是因為任何偏光膜的表面和內(nèi)部總有反射和吸收,引起入射光能量損耗1。 a 自然光b 分解后相互垂直的直線偏振光c 直線偏振光圖1自然光經(jīng)過偏光膜后狀態(tài)的變化 用美國熱電公司生產(chǎn)的UN ICAM

6、 UV540紫外可見分光光度儀研究偏光膜的光學(xué)性能。分別測量平行、垂直于拉伸軸方向的偏光膜單片透過率和將2片偏光膜平行組合和垂直組合的透過率。通過公式(1和(2來計算偏光膜的單片偏光系數(shù)及組合偏光率2,3。P =(T +T 2-4T T +T (1P =(T -T /(T +T (2式中:P :單片偏光膜偏光系數(shù);P :兩片偏光膜組合偏光率;T :平行于拉伸軸方向的偏光膜單片透光率;T :垂直于拉伸軸方向的偏光膜單片透光率;T :兩片偏光膜平行組合透光率;T :兩片偏光膜垂直組合透光率。2結(jié)果與討論 圖2中偏光膜1曲線是將偏光膜1平行于拉伸軸方向放入分光光度儀內(nèi),使入射光垂直照射其表面測得的單

7、片透光率曲線。可見,不同的波長對應(yīng)不同的透光率,曲線似山脈狀。在波長400600nm 之間透光率較高,平均達(dá)到50%;在500nm 處是最大值,透光率超過53%;而在620680nm 波段透過率較低。圖2中偏光膜2曲線是偏光膜2在上述條件下測得的單片透光率曲線,曲線形狀和圖2中偏光膜1曲線類似,但在390460nm 波段較平坦,在400nm 附近沒有峰值出現(xiàn),在500nm 和580nm 處的峰值最高,在620680nm 波段透光率也超過了50%。圖2平行于拉伸軸方向單片偏光膜透光率曲線圖3是偏光膜1和偏光膜2垂直于拉伸軸方向放入分光光度儀內(nèi)所測得的單片透光率曲線。在圖3偏光膜1曲線中,400n

8、m 左右峰值最高,而隨著波長的增加呈衰減趨勢。圖3偏光膜2曲線的曲線形狀同圖3偏光膜1曲線類似,但是峰值比圖3偏光膜1曲線的峰值小,同時曲線的最大值左移,由400nm 移至380nm 。圖3垂直于拉伸軸方向單片偏光膜透光率曲線圖4是分別將兩片偏光膜1和2片偏光膜2平行于拉伸軸方向疊加組合,放入分光光度儀內(nèi)測得的透光率曲線。圖4偏光膜1曲線中,500nm 為最大值,400nm 附近也存在一個峰值,而在620680nm 波段透過率較低。從圖4偏光膜2曲線中可看出,在350700nm 波段上透過率峰值下降,400nm 處沒有峰值 。圖4兩片平行組合偏光膜透光率曲線圖5偏光膜1曲線為取2片偏光膜1,一

9、片平行于拉伸軸方向,另一片垂直于拉伸軸方向,疊加組合放入分光光度儀內(nèi),使入射光線連續(xù)通過組合偏光膜時測得的透過率曲線。圖5偏光膜2曲線是同樣方法測得組合的偏光膜2的透光率曲線。在圖5偏光膜1曲線中,400nm 出現(xiàn)明顯峰值。大于400nm ,透過率急速下降,在550nm 以上波段為一恒定值,約0.5%。從圖5偏光膜2曲線上看,曲線形狀與圖5偏光膜1曲線相似,只是最大值降低,同時峰值左移,由原來的400nm 移至385nm 處。550nm 以上波段的透過率幾乎為零。圖5兩片垂直組合偏光膜透光率曲線從圖2曲線上還可以看出,在比較寬的波段透光率都超過50%,這是由于聚乙烯醇的分子在被拉伸時按拉伸方向

10、排列,有強(qiáng)烈的取向,透光率是由碘(二色性染料的染色量來決定的。染色量少,透光率就升高,而偏光率下降4。從內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)上看,拉伸之前的聚乙烯醇分子呈卷曲雜亂排列,拉伸之后變?yōu)榘蠢旆较驅(qū)⒕砬姆肿永帽容^直,并平行排列起來,從而形成碘鏈,其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)如圖6所示。碘中所含的傳導(dǎo)電子可以沿鏈運動。當(dāng)光束經(jīng)過偏光膜時,入射光波中平行于碘鏈的分量驅(qū)動電子,對電子作功,因而被強(qiáng)烈吸收,而垂直于碘鏈的分量則可完全透過,即使有減弱,減弱程度也不大1,而碘對各波段的可見光具有選擇吸收,這就造成在某些波段的透光率高,而在有的波段透光率低。圖2偏光膜1曲線中,在450nm 波長,其透光率低于500nm 處,是由于

11、碘吸收450nm 光波強(qiáng)于500nm 光波的緣故。在圖2偏光膜2曲線中,390nm 以上波段的透過率均超過了理論值(50%,這是由于在偏光膜2中加入了NiSO 4和CoSO 4,在浸液過程中Ni 元素、Co 元素同碘一起進(jìn)入聚乙烯醇分子中,拉伸之后的碘鏈中含有Ni 元素和Co 元素,致使碘鏈不連續(xù),減弱了碘鏈吸收光波的作用,使入射光波中平行于碘鏈的分量部分地透過 。圖6溶液中PVA 2I 2H 3BO 3絡(luò)合物結(jié)構(gòu)模型表1是偏光膜1和偏光膜2光學(xué)性能的比較。從表中可以看出偏光膜2具有較高的透光率,單片和2片組合的偏光率也較高。這主要是由于偏光膜2中含有Ni 離子和Co 離子,使定向排列的碘處于

12、穩(wěn)定狀態(tài),穩(wěn)定了PVA 2I 絡(luò)合物,因而有較好的性能2。表1偏光膜1、2光學(xué)性能比較%單片透光率單片偏光系數(shù)組合偏光率偏光膜149.58384.69688.480偏光膜253.61289.06689.7273結(jié)論本試驗對比了2種工藝制作的偏光膜的光學(xué)性能,一種是只加入碘的偏光膜,另一種是在制作過程中除了加碘外,同時加入鎳、鈷元素的偏光(下轉(zhuǎn)第12頁3第19卷第2期左亞曼等:聚乙烯醇(PVA 偏光膜的制備及性能研究C 的乘積3:Z =C (2在本研究中,假設(shè)介質(zhì)1為水,介質(zhì)2為空氣,則根據(jù)文獻(xiàn)3中的數(shù)據(jù)并計算可得:Z 1=1C 1=1.499106kg m -2s -1(3Z 2=2C 2=3

13、.550102kg m -2s-1(4代入式(1計算可得理論反射系數(shù)為0.9995,接近于1。而根據(jù)表5結(jié)果,在220kHz 的頻率范圍內(nèi),該材料的聲壓反射系數(shù)均在0.85以上,最大值為0.95,具有較好的反聲性能,但距理論計算值0.9995仍有一定的差距。經(jīng)分析,可能有如下原因:(1由于鋼管形狀所限,空氣層不能布滿整個材料的聲入射面,因此有部分聲波直接經(jīng)橡膠透射過去,從而降低了聲壓反射系數(shù);(2在本研究中,空氣層并未直接與水層接觸,中間還隔有橡膠層及鋼管管壁,因此有一定的聲能損失。如果能改進(jìn)材料的工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計,采取盡可能的增大空氣層所占聲入射面的比例等措施,有可能進(jìn)一步提高材料的聲壓反射系數(shù)

14、。這方面還有待做進(jìn)一步的工作。3結(jié)論(1該復(fù)合材料是一種有效的水聲反聲材料。(2該反聲材料在常壓下220kHz 的頻率范圍內(nèi)均具有0.85以上的聲壓反射系數(shù),具有一定的應(yīng)用價值。參考文獻(xiàn):1繆榮興,宮繼祥.水聲無源材料技術(shù)概要M .杭州:浙江大學(xué)出版社,1995.24.2顧金海,葉學(xué)千.水聲學(xué)基礎(chǔ)M .北京:國防工業(yè)出版社,1981.26.3王榮津.水聲材料手冊M .北京:科學(xué)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頁膜。試驗結(jié)果表明,制備過程中加入鎳、鈷元素,偏光膜的垂

17、直于拉伸軸單片透光率曲線及2片垂直組合透光率曲線的波峰值降低、左移。且加入鎳、鈷元素后,偏光膜的單片透光率、單片偏光系數(shù)及組合偏光率增加。參考文獻(xiàn):1龍槐生,等.光的偏振及其應(yīng)用M .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1989.2張公正,等.改性聚乙烯醇偏光膜的制備及性能研究J .功能材料,1995,26(1:8286.3范志新.液晶器件工藝基礎(chǔ)M .北京:北京郵電大學(xué)出版社,2000.4堀浩雄,鈴木幸治,金軫裕.彩色液晶顯示M .北京:科學(xué)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