DE4026892A1 - Lichtpolarisierende filme und ein verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents
Lichtpolarisierende filme und ein verfahren zu ihrer herstellungInfo
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- C08J2329/04—Polyvinyl alcohol; Partially hydrolysed homopolymers or copolymers of esters of unsaturated alcohols with saturated carboxylic acids
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft lichtpolarisierende
Filme, enthaltend Polyvinylalkohol und dichroitische
farbgebende Komponenten, gegebenenfalls andere farb
gebende Komponenten, gegebenenfalls Additive und gege
benenfalls oberflächenaktive Verbindungen, dadurch ge
kennnzeichnet, daß sie in zwei oder mehreren Schichten
aufgebaut sind und die an der Phasengrenze zwischen
mindestens zwei Schichten eine sprunghafte Änderung
ihrer Zusammensetzung aufweisen sowie ein Verfahren zu
ihrer Herstellung.
Filme auf der Basis von Polyvinylalkohol (PVAL), die Iod
oder dichroitische Farbstoffe als polarisierende Agen
tien enthalten, sind bekannt.
Technische Verwendung haben bislang allein die Iod-hal
tigen Polarisatoren gefunden, die beispielsweise in den
passiven Flüssigkristall-Displays zur Sichtbarmachung
der Information eingesetzt werden. Bei Anwesenheit von
Feuchtigkeit kennzeichnen diese Filme eine ausgezeich
nete Lichtechtheit und hervorragende dichroitische Ei
genschaften im langwelligen Bereich des sichtbaren Spek
trums. Das wirksame Agens dieser Filme ist der Iod-PVAL-
Komplex (M.M. Zwick, J. Appl. Polym. Sci.; 9 2393-2424
(1965)), der das Tageslicht zwar breitbandig, aber nicht
vollstandig absorbiert. Im kurzwelligen (orange-gelben)
Bereich des Spektrums liegt ein Bereich verminderter
Extinktion, weswegen die Folien eine blaue Eigenfarbe
zeigen.
Dies hat nachteilige Folgen, wenn man z. B. nach dem
Durchgang durch die Folie weißes Licht erhalten will.
Das unpolarisiert durchgelassene Licht vermindert den
Dichroismus und damit die Polarisationsleistung in die
sem Bereiche zur Steigerung des Dichroismus ist man ge
zwungen, die Konzentration an Jod-Komplex zu erhöhen.
Diese Korrektur im kurzwelligen Bereich zieht aber eine
übermaßige Extinktion im langwelligen Bereich nach sich.
Die Folge ist eine deutliche Schwächung des durchgelas
senen Lichts in der Durchgangsstellung. Eine optische
Anzeige, die mit dieser Folie bestückt wird, ist in
ihrer Helligkeit vermindert. Um zu vertretbaren Hellig
keiten zu gelangen, muß man Kompromisse schließen.
Eine wichtige kritische Meßgröße einer universal ver
wendbaren optischen Anzeige ist die Ablesbarkeit bei
verschiedenen Beleuchtungsverhaltnissen, sie wird üb
licherweise als "Perceived contrast ratio" (PCR) ange
geben. Aus diesem folgt, daß die Transmission einerseits
in der Sperrstellung so klein wie möglich (Ablesbarkeit
bei Dunkelheit), andererseits in der Durchgangsstellung
so groß wie möglich (Ablesbarkeit bei Helligkeit) ge
macht werden muß. Dies erfordert eine ganz gleichmäßige,
möglichst hohe Polarisationsleistung des Filters über
den gesamten Bereich des sichtbaren Spektrums, welche
mit der Jodfolie prinzipiell nicht erreicht werden
kann.
Es hat nicht an Versuchen gefehlt, Jod durch Mischungen
anderer dichroitischer Chromophore zu ersetzen, um ein
Neutralgrau mit gleichmaßigen Dichroismus zu erzeugen.
Allerdings bedarf es hierzu beispielsweise einer Gamme
sehr leistungsfähiger Farbstoffe. Sie müssen neben guten
Licht- und Wetterechtheiten eine hohe Extinktion und
einen hohen Dichroismus in der Matrix aufweisen.
So sind vorzugsweise Polyazofarbstoffe vorgeschlagen
worden (Nippon Kayaku JA 59-1 45 255, 60-1 56 759,
60-1 68 743). Obgleich aber der Dichroismus bei den Farb
stoffen eine verbreitete Eigenschaft ist, (vgl. W.
Hanle, H. Scherer, Zeitschr. Naturforsch. 6a 437-439
(1951)) gelang es bisher nicht, die spektralen Eigen
schaften der Jodfolie zu erreichen oder zu übertreffen.
Dies ist dem Fehlen guter Blaunuancen, der Forderung
nach dem hohen Dichroismus des Systems Farbstoff/Matrix
und der verlangten extremen Farbdichte im absorbierenden
Zustand zuzuschreiben. Im Vergleich zu den Farbstoffen
hat nämlich das im Komplex gebundene Iod-Molekül eine
hohe molare Extinktion, sie betragt etwa 43 000 (R.R.
Baldwin, R.S. Baer, R.E. Rundle, J.Am. Chem.Soc., 66 111
(1944)). Da das Chromophor zweiatomig ist, erreicht man
sehr hohe molare Konzentrationen und damit extreme Ex
tinktionen, Farbstoffe, die eine vergleichbare molare
Absorption haben, weisen in der Regel deutlich höhere
- meist 4-8fach höhere - Molgewichte auf, weswegen es
schwer fällt, mit einem Farbstoff die verlangten Extink
tionen zu erhalten. Man ist nämlich gezwungen, sehr hohe
Konzentrationen an Farbstoffen einzusetzen, wobei man
schnell die Grenze der Löslichkeit im Trägermaterial er
reicht und Übersättigungseffekte erhalt. Diese können
sich beispielsweise in unerwünschten Streuungen des
Lichts äußern.
Hinzu kommt, daß zur Erzeugung eines einheitlichen Grau
tons mindestens ein Farbtripel notwendig ist. Natürlich
kann man in solche Tripel prinzipiell nur miteinander
vertragliche Chromophore einsetzen, was angesichts der
Vielzahl zu leistender Eigenschaften eine weitere erheb
liche Einschränkung der Möglichkeiten bedeutet, wenn es
nicht gelingt, die Wechselwirkungen zu harmonisieren,
Da dies selten vollkommen gelingt, hat man immer das
Problem einer Überlastung der Matrix mit Farbstoffen,
was den Aufbau der Folie stört und zu Ausfällungen, In
stabilitäten und Senkung des Dichroismus führt,
Eine weitere Schwierigkeit besteht in der Energieüber
tragung, wie sie bei Farbstoffmischungen, insbesondere
bei Anthrachinon- und Azofarbstoff-Mischungen, häufiger
beobachtet wird (Claussen, Brockes, Kops, Kröck, Neeff,
Proc, SID, 26, 17-22 (1985). Deswegen ist die Beständig
keit gegen Licht eine generelle Schwierigkeit dichro
itischer Chromophore. Man ist in der Regel gezwungen,
sie durch Verwendung von Lichtschutzmitteln zu ver
bessern. Diese Additive müssen mit der Matrix verträg
lich sein, was ein weiteres Problem der Optimierung
aufwirft.
Die Vielfalt der Stoffe und Eigenschaften hat es bisher
verhindert, eine Polarisationsfolie bereitstellen zu
können, deren farbgebende Komponente nicht Iod oder ein
Iod-Komplex ist, obgleich diese deutliche Vorteile in
der breitbandigen Polarisationsleistung sowie der Be
ständigkeit gegen Feuchtigkeit und Wärme hätte.
Wir haben gefunden, daß man polarisierende Filme mit
extrem hohen Extinktionen und störungsfreiem Aufbau
dadurch erzeugen kann, daß man die Filme in zwei oder
mehreren Schichten getrennt aufbaut.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind lichtpolari
sierende Gießfolien, enthaltend Polyvinylalkohol (PVAL)
und dichroitische farbgebende Komponenten, gegebenen
falls andere farbgebende Komponenten, gegebenenfalls
Additive und gegebenenfalls Zusatzstoffe, gekennzeich
net dadurch, daß sie in zwei oder mehreren Schichten
aufgebaut sind, und die an der Phasengrenze zwischen
mindestens zwei Schichten eine sprunghafte Änderung
ihrer Zusammensetzung aufweisen.
Gegenstand der Erfindung sind auch die genannten mehr
schichtigen Gießfolien, die dadurch gekennzeichnet sind,
daß sich mindestens zwei Schichten in der Art und/oder
der Konzentration ihrer farbgebenden Komponenten unter
scheiden.
Als Gießlösungen zur Herstellung der erfindungsgemäßen
Folien kommen wäßrige Lösungen von Polyvinylalkohol und
farbgebenden Komponenten (im folgenden Farbstoffe ge
nannt) in Frage, die noch Additive enthalten können. Be
sonders bevorzugt sind Lösungen mit einem Feststoffge
halt von 4 bis 12 Gew.-% und einem darauf bezogenen
Farbstoffgehalt von 0,1 bis 7 Gew.-%, wobei bei fluores
zenzfähigen Farbstoffen ein Gehalt von 0,1 und 2 Gew.-%,
bei anderen bunten Farbstoffen einer von 4-7 Gew.-%
bezogen auf 100 Gew.-% Feststoffgehalt bevorzugt ist.
Gegebenenfalls können die Gießlösungen noch oberflächen
aktive Verbindungen, besonders anionische oder amphotere
Tenside enthalten, die allein oder in Mischungen einge
setzt werden können um die Benetzungseigenschaften der
Lösungen zu gewährleisten. Der Anteil der oberflächen
aktiven Verbindungen beträgt von 0,001 bis 1 Gew.-%,
vorzugsweise von 0,005 bis 0,1 Gew.-%, bezogen auf
100 Gew.-% Gießlösung.
Geeignete oberflächenaktive Verbindungen sind beispiels
weise Sulfonsäuren, wie Alkansulfonsäuren, insbesondere
Sulfobernsteinsäure-octylester. Perfluoralkansulfon
säuren, insbesondere Perfluoroctansulfonsäure, und ihre
Tetraalkylammoniumsalze, beispielsweise das Tetraethyl
ammoniumsalz, Sulfate, insbesondere sulfatierte Alkyl
phenolpolyglykolether oder Alkylsulfonate, amphotere
Tenside, insbesondere Alkanamidopropylbetaine, bei
spielsweise Lauramidopropylbetain oder die in den "Che
mical Abstracts" mit den folgenden REG-Nrn. aufgeführten
Verbindungen:
73 772-45-9, 96 565-37-6, 4292-10-8, 59 272-84-3, 25 729-05-9, 6179-44-8, 21 244-99-5, 58 793-79-6, 32 954-43-1, 92 836-76-5 oder nichtionische Tenside wie 4-Octylphenolpolyglykolether.
73 772-45-9, 96 565-37-6, 4292-10-8, 59 272-84-3, 25 729-05-9, 6179-44-8, 21 244-99-5, 58 793-79-6, 32 954-43-1, 92 836-76-5 oder nichtionische Tenside wie 4-Octylphenolpolyglykolether.
Gegebenenfalls können den Gießlösungen noch Additive
zugesetzt werden, die eine konzentrationsproportionale
Wirkung auf den Dichroismus haben und somit den Dichro
ismus der Farbstoffe in der Matrix verstärken. Geeignete
Additive im Sinne der Erfindung sind z. B. niedere ein
oder mehrwertige Alkohole wie Methanol, Ethanol oder
Glykol, Glyzerin, Trimethylolethan, Trimethylolpropan,
Pentaerythrit, Sorbit, deren Ether wie Glykolmonomethyl
ether, Glykolmonomethylether, Glykoldimethylether, Di
glykoldimethylether, niedere Hydroxyamine wie Propanol
amin oder Amide wie DMF, N-Methylpyrrolidon, Pyrrolidon
oder C-Caprolactam. Die Additive können allein oder vor
teilhafter in Mischungen eingesetzt werden, wobei als
Mischungsbestandteile auch niedrige einwertige Alkohole,
z. B. Methanol, Ethanol, i-Propanol auftreten können.
Die Konzentration des Dichroismus-verstärkenden Additivs
ist von der individuellen Eigenschaften der eingesetzten
dichroitischen Farbstoffe abhängig. Ihre Höhe ist durch
die technischen Eigenschaften der Gießlösung und der
Folie beschränkt.
Die Additive werden der Gießlösung vorzugsweise in
Mengen zugesetzt, die 5-50 Gew.-%, bezogen auf die Gieß
lösung ausmachen.
Bevorzugte erfindungsgemäße Polyvinylalkohole sind Poly
vinylalkohole, die durch vollständige oder teilweise
Verseifung von Polyvinylacetat hergestellt worden sind,
insbesondere Typen, die in 4%iger wäßriger Lösung eine
Viskosität <4 mPa·s, vorzugsweise 35-70 mPa·s, bei
20oC und einen Verseifungsgrad <80 Mol-%, vorzugsweise
85-100 Mol-% aufweisen.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Her
stellung der erfindungsgemäßen polarisierenden Filme,
dadurch gekennzeichnet, daß man die genannten Gießlösun
gen in an sich bekannter Weise zwei oder mehrmals auf
einer Unterlage mittels eines Mehrfachgießers anträgt
und trocknet, den getrockneten Film von der Unterlage
löst und anschließend monoaxial verstreckt.
Als Farbstoffe kommen alle in der Gießlösung löslichen
organischen Farbstoffe in Frage. Ein Vorteil des Verfah
rens ist es, die Lösungen der Bestandteile einzeln opti
mieren zu können. Man kann sogar in einer Mischung un
verträgliche Farbstoffe in der Folie kombinieren, indem
man beispielsweise eine Trennschicht aus ungefärbtem
Material zwischen die Schichten zwischengießt, um eine
eventuelle Diffusion in die jeweils anders gefärbte
Schicht zu verhindern.
Der Naßauftrag der Schichten ist zwischen 10 und 500 µm
frei einstellbar und kann zur Nuancierung des Aufbaus
der Folie verändert werden. Bei Einsatz eines Kaskaden
gießers zur Herstellung der Schichten ist ein Naßauftrag
von 20-250 µm, bei Verwendung eines Vorhanggießers von
25-600 µm bevorzugt.
Bevorzugte Farbstoffe sind solche, wie sie in
DE-A 39 21 669, DE-A 38 43 414, DE-A 36 15 765 jeweils in
Anspruch 1 beschrieben sind.
Die Anzahl der Schichten ist größer oder gleich zwei,
bevorzugt sind von 2 bis 9 Schichten. Zu Erhöhung der
Farbdichte kann der gleiche Farbstoff gegebenenfalls in
mehreren Schichten hintereinander aufgezogen werden.
Die Schichtenfolge in den erfindungsgemäßen Folien oder
Filmen kann zeitlich nacheinander oder gleichzeitig
unter Verwendung eines Kaskadengießers aufgebaut
werden.
Die lichtpolarisierenden Filme oder Folien können in an
sich bekannter Weise mit anderen doppelbrechungsfreien
Materialien compoundiert oder laminiert werden. Als
Schutzüberzug eignen sich z. B. Folien aus einem Tetra
fluorethylen-hexafluorethylen-Copolymer oder einem
anderen Fluorkohlenwasserstoff-Harz, einem Polyester-,
Polyolefin- oder Polyamid-Harz, einem Polycarbonat oder
Celluloseester, vorzugsweise -(tri)acetat, -propionat
oder -butylrat.
Bevorzugt ist ein Schichtaufbau, bei dem die Lichtsta
bilisatoren in der äußeren Schutzschicht liegen.
Die Schichten lassen sich nach dem Trocknen leicht von
der Unterlage lösen und recken. Das Verstrecken erfolgt
bei Temperaturen von 60 bis 180oC vorzugsweise von
100 bis 150oC um einen Betrag von 300 bis 1000%. Nach Ver
kleben mit einer optisch isotropen und im sichtbaren
Spektralgebiet leeren Folie erhält man Polarisations
folien mit einem sehr guten dichroitischen Verhältnis
und einer frei wählbaren Nuance.
Gewünschtenfalls können die farbstoffhaltigen Filme auch
einer Nachbehandlung, z. B. mit wäßriger Borsäurelösung,
zwecks Verbesserung der Feuchtebeständigkeit oder der
Lichtdurchlässigkeit unterworfen werden. Die Bedingun
gen, unter denen diese Nachbehandlung durchgeführt wird,
können unabhängig vom Filmmaterial und Farbstoff schwan
ken. Vorzugsweise arbeitet man mit einer 1-15-gew.-%igen,
besonders bevorzugt 510gew.-%igen Borsäure
lösung von 30-80oC, besonders bevorzugt bei 50-80oC.
Vorzugsweise setzt man der Borsäurelösung Tenside und
gegebenenfalls anorganische Salze zu. Die Tenside können
nicht-ionisch, kationisch oder anionisch sein, bevorzugt
sind sie nicht-ionisch.
Beispiele für nicht-ionische Tenside sind: Additionspro
dukte von Ethylenoxid an höhere Alkohole oder Phenole,
beispielsweise Nonylphenol. Vorzugsweise verwendet man,
bezogen auf Wasser, 0,005-0,5 Gew.-%, besonders bevor
zugt 0,02-0,2 Gew.-% Tensid. Als anorganische Salze
kommen vorzugsweise Na-sulfat, und weiterhin K-sulfat,
Na-chlorid, KCl, Na-nitrat, K-nitrat in Betracht. Be
zogen auf Wasser werden vorzugsweise 0,1-5 Gew.-%, be
sonders bevorzugt 0,3-3 Gew.-% anorganische Salze ein
gesetzt. Gewünschtenfalls kann noch eine Fixierungsbe
handlung mit einer wäßrigen Lösung einer hochmolekularen
kationischen Verbindung vorgenommen werden.
Gegenstand der Erfindung ist ferner die Verwendung der
erfindungsgemäßen polarisierenden Filme zur Herstellung
von Polarisationsfolien.
Die aus den erfindungsgemäßen Filmen herstellbaren
Polarisationsfolien finden als Polarisationsfilter und
optische Anzeigen Verwendung.
Einer Mischung aus 224 g Polyvinylalkohol (Mowiol
28-99 Viskosität nach DIN 53 015 : 28±2 mPa·s, Hydrolysegrad
99,4±0,4 Mol-%, Esterzahl 8±5 mg KOH/g, Hersteller
Hoechst AG), 4552 g Wasser, 45 g Glycerin und 372 g
Methanol werden 7 g 4,4ß-Azo-(3-(2-sulfo-4-hydroxi-6-N
benzoylamino-)naphthalin) -stilben-2-sulfonsäure hinzu
gefügt und unter Rühren gelöst (Lösung A). Nach 12 h
Rührzeit bei einer Temperatur von 90°C wird über ein
Seitz-Filter geklärt und 50 g einer 4-gew.-%igen wäßri
gen Lösung eines anionischen Tensids hinzugegeben. Die
Viskosität der Gießlösung beträgt jetzt 27,3 mPa·s bei
40°C.
Diese Lösung wird in 130 µm Dicke naß auf ein mit
75 m/min bewegtes Kunststoffband gegossen, über das Warm
luft im Gegenstrom geführt wird. Man erhält einen glat
ten 11 µm dicken Film.
Anschließend übergießt man den Film mit 150 µm Schicht
dicke einer Lösung aus 196 g Polyvinylalkohol (Mowiol
28-99), 40 g Glycerin, 3969 g Wasser und 6 g 4,4′Azo
(4-sulfo-azobenzol)flavonsäure (Lösung B). Man erhält
einen in der Durchsicht tief rubinfarbenen Film der
Dicke 14 µm, der nach dem Recken 1 : 6 ein Kontrastver
hältnis CR im Bereich von 400 bis 600 nm von <20 zeigt.
Das Kontrastverhältnis CR ist entsprechend A. Bloom,
E.B. Priestley, IEEE, ED 24, Seite 1823 (1977) defi
niert.
Zur Herstellung der Lösungen verfährt man wie in Bei
spiel 1 und erhöht den Gehalt des PVAL in Lösung A auf
10 Gew.-%. Man trägt 200 µm dieser Lösung zwischen zwei
30 um dicken Schichten der in Beispiel 1 in Lösung B
gegebenen Zusammensetzung auf einem Vorhanggießer naß
an und erhält nach dem Trocknen einen 25 µm dicken Film,
der nach dem Recken zwischen 400 und 600 nm eine Farb
dichte von 3 und ein Kontrastverhältnis CR von 20 bis
50 hat.
Man verfährt wie in Beispiel 1 und erzeugt einen zwei
schichtigen Film. Nach dem Trocknen des Films trägt man
auf diesen eine analog Lösung A hergestellte Lösung mit
einem Naßauftrag von 130 µm an, die als Farbstoff Direct
Blue 15 (C.I. Nr. 24 400) enthält. Nach dem Trocknen
erhält man einen in der Aufsicht schwarzen 21 µm dicken
Film, der nach dem Recken ein Kontrastverhältnis von <20
über den sichtbaren Spektralbereich zwischen 400 und 650 nm
hat, bei einer Farbdichte von <2,5.
Claims (11)
1. Lichtpolarisierende Gießfolien enthaltend Poly
vinylalkohol (PVAL) und dichroitische farbgebende
Komponenten, gegebenenfalls andere farbgebende Kom
ponenten, gegebenenfalls Additive und gegebenen
falls oberflächenaktive Verbindungen, die dadurch
gekennzeichnet sind, daß sie in zwei oder mehreren
Schichten aufgebaut sind, und die an der Phasen
grenze zwischen mindestens zwei Schichten eine
sprunghafte Änderung der Zusammensetzung aufwei
sen.
2. Gießfolien gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß sich mindestens zwei Schichten in der Art
und/oder der Konzentration ihrer farbgebenden Kom
ponenten unterscheiden.
3. Gießfolien gemäß Anspruch 1 und 2 aus Gießlösungen
mit einem Feststoffgesamtgehalt von 4 bis 12 Gew.-%,
bezogen auf 100 Gew.-% der Gießlösung und
mit einem Gehalt an farbgebenden Komponenten von
0,1 bis 7 Gew.-%, bezogen auf 100 Gew.-% Feststoff
gesamtgehalt.
4. Gießfolien gemäß Anspruch 1 und 2, die als Poly
vinylalkohole solche enthalten, die durch vollstän
dige oder teilweise Verseifung von Polyvinylacetat
hergestellt worden sind.
5. Gießfolien gemäß Anspruch 5, die Polyvinylalkohole
enthalten, die in 4-%iger wäßriger Lösung eine Vis
kosität <4 mPa·s bei 20oC und einen Verseifungs
grad <80 Mol-% aufweisen.
6. Gießfolien gemäß Anspruch 5, enthaltend Polyvinyl
alkohole die in 4-%iger wäßriger Lösung eine Visko
sität von 35-70 mPa·s bei 20oC aufweisen.
7. Gießfolien gemäß Anspruch 5, enthaltend Polyvinyl
alkohole mit einem Verseifungsgrad von 85 bis
100 Mol-%.
8. Gießfolien gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, die nach
dem Verstrecken eine Gesamtschichtdicke von kleiner
als 20 µm aufweisen.
9. Verfahren zur Herstellung von Gießfolien gemäß An
spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man wäßrige
Lösungen von Polyvinylalkohol, dichroitischen farb
gebenden Komponenten, gegebenenfalls anderen farb
gebenden Komponenten, gegebenenfalls Additiven und
gegebenenfalls Zusatzstoffen zwei- oder mehrmals
auf einer Unterlage mittels eines Mehrfachgießers
anträgt und trocknet, den getrockneten Film von der
Unterlage löst und anschließend monoaxial ver
streckt.
10. Verfahren gemäß Anspruch 9, indem der Naßauftrag
der Schichten in Dicken von 10 bis 500 µm erfolgt.
11. Verfahren gemäß Anspruch 9, indem der vor der
Unterlage gelöste Film bei Temperaturen von 60 bis
180oC um einen Betrag von 300 bis 1000% verstreckt
wird.
Priority Applications (4)
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---|---|---|---|
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