CN1265622A - 具有薄光学层的多层光学膜的制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种制造多层光学膜的方法,其中,通过靠近浇注轮浇注最薄的光学层而避免了这些层的消光作用的劣化。

Description

具有薄光学层的多层光学膜的制造方法
发明领域
本发明一般涉及制造光学膜的方法，说得更详细些，本发明涉及当生产多层光学膜时控制层间扩散的的方法。
发明背景
近年来，已经开发了具有许多有意思的性质的多层光学膜。例如，在第08/359,436号美国专利申请中描述了这些膜。在继续开发这些膜时，曾经特别注意在制造期间保持这些膜中的多层结构的完整性，并且促进各层之间的层间附着作用(interlayer adhesion)。在加工后以及在最终使用时，为了减小剥离(delamination)的可能性，希望在多层光学膜的共挤出(co-extruded)层之间有良好的层间附着作用。这些方面对于膜的光学和机械性质而言是至关重要的。
影响层间附着作用和层完整性的材料或层的特性包括(但不局限于)：材料相互之间的相对的亲合力(affinity)(以诸如溶解度参数、相互作用参数或界面张力等物理量为特征)、这些材料通过化学反应而相互作用的能力、层间界面的粗糙度(例如，在界面区域的浓度的波动和该区域的平面性)、跨过界面区域的材料的平均浓度分布的广度、材料的分子量分布和平均(或特性)粘度、熔体粘度、法向应力、所谓的材料的“缠结”(entanglement)量、以及材料的流动性或扩散系数。如果材料跨过界面发生化学反应，则通过产生交联(crosslink)或共价结合(covalent bonding)的其他形式(包括形成共聚物)，可以促进层间附着作用。
不通过化学反应也能增大层间附着作用和削弱层的完整性。相邻层的材料之间的相对亲合力越强，层间附着作用就越强。如果亲合力足够强，材料变成可混合的，而相互扩散率决定最终的结构。当需要一种多层结构时，相邻层的可混合材料之间的过度的相互扩散能够破坏成层结构，因此需对过度的相互扩散加以限制。较大的分子量能够减小相互扩散，因此也能限制最终的可混合性。
如果相邻层的材料之间的亲合力不足以产生可混合性，则将产生一个界面区域，在该区域中，一种材料的浓度从接近其纯值变化至接近零。由于材料很少是完全不可混合的，因此材料在其原始层中的浓度可能要比其原始值略小，而材料在其他材料的原始层中的浓度可能略大于零。在部分可混合的情形下，起先纯的材料层会趋向于朝热力学相演变，它保持大量的原先的纯材料，但也包含相当部分的来自相邻层的材料。部分可混合性可以是聚合材料中固有的或增添的较低分子量部分所产生的结果。当亲合力增强时，界面区域的有效宽度增加，而各层最终的纯度降低。改变各层的纯度接着再作处理(例如，在拉伸下取向和结晶)能够改变它们的性质，于是改变最终得到的膜的光学和机械性质。
界面分布的宽度也能够提高层间附着作用。例如，较宽的界面能够更有效地耗散断裂能量，因而提高强度。此外，熔接强度确实与层间相互缠结(inter-entanglement)的程度相关。当相对于缠结分子量的聚合线圈(coil)的回转半径而减小界面宽度时，人们会料到熔接强度的降低。如果界面区域相对于分子线圈的尺寸足够大，则通过增加材料的平均分子量也能增加最终的相互缠结，因而提高各层之间的层间附着作用。然而，增加分子量也会减缓相互扩散，并且阻止建立平衡。最后，界面分布必定在这个层间区域产生光学性质和机械性质的梯度，由此完全改变了构造的性质。当界面区域的宽度接近层厚时，层的整体性劣化，而严重影响膜的性质。于是，影响这些层间特性的处理条件和设计考虑也是明显有关的。
温度和保留时间通过影响层与层之间的相互扩散和化学反应(如果有的话)而对跨过界面区域的材料平均浓度分布的宽度产生很大的影响。起初，各层在进料单元(feedblock)中接触，而最后在此进料单元中熔合或在其下游熔合。较高的温度能够增加相互的熔合和扩散过程，该过程在原处建立界面区域。如果材料不反应并且不可混合，则存在一个平衡平均浓度分布，它具有某个平均界面区域宽度。
对于具有给定的流动性的给定材料来说，处理温度和保留时间决定了，在浇注轮处对坯料卷(web)进行骤冷之前，界面区域能够达到与平衡如何接近的程度。如果材料能够起反应，就存在一个在某个给定的化学反应水平上的准平衡。随着反应的进行，此平衡能够移至更宽的平衡分布。这后一种情形可以包括(但不限于)PEN：coPEN系统和其他的聚酯，其中，酯基转移(transesterifiaction)反应能够在界面区域的原处产生两种起始材料的共聚物。于是层组分之间的最终界面分布以及层整体性是耦合扩散和化学反应的结果。以下，术语“相互扩散”将意味着两种耦合的过程。由相互扩散而得到的界面分布可以从不同的材料层之间清晰的边界通过任何的中间情况而到达和包括在相平衡时的层间分布。由于光学性质所需的层间附着作用以及层的整体性的品质时常与相互扩散程度相对立，因此过程有时可以在某个中间界面分布优化。
在过程效果的另外的例子中，熔体列(melt train)的温度和干燥条件能够影响材料的分子量分布。此外，温度和剪切速率能够影响组成层的粘度，它们又能影响流动稳定性以及层间表面粗糙度。在某些情形中，故意使流动具有程度很低的不稳定性有可能既提高层间附着作用而又不破坏多层叠层构造。最后，过程设计考虑也很重要。例如，先在进料单元内对这些层施压，然后再在模子内对其施压。在进料单元内产生的层间分布能够在模子内被压缩，需要进一步的相互扩散以重新达到平衡界面宽度。控制通过熔体列各个部分的保留时间能够控制相互扩散的程度。
时常可以观察到多层光学膜的有效折射率的差与根据相应的单层膜预计的值有一些变化。在薄光学层(即，调至光谱的蓝光区域的那些层，或故意使厚度做得小于光谱的其他区域的1/4波长的那些层)中，这一变化最为明显。这种现象有时是由于(至少一部分是由于)层间扩散的缘故。作为举例说明，如图1所示，对于拉伸至6∶1比值的PEN和coPEN的单层膜，在550纳米处的折射率差值约为0.25。然而，根据对一些PEN/coPEN多层膜的1/4波长光学层叠的样品测得的反射，实际薄光学层的有效折射率的差值略小，一般约为0.20，并曾观察到下跌至0.05。有效折射率差值的这些变化对于光学膜产生不利的影响，其结果是，用这些材料制作的反射偏振器和其他的光学膜时常只能达到其理论性质的一部分。
有各种文献描述了具有薄光学层的光学膜或者制作这些膜的方法。代表性的例子包括：第3,711,176号(Alfrey，Jr.et al.)、第3,773,882号(Schrenk et al.)、第3,884,606号(Schrenk)、第5,126,880号(Wheatley etal.)、第5,217,794号(Schrenk)、第5,233,465号(Wheatley et al.)、第5,269,995号(Ramanathan et al.)、第5,316,703号(Schrenk)、第5,389,324号(Lewis et al.)、第5,484,404号(Schrenk et al.)、第5,540,978号(Schrenk)和第5,568,316号(Schrenk et al.)美国专利。然而，至今对于造成有效折射率差值变化的条件知之甚少，并且尚未有在此领域中(尤其是在具有薄光学层的膜中)控制这些变化的方法。于是，本发明的一个目的是提供这样一种方法。
发明概要
在本发明的一个方面，提供了一种制造具有薄光学层的多层光学膜的方法，其中，薄层的光学性质的劣化得以避免或减至最小。按照这种方法，如此从多层树脂流浇注薄膜，使最薄的层在浇注轮或其他浇注表面的大约400微米之内。令人惊奇地发现，把按照这种方法生产的膜与例如在空气一侧浇注薄层而生产的膜相比，前者在薄光学层中呈现的层劣化要小得多，虽然膜在空气一侧的冷却时间与在浇注轮一侧的冷却时间之差只有秒的数量级。一般，与本发明的目的有很大关系的层是厚度小于10微米的那些层。然而，在具体应用中，关系最大的薄层可以是厚度小于2或1微米的薄层，或者，在最终的光学膜需要在光谱的蓝光区域反射至少一种光偏振的应用中，是小于0.5微米的薄层。
在本发明的一个实施例中，通过挤出第一和第二树脂成为包括多层并且具有第一和第二主表面的树脂流的方法来制造多层光学膜，其中，多层中的至少一些层包括第一树脂，而多层中的至少一些层包括第二树脂。用这样的方法挤出树脂流，使层厚小于k微米并且设置在第一表面的400微米之内的层数多于层厚小于k微米并且设置在第二表面的400微米之内的层数。然后把树脂流对浇注轮或其他浇注表面浇注，使第一主表面与浇注表面接触。如果需要把很大一部分的薄层设置在第一和第二主表面这两个表面的400微米之内，则可以在相对的浇注表面(例如，相对的浇注轮)之间浇注树脂流，从而第一和第二主表面都与浇注表面接触。在按照本发明的各种具体的实施例中，k的值为10，2，1，或0.5，它部分取决于所包含的层的构造以及浇注坯料卷接着被拉伸的程度。
在本发明的另一个实施例中，提供了一种制造多层光学膜的方法，其中，挤出第一和第二树脂成为具有多层并且具有第一和第二主表面的树脂流。多层中的至少一些层包括第一树脂，而多层中的至少一些层包括第二树脂。用这样的方法挤出树脂流，使得第一组层的数目至少和第二组层的数目一样多，第一组具有至少一层，包括层厚小于k微米的层，并且设置在第一主表面的400微米之内，而第二组包括层厚小于k微米的层，并且设置在第二主表面的400微米之内，并且用这样的方法挤出树脂流，使第一组的中值厚度不超过第二组的中值厚度。然后把树脂流对浇注轮或其他浇注表面浇注，使第一主表面贴着浇注轮或其他浇注表面。同样，k可以为10，2，1，或0.5。
在本发明的另一个方面，提供一种多层树脂流，其中，大体上所有层厚小于k微米的层设置在树脂流的第一表面的400微米之内，这里，k＜10(例如，k＝10，2，1，或0.5)。这种树脂流的有利之处在于，它可以用于制造光学膜，在该光学膜中，可以通过使第一表面贴着浇注轮或其他表面浇注，方便地控制或者去除最薄的层的劣化。在一个有关的实施例中，提供了树脂流，其中，所有的薄光学层都设置在树脂流的任何一个表面的400微米之内。同样，这种树脂流的有利之处在于，它可以用于制造光学膜，其中，可以通过使两个表面贴着相对的浇注表面浇注，方便地控制或者去除最薄的层的劣化。
附图概述
图1是表示PEN单层和coPEN单层的折射率特性的曲线图；
图2是表示PEN/coPEN多层膜中的内部扩散的作用的光谱；
图3是表示PEN/coPEN多层膜中的内部扩散的作用的光谱；
图4是表示PEN/coPEN多层膜中的内部扩散的作用的光谱；
图5是表示PEN/coPEN多层膜中的内部扩散的作用的光谱；
图6是表示PEN/coPEN多层膜中的内部扩散的作用的光谱；
图7是表示PEN/coPEN多层膜中的内部扩散的作用的光谱；以及
图8是表示本发明的PEN/coPEN多层膜的层构造的示意图。
较佳实施例的详细描述
按照本发明的方法，具有调至可见光谱的蓝光区域的多个薄光学层的多层光学膜是通过使这些层紧靠(例如，在400微米内)浇注轮浇注而制成的。通过用这种方法生产膜，可以避免层整体性的劣化，这种劣化在薄光学层中尤其明显。
按照本发明的方法，在制造多层光学膜中可以使用各种材料。然而，PEN是一种较佳的材料，这是由于在拉伸后它的应力光学系数为很大的正值，并且具有永久双折射，对于波长为550纳米的偏振入射光来说，当偏振面平行于拉伸方向时，其折射率从大约1.64增高至大约1.9。在图1中示出了PEN和70-萘二甲酸酯(naphthalate)/30-对苯二甲酸酯(terephthalate)的共聚多酯(coPEN)在5∶1的拉伸比时所呈现的与不同的平面内轴线相关联的折射率的差。在图1中，下面一条曲线上的数据表示沿横向的PEN以及coPEN的折射率，而上面一条曲线表示沿拉伸方向的PEN的折射率。在可见光谱内，PEN所呈现的折射率的差值为0.25至0.40。通过增加分子取向，能够增大双折射(折射系数的差)。虽然上面已经详细讨论了PEN是作为双折射层的较佳的聚合物，但聚萘二甲酸丁二醇酯(polybutylene naphthalate)以及其他晶状的萘二羧酸聚酯(naphthalene dicarboxylic polyester)也是合适的材料。晶状的萘二羧酸聚酯所呈现的与不同的平面内轴线相关联的折射率的差应该至少为0.05，而最好超过0.20。
两种材料的相互扩散可能对PEN/coPEN多层的这种有效折射率的差值的减小起作用，如示出层间的密度/成份梯度的透射电子显微镜(TEM)照片所示。在一个实验中更详细地考察了这种效应，其中，进料单元如此取向，使较厚的层贴着浇注轮挤出。虽然对于冷却和处理来自模头的挤出物有许多方法，但这里所谓的浇注轮是指与挤出物接触的第一温度受控轧辊(roller)或表面。较薄的(“蓝色”)层应该贴着浇注轮挤出，而较厚的(“红色”)层应该在空气一侧。靠近浇注轮的层冷却得较快，而应该呈现较小的相互作用。到空气的传热极慢，因而在空气一侧的那些层仍然主要由浇注轮冷却。
如例6所示，即使是较厚的的层也会受到相互扩散的影响。对于某些应用，这是不希望的。在这种情形下，可以将第二冷却辊(例如，冷却的夹辊)施加至“空气”一侧，以从膜的两边进行冷却。当薄光学层设置在挤出坯料卷的每一侧表面的400微米之内时，特别希望采用这种这装置。
对于在空气一侧的那些层，它们的冷却速率主要取决于任何存在的保护边界层(Protective boundary Layer，PBL)、表层(skin layer)和光学层的总厚度。对于厚的PBL，调至蓝光和绿光的在空气一侧的较薄的层在其光学性质方面呈现严重劣化，这从图2所示的它们的弱的消光光谱可以看出。对于较薄的PBL，如图3所示，它们在蓝光范围的消光较强，但仍然不如较薄层朝着浇注轮一侧浇注的情形中的那样好，如图4所示。在膜的空气一侧的冷却时间与在浇注轮一侧的冷却时间的差仅仅是秒的数量级的情形下，这些结果是意想不到的。在各种情形下，膜在浇注轮上的时间相同。虽然将扩散作为差异的根源提出，但不打算受此理论的束缚，在浇注轮上的不同的冷却时间也可以使得在不同的情形中形成晶核的程度不同。
上面采用了术语“有效折射率差值”，这是由于一个消光峰的幅值由整个叠层的折射率分布确定，而不是由光学叠层中的峰-峰折射率差值确定。应变引起的结晶化会使主要由PEN构成的层呈现高折射率，其复杂的细节能够导致折射率相对于相邻层的相互扩散成分的极大的非线性变化。例如，在coPEN中由于层间扩散而造成的PEN较高的浓度能够使得coPEN在拉伸时发生由应变引起的结晶化。与PEN的情况相同，这导致折射率有较大的增加。相反，扩散入PEN的coPEN成分能够改变由应变引起的结晶化的开始和后续的发展，例如，通过增加在给定温度下所需的拉伸比，或降低在给定拉伸比下所需的温度，以达到所希望的结晶程度。在对于PEN规定的较高的拉伸温度下，PEN层的受相互扩散材料掺杂的部分可以具有比同一PEN层的其他部分(它们离开层的界面较远)的折射率低得多的折射率。因此，比起各向同性的或弱取向的可混合的聚合物多层系统来，应变引起的结晶化的过程会产生极不相同的光学结果。一些研究者已经描述了这些各向同性的系统。例如，参见M.A.Barger和R.Ramanathan，《塑料工程师协会技术年会第53届年会论文集》，第2卷，第1699页至第1704页(1995年)；以及G.Pollock等人，《应用聚合物科学月刊》，第52卷，第163页至第176页(1994年)。上述参考文献揭示了扩散作为一种方法来消除由对称方波折射率分布造成的奇数阶的高阶消光峰。在一个简单的四分之一波长的叠层中，折射率分布是对称方波。这种叠层具有所有折射率分布的最高的反射，并且只产生奇数阶的高阶峰，诸如三阶、五阶、七阶、等等。rugate滤光器是以正弦折射率分布作出的，它没有高阶的峰。两种材料的相互扩散能够产生带圆角的方波折射率分布。这里示出的例子说明，当涉及应变引起的结晶化时，相互扩散能够在叠层中产生显著的偶数阶的高阶峰，该叠层的挤出方式本来是使它具有对称的方波折射率分布的。偶数阶峰(诸如二阶峰)量不对称的折射率分布的表征。
对于诸如PEN/coPEN的结晶/非结晶多层叠层(其中，高折射率是藉助于对一种材料进行结晶和取向而产生的)，相互扩散能够改变结晶/非结晶界面的位置，产生非对称的叠层。换句话说，结晶层厚度能够以非结晶层为代价而生长，反之亦然。一对光学层的总厚度将大体上不变，但是高折射率层的厚度对低折射率层厚度的比值能够显著地改变。存在这独特的光学构造，是因为coPEN的主要成分是PEN，由此使得PEN可部分混合在coPEN中，反之亦然。因此，在挤出的PEN/coPEN叠层(它具有对于每种材料为1/4波长的光学层)中，扩散/反应/拉伸过程能够改变这种对称性，导致不对称的光学叠层，因而出现二阶反射峰。在图5和6中给出了一个例子，示出对于快速冷却的样品没有二阶峰，而对于冷却慢得多的样品有明显的二阶峰。更高阶的峰也可能改变，但是由于PEN系统的截止波长为400纳米，在这里无法测量。
把一些高、低折射率层对调至特殊的波长，其做法是将给定层中在特定波长的折射率与给定层的厚度的乘积之和设定为特定波长之半。于是，假设在半波长层对的每一层的厚度大致相等，每个单独的层的厚度粗略地与特定波长的四分之一再除以在该特定波长下的折射率的商相等。由于较薄的层更容易受到相互扩散的影响，对于给定的对，如果每一层具有大致相似的层厚，则在一阶近似下这些影响减至最小。由于应变引起结晶的层可以更容易受到这些影响，因此在某些情形中，最好这些材料具有相对于其互补的较低折射率的层较厚的层。于是，对于在450纳米具有平均折射率为1.75的层对(例如，“蓝色”层)，每一层的最终层厚应该大致为64纳米，以调至此波长。若最终拉伸比为6，这些层的浇注厚度应该大致为384纳米(即，0.384微米)。
对于一阶峰，带圆角的不对称方波分布与具有相同的峰-峰折射率差值的对称方波分布相比，将得到较低的反射率。任何中等幅值分布(小于0.3的峰-峰折射率差值)的效能能够与正弦波分布的效能相比较，其做法是计算折射率分布的第一个Fourier展开系数。对于正弦波，此值为1。对于对称方波，此值为4/π。
能够使用二阶反射峰(无论是有意的还是系统的化学组成的人为现象)来替代或补充极薄的挤出层，以在光谱的蓝/紫外端反射光，这些二阶反射峰是由调节得在远红区域产生一阶幅值的层产生的。当这些层是如此之薄，从而它们可能会被在材料层之间的界面区域(厚度与层厚可比较)弄得模糊不清时，这特别有用。采用适当的光学设计，在蓝色或UV区域能够得到高反射率，而无需实际挤出调至这些波长的1/4波长厚的层。通过控制两个熔体流的挤出速率，或是控制它们的相互扩散的温度/时间，以产生不对称的折射率波形，能够调节二阶峰的幅值。可以使用相互扩散来产生不同程度的遍及光学叠层的不对称折射率波形，其做法是对于包括在光学设计中的不同的层，控制其离开浇注轮的相对距离。
进一步用下面的例子来说明本发明。
这里示出的大多数例子包括使用209层的进料单元和两个膜层倍增器，在第一倍增器之前插入保护边界层(PBL)。这样一种构造导致209个光学层的四个“分组”(packet)，它们被保护边界层隔开，这些PBL也被倍增。这种膜的构造在图8中示出。用机械的方法从所考虑的分组的一侧或两侧移去相邻的光学分组，就能够测量209层的各个分组的光学性质。由于在给定的分组的两侧有比较厚的PBL，因此这样做是可能的，而对所考虑的光学层的破坏很小。把四个分开的分组标以分组1，分组2，等等，其中，1是指最薄的光学层的分组，而4是指最厚的层。如此安排倍增器，从而在这里给出的所有的例子中，调节分组1至分组4至单调增加的波长(即，蓝色至红色)的范围。分组4指的是最厚的光学层，而不管它是朝着轮子一侧还是空气一侧浇注的。对于这些例子，所有分组和PBL的实际厚度都汇总在表1中。从该表很容易计算出从给定的分组中的层至浇注轮的距离。PBL#1或#5贴着浇注轮。
                                              表1
                                           拉伸膜的厚度
     微米     微米     微米     微米     微米     微米
表层#1      12.35     19.20     14.49     16.35     3.98     16.05
光学层#1      22.20     22.20     22.20     22.20     22.20     22.20
表层#2      8.00     16.47     7.99     7.85     2.57     3.50
光学层#2      17.76     17.76     17.76     17.76     17.76     17.76
表层#3      19.69     30.17     23.26     26.37     6.35     26.37
光学层#3      14.80     14.80     14.80     14.80     14.80     14.80
表层#4      5.34     10.98     5.33     5.23     1.72     2.33
光学层#4      11.84     11.84     11.84     11.84     11.84     11.84
表层#5      7.64     11.58     9.07     10.32     2.46     10.44
总厚度(微米)      119.62     155.00     126.74     132.73     83.69     125.29
                              浇注坯料卷的厚度
拉伸比      6.1     6.1     6.1     6.1     6.1     6.7
     微米     微米     微米     微米     微米     微米
PBL#5      75.33     117.12     88.39     99.72     24.30     107.56
分组#4      135.42     135.42     135.42     135.42     135.42     148.74
PBL#4      48.83     100.46     48.75     47.90     15.70     23.43
分组#3      108.34     108.34     108.34     108.34     108.34     118.99
PBL#3      120.13     184.03     141.90     160.89     38.75     176.66
分组#2      90.28     90.28     90.28     90.28     90.28     99.16
PBL#2      32.55     66.97     32.50     31.93     10.47     15.62
分组#1      72.22     72.22     72.22     72.22     72.22     79.33
PBL#1      46.60     70.64     55.32     62.94     15.03     69.97
最薄层至轮子的距离(微米)      46.60     874.84     717.81     643*     419*     69.97
总厚度(微米)      730     945     733     810     511     839
*分组#4中从浇注轮算起的平均距离例1
薄层在浇注轮一侧。
通过在水冷却的浇注轮上挤出坯料卷，并且连续地使膜在拉幅机(tenter)中取向而制成包含大约833层的共挤出膜。由一台挤出机以每小时75磅(34千克)的速率传送特性粘度为0.48dl/g(60重量％的苯酚/40重量％二氯苯)的萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，另一台挤出机以每小时85磅(30千克)的速率传送特性粘度为0.58dl/g的70/0/30coPEN(大约70摩尔的2，6 NDC和30摩尔％的DMI)。这些熔体流被引向送料单元，以产生coPEN和PEN光学层。送料单元形成PEN和70/0/30coPEN交替的209层，其两个coPEN外层用作通过送料单元的保护边界层(PBL)。由送料单元对于每种材料产生层厚的近似线性的梯度，最厚层与最薄层的比值大约是1.30。在送料单元后的第三挤出机以大约每小时28磅(13千克)的速度传送相同的70/0/30coPEN作为对称的PBL(在光学层流的二侧的厚度相同)。材料流通过不对称的二次倍增器(two times multiplier)(第5,094,788号第5,094,793号美国专利)，其倍增器比率(multiplier rate)大约是1.25。倍增器比率定义为在主管道(major conduit)中产生的层的平均层厚除以在次管道(minor conduit)中的平均层厚。然后材料流通过第二不对称的二次倍增器，以大约每小时113磅(51千克)的速率添加厚的对称PBL，它也是由第三挤出机馈送的。然后，材料流通过膜模并且送至水冷却的浇注轮，该浇注轮使用的进水口水温大约为摄氏13度。各光学层呈现从膜的浇注轮一侧至空气一侧的大体上单调增加的厚度分布。最薄的光学层最靠近浇注轮。将coPEN熔体处理设备保持在大约华氏530度(摄氏277度)；PEN熔体处理设备保持在大约华氏545度(摄氏285度)，而送料单元、倍增器、表层组件和膜模保持在大约华氏540度(摄氏282度)。
所有的拉伸都在一台拉幅机中进行。将膜预热约20秒至大约华氏303度(摄氏150度)，然后沿横向拉伸，其速率大约25％/秒，拉伸比约为6.7。制造好的膜的厚度大约是125微米。其光谱示于图7。曲线a是沿平行于不拉伸方向偏振的光在正入射时的透射率。曲线b是沿相同方向的p偏振光的透射率，但入射角为60度。曲线c给出了沿平行于拉伸方向偏振的光在正入射时的透射率。例2
最厚的PBL，薄层在空气一侧。
通过在水冷却的浇注轮上挤出坯料卷，并且连续地使膜在拉幅机中取向而制成包含大约833层的共挤出膜。由一台挤出机以每小时79磅(36千克)的速率传送特性粘度为0.48dl/g(60重量％的苯酚/40重量％二氯苯)的萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，由另一台挤出机以每小时86磅(39千克)的速率传送特性粘度为0.58dl/g的70/15/15coPEN(大约70摩尔的2，6 NDC、15摩尔％的DMT和15摩尔％的DMI)。这些熔体流被引向送料单元，以产生PEN和70/15/15coPEN的209层交替层。其两个coPEN外层用作通过送料单元的保护边界层(PBL)。由送料单元对于每种材料产生层厚的近似线性的梯度，最厚层与最薄层的比值大约是1.30。在送料单元后的第三挤出机以大约每小时136磅(62千克)的速率传送相同的70/15/15coPEN作为对称的PBL。然后材料流通过不对称的二次倍增器(第5,094,788号第5,094,793号美国专利)，其倍增器比率大约是1.25。倍增器比率定义为在主管道中产生的层的平均层厚除以在次管道中的平均层厚。在第一倍增器之后，以大约每小时82磅(37千克)的速率添加厚的对称PBL，它也是由第三挤出机馈送的。然后，材料流通过第二不对称的二次倍增器，其倍增器比率约为1.5。然后，材料流通过膜模并且送至水冷冷却的浇注轮，该浇注轮使用的进水口水温度大约为摄氏16度。光光学层呈现从膜的浇注轮一侧至空气一侧大体上单调减少的厚度分布。最厚的光学层最靠近浇注轮。所有的熔体处理设备保持在大约华氏555度(摄氏290度)。
所有的拉伸都在一台拉幅机中进行。将膜预热约20秒至大约华氏315度(摄氏157度)，然后沿横向拉伸至拉伸比约为6.1，其速率大约25％/秒。制造好的膜的最终厚度大约是155微米。这种偏振膜的消光光示于图2。注意，消光率在较短的波长处有很大的下降。标以“a”的在400和425纳米之间的窄的消光峰是一阶峰，它起源于在725和810纳米之间产生一阶峰的层。在从膜移去分组4并且注意到在移去产生“b”消光峰的层之后，“a”峰也不存在这一事实，可以得出这一结论。同样，如上所述移去分组4，则峰“c”保持，如在420纳米处类似的峰那样。总之，此膜从400至600纳米的消光是很弱的。例3
中等厚度的PBL，薄层在空气一侧。
通过在水冷却的浇注轮上挤出坯料卷，并且连续地使膜在拉幅机中取向而制成包含大约833层的共挤出膜。由一台挤出机以每小时76磅(34千克)的速率传送特性粘度为0.48dl/g(60重量％的苯酚/40重量％二氯苯)的萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，由另一台挤出机以每小时89磅(40千克)的速率传送特性粘度为0.58dl/g的70/15/15coPEN(大约70摩尔的2，6 NDC、15摩尔％的DMT和15摩尔％的DMI)。这些熔体流被引向送料单元，以产生PEN和70/15/15coPEN的209层交替层。其两个coPEN外层用作通过送料单元的保护边界层(PBL)。由送料单元对于每种材料产生层厚的近似线性的梯度，最厚层与最薄层的比值大约是1.30。在送料单元后的第三挤出机以大约每小时66磅(30千克)的速率传送相同的70/15/15coPEN作为对称PBL。然后材料流通过不对称的二次倍增器(第5,094,788号第5,094,793号美国专利)，其倍增器比率大约是1.25。倍增器比率定义为在主管道中产生的层的平均层厚除以在次管道中的平均层厚。在第一倍增器之后，以大约每小时83磅(37千克)的速率添加厚的对称PBL，它也是由第三挤出机馈送的。然后，材料流通过第二不对称的二次倍增器，其倍增器比率约为1.5。然后，材料流通过膜模并且送至水冷却的浇注轮，该浇注轮使用的进水口水温度大约为摄氏16度。各光学层呈现从膜的浇注轮一侧至空气一侧大体上单调减少的厚度分布。最厚的光学层最靠近注轮。所有的熔体处理设备保持在大约华氏555度(摄氏290度)。
所有的拉伸都在一台拉幅机中进行。将膜预热约20秒至大约华氏316度(摄氏158度)，然后沿横向拉伸至拉伸比约为6.1，其速率大约25％/秒。制造好的膜的最终厚度大约是127微米。此膜的光谱示于图3。虽然不及图2中的最厚的PBL那样厉害，但在遍及光谱的蓝色端出现明显的光谱泄漏。例4
中等厚度的PBL，薄层在浇注轮一侧。
通过在冷却的浇注轮上挤出坯料卷，并且连续地使膜在拉幅机中取向而制成包含大约833层的共挤出膜。由一台挤出机以每小时92磅(42千克)的速率传送特性粘度为0.48dl/g(60重量％的苯酚/40重量％二氯苯)的萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，由另一台挤出机以每小时105磅(48千克)的速率传送特性粘度为0.58dl/g的70/15/15coPEN(大约70摩尔％的2，6 NDC、15摩尔％的DMT和15摩尔％的DMI)。送料单元产生PEN和coPEN70/15/15的209层交替层。其两个coPEN外层用作通过送料单元的PBL。由送料单元对于每种材料产生层厚的近似线性的梯度，最厚层与最薄层的比值大约是1.30。在送料单元后的第三挤出机以大约每小时79磅(36千克)的速率传送相同的70/15/15coPEN作为对称PBL。然后，材料流通过不对称的二次倍增器(第5,094,788号第5,094,793号美国专利)，其倍增器比率大约是1.25。倍增器比率定义为在主管道中产生的层的平均层厚除以在次管道中的平均层厚。在第一倍增器之后，以大约每小时78磅(35千克)的速率添加另外的对称PBL，它也是由第三挤出机馈送的。然后，材料流通过第二不对称的二次倍增器，其倍增器比率约为1.5。然后，材料流通过膜模并且送至水冷却的浇注轮，该浇注轮使用的进水口水温大约为摄氏8度。各光学层呈现从膜的浇注轮一侧至空气一侧的大体上单调增加的厚度分布。最薄的光学层最靠近浇注轮。所有的熔体处理设备保持在大约华氏555度(摄氏290度)。
所有的拉伸都在一台拉幅机中进行。将膜预热约20秒至大约华氏315度(摄氏157度)，然后沿横向拉伸至拉伸比约为6.1，其速率大约25％/秒。制造好的膜的最终厚度大约是120微米。此膜的光谱如图4所示。注意，在425和470纳米处的消光峰与在较长波长处的消光峰在最小透射值方面是可比拟的。用透射电子显微镜(transmission electron microscopy)看到在500纳米附近的大的光谱泄漏(leak)，这是由于厚度调至那些波长的层分布的不足造成的。在图3中，在460和500纳米之间可辨认出相同的光谱泄漏。图3和4相比较说明，在图4中，从400纳米至650纳米有明显较好的消光。例5
薄的PBL，没有二阶峰。
通过在冷却的浇注轮上挤出坯料卷，并且连续地使膜在拉幅机中取向而制成包含大约833层的共挤出膜。由一台挤出机以每小时92.5磅(42千克)的速率传送特性粘度为0.48dl/g(60重量％的苯酚/40重量％二氯苯)的萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，由另一台挤出机以每小时104.5磅(47.5千克)的速率传送特性粘度为0.58dl/g的70/15/15coPEN(大约70摩尔％的2，6 NDC、15摩尔％的DMT和15摩尔％的DMI)。送料单元产生PEN和coPEN70/15/15的209层交替层。其两个coPEN外层用作通过送料单元的PBL。由送料单元对于每种材料产生层厚的近似线性的梯度，最厚层与最薄层的比值大约是1.30。在送料单元后的第三挤出机以大约每小时25磅(11千克)的速率传送相同的70/15/15coPEN作为对称PBL。然后，材料流通过不对称的二次倍增器(第5,094,788号第5,094,793号美国专利)，其倍增器比率大约是1.25。倍增器比率定义为在主管道中产生的层的平均层厚除以在次管道中的平均层厚。在第一倍增器之后，以大约每小时25磅(11千克)的速率添加另外的对称PBL，它也是由第三挤出机馈送的。然后，材料流通过第二不对称的二次倍增器，其倍增器比率约为1.5。然后，材料流通过膜模并且送至水冷却的浇注轮，该浇注轮使用的进水口水温大约为摄氏8度。各光学层呈现从膜的浇注轮一侧至空气一侧的大体上单调增加的厚度分布。最薄的光学层最靠近浇注轮。所有的熔体处理设备保持在大约华氏555度(摄氏290度)。
所有的拉伸都在一台拉幅机中进行。将膜预热约20秒至大约华氏320度(摄氏160度)，然后沿横向拉伸至拉伸比约为6.1，其速率大约25％/秒。制造好的膜的最终厚度大约是84微米。然后，将三个较薄的光学分组从膜移去，只留下分组4，该分组包含调至红外的最厚的光学层。注意，在图5中，从分组4得到的光谱的蓝色部分看不到二阶消光峰。例6
厚的PBL，诱发的二阶峰。
通过在冷却的浇注轮上挤出坯料卷，并且连续地使膜在拉幅机中取向而制成包含大约833层的共挤出膜。由一台挤出机以每小时92.5磅(42千克)的速率传送特性粘度为0.48dl/g(60重量％的苯酚/40重量％二氯苯)的萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，由另一台挤出机以每小时104.5磅(47.5千克)的速率传送特性粘度为0.58dl/g的70/15/15coPEN(大约70摩尔％的2，6 NDC、15摩尔％的DMT和15摩尔％的DMI)。送料单元产生PEN和coPEN70/15/15的209层交替层。其两个coPEN外层用作通过送料单元的PBL。由送料单元对于每种材料产生层厚的近似线性的梯度，最厚层与最薄层的比值大约是1.30。在送料单元后的第三挤出机以大约每小时78磅(45千克)的速率传送相同的70/15/15coPEN作为对称PBL。然后，材料流通过不对称的二次倍增器(第5,094,788号第5,094,793号美国专利)，其倍增器比率大约是1.25。倍增器比率定义为在主管道中产生的层的平均层厚除以在次管道中的平均层厚。在第一倍增器之后，以大约每小时118磅的速率添加另外的对称PBL，它也是由第三挤出机馈送的。然后，材料流通过第二不对称的二次倍增器，其倍增器比率约为1.5。然后，材料流通过膜模并且送至水冷却的浇注轮，该浇注轮使用的进水口水温大约为摄氏8度。各光学层呈现从膜的浇注轮一侧至空气一侧的大体上单调增加的厚度分布。最薄的光学层最靠近浇注轮。所有的熔体处理设备保持在大约华氏555度(摄氏290度)。
所有的拉伸都在一台拉幅机中进行。将膜预热约20秒至大约华氏320度(摄氏160度)，然后沿横向拉伸至拉伸比约为6.1，其速率大约25％/秒。制造好的膜的最终厚度大约是133微米。然后，将三个较薄的光学分组从膜移去，只留下分组4，该分组包含调至红外的最厚的光学层。注意，图6中可以看出由分组4得到的在光谱的蓝色部分的明显的二阶消光峰。与图5中的例子相比，处理本样品的唯一不同之处在于本例中的较厚的PBL，它使分组4与水冷却的浇注轮相距更远。两个例子(4和5)都意图挤出具有对称方波折射率分布的膜，但图6表明，对于由一种或多种层材料的应变引起的结晶化而得出的这种膜光学的对称性，离浇注轮的距离很重要。
从这些图中的数据，可以得出结论，一般，最薄的层应该最接近浇注轮表面，而较厚的层(它们受相互扩散的影响较小)能在离轮子表面较远的距离处被浇注。较薄的层更容受相互扩散的影响，这是由于，对于给定的界面宽度，与较厚层相比，较薄层的界面宽度占据了总层厚的很大一部分。因此，除非某个应用需要较薄的层以具有较低的光反射功率，较薄层应该比较厚层更快冷却。
表1给出了浇注坯料卷的PBL和光学分组的绝对厚度。将此信息与附图和例子中的数据相关连，能够确定最薄的PEN/coPEN层对与浇注轮表面的较佳距离。例如，在例1中，最薄层离开浇注轮大约70微米，它仅由一层PBL(PBL#1)的厚度与浇注轮隔开。由这些层给的消光是可以接受的(它与由较厚层给出的消光值相同)。在例2和例3中，该距离分别成了875和718微米，它们要比例1中的距离大得多。这些距离过大，从而得不到例1的在400至500纳米的波长范围内的偏振消光值。在例2中，即使分组3的最薄层(它们在与轮表面相隔461微米的距离处被浇注)也允许在600纳米附近有相当大的透射，如图2所示，一般，发现当最薄的光学层在浇注表面大约400微米之内被浇注时可以得到最好的结果。
例5和例6的分组4中的层的光学响应也提供了关于PEN/coPEN光学层与浇注轮表面之间所需的最小距离的信息。在例5中，这些层与轮表面之间的平均距离为419微米，并没有呈现出相互扩散对于它们的光学性质的有害影响。例6示出，位于平均距离643微米处的这些相同的层，产生很强的二阶反射峰。1/2或1/3厚度的层具有成比例地更大的不对称性，如上所述，因而在一阶峰中提供低得多的反射。因为整个PEM/coPEN叠层的光吸收只是在1％的数量级，因此这里能够假设反射率由1-T给出，其中T是透射率。因此，判定与浇注轮相隔650微米的浇注距离过大。根据例5，看来400微米的距离允许光学层能足够快的冷却，以避免光反射功率的损失。当然，这个最小距离是可用于相互扩散过程的保留时间的函数，并且与送料单元和膜模设计的细节以及与挤出和涂覆速率有关。增加保留时间将减小最小距离，反之亦然。
为了有较高的机械强度、容易处理、满足用户要求等等，常常需要较厚的膜。如果所需的膜厚大于光学层厚度的总和，则可通过增加PBL厚度以增加膜厚。此外，能够使内部PBL加厚而不是加厚外部PBL(即，表层)，从而使最薄层更接近浇注轮表面。然而，当浇注坯料卷的总厚度超过400微米时，必须小心，以确保所有光学层(尤其是最薄层)的迅速冷却。
可以作出本发明的各种变更而不偏离本发明的范围。例如，虽然本发明已参照具有两种树脂的交替层的树脂流加以描述，但熟悉本领域的人将理解，本发明同样亦可用于具有多于两种树脂的多层系统。因此，本发明的先前的描述仅仅是说明性的，而不打算是限定性的，本发明的范围应该完全参照所附的权利要求书确定。

Claims (20)

1.一种制造多层光学膜的方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
提供第一和第二树脂；
挤出所述第一和第二树脂，使之成为包括多层并且具有第一和第二主表面的树脂流，其中，所述多层中的至少一些层包括所述第一树脂，而所述多层中的至少一些层包括所述第二树脂，其中，层厚小于k微米，并且设置在所述第一表面400微米之内的层数为m，而层厚小于k微米，并且设置在所述第二表面400微米之内的层数为n，其中，m≥n，而k≤10；以及
贴着浇注表面浇注所述树脂，从而所述第一表面与所述浇注表面接触。
2.一种制造多层光学膜的方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
提供第一和第二树脂；
挤出所述第一和第二树脂，使之成为具有多层并且具有第一和第二主表面的树脂流，其中，所述多层中的至少一些层包括所述第一树脂，而所述多层中的至少一些层包括所述第二树脂，其中，所述多层中的至少一些层是第一类型层，它们具有小于k微米的层厚，这里k≤10，并且，其中，所述第一类型层中的至少一些层设置在所述第一表面的400微米之内，而所述第一类型层中的至少一些层设置在所述第二表面的400微米之内；以及
浇注所述树脂流，从而贴着第一浇注表面浇注所述第一主表面，并且贴着第二浇注表面浇注所述第二主表面。
3.一种制造多层光学膜的方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
提供第一和第二树脂；
挤出所述第一和第二树脂，使之成为具有多层并且具有第一和第二主表面的树脂流，其中，所述多层中的至少一些层包括所述第一树脂，而所述多层中的至少一些层包括所述第二树脂，其中，具有至少一个组成部分，由层厚小于k微米的层组成，并且设置在所述第一表面的400微米之内的第一组所具有的组成部分的数目至少和由层厚小于k微米的层组成，并且设置在所述第二表面400微米之内的第二组的组成部分的数目一样多，这里k≤10，并且所述第一组的中值层厚不大于所述第二组的中值层厚；以及
贴着浇注表面浇注所述树脂，从而所述第一表面与所述浇注表面接触。
4.如权利要求1至3的任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，k＝10。
5.如权利要求1至3的任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，k＝2。
6.如权利要求1至3的任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，k＝0.5。
7.如权利要求1至6的任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，至少所述第一和第二树脂中的一种树脂包括聚酯。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述聚酯是从第一单体得出的，所述第一单体是从包括芳香二羧酸及其酯类的组中选出的。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一单体是萘二羧酸。
10.如权利要求1至9的任何一项所述的方法，其特征在于，所述第二树脂包括从第二单体得出的聚酯，所述第二单体是从包括萘二羧酸、间苯二酸、对苯二酸及其酯类的组中选出的。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第二单体是所述萘二羧酸和所述间苯二酸的共聚物。
12.如权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述第二表面不贴着所述浇注表面浇注。
13.如权利要求1至12的任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述树脂流贴着至少一个浇注表面浇注，所述浇注表面被冷却至低于环境温度。
14.如权利要求1至13的任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述树脂流具有对称的方波折射率分布。
15.如权利要求1至14的任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述树脂流包括多个层分组，它们被至少一个边界层相互隔开，并且在每个所述层分组中的层厚基本上沿层厚的方向单调改变。
16.如权利要求1至15的任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述树脂流包括多个光学层，并且所述光学层呈现从所述第一表面至所述第二表面基本上单调增加的层厚分布。
17.如权利要求1至16的任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，加热所述树脂流到至少约摄氏270度，并且所述树脂流贴着至少一个浇注表面浇注，所述浇注表面用冷却剂冷却，所述冷却剂的温度低于约摄氏20度。
18.如权利要求1至17的任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法还包括下述步骤：
拉伸浇注的所述树脂流。
19.如权利要求1所述的方法，其特征在于，大体上所有层厚小于k微米的层都设置在所述第一表面的400微米之内。
20.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述大体上所有的第一类型层都设置在至少一个浇注表面的大约400微米之内。
CNB988078252A 1997-07-31 1998-06-24 具有薄光学层的多层光学膜的制造方法 Expired - Lifetime CN1135159C (zh)

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