1、 材料研究文章編號 :100321545(2004 0220001203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 , 、 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 , 、 , , 單片偏光系數(shù)及組 合偏光率增加 ; 關(guān)鍵詞 :; 中圖分類號 :9 :A收稿日期 :2003210231基金項(xiàng)目 :廣東省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目 1022B26650; 廣東省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目 1162B65130。 作者簡介 :左亞曼 , 女 ,1978年

2、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(shí)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(yàn)1. 1 試驗(yàn)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

3、合度為 1750的聚乙烯醇在 80溶解在 40ml 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(shí)觀察 I 、 Ni 、 Co 等元素對偏光膜光 學(xué)性能的影響 , 本試驗(yàn)配制以下 4種偏光劑染色 液 :(1 I 2(1g +H 3BO 3(5g +H 2O (300ml ;(2 I 2(1g +H 3BO 3(5g +KI (10g +H 2O (300ml ;(3 ZnCl 2(4g +H 3BO 3(5g +KI (8g +H 2O (4 NiSO 4(1g +Co

4、SO 4(1g +H 3BO 3(3g +H 2O (300ml ;1. 1. 3 將基膜裝卡在拉伸裝置上 , 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

5、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(yàn)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(gè)電場向量分解成相互垂直的 2個(gè)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(gè)方向上之和應(yīng)該相等 , 且其光強(qiáng)度也相等 。偏光膜有個(gè)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(gè)相互垂直的直線偏振光的電場向量及透過偏光膜后 的直

6、線偏振光的電場向量 。由此可知 , 一個(gè)理想1 第 19卷第 2期 材 料 開 發(fā) 與 應(yīng) 用 的偏光膜的透光率應(yīng)該等于 50%, 但是實(shí)際的透光率總小于這個(gè)數(shù)值 , 這是因?yàn)槿魏纹饽さ谋?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 。分別 測量平行 、 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(jì)算偏光膜的單片偏光 系數(shù)及組合偏光率 2,3。P = 2T +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

7、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 其表面測得的單片透光率曲線 ?？梢?, 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 390460n

8、m 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 ,400nm 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(shí)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

9、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(gè)峰值 , 而在 620680nm 波段透過率較低 。從圖 4偏光膜 2 材 料 開 發(fā) 與 應(yīng) 用 2004年 4月 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 圖 5偏光膜 1曲線為取 2片偏光膜 1, 一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(shí)

10、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(shí)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(shí)按拉伸方向排列

11、, 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?得比較直 , 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(yùn)動 。當(dāng)光束經(jīng)過偏光膜時(shí) , 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

12、 , 2偏光膜 1曲 , 在 500nm 處 , 是 光波的緣故 。 ,390nm 以上波段的透過 (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

13、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(yàn)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(shí)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 =

14、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(jì)算可得 :Z 1=1C 1=1. 499×106kg m -2 s -1 (3 Z 2=2C 2=3. 550×102kg m -2 s-1(4 代入式 (1 計(jì)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) , , 最大值為 0. 95, 計(jì)算值 0. , 可能有 如下原因 :(1 , 空氣層不能布 滿整個(gè)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

15、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(jì) , 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) 。這方面還有待 做進(jìn)一步的工作 。3 結(jié)論(1。 220kHz 的頻率范0. 85以上的聲壓反射系數(shù) , 具有一定 的應(yīng)用價(jià)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

16、 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 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 pres

17、sure reflection coef 2ficient of the material is always upwards of 0. 85when the sound frequency ranges from 2to 20kHz 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 rubbe

18、r ; S ound pressure transmission coefficient ; S ound pres 2sure reflection coefficient (上接第 3頁 膜 。 試驗(yàn)結(jié)果表明 , 制備過程中加入鎳 、 鈷元素 ,偏光膜的垂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 2qi , L IU Zheng 2yi , GON G Jian 2x un(Department of Mechani