CN104749683A - 一种光学偏振片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学偏振片，由透明高分子材料及包埋在其中的定向排列的透明纳米高分子纤维构成。本发明还公开了光学偏振片的制备方法：(1)将透明高分子材料在溶剂中溶解，得到前驱纺丝溶胶；(2)将前驱纺丝溶胶通过静电纺丝技术制备连续的高分子纳米纤维膜，采用高速转动的滚筒收集纤维；(3)将透明高分子材料在溶剂中溶解，得到用于浸泡高分子纳米纤维膜的溶胶；(4)将高分子纳米纤维膜浸泡在步骤(3)得到的溶胶中，并在烘箱中烘干，剥离并剪裁，得到光学偏振片。本发明的光学偏振片，在可见-近红外光波段都有良好的偏振效果，化学性能、光学偏振特性稳定性高，制备方法简单环保，突破了传统偏振片工艺对材料选择的局限性。

Description

一种光学偏振片及其制备方法

技术领域

本发明涉及光学器件及其制备领域，特别涉及一种光学偏振片及其制备方法。

背景技术

偏振片是一类重要的光学器件。20世纪初Land等人发明了基于二相色性染料掺杂和聚合物定向热拉伸技术的首个吸收型光学线性偏振片，被广泛应用于防眩太阳镜、照相机滤光镜、平板显示等诸多领域。吸收型偏振片是最早使用的人造偏振片。常用的制备方法是用染料处理、拉伸具有网状结构的高分子薄膜,使染料分子在高分子材料中取向。利用取向排列的染料分子对不同偏振方向光吸收的差异产生偏振光。吸收型偏振片具有制备简单及应用范围广等优点,但这种偏振片的光利用效率低、易退偏。另一种偏振片是散射型偏振片,常用的制备方法是将聚合物分散液晶(PDLC)膜单向拉伸,利用微结构形貌诱导液晶分子取向排列,形成折射率各向异性的分散相。通过对高分子和液晶折射率的设计,使液晶在一个偏振方向上的折射率与聚合物折射率匹配,而在另一个正交的偏振方向失配。这样,偏振光在折射率匹配的方向可以透过，在另一个正交方向上被散射。由于被散射的光能够被重新利用,散射型偏光片的光效率高于吸收型偏光片。但用于制备PDLC膜的聚合物必须具有较高的延展性,该要求极大地限制了材料的选择范围。同时,由于PDLC薄膜的延展性使取向液滴有回缩成球的趋势,因此拉伸法使液晶分子不能完全取向排列。

现有的偏振片制备技术最通常的做法是将具有二向色性的碘或者染料分子先通过溶液法掺杂到具有热拉伸性能的聚合物基体中，然后通过热拉伸的办法将聚合物沿某个方向进行拉伸，使掺杂的碘或者染料分子沿着拉伸方向排列。然后在碘或者染料分子掺杂PVA薄膜表面涂覆PVB等功能涂层。这种工艺中高分子聚合物热拉伸工艺对设备和操控工艺要求很高，使用的高分子聚合物必须要有较好的热拉伸性能，其分子必须与掺杂的二向色性碘或者染料高分子有很好的亲和性，因此对高分子聚合物材料的选择种类非常有限，目前最为常用的是PVA(聚乙烯醇)。此外，基于碘/染料掺杂和热拉伸工艺的PVA基偏振片偏振性能稳定性不高，容易发生退偏现象。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种光学偏振片，在可见-近红外光波段都有良好的偏振效果，化学性能稳定，环境适应性好，其光学偏振特性稳定性高。

本发明的另一目的在于提供上述光学偏振片的制备方法，简单环保，所使用的材料种类丰富多样，易于实现工业化大批量生产。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种光学偏振片，由透明高分子材料及包埋在其中的定向排列透明高分子纤维构成；所述透明高分子纤维的直径在纳米尺度；所述透明高分子材料与透明高分子纤维的折射率相匹配。

所述透明高分子材料为PVA、PVP、PVB、PMMA、PE、PS、PC、PAA中的一种。

所述透明高分子纤维由PVA、PVP、PVB、PMMA、PE、PS、PC、PAA中的一种制备而成。

所述的光学偏振片的制备方法，包括以下步骤：

(1)将透明高分子材料在溶剂中溶解，得到前驱纺丝溶胶；

(2)将步骤(1)得到的前驱纺丝溶胶通过静电纺丝技术制备连续的高分子纳米纤维膜，制备过程中采用1500～5000转/分钟的速度转动的滚筒收集纤维，实现高分子纳米纤维的定向排列；

(3)将透明高分子材料在溶剂中溶解，得到用于浸泡高分子纳米纤维膜的溶胶；

(4)将步骤(2)得到的高分子纳米纤维膜浸泡在步骤(3)得到的溶胶中，并在烘箱中充分烘干，剥离并剪裁，得到光学偏振片。

步骤(1)所述的透明高分子材料为PVA、PVP、PVB、PMMA、PE、PS、PC、PAA中的一种。

步骤(3)所述的透明高分子材料为PVA、PVP、PVB、PMMA、PE、PS、PC、PAA中的一种。

步骤(1)中所述将透明高分子材料在溶剂中溶解，具体为：

当所述透明高分子材料为PVA时，溶剂为水；

当所述透明高分子材料为PVB时，溶剂为水或乙醇或丙酮；

当所述透明高分子材料为PMMA时，溶剂为二甲基甲酰胺或甲酸；

当所述透明高分子材料为PE时，溶剂为对二甲苯或三氯苯；

当所述透明高分子材料为PS时，溶剂为苯或甲苯或四氯甲烷；

当所述透明高分子材料为PC时，溶剂为三氯甲烷或二氯乙烷或甲酚；

当所述透明高分子材料为PAA时，溶剂为水或甲醇或二甲基甲酰胺。

步骤(3)中所述将透明高分子材料在溶剂中溶解，具体为：

当所述透明高分子材料为PVA时，溶剂为水；

当所述透明高分子材料为PVB时，溶剂为水或乙醇或丙酮；

当所述透明高分子材料为PMMA时，溶剂为二甲基甲酰胺或甲酸；

当所述透明高分子材料为PE时，溶剂为对二甲苯或三氯苯；

当所述透明高分子材料为PS时，溶剂为苯或甲苯或四氯甲烷；

当所述透明高分子材料为PC时，溶剂为三氯甲烷或二氯乙烷或甲酚；

当所述透明高分子材料为PAA时，溶剂为水或甲醇或二甲基甲酰胺。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明的偏振片，没有使用碘、二向色性染料等有色原料，在可见-近红外光波段都有良好的偏振效果，化学性能稳定，环境适应性好，其光学偏振特性稳定性高。

(2)本发明的偏振片具有良好的柔韧性和很高的透明性。

(3)本发明的偏振片的制备方法，突破了传统偏振片工艺对材料选择的局限性。

(4)本发明的偏振片的制备方法，避免了复杂的碘/染料掺杂和热拉伸工艺，简单环保，对设备的要求低并可实现规模化批量生产。

附图说明

图1是本发明的实施例1的静电纺丝制备的定向排列PVA纳米纤维薄膜扫描电镜照片。

图2是本发明的实施例1的光学偏振膜的紫外-可见-近红外透射光谱。

图3是本发明的实施例1的光学偏振膜对477nm激光的偏振效果图。

图4是本发明的实施例1的光学偏振膜对532nm激光的偏振效果图。

图5是本发明的实施例1的光学偏振膜对633m激光的偏振效果图。

图6是本发明的实施例1的光学偏振膜对980nm激光的偏振效果图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例以PVA作为静电纺丝定向排列纳米纤维的原料，PVP作为后续纤维薄膜包埋的基质材料通过实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制此专利的保护范围，其他所有可用来纺丝的透明高分子材料(如PVP、PVB、PMMA、PE、PS、PC、PAA等)以及溶解性和折射率能够与上述高分子相匹配的高分子(如PVP、PVB、PMMA、PE、PS、PC、PAA等)都适用于本发明公开的光学偏振片。

本实施例的光学偏振片的制备过程如下：

步骤1.制备静电纺丝所用的PVA溶胶。将PVA粉体加入到去离子水中，然后将PVA-水悬浮液在油浴或者水浴中80℃进行搅拌，直到PVA粉末完全溶解，形成均匀透明的具有一定粘度的PVA溶胶。上述透明溶胶在室温下空气中陈化3-12小时，即得到用于纺丝的溶胶。本实例中制备的PVA溶胶浓度为7wt％，具有较好的纺丝性。根据经验，PVA浓度宜控制在3wt％～10wt％为好，浓度过低和过高都不利于纺丝的顺利进行。

步骤2.以上述步骤1合成的PVA溶胶为纺丝液，通过静电纺丝技术制备定向排列的PVA纳米纤维薄膜。静电纺丝过程中采用高速旋转的电动滚筒收集电纺丝纳米纤维，将收集的纤维剥离滚筒得到柔韧性良好的PVA纳米纤维薄膜。静电纺丝的过程如下：将溶胶装入供液装置，连接高压直流电源，通过静电纺丝制备超长连续的定向排列PVA纳米纤维。通过调节滚筒的转速可以控制PVA纳米纤维的定向排列程度，通过纺丝时间的控制可以调节收集到的PVA纳米纤维薄膜的厚度，本实施例的转速为3000转/分钟。本实施例制备的PVA纳米纤维扫描电镜照片如图1所示。

步骤3.PVA电纺丝纤维薄膜浸泡-干燥处理。首先，配制本发明的PVP浸泡溶液：将PVP粉末缓慢加入到适量乙醇中，边加料边剧烈搅拌。加料结束后继续搅拌直到形成澄清透明的溶胶。将上述溶胶静置直到溶胶内所有的气泡消除，即可用于浸泡PVA电纺丝纤维薄膜。这里所配制的溶胶中PVP质量分数宜控制在5wt％-30wt％之间为好，浓度过高会导致PVP在PVA纤维之间填充不彻底，浓度过低则会使得后面的干燥过程非常耗时。将步骤(1)得到的PVA纳米纤维无纺膜浸泡到上述PVP溶胶中，然后放入烘箱中50～80℃完全干燥，得到最终的PVA-PVP复合光学偏振片。本实例中选择PVDF(聚偏氟乙烯)杯作为盛放PVP溶胶的容器，以方便干燥结束后将薄膜从容器中剥离。也可选用其他材质容器，前提是要保证容易将薄膜剥离。PVP溶胶的使用量可以根据PVP溶胶的浓度和PVA纤维薄膜的厚度大致估算，前提是保证PVA纤维薄膜能被PVP完全包埋但又不浪费PVP溶胶。

说明：本实施例中PVA的折射率为1.51，溶解于水中，但不溶于乙醇；PVP的折射率为1.53，可溶解于乙醇和水。若以PVA为纺丝原料，PVP的乙醇溶液为浸泡液，则PVA和PVP的折射率匹配较好，并且PVA纤维再PVP溶胶中也不会被溶解破坏。当选用其他高分子材料时也应以此为原则。

本实施例的测试结果如下：

本实施例制备的PVA-PVP复合偏振薄膜具有较好的平整性和很高的透明度，经测试其可见-近红外的平均透过率高于93％(如图2所示)。该PVA-PVP复合偏振薄膜对477nm、532nm、633nm和980nm的激光都具有较好的偏振效果，四种波长的偏振效率分别超过了0.98、0.95、0.91和0.87，如图3-图6所示。这种PVA-PVP复合偏振薄膜原料常见且廉价，制造过程简单、高效、安全、环保、节能，容易实现规模化生产。需要的主要设备(静电纺丝机)也很简单、易于操作，而且价格较低，市面上已有用于工业化生产的静电纺丝机出售。所以这种光学偏振片完全有工业化批量生产的可行性。

实施例2～71

实施例2～71的光学偏振片的制备过程如下：

步骤1.参考表1，以PVP、PVB、PMMA、PE、PS、PC、PAA为原料，溶解在适当的溶剂中(如PVA溶解在水中，PVP溶解在水或者乙醇中，PVB溶解在水或乙醇或丙酮中，PMMA溶解在二甲基甲酰胺或甲酸中，PE溶解在对二甲苯或三氯苯中，PS溶解在苯或甲苯或四氯甲烷中，PC溶解在三氯甲烷或二氯乙烷或甲酚中，PAA溶解在水或甲醇或二甲基甲酰胺中)形成粘度合适的均匀透明溶胶。上述原料的使用量和溶剂的选择参考表1。典型的溶胶制备方法和实施例1相似。此步骤制备的溶胶标记为溶胶1。

步骤2.以上述步骤1合成的溶胶1为纺丝液，通过静电纺丝技术制备高分子纳米纤维薄膜。静电纺丝过程中采用3000转/分钟的速度旋转的电动滚筒收集电纺丝纳米纤维，使纤维定向排列，将收集的纤维剥离滚筒得到柔韧性良好的高分子纳米纤维薄膜。静电纺丝的过程如下：将溶胶装入供液装置，连接高压直流电源，通过静电纺丝制备超长连续的高分子纳米纤维。

步骤3.步骤1得到的纳米纤维薄膜包埋透明化处理。首先，采用常温或者加热搅拌的方法将折射率和溶解性匹配的高分子材料溶解在适当的溶剂中(如PVA溶解在水中，PVP溶解在水或者乙醇中，PVB溶解在水或乙醇或丙酮中，PMMA溶解在二甲基甲酰胺或甲酸中，PE溶解在对二甲苯或三氯苯中，PS溶解在苯或甲苯或四氯甲烷中，PC溶解在三氯甲烷或二氯乙烷或甲酚中，PAA溶解在水或甲醇或二甲基甲酰胺中)形成粘度较低的澄清透明溶胶。对高分子材料和相应溶剂的选择参考表1。此步骤制备的溶胶标记为溶胶2然后将步骤1得到的高分子纳米纤维薄膜裁剪成需要的形状和尺寸，浸泡到溶胶2中，并转移到干燥箱中适当温度下彻底干燥。最后将彻底干燥的复合薄膜从干燥容器中剥离并将边缘未包含纳米纤维部分裁剪掉即得到本发明公开的光学偏振片。

实施例2-71的测试结果，选择PMMA、PVB、PE、PS、PC作为浸泡溶胶所用的高分子材料可提高偏振片的耐水性能，有利于提高偏振片的环境耐候性；选择PVB、PE、PS作为包埋基质高分子材料可提高偏振片的柔韧性。本实施制备的产品的其他性能与实施例1类似，在此不再赘述。

表1 实施例2-71的各原料质量配比

实施例2-71的测试结果，选择PMMA、PVB、PE、PS、PC作为浸泡溶胶所用的高分子材料可提高偏振片的耐水性能，有利于提高偏振片的环境耐候性；选择PVB、PE、PS作为包埋基质高分子材料可提高偏振片的柔韧性。实施例2-71制备的产品的其他性能与实施例1类似，在此不再赘述。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，如静电纺丝过程的电动滚筒的转速可在1500～5000转/分钟的范围内选择，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光学偏振片，其特征在于，由透明高分子材料及包埋在其中的定向排列透明高分子纤维构成；所述透明高分子纤维的直径在纳米尺度；所述透明高分子材料与透明高分子纤维的折射率相匹配。

2.根据权利要求1所述的光学偏振片，其特征在于，所述透明高分子材料为PVA、PVP、PVB、PMMA、PE、PS、PC、PAA中的一种。

3.根据权利要求1所述的光学偏振片，其特征在于，所述透明高分子纤维由PVA、PVP、PVB、PMMA、PE、PS、PC、PAA中的一种制备而成。

4.权利要求1所述的光学偏振片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将透明高分子材料在溶剂中溶解，得到前驱纺丝溶胶；

(2)将步骤(1)得到的前驱纺丝溶胶通过静电纺丝技术制备连续的高分子纳米纤维膜，制备过程中采用1500～5000转/分钟的速度转动的滚筒收集纤维，实现高分子纳米纤维的定向排列；

(3)将透明高分子材料在溶剂中溶解，得到用于浸泡高分子纳米纤维膜的溶胶；

(4)将步骤(2)得到的高分子纳米纤维膜浸泡在步骤(3)得到的溶胶中，并在烘箱中充分烘干，剥离并剪裁，得到光学偏振片。

5.根据权利要求4所述的光学偏振片的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的透明高分子材料为PVA、PVP、PVB、PMMA、PE、PS、PC、PAA中的一种。

6.根据权利要求4所述的光学偏振片的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的透明高分子材料为PVA、PVP、PVB、PMMA、PE、PS、PC、PAA中的一种。

7.根据权利要求4所述的光学偏振片的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述将透明高分子材料在溶剂中溶解，具体为：

当所述透明高分子材料为PVA时，溶剂为水；

当所述透明高分子材料为PVB时，溶剂为水或乙醇或丙酮；

当所述透明高分子材料为PMMA时，溶剂为二甲基甲酰胺或甲酸；

当所述透明高分子材料为PE时，溶剂为对二甲苯或三氯苯；

当所述透明高分子材料为PS时，溶剂为苯或甲苯或四氯甲烷；

当所述透明高分子材料为PC时，溶剂为三氯甲烷或二氯乙烷或甲酚；

当所述透明高分子材料为PAA时，溶剂为水或甲醇或二甲基甲酰胺。

8.根据权利要求4所述的光学偏振片的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述将透明高分子材料在溶剂中溶解，具体为：

当所述透明高分子材料为PVA时，溶剂为水；

当所述透明高分子材料为PVB时，溶剂为水或乙醇或丙酮；

当所述透明高分子材料为PMMA时，溶剂为二甲基甲酰胺或甲酸；

当所述透明高分子材料为PE时，溶剂为对二甲苯或三氯苯；

当所述透明高分子材料为PS时，溶剂为苯或甲苯或四氯甲烷；

当所述透明高分子材料为PC时，溶剂为三氯甲烷或二氯乙烷或甲酚；

当所述透明高分子材料为PAA时，溶剂为水或甲醇或二甲基甲酰胺。