一种新型光学偏振薄膜的制备及其性能研究
2021-04-21
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维普资讯 http://www.cqvip.com 夏凌峰等:一种新型光学偏振薄膜的制备及其性能研究 文章编号:1006—6268(2007)04—0048—05 基金项目:广东省科技攻关重点项目(No.102一B26650) 广州市科技攻关重点项目(No.2006z2一D0121) 一种新型光学偏振薄膜的制备及其 性能研究 夏凌峰,曾娣平,曾德长,张亚辉 (华南理工大学机械工程学院,广东广州510640) 摘 要:对还原深蓝BO进行磺化改性处理引入磺酸基,使其成为双亲性化合物。磺化改性后的 还原深蓝BO分子在一定浓度的水溶液中自组装成溶致液晶相。将溶液在玻璃衬底上展开,同 时在其上覆盖另一载玻片进行摩擦涂膜并剪切诱导分子取向分布,溶剂自然蒸发后形成固态偏 振薄膜。用红外光谱对改性后的还原深蓝BO分子的结构进行表征,用偏光显微镜、紫外可见分 光光度计研究其水溶液及其固态偏振薄膜的性质。结果表明:磺酸基的引入改变了还原深蓝 BO分子的极性,它所形成的固态偏振薄膜具有良好的光学偏振效率,最佳偏振效率达到90%以 上,耐热性能测试表明该偏振薄膜的最高耐热温度在200℃以上。 关键词:还原染料;溶致液晶;偏振薄膜 中图分类号:TN141 文献标识码:B Preparation and Performance of A New Polarizing F_lm XIA Ling-feng,ZENG Di-ping,ZENG De-chang。ZHANG Ya—hui (Department of Mechanical Engineering,South China University of Technology, Guangzhou 51 0640,China) Abstract:Modified processes were performed on vat dark blue BO,Sulfonic groups were introduced and converted it into amphiphilic compounds.Lytropic liquid crystals Phases were self——assembled by the sulfonated molecule in a certain aqueous solutions.Spreaded the liquid on glass substrates,simultaneously directionally sheared to induce orientation with another slide.polarizing m were prepared after the solvent evaporated at room temperature.The molecular structure of modified vat dark blue BO was characterized by fourier transform infrared spectroscopy(FTI R).The property of its aqueous solutions and solid polarizing m was investigated by micrOpOlariscOpe and UV-vis spectrophotometer. The results showed that sulfonic groups changed the molecular polarity,The polarization properties of the solid pola rizing m was high,The optimum polarizing efficiency reached above 90%.The thermostability test indicated that the thermostability of solid polarizing m was higher than 200。C. Keywords:vat dye;lytropic liquid crystal;polarizing m 48现代显示Advanced Display Apr.,2007,总第74期 收稿日期:2007—02—21 维普资讯 http://www.cqvip.com 夏凌峰等:一种新型光学偏振薄膜的制备及其性能研究 (20%)和2ml乙酸酐的锥形瓶中,瓶口用胶塞密 1 序言 近年来,液晶显示器以其质轻体薄、低工作电 压、被动显示、无辐射危害、平面直角显示、影像稳定 不闪烁、易于实现大面积显示以及微能耗等优点,逐 步取代CR TI1 l,成为信息时代的关键显示器件。偏振 封,磁力搅拌并水浴加热到95~100。C,恒温2O小 时,倒在冰上析出,抽真空减压过滤,依次用盐酸或 去离子水清洗,直至无硫酸根离子为止。干燥后得到 7.6g磺化还原深蓝BO。 2.2.2溶致液晶的制备 将上述磺化产物配制成浓度为1%的水溶液, 片是液晶显示器件用3大材料(偏振片、液晶、透明 导电玻璃)之一,约占液晶显示器用材料成本的 11% 。传统的碘素偏振片由多层膜压制而成,光学 G5耐酸漏斗过滤,在旋转蒸发器上蒸发制得浓度为 1O%的磺化还原蓝BO溶液。 2.2.3固态偏振薄膜的制备 偏振性能优良,但耐热性能差I ,这在很大程度上限 制了液晶显示器的使用范围。 将载玻片浸在Piranha溶液(由浓硫酸和3O% 双氧水,按7:3的体积比混合配制而成)中搅拌清洗 30min,然后依次用去离子水、无水乙醇超声清洗, 真空干燥。 溶致液晶由双亲化合物和极性溶剂组成的二元 或多元有序结构体系,它可通过机械、物理或化学方 法来实现有机分子在二维平面上的定向排列 。还 原染料是一种二向色性染料,具有优良的耐晒、耐 热,耐气候、耐溶剂等优良性能,在染料市场赢得了“高 级染料“誉称 。通过改性后的还原染料分子在水溶 液中自组装为溶致液晶相,剪切处理后能实现二向 色性染料分子的取向分布旧 ,从而制备出改性还原 染料偏振薄膜。本文选用了还原深蓝BO进行磺化 改性处理,研究涂布其溶液所形成固态薄膜的偏振 性能,并进行了耐热性能实验。 用玻璃棒蘸取适量步骤2_2_2制得的溶液滴在 载玻片上,使其自然铺展开,然后在其上覆盖另一载 玻片摩擦涂膜并剪切取向,干燥后接着浸入1 O%的 BaCI2溶液中5~8秒进行稳定处理,自然干燥,浸 入去离子水中2~3秒,抽出后自然晾干。 2.2.4偏振薄膜的耐热性能测试 将2.2.3制得的磺化还原深蓝BO偏振薄膜置 于电热恒温干燥箱中,在200oC下恒温放置5 4 ̄a,I, 随干燥箱冷却后用紫外可见分光光度计测量薄膜的 偏振性能。 2 实验部分 3讨论与分析 2.1 实验材料及仪器 实验材料有:还原深蓝BO(德国Dystar公司) 为工业纯,发烟硫酸(20%)、浓盐酸等为分析纯。 实验仪器有:偏光显微镜Laborluxl2(德国 Leica公司),红外光谱仪Vector33,紫外可见分光 3.1 磺化产物的FTIR分析 还原深蓝BO不能直接溶解于水,磺化处理是 使其溶于水最有效的改性方法之一。发烟硫酸是一 种工业上经常使用的磺化剂。还原深蓝BO磺化改 光度计Gold S53/54(上海棱光技术有限公司),电热 恒温干燥箱GZX一9030(上海博讯实业有限公司), 性后,引入磺酸基,其分子结构如图1所示。 H03S SO H 磁力搅拌器JB一3,旋转蒸发器R201一B等。 2.2 实验过程 2.2_1 磺化改性及纯化处理 将1Og还原深蓝BO加入到120ml发烟硫酸 Apr.,2007,总第74期 图1 改性还原深蓝BO分子结构 现代显示Advanced Display 49 维普资讯 http://www.cqvip.com 夏凌峰等:一种新型光学偏振薄膜的制备及其性能研究 图2为还原深蓝BO在磺化处理前后的红外光 谱图,由图2可知,还原深蓝BO在磺化处理后引入 布,其稀溶液透明;C.加热溶液,浓缩到一定浓度时, 多聚苯环部分将溶剂水排斥到刚性分子的两侧,而 依靠分子间的共轭作用自组装成有序聚集体;d.聚 了磺酸基,因为其红外光谱的主要特征有:磺化还原 深蓝BO出现了一OH伸缩振动吸收峰3,357cm~, 依据羟基波数大小可知分子间形成了氢键I 。S=O 伸缩振动对应吸收峰1,191 cm~,S—O伸缩振动 集体相互接触而停止长大;e.经剪切作用后,聚集体 被诱导成方向一致的排列。 由于溶致液晶相的刚性较好,当受到剪切力作 用时,液晶相沿着剪切应力方向旋转而定向排列,具 对应的吸收峰为617 cm~。磺酸基以其强烈的极性 使芳环的C—H伸缩振动3,056 cm 消失,而基团 有二向色性的磺化染料分子的发色团会按照一定的 C=O、C=C也受其影响而蓝移或红移。由于极性强 方向分布,从而使涂布薄膜具有光学偏振性能。将制 的磺酸基的引入,使还原深蓝BO成为具有亲水性 得的偏振薄膜置于单偏振光下观察,会出现明显的 和疏水性的双亲性分子。 亮场和暗场,如图4所示。磺化还原深蓝BO溶致液 晶偏振薄膜与传统的碘素偏振片的是偏振方向相 反。溶致液晶取向后,分子平面垂直于载玻片衬底表 面,且垂直于剪切方面排列,这种堆垛结构,使得可 见光中平行于分子长轴方向的E矢量分量大部分被 吸收(除蓝色等波段),而短轴方向的E矢量分量则 顺利透过,形成蓝色偏振薄膜。 \ I 图3溶致液晶偏振薄膜分子结构形成过程模型 (1一亲水基;2一疏水性芳环;T一剪切力) 波数(CIII ) 给 图2还原深蓝BO(a)与其磺化产物(b)的红外光 谱(KBr压片) 一 3.2磺化还原深蓝BO溶致液晶的偏光显微 分析 还原深蓝BO经磺化处理引入磺酸基后具有亲 图4单偏振光下磺化还原深蓝BO偏振薄膜的光 水性,其水溶液蒸发到一定浓度时磺化还原深蓝BO 学显微图。(a)剪切方向垂直入射偏振光方向; 分子将会自组装,其结果是在溶液里形成局部区域 (b)剪切方向平行入射偏振光方向 呈结构有序性的聚集体或称之为溶致液晶…】。该溶 致液晶相在剪切作用下会呈现明显的方向性分布。 3.3磺化还原深蓝BO偏振薄膜的偏振性能 溶致液晶的结晶过程可以用以下模型描述,如图3 分析 所示:a.染料分子经磺化改性引入磺酸基,形成双亲 图5是磺化还原深蓝BO偏振薄膜的光学透过 性化合物;b.磺化改性染料分子在水溶液中均匀分 率(T)及偏振率(P)曲线。由图5(a)及表1可知,该偏 50现代显示Advanced Display Apr.,2007,总第74期 维普资讯 http://www.cqvip.com 夏凌峰等:一种新型光学偏振薄膜的制备及其性能研究 振薄膜具有良好的偏振性能,其平均偏振率接近 70%,在500 600nm的波长范围其偏振效率更是 达到了90%以上,接近传统碘素偏振片,除光学透 过率略低,其他性能均与达到或者超过商用蓝色高 温染料偏振片。图5(b)是对磺化还原深蓝BO偏振 表1磺化还原深蓝BO偏振薄膜与碘素、染料偏振 片的性能 样品名 n 1||% P|% /% /℃ 碘素偏振片 蓝色高温染料偏 振片 0,49 62,2l 98,72 99,98 90 薄膜进行耐热性能测试后测得的光学性能(200oC下 恒温5小时。对比图5(a)与图5(b)可知,在耐热性 能测试前后,该偏振薄膜的光学性能并未发生明显 的变化,亦即磺化还原深蓝BO偏振薄膜的最高耐 热温度大于200oC。与表1列出的碘素偏振片与蓝 36,64 85.28 46.O3 94.28 108 磺化还原深蓝BO 40,7 16,5 69-87 94-3O >200 偏振薄膜 注: 可见光透过率; ~最大偏振效率; 耐热温度 色高温染料偏振片的耐热温度相比,磺化还原深蓝 BO偏振薄膜的耐热性远远高于此二种商业偏振片。 4 结论 还原深蓝BO经发烟硫酸(20%)磺化改性处理 后,引入了磺酸基,成为双亲性化合物,其水溶液在 一定浓度下自组装形成溶致液晶相。该溶致液晶在 透 过 盎 剪切作用下涂布形成的固态薄膜具有良好的偏振性 能,其最高光学偏振率高达90%以上,应用前景看 好。耐热性能测试表明,磺化还原深蓝BO偏振薄膜 具有非常优异的耐热性,这对开发适用于高温下的 液晶显示器件用偏振片具有重要意义。 (%) 波长(r 参考文献 【1】黄锡珉.平板显示技术的发展【J】.液晶与显示, 2002,17(5):317—322. 【2】黄锡珉.液晶显示技术发展轨迹【J】.液晶与显 示,2003,18(1):126. 【3】万博泉,张百哲,高鸿锦等.国内外LCD发展动 向【J】.光电子技术,1 998,1 1(1):23—38. 【4】William J Gunning,James Foschaar.Imp rove- ment in thetransmission of iodine—polyvinyl alcohol polarizers【J】.Applied optics,1 983,20 (20):3229—3231. 波长(r 【5】Gudrun Schmidt,Stefan M 0 Iler,Peter Lind- ner,et a1.Shear orientation of lyortropic hex- agonal phases【J】.Journal of Phys Chem B 图5磺化还原深蓝BO偏振薄膜的光学性能 (a)耐热性能测试前;(b)耐热性能测试后 Journal of Phys Chem B,1998,1 02(3):507— 51 3. 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