溶胀度对PVA光学薄膜拉伸性能的影响

吴云柱，唐成宏

（安徽皖维高新材料股份有限公司，安徽 巢湖238002）

有机发光二极管(OLED)目前是液晶显示面板行业大力发展的方向，同时又开发出自动矩阵有机发光二极管板面板（AMOLED）等新型面板。其中需要的关键材料即是起到偏光作用的偏振片，偏振片中起到偏振作用的是被碘液染色的聚乙烯醇（PVA）膜。现有生产偏光片的主要方法是将成型后的PVA膜预溶胀、碘染色、单轴延伸，再经硼酸固化后形成偏光膜，两边再各贴合保护膜。在染色拉伸过程中，PVA 吸附碘，碘随着拉伸方向形成一条长链，碘分子链具有很好的偏光性能，吸附碘的PVA膜也具有偏光性能。PVA薄膜的拉伸倍率越高，膜中的碘链起到的偏光性能越好。

PVA 光学薄膜的溶胀度是指将PVA 膜置于30℃的水中，以150%/min的拉伸速率拉伸一定倍数后，取出吸干膜面水分，称其质量，然后放入烘箱中烘干，溶胀度=烘干前的质量/烘干后的质量。PVA膜的生产流程为：将膜用PVA、增塑剂（通常是甘油）、添加剂加入水中，配制一定浓度的PVA 原液，经挤出机脱泡，均化后流延，薄膜经过热处理工序，最终定型成膜。薄膜热处理过程中会影响薄膜的结晶状况，进而影响薄膜的溶胀度。薄膜的溶胀度过小，PVA 光学膜在水溶液中拉伸时，随着拉伸倍率的提高，薄膜韧性变小，导致拉伸时所需的应力偏大，容易断膜；若薄膜的溶胀度过大，薄膜在拉伸过程中易出现褶皱。

本文制备了不同热处理条件下的PVA 光学薄膜，分析不同热处理条件下薄膜的溶胀度，并进一步探究了溶胀度对薄膜拉伸性能的影响。

1 实验部分

1.1设备与材料

PVA：20-99，安徽皖维集团；甘油：医药级，丰益油脂科技有限公司；十二烷基苯磺酸钠：分析纯，国药化学试剂有限公司；PVA光学薄膜生产装置，安徽皖维集团；PVA光学薄膜拉伸试验装置，安徽皖维集团；电子天平，上海精科天美科学仪器有限公司；电热恒温鼓风干燥箱：DHG-9070，上海三发科学仪器有限公司；分切机，大华工控公司；差示扫描量热仪（DSC），Q2000，TA公司。

1.2 PVA光学薄膜的制备(表1)

将1 000 kg 的PVA、100 kg 的甘油、1 kg 的十二烷基苯磺酸钠溶于3 m的水中，配制质量浓度为33%的铸膜原液，将铸膜原液经挤出机脱泡后，过滤并通过模头流延成型，然后进入烘箱进行热处理定型，收卷成膜，膜厚为60 μm。改变热处理条件，制备出不同热处理条件下的PVA膜样品。

表1 不同的热处理条件下的膜样品

1.3 性能测试

1.3.1 PVA膜的拉伸性能测试

使用分切机，对PVA 膜进行分切，分切宽度为300 mm 的样品膜。在30℃的恒温水中，拉伸速度为100 mm/min，使用PVA 光学薄膜拉伸试验装置测试样品的拉伸性能。

1.3.2 PVA膜溶胀度的测试

PVA 光学薄膜的溶胀度是指将PVA 膜置于30℃的恒温水中，以100 mm/min 的拉伸速率拉伸3 倍后，取出后吸干膜面水分，称其质量，然后放入110℃烘箱中烘6 h 后冷却至室温后称重，溶胀度按照下式计算得出。

式中：m为烘干后的质量；m为烘干前的质量。

1.3.3 PVA膜的DSC测试

将样品放入25℃，湿度为60RH%的环境中平衡12 h，使用差示扫描量热仪进行测试，测试条件在N的气氛中进行，升温速率为10℃/min，扫描温度范围为30℃～250℃。

2 结果与讨论

2.1不同热处理条件下薄膜的溶胀度

薄膜的溶胀度过小，PVA 光学膜在水溶液中拉伸时，随着拉伸倍率的提高，薄膜韧性变小，导致拉伸时所需的应力偏大，容易断膜；若薄膜的溶胀度过大，薄膜在拉伸过程中耐水性能差，易出现褶皱。图1 为不同热处理条件下的PVA 膜样品的溶胀度。样品1 的溶胀度最小，该膜未进行第一阶段的热处理，为湿热处理，说明湿热处理能够提高薄膜的溶胀度，薄膜在较高湿热下进行热处理，可提高PVA分子链段的运动，改善薄膜的结晶性能。试样2～5 是不同湿热处理时间下的溶胀度，从图中可以看出，随着湿热处理时间的增加，薄膜溶胀度逐渐降低，不过3～5号样品的溶胀度变化不大，说明湿热处理达到3 min后，继续延长时间对溶胀度影响不大，考虑生产效率与能耗，湿热处理3 min 即可。样品3，6～7 在热处理Ⅱ段的温度不同，115℃下的溶胀度为279.9%，而110℃与120℃下溶胀度分别为292.4%，240.1%，说明热处理温度过高会使PVA膜溶胀度偏低，而温度过低，薄膜的溶胀度会偏大。样品3，8～10在热处理Ⅱ段的热处理时间不同，8 号样品的溶胀度为299.5%，其热处理时间过短，数值偏大；9～10号样品溶胀度分别为268.5%，260.6%，热处理时间过久，降低了薄膜的溶胀度。

图1 不同PVA膜样品的溶胀度

2.2不同溶胀度PVA光学膜的DSC分析

表2为不同溶胀度PVA光学膜的DSC数据，熔融峰值越高，PVA 膜样品的晶粒尺寸越大；半峰宽值越小，尺寸分布越窄。样品6 的溶胀度最大，结晶度较小，熔融峰值较小，说明晶粒尺寸较小；其半峰宽值较大，说明其尺寸分布较宽；样品1，7，10的溶胀度较小，熔融峰值较大，说明晶粒尺寸较大；其半峰宽值较大，说明其尺寸分布较宽；样品3 的溶胀度为279.9%，其熔融峰值以及结晶度居中，但是其半峰宽值最小，说明薄膜的晶粒尺寸分布过小。薄膜结晶度过低，尺寸分布过宽，均会造成薄膜的溶胀度偏大，不利于薄膜的拉伸；薄膜结晶度过高，会造成薄膜的溶胀度偏小，也不利于薄膜的拉伸。

表2 不同溶胀度PVA膜的DSC数据

2.3 不同溶胀度PVA膜的力学性能

表3 为不同溶胀度PVA 膜拉伸性能以及拉伸时出现的褶皱情况。溶胀度越大，拉伸倍率也越大，拉伸强度越低。样品1与2的溶胀度较小，它们的拉伸倍率也明显偏低；样品6的溶胀度较大，其断裂伸长率在550%以上，但是膜在拉伸过程中有明显的褶皱现象，无法满足生产条件；样品3，7，9，10在拉伸过程中无褶皱现象，但样品7 与10 的断裂伸长率明显偏小，而拉伸倍率越高，其在下游生产偏光片时的性能越好。综合来看，样品3（溶胀度为279.9%）膜的拉伸性能最优。

表3 不同溶胀度PVA膜的拉伸性能

3 结论

本文讨论了热处理条件对PVA 光学薄膜溶胀度的影响，结果发现,热处理时的湿度、温度与时间均会影响溶胀度，并进一步讨论溶胀度对薄膜拉伸性能的影响，结果表明，溶胀度为279.9%时，薄膜的拉伸性能最佳。