JP7841941B2

JP7841941B2 - 延伸フィルムの破断張力の評価方法

Info

Publication number: JP7841941B2
Application number: JP2022084198A
Authority: JP
Inventors: 亘大橋; 裕史田邊
Original assignee: Kuraray Co Ltd
Current assignee: Kuraray Co Ltd
Priority date: 2022-05-24
Filing date: 2022-05-24
Publication date: 2026-04-07
Anticipated expiration: 2042-05-24
Also published as: JP2023172417A

Description

本発明は、延伸フィルムの破断張力の評価方法に関する。

プラスチックフィルムは延伸されることで様々な機能を持った延伸フィルムに加工され、延伸フィルムは光学用途や食品包装用途など幅広い分野で使用される。

光学用途の代表例としては偏光フィルムが挙げられる。偏光フィルムはその表面に三酢酸セルロース（ＴＡＣ）フィルムなどの保護フィルムが貼り合わされることで偏光板へと加工され、光の透過及び遮蔽機能を有することから、液晶表示装置（ＬＣＤ）の基本的な構成要素として用いられている。ＬＣＤは、電卓及び腕時計などの小型機器、ノートパソコン、液晶モニター、液晶カラープロジェクター、液晶テレビ、車載用ナビゲーションシステム、携帯電話、スマートフォンなど屋内外で用いられる計測機器などの広い分野で用いられている。

偏光フィルムとしてはポリビニルアルコール（以下、ＰＶＡと称すことがある）フィルムを一軸延伸してなるマトリックス（一軸延伸して配向させた延伸フィルム）にヨウ素系色素（Ｉ_３ ^－やＩ_５ ^－等）等の二色性色素が吸着しているものが主流となっている。このような偏光フィルムは、二色性色素を予め含有させたＰＶＡフィルムを一軸延伸する、ＰＶＡフィルムの一軸延伸と同時に二色性色素を吸着させる、ＰＶＡフィルムを一軸延伸した後に二色性色素を吸着させるなどして製造される。

過酷な環境下でＬＣＤを使用した場合、ＬＣＤに含まれる偏光板に急激な温度変化が負荷され、保護フィルムの寸法変化に偏光フィルムが追随できず、偏光フィルムが割れてしまい、偏光板から光漏れが生じてしまうことが問題となっている。このため、近年では偏光板や偏光フィルムに対する耐ヒートサイクル性（急激な温度変化に対する耐久性）への要求が高度化している。

特開２０１３－７１３１４号公報特開２００９－１０４０６２号公報特開２０１１－２４８２９３号公報特開２０１６－４２１８号公報

従来、偏光板の耐ヒートサイクル性の評価については、簡易な評価系や代替指標がなく、パネルやガラス板に偏光板を貼り付けて試験をしていた。このため、試験に時間が掛かる、材料費が掛かる、大量のサンプルを評価できないなどの問題点があった（特許文献１、２）。

また、プラスチックフィルムの引裂強度に関する評価方法が知られている。例えば、プラスチックフィルムの裂けやすさを評価する尺度として引き裂き強度が知られており、延伸フィルムの延伸方向と平行に切れ目を入れ、この切れ目の基点から延伸フィルムを引き裂き、そのときの引き裂き強度を、引張試験機を用いて測定する方法が知られている（特許文献３）。また、特定の形状の突き刺し具を使用して、延伸フィルムの突き刺し強度を測定する方法が知られている（特許文献４）。しかしながら、これらは偏光板や偏光フィルムの耐ヒートサイクル性を評価する方法ではない。

そこで本発明は、上記従来の問題点を鑑みなされたものであって、偏光板を作製することなく、簡易な操作で、高い信頼性を伴って、偏光板や偏光フィルムの耐ヒートサイクル性の評価方法を提供することを課題とする。

本発明者らは鋭意検討した結果、特定の操作で延伸フィルムの引張試験を行った結果と偏光フィルムの耐ヒートサイクル性が相関していることを見出し、当該知見に基づいてさらに検討を重ねて本発明を完成させた。

本発明は［１］～［３］を提供する。
［１］下記Ａ～Ｃの操作を順に行う、偏光板の耐ヒートサイクル性の評価方法。
操作Ａ延伸フィルムから延伸方向に５ｃｍ、垂直方向３ｃｍの寸法の試験片を得る（これを試験片１とする）
操作Ｂ前記試験片１の中央部に延伸方向に１～２０ｍｍの切れ込みを入れる（これを試験片２とする）
操作Ｃ引張試験機のチャック間距離を１０ｍｍに設定して、引張速度１～１５ｍｍ／分で前記試験片２を延伸フィルムの延伸方向に対して垂直方向に引っ張る
［２］前記延伸フィルムの厚みが１０～４０μｍである、［１］に記載の評価方法。
［３］前記延伸フィルムが偏光フィルムである［１］又は［２］に記載の評価方法。

本発明によれば、偏光板を作製することなく、簡易な操作で、高い信頼性で偏光板や偏光フィルムの耐ヒートサイクル性を評価できる。

試験片２を示す図である。

本発明の偏光板及び偏光フィルムの耐ヒートサイクル性の評価方法は、下記の操作を順に行う。
操作Ａ延伸フィルムから延伸方向に５ｃｍ、垂直方向３ｃｍの寸法の試験片を得る（これを試験片１とする）
操作Ｂ前記試験片１の中央部に延伸方向に１～２０ｍｍの切れ込みを入れる（これを試験片２とする）
操作Ｃ引張試験機のチャック間距離を１０ｍｍに設定して、引張速度１～１５ｍｍ／分で前記試験片２を延伸フィルムの延伸方向に対して垂直方向に引っ張る
なお、本発明において、垂直方向とは延伸フィルムの延伸方向に対する垂直方向の意味であり、単に垂直方向と略記することがある。
また、本明細書において、「ＸＸ～ＹＹ」との数値範囲の記載がある場合、「ＸＸ以上ＹＹ以下」を意味する。

本発明の効果が得られる理由は必ずしも定かではないが、次のように考えらえる。偏光フィルム、粘着剤、保護フィルムでそれぞれヒートサイクル試験時の寸法変化量が異なる。これらの部材はヒートサイクル試験中に互いに追随しながら寸法変化を繰り返し、結果、偏光フィルムの延伸方向と、その垂直方向に繰り返しの応力が負荷されることになる。一方、一般的に偏光フィルムは延伸方向にＰＶＡが高度に配向し、延伸方向よりもその垂直方向の応力に対して著しく弱いことが知られており、ヒートサイクル試験後のクラックの要因は延伸方向よりも、その垂直方向の影響が大きいと考えられる。したがって、特定の切れ込みを有する試験片を延伸方向と垂直方向に引っ張り、その破断特性を評価することで、偏光フィルムの、ひいては偏光板の耐ヒートサイクル性を評価することができると考えられる。

本発明において用いる延伸フィルムは、特に制限は無く、公知の延伸フィルムを用いることができる。延伸フィルムとしては、例えば、延伸ＰＥＴフィルム、延伸ＰＣフィルム、延伸ＣＯＰフィルム、延伸ＥＶＯＨフィルム、延伸アクリルフィルム、延伸ＰＶＡフィルムなどが挙げられる。延伸フィルムとしては延伸ＰＶＡフィルムであることが好ましい。

本発明において、延伸フィルムとして延伸ＰＶＡフィルムを用いる場合、その延伸フィルムから製造される偏光フィルムであってもよい。延伸ＰＶＡフィルムや偏光フィルムの製造方法については、例えば、特開２０１７－１０６９６９号公報、特開２０１２－４７７９９号公報、特開平５－２１０９号公報などに記載されている。

本発明に用いる延伸フィルムの厚みについては、特に制限はないが、再現性の観点から延伸フィルムの厚みが１０～４０μｍであることが好ましい。

操作Ａは、延伸フィルムから延伸方向に５ｃｍ、垂直方向３ｃｍの寸法の試験片を得る操作である（これを試験片１とする）。試験片１の取得箇所については、特に制限はないが評価の再現性の観点から、延伸フィルムの垂直方向の長さを１００％としたとき、両端１０％を除いて残る８０％の中から取得することが好ましい。

操作Ａにおいて、試験片１を切り出す治具としては特に制限はなく、カッターなどを用いることができる。

操作Ｂは、前記試験片１の中央部に延伸方向に１～２０ｍｍの切れ込みを入れる操作である（これを試験片２とする）。このとき中央部とは、試験片１の２組の対頂点を結ぶ対角線の交点である。中央部を定めた後、延伸方向に切れ込みを入れるが、切れ込みの中央に前記交点が重なるように延伸方向に切れ込みを入れる。例えば、切れ込みが５ｍｍの場合、交点から延伸の進行方向に２．５ｍｍ、反対方向に２．５ｍｍずつ合計５ｍｍの切れ込みを入れる。後述する引張試験の再現性を高める観点から、１～１５ｍｍの切れ込みが好ましく、１～１０ｍｍの切れ込みがより好ましく、１～５ｍｍの切れ込みがさらに好ましい。切れ込みの長さが１ｍｍよりも小さい場合、切れ込みとしての機能が不足して破断開始位置が一定に定まらず、精度よく測定することが困難となる。一方で切れ込みの長さが２０ｍｍよりも大きい場合、破断張力が小さくなり、小さな衝撃でも試験片２が割れるようになるため、精度よく測定することが困難となる。また、試験片２の取り扱い性が低下するため測定効率も低下する。

操作Ｂにおいて、試験片１に切れ込みを入れる治具としては特に制限はなく、カッターなどを用いることができる。

操作Ｂで得られた試験片２は、そのまま操作Ｃで使用してもよいが、引張試験の再現性の観点から、２０～３０℃／２０％ＲＨ～６０％ＲＨの範囲で１６時間、調湿することが好ましい。２０％ＲＨよりも低い湿度で調湿することは経済的に不利なため好ましくなく、６０％ＲＨよりも高い湿度で調湿すると、試験片２が吸湿する水分が多くなり、試験片２の状態が変化することがあるため好ましくない。温度においては、２０℃よりも低温にすることは経済的に不利なため好ましくなく、３０℃を超える場合は作業性が低下するため好ましくない。

操作Ｃは、引張試験機のチャック間距離を１０ｍｍに設定して、引張速度１～１５ｍｍ／分で前記試験片２を延伸フィルムの延伸方向に対して垂直方向に引っ張る操作である。

操作Ｃで使用する引張試験機は、応力－歪み曲線（Ｓ－Ｓ曲線）が測定できる装置であれば特に制限はないが、例えば、万能材料試験機（株式会社インストロン）、引張試験機（オートグラフ、株式会社島津製作所）などが挙げられる。

操作Ｃにおいて、引張試験機で使用するロードセルは、１Ｎ以上の試験力を測定できるものであれば特に制限はないが、延伸フィルムの破断する張力が大きくないため、容量が１０ｋＮ以上のものは不適切であり、１ｋＮ以下のものが好ましい。

操作Ｃにおいて、引張試験機のチャック間距離は１０ｍｍである。試験片２の延伸フィルムの延伸方向に対して垂直方向と引張方向とが平行になるように、試験片２をチャックに取り付ける。

操作Ｃにおいて、引張試験機の引張速度は１～１５ｍｍ／分である。測定の再現性の高めるためには、引張速度は１～１０ｍｍ／分が好ましく、１～６ｍｍ／分がより好ましい。

操作Ａから操作Ｃを５回繰り返して延伸フィルムが破断したときの張力（破断張力）を５回計測し、その平均値と標準偏差を算出した。次に、算出した標準偏差を平均値で除することで、破断張力の変動係数を算出した。また、破断張力を試験片２の断面積で除した値を破断応力（Ｎ／ｍｍ^２）とし、破断応力についてもその平均値と変動係数を算出した。なお、測定結果としては、算出した破断張力及び破断応力の平均値とそれらの変動係数を採用した。

本発明の評価方法によって得た偏光フィルムの破断応力と、実際にその偏光フィルムを用いて実施した偏光フィルムのヒートサイクル試験後のクラックの発生本数とが相関していた。すなわち、破断応力が大きいフィルムはヒートサイクル試験でのクラックの発生数が少ない。加えて、破断応力の変動係数が小さいことから、高い信頼性で再現性よく偏光フィルムおよび偏光板の耐ヒートサイクル性を評価することができる。

以下に本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。
なお、以下の実施例および比較例において採用された、各評価方法を以下に示す。

（１）ＰＶＡフィルムの軟化点測定
測定対象となるＰＶＡフィルムの幅方向中央部から、幅方向に３ｃｍ、長さ方向に３ｃｍの正方形のサンプルを切り出し、第一理化株式会社製自動軟化点測定装置「ＥＸ－８２０」を使用して当該サンプルの軟化点温度を測定した。具体的には、上記のサンプルを、中央に直径１ｃｍの円形の穴のあいた厚み１ｍｍで３ｃｍ角のステンレス板と、中央に１ｃｍ×２ｃｍの長方形の穴のあいた厚み１ｍｍで３ｃｍ角のステンレス板に挟み、円形の穴のあいたステンレス板の方を上面にして架台に設置して、円形の穴の中央に位置するフィルム上にＪＩＳＢ１５０１：２００９に定める鋼球（呼び：３／８（直径９．５２５ｍｍ）、等級：Ｇ６０、質量：３．５ｇ±０．０５ｇ）を載せた。続いて２５℃の蒸留水を７５０ｍＬ入れ、毎分５℃で昇温し、サンプルが架台から２５ｍｍの位置まで降下したときの温度をフィルムの軟化点温度とした。

（２）延伸張力の測定
以下の製造例において、延伸工程における延伸張力は、延伸工程において隣接するロール間にかかる張力を、その間に設置したテンションロールによって計測した。３本以上のロールを用いるときには、その中の最大の延伸張力を採用した。

（３）偏光フィルムのヒートサイクル試験
製造した偏光フィルムを用いてヒートサイクル試験を行った。下記の製造例で製造した偏光フィルムを２３℃／５０％ＲＨで１６時間調湿したあと、幅方向（延伸方向と垂直方向）の中央部から、延伸方向に１４０ｍｍ、幅方向に８０ｍｍの大きさになるように切り出した。その後、長辺方向が１６０ｍｍ、短辺方向が９０ｍｍ、厚さが１ｍｍのガラス板（ＥＡＳＴＪＡＰＡＮＧＬＡＳＳ株式会社）の片側表面に、アクリル系粘着剤（株式会社美館イメージング製ＭＰＤ６２厚み２５μｍ）とラミネート機（株式会社ユーボン製、ラミーマンＩＫＯ－３６０ＥＩＩ）を用いて、ガラス板の長辺方向と偏光フィルムの延伸方向が平行になるように、偏光フィルムの貼合を行った。偏光フィルムを貼り合わせたガラス板をヒートサイクル試験機（楠本化成株式会社製冷熱衝撃試験機ＥＴＡＣＷＩＮＴＥＣＨＮＴ５３０Ａ）内に静置し、－３５℃／３０分から８０℃／３０分の冷熱衝撃試験を６サイクル行った。６サイクル後、偏光フィルムを貼合したガラス板を取り出し、偏光フィルムに生じたクラック（偏光フィルムに発生した延伸方向に平行な割れ）の本数を数え、クラックの本数が少ないほど耐ヒートサイクル性は良好と判断した。

偏光フィルムの製造方法
［製造例１］
株式会社クラレ製のＰＶＡフィルム「ＶＦ－ＰＥ＃４５００（軟化点温度６８．１℃）」を６５０ｃｍ幅にスリットした。スリットしたＰＶＡフィルムを、膨潤工程において、温度２５℃の水中に９０秒間浸漬している間に元の長さの２倍に長さ方向（ＭＤ）に一軸延伸（１段目延伸）した。引き続き染色工程において、ヨウ素を０．０９３質量％およびヨウ化カリウムを２．１４質量％含む温度３２℃の水溶液に１６３秒間浸漬している間に元の長さの２．４倍まで長さ方向（ＭＤ）に一軸延伸（２段目延伸）した。引き続き架橋工程において、ホウ酸を２．６質量％の濃度で含有する温度３２℃の水溶液に１３５秒間浸漬している間に元の長さの３倍まで長さ方向（ＭＤ）に一軸延伸（３段目延伸）した。引き続き延伸工程において、ホウ酸を２．８質量％およびヨウ化カリウムを５質量％の濃度で含有する温度５９．３℃の水溶液中に浸漬している間に元の長さの６．０倍まで長さ方向（ＭＤ）に一軸延伸（４段目延伸）した。延伸工程における最大延伸張力は２９４Ｎであった。引き続き洗浄工程において、ホウ酸を１．５質量％およびヨウ化カリウムを５．４質量％の濃度で含有する温度２２℃の水溶液中に１０秒間浸漬することによりフィルムを洗浄した。引き続き乾燥工程において、８０℃の乾燥機で９０秒間乾燥することにより、厚み１９．０μｍの偏光フィルムを製造した。なお、偏光フィルムの厚みの測定は、小野測器社の「デジタルゲージカウンターＤＧ－５１００」、小野測器社の「リニアゲージセンサーＧＳ－３８１３」、及び小野測器社の「ゲージスタンドＳＴ－０２３０」を用いて行った。

［製造例２］
株式会社クラレ製のＰＶＡフィルム「ＶＦ－ＰＥ＃４５００（軟化点温度６７．４℃）」を用いたこと以外は製造例２と同様の方法で偏光フィルムを製造した。製造時の最大延伸張力は２３７Ｎであり、製造した偏光フィルムの厚みは１８．０μｍであった。

［製造例３］
株式会社クラレ製のＰＶＡフィルム「ＶＦ－ＰＥ＃４５００（軟化点温度６７．１℃）」を用いたこと以外は製造例２と同様の方法で偏光フィルムを製造した。製造時の最大延伸張力は１９７Ｎであり、製造した偏光フィルムの厚みは１７．８μｍであった。

［製造例４］
株式会社クラレ製のＰＶＡフィルム「ＶＦ－ＰＳ＃６０００（軟化点温度６８．５℃）」を膨潤工程において、温度２５℃の水中に９０秒間浸漬している間に元の長さの２倍に長さ方向（ＭＤ）に一軸延伸（１段目延伸）した。引き続き染色工程において、ヨウ素を０．０９３質量％およびヨウ化カリウムを２．１４質量％含む温度３２℃の水溶液に１６３秒間浸漬している間に元の長さの２．４倍まで長さ方向（ＭＤ）に一軸延伸（２段目延伸）した。引き続き架橋工程において、ホウ酸を２．６質量％の濃度で含有する温度３２℃の水溶液に１３５秒間浸漬している間に元の長さの３倍まで長さ方向（ＭＤ）に一軸延伸（３段目延伸）した。引き続き延伸工程において、ホウ酸を２．８質量％およびヨウ化カリウムを５質量％の濃度で含有する温度５５．４℃の水溶液中に浸漬している間に元の長さの６．０倍まで長さ方向（ＭＤ）に一軸延伸（４段目延伸）した。延伸工程における最大延伸張力は５７１Ｎであった。引き続き洗浄工程において、ホウ酸を１．５質量％およびヨウ化カリウムを５．４質量％の濃度で含有する温度２２℃の水溶液中に１０秒間浸漬することによりフィルムを洗浄した。引き続き乾燥工程において、８０℃の乾燥機で９０秒間乾燥することにより、厚み２５．０μｍの偏光フィルムを製造した。

［実施例１］
製造例１で作製された厚み１９．０umの偏光フィルムについて、幅方向の中央部から、延伸方向に５０ｍｍ、幅方向に３０ｍｍの大きさに切り出した。次に切り出した偏光フィルムの中央部に延伸方向に５ｍｍの切れ込みを作製した。こうして作製した試験片を２３℃／５３％ＲＨで１６時間調湿した。次に２３℃／５３％ＲＨの環境下で、万能材料試験機５９４２（株式会社インストロン製）に調湿した試験片を、幅方向が引張方向と平行になるようにチャック（チャック間距離１０ｍｍ）に取り付けた。その後、試験片を１ｍｍ／ｍｉｎの速さで破断するまで引っ張り、試験片が破断する張力を測定した。なお、ロードセルは株式会社インストロン製の容量が５００Ｎのものを使用した。破断する張力の測定はＮ＝５で行い、その平均値（破断張力）と変動係数を算出した。また、破断する張力を試験片の断面積で除した値を破断する応力（Ｎ／ｍｍ^２）とし、破断する応力についても、その平均値（破断応力）と変動係数を算出した。その結果を表１に示した。また、延伸張力と破断張力の関係を図１に示した。

［実施例２］
製造例１の偏光フィルムの代わりに、製造例２の偏光フィルムを用いた以外は、実施例１と同様である。

［実施例３］
製造例１の偏光フィルムの代わりに、製造例３の偏光フィルムを用いた以外は、実施例１と同様である。

［実施例４］
製造例１の偏光フィルムの代わりに、製造例４の偏光フィルムを用いた以外は、実施例１と同様である。

［実施例５］
製造例１の偏光フィルムの代わりに、製造例４の偏光フィルムを用いたことと、引張速度を１ｍｍ／ｍｉｎから５ｍｍ／ｍｉｎに変更したこと以外は、実施例１と同様である。

［比較例１］
製造例１の偏光フィルムの代わりに、製造例４の偏光フィルムを用いたことと、引張速度を１ｍｍ／ｍｉｎから２０ｍｍ／ｍｉｎに変更したこと以外は、実施例１と同様である。

［比較例２］
製造例１の偏光フィルムの代わりに、製造例４の偏光フィルムを用いたことと、引張速度を１ｍｍ／ｍｉｎから１００ｍｍ／ｍｉｎに変更したこと以外は、実施例１と同様である。

［比較例３］
製造例１の偏光フィルムの代わりに、製造例４の偏光フィルムを用いたこと、５ｍｍの切れ込みを入れなかったこと以外は、実施例１と同様である。

［比較例４］
製造例１の偏光フィルムの代わりに、製造例４の偏光フィルムを用いたこと、切れ込みの大きさを５ｍｍから２５ｍｍに大きくしたこと以外は、実施例１と同様である。

表１において、偏光フィルム製造時の延伸張力が大きいほど、引張試験の破断張力及び破断応力（すなわち、延伸方向に対して垂直方向の破断張力及び破断応力）は小さくなる傾向にある。そして、引張試験の破断張力及び破断応力が小さくなるにつれて、ヒートサイクル試験におけるクラック発生数は増加する。言い換えれば、延伸方向に対して垂直方向に引っ張った際に割れやすいフィルムはヒートサイクル試験でも割れやすい。これらの結果から、偏光フィルム製造時の延伸張力、引張試験の破断張力及び破断応力、およびヒートサイクル試験における割れ発生数は相関関係にあることが分かる。
そして、特定の切れ込みを有する偏光フィルムを特定の試験速度で引張試験を行った場合、破断張力及び破断応力の変動係数が小さい、すなわち数値のバラつきが小さいことがわかる（実施例１－５）。
以上から、本発明の方法を用いることにより、偏光板を作製することなく、簡易な操作で、高い信頼性で偏光板や偏光フィルムの耐ヒートサイクル性を評価できる。

Claims

下記Ａ～Ｃの操作を順に行う、ポリビニルアルコール系フィルムからなる偏光フィルムを有する偏光板の耐ヒートサイクル性の評価方法。
操作Ａ延伸フィルムから延伸方向に５ｃｍ、垂直方向３ｃｍの寸法の試験片を得る（これを試験片１とする）
操作Ｂ前記試験片１の中央部に延伸方向に１～２０ｍｍの切れ込みを入れる（これを試験片２とする）
操作Ｃ引張試験機のチャック間距離を１０ｍｍに設定して、引張速度１～１５ｍｍ／分で前記試験片２を延伸フィルムの延伸方向に対して垂直方向に引っ張る
ただし、前記延伸フィルムが前記偏光フィルムである。
前記延伸フィルムの厚みが１０～４０μｍである、請求項１に記載の評価方法。