流延工藝指標(biāo)對(duì)聚乙烯醇光學(xué)膜拉伸倍率的影響

劉密密

（安徽皖維高新材料股份有限公司，安徽 巢湖 238002）

聚乙烯醇光學(xué)薄膜具有良好的光學(xué)性能和力學(xué)性能。聚乙烯醇光學(xué)薄膜經(jīng)過拉伸、染色并與三醋酸纖維膜（TAC膜）進(jìn)行復(fù)合后制成偏光片，而偏光片是液晶顯示的關(guān)鍵組成部分，它決定著液晶顯示器的成像質(zhì)量。聚乙烯醇光學(xué)薄膜是聚乙烯醇的高端應(yīng)用領(lǐng)域之一。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，LCD的應(yīng)用領(lǐng)域從最初的計(jì)算器、檢測儀表等小型儀器發(fā)展到目前的手機(jī)、平板、電腦、液晶電視、車載導(dǎo)航系統(tǒng)等，應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，需求量急劇增加，對(duì)液晶顯示效果的要求也越來越高，因此需要更高品質(zhì)的聚乙烯醇光學(xué)薄膜以滿足需求。

聚乙烯醇光學(xué)膜是以聚乙烯醇（PVA）為原材料，通過水洗、溶解、擠出、流延涂布制成的薄膜制品。聚乙烯醇光學(xué)膜經(jīng)過水洗、膨潤、染色、拉伸、補(bǔ)色、烘干后與TAC膜進(jìn)行復(fù)合，制成偏光片。聚乙烯醇光學(xué)薄膜的拉伸倍率決定了高分子材料的趨向性，拉伸倍率越高，高分子材料的趨向性越強(qiáng)，偏光片的光學(xué)性能和外觀性能也越好，因此提高聚乙烯醇光學(xué)薄膜的拉伸倍率對(duì)偏光片的品質(zhì)提升具有至關(guān)重要的作用。本文主要研究了流延工藝控制指標(biāo)對(duì)拉伸倍率的影響，在一定條件下調(diào)整模唇口開度、模頭溫度和壓力，研究聚乙烯醇光學(xué)薄膜的拉伸倍率變化，確定最佳流延工藝控制指標(biāo)的范圍，確保生產(chǎn)安全、平穩(wěn)運(yùn)行。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

聚乙烯醇光學(xué)薄膜生產(chǎn)裝置，安徽皖維集團(tuán)；ZWiCK-500N 型拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)；霧度儀；Q2000 差示掃描量熱儀（DSC），TA公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

研究發(fā)現(xiàn)，分子鏈結(jié)構(gòu)相同的高分子聚合物，在經(jīng)歷不同外場參數(shù)的流動(dòng)場的作用下，可以形成完全不同的晶體形貌，結(jié)晶動(dòng)力學(xué)也大不相同。由于微晶與物理交聯(lián)相似，結(jié)晶度越高，拉伸倍率就越高。高溫高壓有利于結(jié)晶，而模頭溫度和壓力過大易導(dǎo)致溶液擠出時(shí)產(chǎn)生離模膨脹效應(yīng)，由此可見，模頭的溫度和壓力會(huì)對(duì)聚乙烯醇光學(xué)薄膜的拉伸倍率產(chǎn)生影響。

在生產(chǎn)過程中，模唇間隙過大會(huì)導(dǎo)致在流延的過程中產(chǎn)生預(yù)拉伸，降低成品膜的拉伸性能；模唇間隙過小，有利于提高結(jié)晶度，但由于流延滾筒表面熱風(fēng)的影響，易導(dǎo)致模唇口溶液倒掛，膜面會(huì)因此出現(xiàn)較多缺陷，成品膜拉伸時(shí)容易在缺陷處斷裂，反而大大降低了拉伸倍率。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

聚乙烯醇光學(xué)薄膜的生產(chǎn)工藝流程：聚乙烯醇→均化→水洗→溶解→擠出→流延→干燥成型→聚乙烯醇光學(xué)薄膜。首先將一定量的聚乙烯醇樹脂定量輸送至均化釜，在25℃~40℃條件下進(jìn)行一定時(shí)間的均化，均化完成后泵入均化離心機(jī)甩干，然后輸送至水洗釜進(jìn)行水洗，直至雜質(zhì)剩余量在工藝指標(biāo)范圍內(nèi)。然后將水洗完成的聚乙烯醇樹脂泵入水洗離心機(jī)甩干，輸送至溶解釜，釜中加入一定比例的增塑劑、表面活性劑和溶劑進(jìn)行溶解，最終得到聚乙烯醇的混合溶液。溶液通過螺桿擠出機(jī)脫泡后，被定量輸送至“T”形模頭，流至流延滾筒，流延滾筒通過滾內(nèi)加熱水，滾外吹入熱風(fēng)的方法對(duì)薄膜進(jìn)行預(yù)干燥，預(yù)干燥后薄膜進(jìn)入干燥導(dǎo)輥進(jìn)一步干燥。經(jīng)品質(zhì)檢測，不合格品單獨(dú)收卷另作它用，合格品送入熱處理烘箱，使用高溫（約200℃）熱風(fēng)進(jìn)行熱處理，完成后成品進(jìn)入收卷機(jī)，收卷為原膜收入庫中，或根據(jù)客戶需要，使用分切機(jī)將原膜分切成指定規(guī)格，包裝后入庫。

1.3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的檢測方法

1.3.1.1 聚乙烯醇光學(xué)薄膜的拉伸倍率測試

首先將樣品撫平緊貼弧面臺(tái)表面，沒有褶皺或者鼓起，即可從后向前拉動(dòng)手柄，刀架從試樣劃過，松開夾塊取出樣品，樣品裁成寬約15 mm，長約300 mm光滑無毛刺的長條小樣，然后開啟拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)，預(yù)熱15 min。待預(yù)熱完成后啟動(dòng)測試軟件，點(diǎn)擊運(yùn)行測試，在軟件中選擇安徽皖維PVA膜-20200512-EC-2(ASTM D)的實(shí)驗(yàn)方法，設(shè)置樣品的寬度和厚度，檢查兩個(gè)夾具之間的距離，設(shè)定實(shí)驗(yàn)速度為600 mm/min。待準(zhǔn)備工作完成后，將制備好的小樣放入上夾具，保持樣品自然垂下，加緊試樣的上下端后開始拉伸。每個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品需制備6 個(gè)長條小樣進(jìn)行如此重復(fù)的拉伸測試，最終拉伸倍率取6次測試結(jié)果的平均值。在拉伸測試之前需將樣品膜置于溫度為25℃，濕度為65RH%的條件下，靜置24 h，拉伸測試實(shí)驗(yàn)也是在此溫度、濕度條件下進(jìn)行的。

1.3.1.2 聚乙烯醇光學(xué)薄膜的DSC測試方法

將樣品放入25℃，濕度為65RH%的環(huán)境中平衡24 h，使用差示掃描量熱儀進(jìn)行測試，測試條件在N2的氣氛中進(jìn)行，升溫速率為10℃/min，掃描溫度范圍為25℃~245℃。

1.3.1.3 霧度和透光率測試方法

同樣將樣品在25℃，濕度為65RH%的環(huán)境中平衡24 h，將樣品裁制成50 mm×50 mm的試樣，用無塵布將正反面擦拭干凈，平整地放入薄膜夾中，關(guān)閉霧度儀蓋板，檢測試樣的霧度和透光率。

2 結(jié)果和討論

2.1 控制模唇間隙不變，調(diào)整模頭溫度和壓力

由于30 μm產(chǎn)品的生產(chǎn)速度較快，以此產(chǎn)品做實(shí)驗(yàn)可大大降低實(shí)驗(yàn)成本，縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，因此利用皖維聚乙烯醇光學(xué)薄膜生產(chǎn)線裝置，以30 μm產(chǎn)品生產(chǎn)工藝進(jìn)行此實(shí)驗(yàn)，使用PVA2499，加入一定比例的增塑劑、表面活性劑和溶劑，配制濃度為27%的PVA 混合溶液。溶解液擠出并輸送至模頭，在模唇間隙不變的情況下，按表1調(diào)整模頭溫度和壓力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到1~5號(hào)樣品。

表1 各樣品的拉伸倍率

2.2 控制模頭溫度和壓力，調(diào)整膜唇間隙

同樣使用PVA2499，以30 μm產(chǎn)品生產(chǎn)工藝進(jìn)行此實(shí)驗(yàn)，以與2.1相同的工藝條件制備PVA混合溶液。原液經(jīng)擠出并輸送至模頭，將模頭溫度和壓力控制在一定的條件下，模唇間隙分別設(shè)置為5 mm、6 mm、7 mm、8 mm、9 mm進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到6~10號(hào)樣品。

2.3 調(diào)整膜唇間隙、模頭溫度和壓力，做正交實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步利用實(shí)驗(yàn)結(jié)論指導(dǎo)生產(chǎn)，又利用皖維集團(tuán)的聚乙烯醇光學(xué)薄膜進(jìn)行了常規(guī)品種實(shí)驗(yàn)，使用PVA2499，在一定條件下進(jìn)行純化和水洗，混入與實(shí)驗(yàn)一同等比例的增塑劑、表面活性劑和溶劑，利用皖維聚乙烯醇光學(xué)薄膜生產(chǎn)線裝置，配制一定濃度的PVA 混合溶液，生產(chǎn)75 μm 聚乙烯醇光學(xué)薄膜，調(diào)整模唇口開度、模頭溫度以及壓力，做了三因素三水平的正交實(shí)驗(yàn)，使用Minitab 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用L9(34)正交表設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，詳見表2與表3，其中D為空列，得到11~19號(hào)樣品。4

表2 L9(34)正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

表3 L9(3)正交實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)得到的1~5 號(hào)樣品的拉伸倍率檢測結(jié)果見表4。

表4 1~5號(hào)樣品的拉伸倍率

雖然拉伸倍率檢測結(jié)果受溫度、濕度、操作人員等因素的影響，但是從表3不難看出，樣品4的拉伸倍率明顯高于其他幾個(gè)樣品膜。因此確定模頭溫度在110℃左右，同時(shí)模頭壓力在750 kPa 時(shí)，制得的聚乙烯醇光學(xué)薄膜的拉伸倍率最高，而當(dāng)模頭壓力達(dá)到820 kPa，溫度升高至120℃時(shí)，聚乙烯醇光學(xué)薄膜的拉伸倍率較低，原因與擠出成型時(shí)產(chǎn)生的離模膨脹效應(yīng)類似，離模膨脹效應(yīng)是指當(dāng)聚合物熔體離開流道口時(shí)，熔體流的直徑大于流道出口的直徑。當(dāng)壓力過大時(shí)，溶液流出模唇時(shí)的離模膨脹較大，導(dǎo)致模唇口污染，膜面出現(xiàn)缺陷。當(dāng)需要把薄膜拉伸至4~5 倍時(shí)，膜面缺陷被放大，且缺陷處的膜厚度基本都較薄，膜易在缺陷處斷裂，因此膜面缺陷對(duì)薄膜的拉伸倍率影響較大。實(shí)驗(yàn)得到的6~10號(hào)樣品的拉伸倍率檢測結(jié)果見表5。

表5 6~10號(hào)樣品的拉伸倍率

由表5數(shù)據(jù)不難看出，模唇間隙對(duì)聚乙烯醇光學(xué)薄膜拉伸倍率有著顯著的影響，當(dāng)模唇間隙降至6 mm時(shí)，聚乙烯醇光學(xué)薄膜的拉伸倍率達(dá)到489.9%，這是因?yàn)檩^小的模唇間隙大大減少了薄膜在流延過程中發(fā)生拉伸。但是當(dāng)模唇間隙降至5 mm 時(shí)，樣品膜的拉伸倍率陡然下降，這是因?yàn)榱餮訚L筒表面熱風(fēng)的影響，易導(dǎo)致模唇口溶液倒掛，膜面會(huì)因此出現(xiàn)較多劃痕缺陷，成品膜拉伸時(shí)容易在缺陷處斷裂，降低了薄膜的拉伸倍率。正交實(shí)驗(yàn)得到的11~19 號(hào)樣品的拉伸倍率檢測結(jié)果見表6。

從表6可以看出，不同流延工藝條件下制得的聚乙烯醇光學(xué)薄膜樣品的拉伸倍率存在差異明顯。使用Minitab 軟件對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行極差分析，極差分析的均值響應(yīng)見表7。

表6 11~19號(hào)樣品的拉伸倍率

表7 均值響應(yīng)表

由極差分析數(shù)據(jù)得出,各因素影響的主次順序?yàn)锳＞B＞C，拉伸倍率越大，聚乙烯醇光學(xué)薄膜的質(zhì)量越好，因此最優(yōu)組合應(yīng)為A2B3C2。15號(hào)樣品的生產(chǎn)工藝條件最優(yōu)，即模唇開度為6 mm，模頭溫度為120℃，模頭壓力在750 kPa。繼續(xù)采用該工藝條件制備聚乙烯醇光學(xué)薄膜樣品，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，使用拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)測試后續(xù)樣品的拉伸倍率，薄膜的拉伸倍率為518.2%，說明正交實(shí)驗(yàn)有效。

在上述實(shí)驗(yàn)條件下，檢測了正交實(shí)驗(yàn)中具有代表性的11號(hào)、12號(hào)、13號(hào)樣品和在A2B3C2工藝條件下制得的聚乙烯醇光學(xué)薄膜樣品的DSC數(shù)據(jù)，并對(duì)比分析了各樣品的拉伸倍率和DSC數(shù)據(jù)。DSC數(shù)據(jù)中熔融峰值越高，表示聚乙烯醇光學(xué)薄膜的分子晶粒尺寸越大。半峰寬值表示晶粒分布情況，半峰寬越大，晶粒分布越寬，熔融峰值較大或半峰寬較大都不利于聚乙烯醇光學(xué)薄膜拉伸。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表8。

表8 11~13號(hào)樣品的拉伸率與DSC數(shù)據(jù)

樣品11 的半峰寬的熔融峰值最高，該膜的晶粒尺寸最大，半峰寬也最大，說明晶粒尺寸分布最寬，這二者偏大均不利于拉伸[4]。A2B3C2方案的熔融峰值和半峰寬均最小，其拉伸倍數(shù)最高，進(jìn)一步確定了A2B3C2方案為最佳實(shí)驗(yàn)條件。

3 結(jié)論

對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析總結(jié)可知，流延工藝指標(biāo)對(duì)聚乙烯醇光學(xué)薄膜的拉伸倍率影響較大，主要體現(xiàn)以下四個(gè)方面：第一，模頭溫度和壓力過大時(shí)，成型過程中會(huì)產(chǎn)生離模膨脹效應(yīng)，導(dǎo)致模唇口污染，膜面出現(xiàn)缺陷，降低了薄膜的拉伸倍率，但是擠出成型又需要一定的壓力，所以要合理控制模頭壓力；第二，模唇間隙過大會(huì)導(dǎo)致薄膜在流延過程中發(fā)生拉伸，但是當(dāng)模唇間隙降至5 mm 以下時(shí)，受流延滾筒表面熱風(fēng)的影響導(dǎo)致模唇口溶液倒掛，膜面較多缺陷致使成品膜拉伸時(shí)容易在缺陷處斷裂，降低了薄膜的拉伸倍率；第三，由75 μm膜的DSC數(shù)據(jù)分析可知，流延工藝指標(biāo)會(huì)影響薄膜的晶粒尺寸的大小與分布，進(jìn)而影響薄膜的拉伸性能；第四，由實(shí)驗(yàn)結(jié)論可知，厚度不同的聚乙烯醇光學(xué)薄膜的最佳流延工藝指標(biāo)不同。