CN100386368C - 增强的本征偏光器 - Google Patents

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Abstract

一种由聚合物片制造增强本征偏光器的方法，所述聚合物片具有一初始长度，包含羟基化线性高分子聚合物。该方法包括将聚合物片拉伸到原长的5.0倍以上至约7.0倍；对聚合物片加入脱水催化剂；将聚合物片和催化剂加热到合适的温度，使聚合物片发生部分脱水，由此形成吸光性乙烯嵌段的片段。

Description

增强的本征偏光器
发明领域
本发明涉及基于分子定向聚乙烯醇片的合成二色性平面偏光器，特别涉及高效本征偏光片。
发明背景
通常，光波在通过光束轴线的无数平面上振动。如果光波只在一个平面上振动，就称该光为平面偏振光。平面偏振光具有许多光学用途和效应。例如，在制造电光器件，如液晶显示屏时，交叉偏光器可以与可寻址液晶中间层一起用来提供成像基础。在摄影领域，偏振滤光片已经用来减少眩光和镜面反射亮度。圆形或其他形状的偏振滤光片，也已用来减少显示器件屏幕的眩光。
线性光偏振膜之所以具有这样的性质，即有选择地使沿指定电磁辐射矢量方向振动的辐射通过，而吸收沿另一个指定电磁辐射矢量方向振动的电磁辐射，是因为透射膜介质具有各向异性特征。二色性偏光器是在吸收入射光方面具有矢量各向异性的吸收线性偏光器。这里所用术语“二色性”是指入射光束各组分的吸收和透射随各自振动方向而具有差异性。一般地，二色性偏光器沿一个电磁矢量方向透射辐射能，而沿垂直的电磁矢量方向吸收能量。一束入射光在进入二色性偏光器时碰到两个不同的吸收因数，一个高一个低，从而使出射光基本上沿低吸收(高透射)方向振动。
合成二色性偏光器的例子有本征偏光器，例如基于聚亚乙烯的偏光器，如K型偏光器。本征偏光器的二色性来自其基质的光吸收性质，而不是来自染料添加剂、着色剂或悬浮晶体材料的光吸收性质。一般地，本征偏光器包含定向聚乙烯醇片，所述聚乙烯片含有定向悬浮的聚乙烯醇脱水产物，即聚亚乙烯。这种本征偏光器是这样形成的，即在脱水催化剂，如盐酸蒸气的存在下加热聚合物片，产生共轭聚亚乙烯嵌段，然后在脱水之前或脱水过程中单向拉伸聚合物片，使聚乙烯醇基质单向排列。通过使聚乙烯醇基质成单向排列，共轭聚亚乙烯嵌段或发色团的跃迁矩也发生定向，材料就具有明显的二向色性。脱水步骤之后，可以采用第二个定向步骤或拉伸步骤，如美国专利5666223(Bennett等)所述。
发明概述
一般说来，本发明一方面涉及由聚合物片制造偏光器的方法，所述聚合物片具有一预定初始长度，包含羟基化线性高聚物。聚合物片拉伸到初始长度的5.0倍到约7.0倍。对聚合物片加入合适的脱水催化剂。将聚合物片和催化剂加热到合适的温度，使聚合物片发生部分脱水，由此形成吸光性乙烯嵌段的片段。
一般说来，本发明另一方面涉及由聚合物片制造偏光器的方法，所述聚合物片具有一预定初始长度，包含羟基化线性高聚物。聚合物片拉伸到初始长度的3.5倍到约7.0倍。对聚合物片加入合适的脱水催化剂。将聚合物片和催化剂加热到合适的温度，使聚合物片发生部分脱水，由此形成吸光性乙烯嵌段的片段。可在高于约80℃的温度对聚合物片进行硼酸化处理。聚合物片可在拉伸长度的基础上再拉伸0-70％。
本发明一个或多个实施方式的细节将在下面结合附图详加叙述。从以下叙述、附图和实施例以及权利要求中，可以更清楚地看到本发明的其他特征、目标和优点。
附图简述
图1所示为原有技术偏光片和根据本发明的一种实施方式制备的偏光片的吸光度-波长关系图；
图2所示为两个原有技术偏光片和根据本发明的一种实施方式制备的一个偏光片的吸光度-共轭长度关系图；
图3所示为原有技术交叉偏光器和根据本发明的一种实施方式制备的交叉偏光器的透光度-波长关系图；
图4所示为原有技术交叉偏光器和根据本发明的一种实施方式制备的交叉偏光器的吸光度-波长关系图；
图5所示为根据本发明实施方式制备的、分别包含和不含二色性黄色染料的偏光片的吸光度-波长关系图；
图6所示为根据本发明实施方式制备的、分别包含和不含二色性黄色染料的偏光片的光二色性比-波长关系图；
图7所示为根据本发明实施方式制备的、分别包含和不含二色性黄色染料的偏光片的透光率-波长关系图；
图8所示为根据本发明实施方式制备的、分别包含和不含蓝二色性染料的偏光片的吸光度-波长关系图；
图9所示为拉伸温度对初始拉伸长度为原长5倍的代表性样品的效应；
图10所示为硼酸化处理温度对初始拉伸长度为原长5倍的代表性样品的效应；
图11和图12所示为根据本发明实施方式制备的偏光片在硼酸化处理溶液中的光二色性比-停留时间的关系图；
图13所示为根据本发明实施方式制备的偏光片的最大光二色性比-硼酸化温度的关系图；
图14所示为根据本发明实施方式在各种操作参数下制备的偏光片的偏振效率-透光率关系图；
图15所示为根据本发明实施方式制备的两种聚合度不同的偏光片的偏振效率-透光率关系图；
图16所示为根据本发明实施方式制备的偏光片的二色性比-硼酸浓度关系图。
发明详述
本发明涉及增强本征偏光器及其制备方法，通过此方法提高了偏振性质。此偏光器包含聚乙烯醇/聚亚乙烯嵌段共聚物材料的分子定向片，所述聚亚乙烯嵌段由聚乙烯醇片通过分子脱水形成。聚乙烯醇/聚亚乙烯嵌段共聚物材料的分子定向片包含均匀分布的聚乙烯醇/聚亚乙烯嵌段共聚物材料的光偏振分子，其中聚亚乙烯嵌段中共轭重复亚乙烯单元的长度n可在2-25之间变化。光偏振分子的定向程度随着聚亚乙烯嵌段长度(n)的增加而增加。此外，由嵌段的光吸收确定的每个聚亚乙烯嵌段的浓度在上述长度范围内相对保持不变。分子定向程度与各个聚亚乙烯嵌段的浓度分布足以使聚合物片的光二色性比(RD)至少为75。
二色性比RD定义为：
RD＝Az/Ay，
其中，Az和Ay用偏振光通过吸收光谱法测定。
光吸收用UV/VIS分光光度计测定，样品束中放有例如一个偏光器。在测定光二色性比时，一束白光通过样品、高效检偏器、滤光器和光检测器。在测定光二色性比时，所用光束是波长与所研究的发色团的共轭长度对应的光束。在两种情况下，均考虑400-700nm之间的吸收光谱，膜样品的光轴平行于样品束(Az)中偏光器的光轴，然后旋转样品偏光器90度(Ay)。因此，可以测定该波长处的最大吸收，并由此计算RD。
生产本发明增强本征偏光器的方法涉及使用具有更高预拉伸度的聚合物片和更高的拉伸温度。额外的拉伸步骤可以采用，也可以不采用。此外，在可用的此延伸步骤之前、当中或之后，也可以采用更高的硼酸化处理温度。
增强本征偏光片的制造一般由羟基化线性高聚物的聚合片开始，该聚合片具有一初始长度，厚度一般在0.001英寸(0.025mm)-0.004英寸(0.102mm)之间。合适的拉伸设备或其他类似机械或系统可用来将聚合片预拉到其原长的约3.5-7.0倍，宜拉到原长的5.0倍以上至约7.0倍。拉伸步骤在高于聚合物材料的玻璃转变温度的温度下进行，宜高于300°F。使用发热元件、快辊和慢辊可以提高拉伸效果。例如，可利用两个辊之间的转速差异在辊间通过的聚合片区域产生相应的张力。当用发热元件加热聚合片时，拉伸操作就更容易进行，效果也更好。温度可以通过控制加热辊的温度或控制辐射能，如红外灯的辐射能来控制，如本领域所已知的。也可以组合采用几种温控方法。
膜可以纵向拉伸，如用纵向定位器，也可以用拉幅机横向拉伸，或者对角拉伸。由于定向乙烯醇聚合物的横向强度较弱，将定向膜浇注、层压或粘贴到基底，如支撑膜层、加热辊或载体带上比较好。当支撑层粘结或用其它方式固定到聚合物膜上时，它能为制品提供机械强度和支撑，使制品更容易运送乃至进一步加工。有用的定向方法在本领域已知，可参见美国专利5973834(Kadaba等人)、美国专利5666223(Bennett等人)和美国专利4895769(Land等人)。
但要明白，在单向定向时，用拉幅装置可使膜横向上收缩受到限制，这种限制会使膜产生较小的双向定向。如果需要，支撑层定向的方向可基本上与乙烯醇聚合物膜的定向方向呈横向。基本呈横向是指支撑层的定向方向与乙烯醇聚合物膜层的定向方向成±45°。这样定向的支撑层比未定向支撑层提供了更大的横向强度。
在实施中，支撑层可在粘贴到乙烯醇聚合物层上之前或之后进行定向。在一种实施方式中，乙烯醇聚合物可基本上单轴定向，然后粘结到定向支撑层上，使两层的定向方向基本上呈横向。在另一种实施方式中，支撑层可定向在第一方向，乙烯醇聚合物粘结或涂敷于其上，定向于第二方向的复合制品基本上与第一个定向方向呈横向。在此实施方式中，所得制品包含一个双向定向支撑层和一个基本上单向定向的乙烯醇聚合物层。
在粘结到可用的支撑层之前或之后，可对聚合物片进行脱水。脱水步骤可在拉伸步骤之前、之后或当中进行。聚合物片经过此步骤处理，其一部分“转化”为包含聚(乙烯-共-乙烯醇)嵌段共聚物的偏振分子。举例来说，这可以通过如下步骤实现：使定向片与合适的脱水催化剂，例如发烟酸蒸气接触，接着在可促进部分脱水的合适温度，通常高于125℃的温度加热聚合物片和催化剂。在一种实施方式中，聚合物片与发烟酸桶近距离保持约20秒至1分钟。酸雾起催化剂的作用，使定向片通过温度约为250-350°F的加热炉，时间约半分钟或更长，由此将定向片“转化”为所需的脱水产品聚乙烯。所需脱水程度可随所需对比度和膜的厚度变化，但通常有0.1-10％，宜为1-5％的羟基转化为乙烯基，即-CH2-CHOH-→-CH＝CH-。
本领域的技术人员不难理解，脱水步骤也可通过其他方法完成，例如在定向片上涂敷一种酸，然后加热，促进聚合物片的脱水。或者在定向片上涂敷酸供体层，在此酸供体层中溶解或分散有光酸发生剂或热酸发生剂，用辐射能辐照后，最初的酸扩散到相邻的乙烯醇聚合物基质中，促进乙烯醇聚合物部分脱水，形成共轭乙烯[聚(乙炔)]片段。辐射能可以是热能或紫外光能，具体取决于所用酸发生剂类型。
脱水加热步骤的温度和时间会影响最终偏光器的光学性质。只要不影响共聚物的形成及其偏振性质，操作参数可在相当大的范围内变化。应当理解，对于一给定光学性质，时间、温度和酸浓度之间存在一个平衡。例如，通过改变桶中酸的温度、聚合物片与酸雾的接触时间和/或靠近聚合物片的加热元件的温度，可以控制酸渗入聚合物片的程度。可用温度在90-175℃之间，时间在几秒至约5分钟之间。例如，在一指定温度下加热较长的时间可得到低透光率偏光器。在一给定加热时间，在较高温度下可得到较低的透光率。一般地，如果需要高透光率偏振器，在桶上方停留的时间宜较短，炉温宜较低。如果需要透光率较低的偏振器，则要用较高的加热温度。
然后可以让聚合物片进入第二个定向步骤即拉伸步骤，此时将定向偏光器在第一次拉伸的基础上再拉伸0％-约70％。也可对聚合物片进行硼酸化处理，即用硼酸和硼砂的水溶液处理定向片，加强驰豫和交联效果。此拉伸步骤可在将聚合物片置于硼酸化处理溶液中之前、当中或之后进行。例如，聚合物片可浸没在硼酸溶液中进行软化和/或膨胀(即驰豫)，随后取出，再拉伸。或者，聚合物片可在依然浸没在硼酸化溶液的时候拉伸。
硼酸化处理步骤可采用两个(或多个)浴槽。例如，用两个硼酸化浴槽处理时，第一个浴槽中可以是水，第二个浴槽中是提供硼酸离子的物质。或者，可以调换顺序，或者一个或两个浴槽中是不同浓度的一种含硼酸离子的物质和/或含硼酸离子的混合物质。拉伸步骤可在两个浴槽中的任何一个当中进行。
对聚合物片硼酸化处理时，硼酸化溶液通常包含硼酸和氢氧化钠或氢氧化钾，或者选自硼酸钠和硼酸钾的物质，宜为硼砂。用来处理定向偏光片的溶液中，硼酸和硼砂或其他硼酸盐的浓度并不重要。硼酸的浓度宜高于硼砂或其他硼酸盐的浓度，溶液宜包含0-7wt％硼砂，5-20wt％硼酸。优选浓度范围是约9-16wt％的硼酸和约0-3wt％的硼砂。
偏光片、膜或卷在溶液中浸泡约1-12分钟，宜保持在约80℃或更高的温度。硼酸化处理温度宜为约80-110℃。分子定向聚合物片可在各种条件下进行硼酸化处理。例如，硼酸化溶液的温度可以不同，在较高温度下可提高浓度。为完成聚合物片的快速“膨胀”和交联，可将溶液加热到至少80℃。
可在聚合物片中额外加入一种或多种二色性染料，用以中和某些二色性偏光器中所谓的“蓝光泄漏”和/或“红光泄漏”。可以采用任意二色性染料。合适的染料有二重氮、三重氮或多重氮染料，或者其他直接染料或酸染料，如SensientTechnical Colors(Elmwood Park，NJ)生产的“Intrajet Yellow DG”和Sigma-Aldrich生产的“Evans Blue”。二色性染料可在上述过程的任意阶段加入聚合物片。例如，染料在在预拉伸之前浇注或涂敷到聚合物片上，或者在脱水、硼酸化处理或拉伸步骤加入。可根据所需着色量采用各种时间、温度和浓度条件。对于聚合物片，高温和/或高浓度需要较短的停留时间。有效的操作温度为室温至硼酸化处理温度(高于约80℃或更高)。对于二色性黄染料，在约135°F和约1-5分钟的停留时间下，优选浓度范围约为50-600ppm。对于二色性蓝染料，在约室温-约135°F的温度和约30秒-约5分钟的停留时间下，优选浓度范围约为0.1-3wt％。二色性染料可置于硼酸水溶液或另外的一个水溶液中。
拉伸步骤和/或硼酸化处理步骤之后，所得增强本征偏振器可再次粘结或层压到可用的支撑层上，支撑层与拉伸之前剥离、热解和/或定向的层相同或不同。
图1所示为预拉伸到原长4.0倍(记为“4.0x”)的原有本征偏光片和根据本发明实施方式制备且分别预拉伸到原长5.0倍、6.0倍和6.5倍(记为“5.0x”、“6.0x”和“6.5x”)的三个偏光片的吸光度-波长关系图。制备偏光器的条件列于表1。
表1
  4.0x   5.0x   6.0x   6.5x
  拉伸量(x原长)   4.0   5.0   6.0   6.5
  拉伸温度(°F)   275   320   360   360
  硼酸化处理温度(°F)   154   175   180   190
  延伸(％)   无   10   3   ＜1
  硼酸浓度(％硼酸/％硼砂)   9/3   12/3   12/3   12/3
如图1所示，根据本发明方法制备的每个偏光器中的发色团的吸光度明显大于原有技术代表性本征偏光器中相应发色团的吸光度，对于产生600-700nm近红波长中的偏振性质的发色团尤其如此。
本发明偏光器也具有能确定定向发色基团(即共轭嵌段)浓度分布的吸收值，此分布在约200-700nm的波长范围内基本上是均匀的，因而在提高偏振性质之外，而且使得可以肉眼观察，并得到非常好的中性灰色调。表2示出了本发明偏光器(记为“新KE”)与两个原有技术本征偏光器(记为“KE”和“KN”)在透光度Kv为42时，发色团浓度均匀分布或“平衡”分布的对比情况。
表2
制备偏光器的条件列于表3。
表3
  新KE   KE   KN
  拉伸量(x原长)   6.0   4.5   3.6-3.9
  拉伸温度(°F)   360   275   250
  硼酸化处理温度(°F)   180   160/165   145
  延伸率(％)   1   25   无
  硼酸浓度(％硼酸/％硼砂)   12/3   9/3   9/3
图2所示为根据表2数据绘制的吸光度与共轭长度的关系图。如表2和图2所示，根据对聚亚乙烯嵌段在约250-700nm波长范围内的吸光度的测定，每个所述嵌段的浓度基本保持恒定。此外要特别指出，所述每个n＝19-25的聚亚乙烯嵌段根据吸光度测定的浓度不低于所述任何n＝14-15的聚亚乙烯嵌段根据吸光度测定的浓度的65％左右。从这一点上看，根据对吸光度的测定，在近红波长(即n＝19-25)范围内带来偏振性质的每个发色团的相对浓度不低于在人类最大光敏感度(即540-560nm，n＝14-15)的波长下带来偏光性的发色团测定值的65％左右。
在上表中，相对浓度根据下式计算：
相对浓度(n＝x)＝(吸光度(n＝x)/吸光度(n＝q))x100
其中，x是共轭长度，n＝16-30，q为共轭长度，n＝14或15。在上表中，为说明计，q取14。q取15时，得到差不多的计算值。
从表2可以看出，本发明偏光片的发色团分布偏离了原有技术本征偏光器中的情况，特别是共轭长度为23-25的时候，这种偏离可能会引起所谓的“红光泄漏”现象。除了光学性质变差外，有“红光泄漏”的偏光器容易显棕色，从美观的角度讲，这不利于某些显示应用。
本发明偏光器有一定程度的分子定向，每个聚亚乙烯嵌段具有一定的浓度分布，得到光二色性比(Rd)至少为75的偏光片。
如上所述，除单偏光片外，根据本发明方法制备的一对偏光器在放置时，可使它们的偏振轴交叉(也称“交叉偏光器”)。在这种情况下，通过这对偏光器中第一个偏光器的偏振光可发生“扭转”，与第二个偏光器的偏振轴不在一条线上，从而阻止光的通过。
图3和图4示出了原有技术交叉偏光器(标记为“4X”)的百分透光率和吸光度，并与根据本发明实施方式制备的交叉偏光器(标记为“5X”和“6X”)作了比较，透光度Kv为42％。制备交叉偏光器片的条件列于表4。
表4
  4X   5X   6X
拉伸量(x原长) 4.0 5.0 6.0
 拉伸温度(°F)   275   320   360
 硼酸化处理温度(°F)   160-165   165   136
 延伸率(％)   25   ＜1   6
透光率也用UV/VIS分光光度计测定。如图3和图4所示，在指定透光度下，本发明的交叉偏光器明显改善了蓝光谱区(即400nm)和红光谱区(即700nm)的吸光率(减少透射)。特别地，对于任意给定的透光度Kv，吸光度(550nm)与吸光度(700nm)之比小于3.75。550nm相当于人具有最大光敏度的波长。
图5和图6所示分别为根据本发明实施方式制备的、分别包含和不含二色性黄色染料的偏光片的吸光度和光二色性比。偏光片在320°F预拉伸到原长的5.0倍，在173-179°F经硼酸化处理，再延伸10％。如图5所示，黄染料加入本发明本征偏光器后，吸光度在蓝光谱区(Az光谱)显著增加，而在Ay光谱区或透光成分中没有类似的增加。如图6所示，黄染料加入本发明本征偏光器后，同样提高了光二色性比，特别是在蓝光谱区。
如上所述制备的包含和不含二色性黄色染料的偏光片用来形成交叉偏光器。图7所示为所得偏光器的百分透光率与波长关系。本发明制备的本征偏光器很大地降低了交叉偏振态下蓝光的泄露。对单偏光片和用于本征偏光器的含二色性黄色染料(样品1-5)和不含二色性黄染料(对照样品)的交叉偏光片进行了比色测定。本领域的技术人员很容易看出，a*值表示红/绿轴上的颜色测定结果，b*值表示蓝/黄轴上的颜色测定结果。在这种类型的颜色测定系统中，中性颜色如白色或黑色的测定值为0。
表5
Figure C0381036600151
如表5所示，加入二色性黄染料后，交叉偏光器的颜色从黑、蓝黑(对照样品)转变为真正中性黑(样品1-5)，而单片颜色与不加二色性黄染料制备的偏光片几乎没有分别。
图8显示了根据本发明实施方式制备的、分别包含和不含二色性蓝染料的偏光片的吸光度。偏光片用与制备二色性黄染料样品相同的方法制备。如图8所示，在本发明的本征偏光器中加入蓝染料后，红光谱区(Az光谱)的吸光度显著增加，而Ay或透光成分只有少量增加。
本发明是就由分子定向聚乙烯醇制备的聚合物片进行说明的。乙烯醇聚合物包含任何线型1，3-聚羟基化聚合物或共聚物或其衍生物，它们可脱水形成线型共轭乙烯基聚合物。有用的乙烯醇聚合物包括由下式所示单元构成的聚合物和共聚物：
Figure C0381036600152
其中R是H、C1-C8烷基或芳基；R’是H或可水解官能团如C1-C8酰基。R和R’较好都是H。除了聚(乙烯醇)聚合物和共聚物外，还有聚乙烯缩醛和缩酮及酯，可作为形成分子定向片或膜的材料。可与乙烯醇单体聚合形成乙烯醇共聚物的共聚单体可以是任何可通过自由基聚合的单体，包括烯烃(如乙烯、丙烯和丁烯)，丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯(如(甲基)丙烯酸甲酯)，乙烯乙酸酯和苯乙烯。可具体想出来用于本发明的有乙烯与乙烯醇的共聚物。一般地，共聚单体的量小于30mol％，宜小于10mol％。更多的量会抑制共轭亚乙烯嵌段(聚(乙炔)嵌段)的形成，对偏光器的性能造成有害影响。
乙烯醇聚合物优选是聚乙烯醇的均聚物和共聚物，最好是聚乙烯醇均聚物。市售聚乙烯醇，如以商品名CELVOL购自Celanese Chemicals，Inc.，Dallas，TX的那些聚乙烯醇，可根据粘度和水解百分数分类。低粘度聚乙烯醇便于施涂，而且具有足够高的分子量，从而提供足够的抗湿性和良好的机械性质。
可熔融加工的聚乙烯醇也可用于本发明。对可熔融加工的聚乙烯醇进行增塑，提高它们的热稳定性，目的是便于挤塑或熔融加工。增塑剂可从外部加入，也可加在乙烯醇聚合物链中，即将增塑剂聚合或接枝到乙烯醇聚合物主链上。
可外部增塑的乙烯醇聚合物包括市售产品，如Clariant Corp.，Charlotte，N.C.生产的“Mowiol”26-88和“Mowiol”23-88乙烯醇聚合物树脂。这些“Mowiol”乙烯醇聚合物树脂的水解度为88％。“Mowiol”26-88乙烯醇聚合物树脂的聚合度为2100，分子量约为103000。
可用于外部增塑乙烯醇聚合物的增塑剂应是沸点高、可水溶、含羟基的有机化合物。这些化合物的例子包括甘油、聚乙二醇(如三乙二醇和二乙二醇)、三羟甲基丙烷和它们的混合物。水也可用作增塑剂。所加增塑剂的量随着乙烯醇聚合物的分子量而变化。一般地，增塑剂的加入量约在5-30％之间，宜在约7-25％之间。低分子量乙烯醇聚合物所需增塑剂通常比高分子量乙烯醇聚合物少。用于混和外部增塑乙烯醇聚合物的其他添加剂包括加工助剂(即HoechstA.G.生产的Mowilith DS树脂)、着色剂、防结块剂(即硬脂酸、疏水氧化硅)等。
混和外部增塑乙烯醇聚合物时，在恒定搅拌条件向乙烯醇聚合物粉末或小粒中加入该有机增塑剂(通常还加水)，直到增塑剂嵌入乙烯醇聚合物，此时混合物批料的温度从约82℃(180°F)达到约121℃(250°F)。乙烯醇聚合物树脂的分子量越低，用来加入增塑剂所需批料的最高温度越低。将批料保持在该温度约5-6分钟，将然后冷却到约71℃(160°F)-93℃(200°F)之间，此时可加入防结块剂。进一步将批料冷却到约66℃(150°F)，此时可从搅拌器中取出乙烯醇聚合物颗粒，进行挤塑。
如果乙烯醇聚合物是内部增塑的，那么除非需要加入着色剂，用来对乙烯醇聚合物进行外部增塑的混和步骤可以省掉。有用的内部增塑乙烯醇聚合物市场上有售。这种产品包括“Vinex”2034和“Vinex”2025，均由Air Products，Inc.生产。
Celanese的Vinex商标代表一系列独特的热塑性、可水溶乙烯醇树脂。具体说来，包括“Vinex”2034和“Vinex”2025在内的“Vinex”2000系列代表内部增塑的、可溶于冷水和热水的聚乙烯醇共聚物树脂。这种内部增塑乙烯醇共聚物见述于美国专利4948857，参考结合于此。这种共聚物具有如下通式：
R1是C6-C18酰基
y为0-30mol％；
z为0.5-8mol％；
x为70-99.5mol％。
这些共聚物保持着聚乙烯醇的强度性质，而且增加了柔性。上式所示丙烯酸酯单体赋予了共聚物内部增塑效应。共聚物的聚合度在约100-4000之间，但宜在约2000-4000之间。聚合度定义为全聚合物分子量与式I所示单元分子量之比。其他内部增塑聚(乙烯醇)共聚物树脂及其制备方法见述于美国专利4772663中。“VINEX”2034树脂的熔融指数通常约为8.0g/10min，玻璃转变温度约为30℃(86°F)。“VINEX”2025树脂的熔融指数通常约为24g/10min，玻璃转变温度约为29℃(84°F)。
市售聚乙烯醇及其共聚物的水解度可以不同，例如从约50％-99.5+％。聚乙烯醇的水解度宜约为80-99％。一般地，水解度越高，增塑剂性质越好。同样，聚乙烯醇的水解度越高，抗湿性越好。聚乙烯醇分子量越高，其抗湿性也越好，但粘度增加。在实施本发明时，宜在这些性质之间找到一个平衡点，使聚乙烯醇具有足够的抗湿性，在施涂或浇注过程中便于运送，并且容易定向。多数级别的市售聚乙烯醇包含若干百分数的残留水和未水解聚乙烯乙酸酯。
分散液/溶液的施涂可用各种已知方法完成，例如用导向板涂(shoecoating)、挤涂、辊涂、幕涂、刮涂、模涂等技术施涂基底，或者采用其他任何能形成均匀涂层的施涂方法。基底上可以施涂一层底涂层，或用电晕放电处理，以便将聚乙烯醇膜锚定在基底上。合适的溶液基底涂层有水溶性共聚树脂，它们通常用来给聚对二苯甲酸乙二酯膜施加底涂层，如美国专利4659523所述。施加了涂层后，一般在约100-150℃干燥聚乙烯醇膜。干涂层的厚度可随所需光学性质而异，但一般在约25-125μm(1-5密耳)之间。
或者，可对乙烯醇聚合物层进行熔融处理。像溶液涂敷一样，可将包含乙烯醇的熔体浇注到例如载体带或支撑层这些基底上。乙烯醇聚合物膜也可熔吹成形。乙烯醇聚合物熔体也可用本领域熟知的各种设备和许多熔融处理技术(通常是挤出技术)共挤出到基底上。例如，根据挤出材料的类型，可以采用单模或多模、满月分流器或其他类型的熔融加工设备。
许多材料可用作载体带或支撑层。合适的材料包括下列已知聚合物的片材，如纤维素酯(例如硝酸纤维素、纤维素醋酸酯、纤维素醋酸酯丁酯)、聚酯、聚碳酸酯、乙烯基聚合物如丙烯酸树脂，以及其他能形成透光片形式的支撑材料。根据其特定用途和要求，聚酯特别有用。聚酯优选是聚对苯二甲酸乙二酯，可采购Mylar&Estar牌子的商品，当然其他聚对苯二甲酸乙二酯也可以采用。支撑材料的厚度随着具体用途而异。一般地，从生产角度考虑，可方便地采用厚度约为0.5密耳(0.013mm)-20密耳(0.51mm)的支撑材料。
本领域的普通技术人员不难理解，作为本发明产品的偏光片可层压在支撑片或膜之间或之上，如玻璃片或其他有机塑料片。本发明层压或非层压形式的偏光器可应用于其他形式的偏光塑料已经采用的场合，例如太阳镜、太阳帽、窗玻璃、眩光罩、房子隔板，以及显示装置如液晶显示板、发射显示装置、阴极射线管或广告显示板。
许多粘合剂都可用来将偏光片层压到其他层或基底上，包括聚乙烯醇粘合剂和聚氨酯粘合剂材料。由于偏光器通常用于光学设备，一般要用对偏光器的透光性没有太大影响的粘合剂材料。粘合剂的厚度因具体用途而异。一般地，约0.20密耳(0.005mm)-1.0密耳(0.025mm)的厚度是符合要求的。
本发明产品特别适合用作显示设备中的偏振光滤光器，其中滤光器紧靠较强的照明源，该照明源是长时间保持连续照明状态的。在这些情况下，偏振滤光器会长期处于约125°F或更高的温度。本发明偏光器这样长期受热后，其高效偏振性质没有太大的损失，不会变形，也不会变暗。
为进一步说明本发明，我们提供了以下一些实施例，但本发明不受这些实施例的限制。除非另有说明，所有份、百分数和比例都是就重量而言。在实施例中，偏振效率根据下面的方程计算，其中测定平行于轴的透光率(T平行)时，将样品偏光器重叠在高效检偏器上，使它们的轴彼此平行；测定垂直于透光率(T垂直)时，以同样方式重叠，但它们的轴彼此成直角：
偏振效率(％)＝(T平行-T垂直)/(T平行+T垂直)x100
偏振膜的透光率和偏振效率的一组最大值分别是50％和100％。
除非另有说明，对于所有实施例，所用硼酸化处理水溶液的浓度为9-12％硼酸和3％硼砂，聚乙烯醇膜的聚合度约为2600。
实施例
实施例1-5
在三个不同拉伸温度240°F、275°F和320°F下，将厚约2密耳的高分子聚乙烯醇(水解度为98.0％或以上)片单向拉伸到原长的5.0倍。然后使拉伸片与发烟盐酸蒸气接触，再加热到325-350°F。接着，将聚乙烯醇片浸入166°F的硼酸和硼砂的水溶液。从溶液中取出后，将聚乙烯醇片再单向拉伸10-15％，使得每片的最终拉伸度为原长的5.5-5.7倍。图9所示为在3个不同拉伸温度下所得偏光器的偏振效率-透光率(Kv)关系。表6比较了给定偏振效率时的偏光器性质。
表6
  实施例1   实施例2   实施例3   实施例4   实施例5
  透光率K<sub>v</sub>(％)   41.2   42.1   42.1   42.7   42.7
  偏振效率(％)   99.82   99.83   99.82   99.83   99.83
  光二色性比R<sub>D</sub>   63.8   79   77.4   94   93.6
  拉伸温度(°F)   240   275   275   320   320
  拉伸(％)   10   15   10   15   10
如图9和表6所示，透光率Kv和光二色性比RD随着拉伸温度的升高而增加。但是，改变随后的延伸量似乎比增加拉伸温度对聚乙烯醇片偏振性质的影响小。
实施例6-9
在275°F的拉伸温度下将3个样品片、在320°F的拉伸温度下将1个聚乙烯醇样品片单向拉伸到原长的5.0倍。然后在154、165和180°F下于硼酸和硼砂的水溶液中以类似于实施例1-5的方式处理聚乙烯醇片。图10所示为以3个不同的硼酸化处理温度所得偏光器的偏振效率-透光率(Kv)关系。表7比较了给定偏振效率时的偏光器性质。
表6
  实施例6   实施例7   实施例8   实施例9
透光率K<sub>v</sub>(％)   41.4   42.2   42.1   42.5
偏振效率(％)   99.79   99.82   99.82   99.87
光二色性比R<sub>D</sub>   65.2   79.5   77.4   90.6
硼酸化温度(°F)  154   166   166   180
延伸率(％)   10   15   10   10
拉伸温度(°F)   275   275   275   320
如图10和表7所示，透光率Kv和光二色性比RD随着拉伸温度的升高而增加。这意味着对于给定偏振效率，透光率和二色性比增加，得到更亮的偏光器。同样，改变随后的拉伸量似乎比增加拉伸温度对聚乙烯醇片偏振性质的影响小。
实施例10-15
在360°F的拉伸温度下，将聚乙烯醇片分别单向拉伸到原长的5.5倍和6.5倍。以类似于实施例1-5的方法处理聚乙烯片，不同之处在于样品在三个不同的硼酸化温度82℃(180°F)、95℃(203°F)和101℃(214°F)下在硼酸化溶液中停留不同的时间。样品片在预拉后不再进行延伸，即延伸度为0％。图11和图12所示为在2个不同拉伸温度下所得偏光器的光二色性比-停留时间关系。图13所示为在两个不同拉伸量和三个不同硼酸化温度下得到的偏光器的最大光二色性比。从图11-13可以看出，光二色性比随着硼酸化处理温度的提高和在硼酸化溶液中停留时间的增加而增大。但是，对于即使增加在硼酸化溶液中的停留时间，也未能提高光二色性比的有些样品，得出个最大光二色性比。
实施例16-19
在360°F的拉伸温度下，将聚乙烯醇片分别单向拉伸到原长的5.0倍、6.0倍和6.5倍。以类似于实施例1-5的方法处理聚乙烯片，不同之处在于硼酸化温度从180°F改为190°F，伸长百分数从约1％改为约10％。图14所示为在不同处理参数下得到的偏光器的偏振效率-透光度Kv关系图。表8比较了偏光器在给定偏振效率下的性质。
表8
  实施例16   实施例17   实施例18   实施例19
透光率K<sub>v</sub>(％)   41.7   42.3   42.3   42.5
偏振效率(％)   99.90   99.90   99.90   99.90
光二色性比R<sub>D</sub>   77.7   88.3   97.1   93.3
硼酸化温度(°F)  180   180   190   190
拉伸量(x原长)   5   6   6   6.5
伸长率(％)   10   6   ＜1   ＜1
从图14和表8可以看出，给定偏振效率下的透光度Kv和光二色性比RD随着预拉量的增加而增加。可以看出，无论有没有下一步延伸步骤，在一定的硼酸化处理温度范围内可以改善偏振性质。
实施例20-25
在320°F的拉伸温度下，将聚乙烯醇片单向拉伸到原长的5.0倍。然后使拉伸片与发烟盐酸蒸气接触，并加热到325-350°F。将脱水片从其塑料载体上剥离，浸入含80ppm二色性黄染料的135°F硼酸化溶液，保持约2-4分钟。对照样品不浸入含染料的硼酸化溶液，直接进行下一步。然后将各聚乙烯片浸入另一个温度为175°F的硼酸化溶液。最后，将聚乙烯醇片再单向拉伸15％，使得每片的最终拉伸度为原长的5.7倍。表9所示为所得样品的偏振效率和透光率。
表9
  实施例20   实施例21   实施例22   实施例23   实施例24   实施例25
  透光率K<sub>v</sub>(％)   42.4   42.5   42.1   42.7   42.4   42.9
  偏振效率(％)   99.83   99.83   99.81   99.82   99.9   99.82
如表9和前面的图5-7所示，用二色性黄染料制备的偏光片在不牺牲偏振性质的情况下，能显著增加蓝色光谱区的吸光度，并能显著减少蓝光泄漏。
实施例26-28
在320°F的拉伸温度下，将聚乙烯醇片单向拉伸到原长的5.0倍。然后使拉伸片与发烟盐酸蒸气接触，并加热到325-350°F。将脱水片从其塑料载体上剥离下来，浸入含1％(wt/wt)的蓝二色性染料的室温水溶液中约1分钟。对照样品不进行类似步骤，直接进行下一步。然后在将拉伸片浸入82℃(180°F)硼酸化溶液约5分钟。最后，将拉伸片再单向拉伸10％，使得每片的最终拉伸度为原长的5.5倍。
如前面图8所示，用二色性蓝染料制备的偏光片在红光谱区(Az区)的吸光度显著增加，而偏振性质没有损失。
实施例29-30
聚合度为2000和4000的聚乙烯醇片分别在360°F的拉伸温度下单向拉伸到原长的6.0倍和5.5倍。然后使拉伸片与发烟盐酸蒸气接触，并加热到325-350°F。接着，将拉伸片浸入190°F硼酸和硼砂的水溶液中。从溶液中取出后，将拉伸片分别在拉伸长度的基础上再单向拉伸10-3％。图15所示为所得两种聚合度不同的偏光片的偏振效率-透光度Kv关系图。表10比较了偏光器在给定透光率下的性质。
表10
  实施例6   实施例7
 透光率K<sub>v</sub>(％)   43.0   43.0
 偏振效率(％)   99.80   99.84
 光二色性比R<sub>D</sub>   101   104
 聚合度DP   2000   4000
 拉伸量(x原长)   6.0   5.5
 延伸(％)   10   3
如图15和表10所示，在指定透光率下，偏振效率和光二色性比RD随着聚合度的增加而增大。可以看出，即使在较小预拉量下也能改善偏振性质。
实施例31-40
在360°F的拉伸温度下，将聚乙烯醇片单向拉伸到原长的6.5倍。以类似于实施例1-5的方法处理聚乙烯片，不同之处在于硼酸化温度约为101℃(214°F)，并改变硼酸溶液浓度。硼酸浓度在0wt％-约21wt％之间变化，硼砂浓度在约0wt％-约6wt％之间变化。聚乙烯片在预拉长度的基础上再进行拉伸。图16所示为在三种不同硼砂浓度下所得偏光器的光二色性比-硼酸浓度关系图。
从上述实施例可以看出，在本征偏光片的生产过程中，在更高拉伸温度下提高预拉程度，可以改善偏振性质。但是，由于可以对本发明的制品和方法做出某些改变和改进，所以实施例中的所有内容都是示例性的，而不是限制性的。
应当理解，这里所述实施方式只是为了说明本发明的原理，本领域的熟练技术人员可以做出各种改进、替换和变通，只要它们体现本发明原理并落在附属权利要求的主旨和范围之内。

Claims (40)

1.由聚合物片制造偏光器的方法，所述聚合物片具有一初始长度，包含羟基化线性高聚物，该方法包括：
将聚合物片拉伸到原长的3.5倍到7.0倍，拉伸聚合物片是在超过149℃的温度下进行的；
对聚合物片加入脱水催化剂；
将聚合物片和催化剂加热到合适的温度，使聚合物片发生部分脱水，其中形成吸光性乙烯嵌段的片段。
2.权利要求1所述方法，其特征在于羟基化线性高聚物是聚乙烯醇、聚乙烯醇缩醛、聚乙烯基缩酮或聚乙烯酯。
3.权利要求1所述方法，其特征在于加入催化剂的步骤是使聚合物片与发烟酸蒸气接触。
4.权利要求1所述方法，其特征在于加入催化剂的步骤是给聚合物片施加酸涂层。
5.权利要求1所述方法，其特征在于加入催化剂的步骤包括：
使酸供体层靠近聚合物片；
用辐射能作用于酸供体层，使其释放一个或多个酸分子。
6.权利要求5所述方法，其特征在于辐射能是热能或紫外光能。
7.权利要求1所述方法，其特征在于拉伸是双向驰豫、双向不驰豫、单向驰豫、单向不驰豫或沿抛物线方向的拉伸。
8.权利要求1所述方法，其特征在于所述方法还包括：
在高温下对聚合物片进行硼酸化处理。
9.权利要求8所述方法，其特征在于该方法还包括：
将拉伸和加热后的聚合物片在拉伸长度的基础上再单向拉伸0-70％。
10.权利要求9所述方法，其特征在于所述处理步骤和拉伸步骤同时进行。
11.权利要求9所述方法，其特征在于所述处理步骤在拉伸步骤之前进行。
12.权利要求8所述方法，其特征在于所述硼酸化处理温度高于80℃。
13.权利要求8所述方法，其特征在于所述硼酸化处理温度在80-110℃之间。
14.权利要求8所述方法，其特征在于所述处理是使聚合物片与硼酸水溶液接触。
15.权利要求14所述方法，其特征在于硼酸浓度为5-20wt％。
16.权利要求14所述方法，其特征在于水溶液还包含硼砂。
17.权利要求16所述方法，其特征在于硼砂浓度为0-7wt％。
18.权利要求1所述方法，其特征在于它还包括：
在聚合物片中加入至少一种二色性染料。
19.权利要求18所述方法，其特征在于它还包括
对聚合物片进行硼酸化处理，其中所述添加步骤和所述处理步骤同时进行。
20.权利要求18所述方法，其特征在于它还包括
对聚合物片进行硼酸化处理，其中所述添加步骤在所述处理步骤之前进行。
21.权利要求18所述方法，其特征在于该至少一种二色性染料是黄色染料、蓝色染料或它们的组合。
22.权利要求1所述方法，其特征在于聚合物片的聚合度在2000-4000之间。
23.由聚合物片制造偏光器的方法，所述聚合物片具有一初始长度，包含羟基化线性高聚物，该方法包括：
将聚合物片拉伸到原长的3.5倍到7.0倍，拉伸聚合物片是在超过149℃的温度下进行的；
对聚合物片加入脱水催化剂；
将聚合物片和催化剂加热到合适的温度，使聚合物片发生部分脱水，由此形成吸光性乙烯嵌段的片段；
在至少80℃的温度下对聚合物片进行硼酸化处理；
在拉伸长度的基础上将聚合物片单向拉伸0-70％。
24.权利要求23所述方法，其特征在于羟基化线性高聚物是聚乙烯醇、聚乙烯醇缩醛、聚乙烯基缩酮或聚乙烯酯。
25.权利要求23所述方法，其特征在于加入催化剂的步骤是使聚合物片与发烟酸蒸气接触。
26.权利要求23所述方法，其特征在于加入催化剂的步骤也是给聚合物片施加酸涂层。
27.权利要求23所述方法，其特征在于加入催化剂的步骤包括
使酸供体层靠近聚合物片；
用辐射能作用于酸供体层，使其释放一个或多个酸分子。
28.权利要求27所述方法，其特征在于辐射能是热能或紫外光能。
29.权利要求23所述方法，其特征在于拉伸是双向驰豫、双向不驰豫、单向驰豫、单向不驰豫或沿抛物线方向的拉伸。
30.权利要求23所述方法，其特征在于所述处理步骤和延伸步骤同时进行。
31.权利要求22所述方法，其特征在于所述方法还包括：
在聚合物片中添加至少一种二色性染料。
32.权利要求31所述方法，其特征在于所述添加步骤和所述处理步骤同时进行。
33.权利要求31所述方法，其特征在于所述添加步骤在所述处理步骤之前进行。
34.权利要求31所述方法，其特征在于该至少一种二色性染料是黄色染料、蓝色染料或它们的组合。
35.权利要求23所述方法，其特征在于硼酸化处理是使聚合物片与硼酸水溶液接触。
36.权利要求35所述方法，其特征在于硼酸浓度为5-20wt％。
37.权利要求35所述方法，其特征在于水溶液还包含硼砂。
38.权利要求37所述方法，其特征在于硼砂浓度为0-7wt％。
39.权利要求23所述方法，其特征在于硼酸化处理温度在80-110℃之间。
40.权利要求23所述方法，其特征在于聚合物片的聚合度在2000-4000之间。
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