光穩(wěn)定劑對(duì)PDLC薄膜耐輻照性能的影響

摘 要：聚合物分散液晶（PDLC）薄膜產(chǎn)品長(zhǎng)期暴露在太陽(yáng)光下，會(huì)導(dǎo)致聚合物降解、PDLC薄膜性能下降，因此本文在某公司進(jìn)行試驗(yàn)，將PDLC材料中加入不同比例的249光穩(wěn)定劑，采用紫外固化的方式制備PDLC薄膜，測(cè)試其光電性能、100h通電UV性能，并對(duì)性能變化進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)加入0.5%，1%和2%的249光穩(wěn)定劑后，能改進(jìn)通電UV輻照性能，并且比例為2%的改進(jìn)效果最佳，不僅不影響生產(chǎn)固化工藝，而且各項(xiàng)性能均滿足要求，提升了耐通電UV輻照性能。

關(guān)鍵詞：光穩(wěn)定劑；聚合物分散液晶；PDLC；耐通電UV輻照性

中圖分類(lèi)號(hào)：TN 104" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

聚合物分散液晶（PDLC）薄膜是一種新型的功能性光電薄膜，其核心PDLC材料由液晶分子、預(yù)聚物、單體和光引發(fā)劑等組成[1]。液晶調(diào)光產(chǎn)品的光電調(diào)控性能取決于固化后的PDLC材料性能[2]。傳統(tǒng)液晶耐溫性差且與固化后聚合物折射率不匹配、聚合物固化不充分等導(dǎo)致產(chǎn)品透過(guò)率低、工作電壓高、工作溫度范圍窄、剝離強(qiáng)度弱且耐輻照性差等，限制其只能應(yīng)用于室內(nèi)。目前，PDLC薄膜產(chǎn)品的材料、薄膜和玻璃制造設(shè)備工藝技術(shù)進(jìn)步顯著，PDLC產(chǎn)品性能有明顯提升，不僅可以應(yīng)用于室內(nèi)隔斷，還能應(yīng)用于建筑幕墻和汽車(chē)玻璃等戶外場(chǎng)景，因此需要進(jìn)一步提升耐輻照性能。

考慮PDLC產(chǎn)品應(yīng)用于戶外時(shí)，PDLC材料長(zhǎng)期暴露在日光下會(huì)吸收紫外線能量并引起高分子材料自動(dòng)氧化反應(yīng)，導(dǎo)致聚合物降解，使PDLC薄膜性能下降[3]，本文將光穩(wěn)定劑引入PDLC材料中，分析不同比例光穩(wěn)定劑對(duì)PDLC薄膜光電性能的影響，并進(jìn)行100h通電UV老化試驗(yàn)，進(jìn)一步分析不同比例光穩(wěn)定劑對(duì)PDLC薄膜耐通電UV輻照性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 生產(chǎn)設(shè)備

本文試驗(yàn)所用設(shè)備為珠海興業(yè)新材料科技有限公司1600mm幅寬的高精密卷對(duì)卷連續(xù)式涂布固化設(shè)備。

1.2 原材料

本文試驗(yàn)所用ITO導(dǎo)電膜和PDLC材料均由珠海興業(yè)新材料提供，ITO導(dǎo)電膜的中心方塊電阻為110Ω，全光線透過(guò)率為84%，霧度為0.8%；PDLC材料為興業(yè)新材料公司試驗(yàn)用PDLC材料。光穩(wěn)定劑為巴斯夫249光穩(wěn)定劑。為了控制PDLC層的厚度，PDLC材料中加入了15μm的微珠。此次試驗(yàn)共有5組PDLC材料，具體PDLC材料參數(shù)見(jiàn)表1。

1.3 試樣的制備

本文試樣分為5組，與表1序號(hào)相對(duì)應(yīng)，分別為1#～5#樣品。先將1#～5#PDLC材料攪拌充分，再用上述導(dǎo)電膜在上述生產(chǎn)設(shè)備上用相同生產(chǎn)工藝分別制備1#～5#卷狀調(diào)光膜，最后從卷狀調(diào)光膜裁切片狀1#～5#樣品并制備電極，用于測(cè)試。

2 測(cè)試與分析

使用帶有積分球的分光光度計(jì)UV2600，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2680規(guī)定的方法分別測(cè)試5組100mm×100mm試樣0V和48V的可見(jiàn)光透過(guò)率、霧度。測(cè)量時(shí)，試樣緊挨積分球。用手持式平行光透過(guò)率儀LS-116測(cè)試5組300mm×300mm試樣0V、48V和70V平行光透過(guò)率值，計(jì)算70V平行光透過(guò)率值的90%，并通過(guò)可調(diào)電源調(diào)節(jié)電壓找到該透過(guò)率對(duì)應(yīng)的電壓，記錄為飽和電壓。飽和電壓一般為最高平行光透過(guò)率的90%對(duì)應(yīng)的電壓，選取70V的主要原因是該電壓下試樣已經(jīng)達(dá)到最大平行光透過(guò)率。由于大尺寸膜存在電壓衰減問(wèn)題，因此在導(dǎo)電膜電阻相同的情況下，飽和電壓越低，大尺寸膜不同位置的性能就越一致，性能也更好。最后，將5組300mm×300mm試樣膜放入恒溫恒濕箱測(cè)試工作溫度，在-20℃～80℃條件下，每隔5℃測(cè)試樣品0V和48V的響應(yīng)情況，如果膜霧度＞80%且能正常響應(yīng)，就認(rèn)為該溫度響應(yīng)正常。試樣工作溫度主要取決于液晶材料特性，固化程度也會(huì)對(duì)工作溫度有一定影響。如果PDLC材料相同，但工作溫度范圍有差異，說(shuō)明固化程度不同；如果工作溫度范圍變窄，就可能存在固化不充分問(wèn)題[4]。

5組試樣具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看出，1#、2#、3#和4#試樣各項(xiàng)性能均合格，5#試樣0V和48V的霧度、平行光透過(guò)率以及飽和電壓均不滿足要求。

具體來(lái)看，1#、2#、3#和4#試樣整體性能相差不大，可見(jiàn)光透過(guò)率均＞82%，其中3#試樣為83.77%，為4個(gè)樣的最小值，4#試樣為83.99%，為4個(gè)樣的最大值。48V可見(jiàn)光透過(guò)率均＞60%，其中1#試樣為69.25%，為4個(gè)樣的最小值，4#試樣為70.92%，為4個(gè)樣的最大值。1#、2#、3#和4#試樣0V和48V的霧度和平行光透過(guò)率均滿足要求，從0V和48V霧度來(lái)看，1#性能最佳，不僅０V的霧度最高，而且48V霧度最低，對(duì)比度略好。相對(duì)而言，這4個(gè)試樣隨著249光穩(wěn)定劑比例增加，開(kāi)態(tài)霧度呈輕微上升趨勢(shì)。1#、2#、3#和4#試樣的飽和電壓均＜20V，為14V～15V，滿足要求，工作溫度均為-20℃～80℃，滿足要求，因此1#、2#、3#和4#試樣各項(xiàng)性能都滿足要求。

5#樣品0V霧度為7.51%，與＜3%的要求相差較遠(yuǎn)；48Ｖ霧度只能達(dá)到92.67%，遮蔽性能差，不滿足要求。0V和48V的平行光透過(guò)率分別為3.8%和77.38%，均不滿足要求。5#樣品飽和電壓高達(dá)40V，與＜20V要求相差較大。雖然工作溫度滿足要求，但是相對(duì)1#～4#樣品，高溫工作溫度下降，只能達(dá)到75℃，說(shuō)明可能存在固化不充分現(xiàn)象。

從以往的經(jīng)驗(yàn)看，在斷電狀態(tài)0V下進(jìn)行UV輻照試驗(yàn)，即使膜固化不充分，關(guān)態(tài)平行光透過(guò)率也沒(méi)有明顯變化。在通電狀態(tài)下進(jìn)行UV輻照試驗(yàn)，如果膜固化不充分，將會(huì)繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，并在一定程度上加強(qiáng)錨定液晶微滴的力，再斷電時(shí)液晶分子無(wú)法回到最初的紊亂狀態(tài)，從而使PDLC膜遮蔽性變差，0V平行光透過(guò)率明顯變大。因此，通電UV輻照試驗(yàn)可以較快驗(yàn)證PDLC膜片耐UV輻照性能，試驗(yàn)后變化率越小，說(shuō)明膜片耐UV輻照性能越好。

為了迅速判斷上述5組試樣耐UV輻照性能，本文進(jìn)行了100h通電UV輻照試驗(yàn)，即上述5組試樣裸膜均處于48V通電狀態(tài)下，將其置于中心波長(zhǎng)為365nm且中心UV光強(qiáng)為50mW/cm2的條件下連續(xù)輻照100h。100h后再測(cè)試試樣性能，并與試驗(yàn)前樣品進(jìn)行性能比較，重點(diǎn)比較0V的平行光透過(guò)率。1#～5#樣品試驗(yàn)前、后斷電0V狀態(tài)下的平行光透過(guò)率變化見(jiàn)表3。

從表3可以看出，未添加光穩(wěn)定劑的1#樣品試驗(yàn)前0V平行光透過(guò)率為2.9%，試驗(yàn)后0V平行光透過(guò)率為3.45%，變化率達(dá)18.97%。光穩(wěn)定劑添加比例為0.5%的2#樣品試驗(yàn)前0V平行光透過(guò)率為3.2%，試驗(yàn)后0V平行光透過(guò)率為3.55%，變化率達(dá)10.94%，相對(duì)1#樣品變化率有所下降。光穩(wěn)定劑添加比例為1%的3＃樣品試驗(yàn)前0V平行光透過(guò)率為3.1％，試驗(yàn)后0V平行光透過(guò)率為3.30%，變化率為6.45%，樣品變化率進(jìn)一步下降。光穩(wěn)定劑添加比例為2％的4#樣品試驗(yàn)前0V平行光透過(guò)率為3.3%，試驗(yàn)后0V平行光透過(guò)率為3.40%，變化率為3.03%，樣品變化率進(jìn)一步下降，是所有樣品變化率最小的。光穩(wěn)定劑添加比例為5%的5#樣品試驗(yàn)前0V平行光透過(guò)率為3.8%，遮蔽性已經(jīng)相對(duì)較差，試驗(yàn)后0V平行光透過(guò)率為8.38%，變化率為120.53%，雖然光穩(wěn)定劑添加比例最多，但是變化率最大，性能反而最差。綜上所述，1#～5#試樣試驗(yàn)前、后，平行光透過(guò)率變化率先變小、再變大，其中4#試樣的變化率最小，5#試樣變化率最大。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 光穩(wěn)定劑比例對(duì)液晶調(diào)光膜光電特性的影響

本文結(jié)合興業(yè)新材料公司試驗(yàn)用PDLC材料特性，選用了巴斯夫249光穩(wěn)定劑。249光穩(wěn)定劑為受阻胺光穩(wěn)定劑，作用機(jī)理包括捕獲自由基、分解過(guò)氧化物和猝滅單線態(tài)氧。249光穩(wěn)定劑本身不吸收任何＞260nm的光線，也不能猝滅激發(fā)態(tài)分子。但在氧存在下，受阻胺能被氧化生成相應(yīng)的氮氧自由基。這種化合物相當(dāng)穩(wěn)定，能有效捕獲聚合物光氧化降解產(chǎn)生的活性自由基，而且在穩(wěn)定過(guò)程中具有再生功能，這種再生功能是其有別于其他穩(wěn)定劑的最大特征。

將上述5組試樣通過(guò)輥涂的方式將PDLC材料夾在2層ITO膜間，然后采用紫外光生成聚合反應(yīng)，并進(jìn)行固化，使聚合物和液晶混合物的均勻相體系產(chǎn)生相分離，形成液晶微粒，分散在聚合物連續(xù)相中。由于液態(tài)PDLC材料夾在2層ITO間并進(jìn)行固化，較少接觸空氣中的氧氣，因此不會(huì)出現(xiàn)氧氣逐漸擴(kuò)散在涂膜中，與自由基聚合反應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)消耗自由基，導(dǎo)致膠水固化不充分的氧阻聚現(xiàn)象。從表2可以看出，當(dāng)249光穩(wěn)定劑比例為0.5%、1%和2%時(shí)，液晶調(diào)光膜的光電特性與未添加光穩(wěn)定劑的試樣相比沒(méi)有明顯變化，各項(xiàng)性能均滿足要求，并且各項(xiàng)性能相差較少，說(shuō)明2%以?xún)?nèi)的249光穩(wěn)定劑對(duì)固化沒(méi)有明顯影響。當(dāng)249光穩(wěn)定劑比例為5%時(shí)，光電性能有明顯變化，關(guān)態(tài)霧度急劇下降，開(kāi)態(tài)霧度有大幅度提升，飽和電壓明顯上升。主要原因是過(guò)大的249光穩(wěn)定劑量會(huì)吸收一部分紫外線，使引起固化的有效光線減少，導(dǎo)致固化效率降低。同等固化條件下，液晶析出速度大于聚合物的聚合速度，使液晶析出與聚合物固化存在明顯不平衡，從而整體性能明顯變差。

在PDLC材料中加入光穩(wěn)定劑是為了提高其耐候性和穩(wěn)定性，但光穩(wěn)定劑加入過(guò)多可能會(huì)對(duì)固化性能產(chǎn)生一定影響。因此，加入光穩(wěn)定劑時(shí)，需要根據(jù)PDLC材料中膠黏劑的具體用途和配方要求，適量添加光穩(wěn)定劑，并進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證，以確保其對(duì)固化性能的影響最小。同時(shí)，需要選用與PDLC材料相匹配的光穩(wěn)定劑，以確保其有效性。

3.2 光穩(wěn)定劑對(duì)調(diào)光膜耐輻照性能的影響

從表3可以看出，進(jìn)行100h的持續(xù)通電UV輻照后，2#，3#和4#試樣比1#試樣平行光透過(guò)率變化值均有所降低，4#樣品性能相對(duì)最好，說(shuō)明加入一定比例的249光穩(wěn)定劑后，能有效改進(jìn)通電UV輻照性能。在未添加光穩(wěn)定劑的1#樣品進(jìn)行100h通電UV輻照過(guò)程中，PDLC材料會(huì)吸收紫外線能量，由于高分子材料不可能100%固化，因此可能會(huì)繼續(xù)反生反應(yīng)。在PDLC膜通電狀態(tài)下，液晶微滴處于“站立”的狀態(tài)，如果繼續(xù)反生反應(yīng)，聚合物對(duì)通電狀態(tài)下的液晶分子就有一錨定力，這個(gè)力會(huì)減弱斷電時(shí)聚合物與液晶的錨定力，使液晶分子在斷電狀態(tài)下不能回到最初雜亂分布的狀態(tài)，仍有一定方向性，從而出現(xiàn)遮蔽性變差、平行光透過(guò)率變大的現(xiàn)象。加入249光穩(wěn)定劑后，在氧存在的條件下，受阻胺能被氧化生成相應(yīng)的氮氧自由基。這種化合物相當(dāng)穩(wěn)定，能有效捕獲聚合物光氧化降解產(chǎn)生的活性自由基，從而抑制聚合物的降解并減緩反應(yīng)。因此在通電狀態(tài)下進(jìn)行UV輻照試驗(yàn)，2#、3#和4#試樣平行光透過(guò)率的變化率比1#試樣變化率有所降低，并且隨著249光穩(wěn)定劑量增大，受阻胺能被氧化生成更多的氮氧自由基，并有效捕獲更多聚合物光氧化降解產(chǎn)生的活性自由基，從而更多地抑制聚合物的降解并減緩反應(yīng)。因此平行光透過(guò)率變化率逐漸降低，耐通電UV輻照性能增加。相對(duì)而言，4#試樣的平行光透過(guò)率變化率最低，只有3.03%，耐通電UV輻照性能最優(yōu)。

5#試樣進(jìn)行100h的持續(xù)通電UV輻照后，平行光透過(guò)率變化值最大，比未添加光穩(wěn)定劑的1#樣品大得較多。從前期試驗(yàn)可以看出，5#樣品固化效果相對(duì)較差，未固化充分。通常未固化充分的高分子材料的耐UV輻照性能會(huì)更差，主要原因是未固化充分的高分子材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的自由基、雙鍵等不穩(wěn)定基團(tuán)較多，這些基團(tuán)在受到輻射時(shí)容易發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致材料性能劣化。此外，未固化充分的高分子材料中的分子鏈活動(dòng)性也較高，容易發(fā)生交聯(lián)或斷裂等反應(yīng)。在UV輻射環(huán)境下，這些反應(yīng)會(huì)更劇烈，導(dǎo)致材料的性能迅速下降，這也是5#樣品在后續(xù)老化測(cè)試中，平行光透過(guò)率的變化率最大，耐UV輻照性能最差的主要原因。因此，為了提高調(diào)光膜產(chǎn)品高分子材料的耐輻照性，需要對(duì)其充分進(jìn)行固化處理，使分子鏈活動(dòng)性降低，穩(wěn)定基團(tuán)數(shù)量減少。

綜上所述，在上述PDLC材料中加入適當(dāng)比例的249光穩(wěn)定劑對(duì)100h持續(xù)通電UV輻照性能有一定提升，其表現(xiàn)為0V狀態(tài)下平行光透過(guò)率的變化率呈下降狀態(tài)，隨著比例加大，0V狀態(tài)下平行光透過(guò)率的變化率進(jìn)一步降低，耐通電UV輻照性能進(jìn)一步提升，直到達(dá)到最優(yōu)比例，如果再進(jìn)一步加大比例，就會(huì)影響PDLC材料的固化，從而造成固化不充分，不僅不能提升耐通電UV輻照性能，反而會(huì)使各項(xiàng)性能進(jìn)一步劣化。

4 結(jié)論

PDLC薄膜產(chǎn)品的核心材料之一為高分子材料，高分子材料長(zhǎng)期暴露在太陽(yáng)光下，會(huì)導(dǎo)致聚合物降解，PDLC薄膜性能下降。本文在興業(yè)新材料公司試驗(yàn)PDLC材料中加入了不同比例的249光穩(wěn)定劑，發(fā)現(xiàn)加入0.5%、1%和2%的249光穩(wěn)定劑后，能改進(jìn)通電UV輻照性能，并且比例為2%的改進(jìn)效果最佳，不僅不影響生產(chǎn)固化工藝，各項(xiàng)性能也均滿足要求，還提升了耐通電UV輻照性能。當(dāng)249光穩(wěn)定劑比例為5%時(shí)，試樣通斷電霧度、平行光透過(guò)率以及飽和電壓均不滿足要求，與要求相差較大，工作溫度范圍也變窄，說(shuō)明加入5%比例的249光穩(wěn)定劑會(huì)導(dǎo)致試樣固化效果較差，從而使基礎(chǔ)性能和老化性能都出現(xiàn)劣化。

眾所周知，高分子材料容易老化，為了增強(qiáng)高分子材料的抗光老化能力或延緩光老化過(guò)程，應(yīng)根據(jù)PDLC薄膜高分子的光老化和熱老化機(jī)理[5-7]，在高分子材料固化前加入光穩(wěn)定劑，從而提升PDLC薄膜的耐輻照性能。本文只在PDLC材料中添加了一種光穩(wěn)定劑，為了進(jìn)一步提升PDLC耐UV或耐氙燈輻照性能，可以結(jié)合PDLC具體材料特性，選用多種光穩(wěn)定劑[8-9]以產(chǎn)生協(xié)同作用，并通過(guò)試驗(yàn)找到最佳配比，從而提升耐輻照性能。

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