Поляризационные пленки для видимого диапазона спектра с наноструктурированной поверхностью на основе углеродных нанотрубок и нановолокон. Поляризационные пленки
поляризационные пленки для видимого диапазона спектра с наноструктурированной поверхностью на основе углеродных нанотрубок - патент РФ 2426157
Изобретение относится к области оптического приборостроения, лазерной, телекоммуникационной, дисплейной и медицинской технике, а также полезно при использовании в приборах защиты глаз сварщиков, пилотов самолетов. Технический результат - увеличение пропускания в видимом диапазоне спектра и увеличение поверхностной механической прочности. Поляризационная йодно-поливиниловая пленка для лазерной, телевизионной, дисплейной и медицинской техники, для конструкции пространственно-временных модуляторов света, дисплейных пикселей, ограничителей, переключателей лазерного излучения, систем защиты глаз сварщиков, пилотов самолетов, содержащая в качестве поляризационной основы йодированный поливиниловый спирт с малым содержанием ацетатных групп, причем обе поверхности пленки наноструктурированы одностенными углеродными нанотрубками путем их лазерного нанесения на поверхности пленки с помощью СO2-лазера и ориентированием в электрическом поле напряженностью 50-200 В/м. 2 ил. 
Рисунки к патенту РФ 2426157
Настоящее изобретение относится к области оптического приборостроения, лазерной, телекоммуникационной, дисплейной и медицинской техники, а также полезно при использовании в приборах защиты глаз сварщиков, пилотов самолетов при использовании жидкокристаллических элементов, функционирующих в скрещенных поляроидах - поляризационных пленках. Устройство представляет собой структуру, состоящую из пленки йодированного поливинилового спирта (ПВС) и нанесенных с двух сторон углеродных одностенных нанотрубок. При функционировании данного устройства предлагается использовать поляризационные пленки как в параллельном, так и в скрещенном положении в зависимости от необходимости получения изначально светлого или черного поля. Технический результат - увеличение пропускания в видимом диапазоне спектра и увеличение поверхностной механической прочности.
Изобретение относится к области оптоэлектроники, в частности к конструкции электро- и светоуправляемых жидкокристаллических пространственно-временных модуляторов света (ЖК-ПВМС), ограничителей и переключателей лазерного излучения, к конструкции дисплейных элементов, ЖК-экранов, к конструкции очков для сварщиков и пилотов самолетов, к конструкции визуализаторов биообъектов в микроскопах, др. [1-3], а также может быть рассмотрено как поляризационный элемент нового поколения с наноструктурированной поверхностью, позволяющей избежать процесса ламинирования поляроидов.
Известно, что функционирование поляризационного элемента связано с поперечностью электромагнитных волн. Основа работы такого поляризационного устройства обусловлена его способностью пропускать одну из компонент естественного света, параллельную оси поляризатора, и задерживать другую, ортогональную компоненту. Известны два способа создания таких поляризационных устройств. Первый основан на напылении металлических полос на полимерную основу и отражает и пропускает падающее излучение разной поляризации, соответственно. Второй основан на создании, например, полимерных йодно-поливиниловых поляризационных пленок, пропускающих, соответственно, параллельную компоненту падающего света и поглощающих - ортогональную компоненту. Таким образом, принцип действия йодно-поливинилового пленочного поляризатора основан на дихроизме поглощения анизотропных комплексов ПВС-йод.
Для предотвращения царапин и изгибов полимерной поляризационной пленки обычно ее заклеивают между стеклянными поверхностями или запрессовывают в триацетатцеллюлозу. Это позволяет сохранить форму пленок, что немаловажно в оптоэлектронных схемах для снижения аберраций в оптических каналах и получения неискаженного сигнала при работе дисплейных пикселей.
Известна конструкция поляризационной пленки, выбранная в качестве аналога [4], содержащего в качестве поляризационного элемента пленку поливинилового спирта (ПВС), заклеенную между силикатными стеклами К8 с помощью акрилового клея или клея бальзамин-М. Поляризационная пленка функционировала в видимом диапазоне спектра с разным уровнем пропускания в зависимости от состава и условий синтеза. Недостатком данной конструкции поляризационной пленки явилось недостаточное пропускание параллельной компоненты света (на уровне 40%) в области 400-750 нм и плохая механическая прочность самой пленки, что вынуждало размещать ее между стеклами, увеличивая число границ раздела сред, а следовательно, величину френелевских потерь на отражение. Это затрудняет применение устройства, выбранного в качестве аналога, в лазерных, телевизионных, дисплейных, микроскопических, др. системах.
Известна конструкция поляризационной пленки, выбранная в качестве прототипа [5], содержащего в качестве поляризационного элемента пленку сополимера ПВС, заклеенную в триацетатцеллюлозу, что позволяло обеспечивать высокую равномерность по толщине и плоскостности. Было достигнуто увеличение пропускания для параллельной компоненты света на уровне 40-55%, что выше, чем в поляризационной пленке, выбранной в качестве аналога. Недостатком данной конструкции пленочного поляризатора явилось недостаточное сопротивление деформируемости пленки, что снижало поверхностную механическую прочность, а также наличие нескольких границ раздела, что также вело к увеличению потерь на отражении при работе поляризатора.
Техническим результатом изобретения является дальнейшее увеличение пропускание параллельной компоненты света и повышение поверхностной механической прочности.
Указанный результат достигается наноструктурированием поверхности пленок углеродными одностенными нанотрубками. Указанный результат достигается тем, что нанесение на поверхность поляризационных пленок углеродных нанотрубок уменьшает число границ раздела и уменьшает потери на отражение за счет эффекта Френеля, что связано с малостью показателя преломления углеродных нанотрубок. В спектральной области длин волн 400-750 нм пленки обеспечивают пропускание параллельной компоненты света на уровне 55-70%. Повышение поверхностной механической прочности обусловлено ковалентной привязкой углеродных нанообъектов к поверхности пленок, что обеспечивает упрочнение поверхности за счет встраивания в поверхность большого количества трудноразрушимых С-С связей нанотрубок. Замена ламинирования поляризационных пленок при их заклеивании в стекло К8 или запрессовывании в триацетатцеллюлозу процессом лазерного нанесения ориентированных в электрическом поле углеродных нанотрубок обеспечивает отсутствие царапин и дефектов на поверхности пленок, что делает их более функционально пригодными в лазерных системах коррекции аберраций, дисплейной и медицинской технике.
Сравнительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая поляризационная пленка отличается тем, что для повышения пропускания в видимом диапазоне спектра используется тот же состав йодированного поливинилового спирта, но для повышения пропускания в видимом диапазоне спектра и увеличения поверхностной механической прочности используется наноструктурирование поверхности пленок углеродными одностенными нанотрубками путем их лазерного нанесения на поверхность пленок и ориентированием в электрическом поле. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».
Изобретение поясняется чертежами, на котором представлены общий вид поляризационной пленки (фиг.1) и зависимостями пропускания от длины волны для параллельной и ортогональной компонент (фиг.2).
Итак, предлагаемая поляризационная пленка (фиг.1) представляет собой однородную структуру, состоящую из слоя йодированного поливинилового спирта толщиной 60-80 микрометров и нанесенных на обе поверхности пленки слоя углеродных одностенных нанотрубок толщиной ~0.05 мкм, напыляемых в вакууме лазерным способом при приложении ориентирующего электрического поля напряженностью 50-200 В/м.
Измерения пропускания пленок без нанесения нанотрубок и при их нанесении на поверхность пленок показывают увеличение пропускания на 2-5% наноструктурированной пленки в видимой области спектра для параллельной компоненты света (фиг.2, кривая 2, по сравнению с кривой 1) и сохранение минимального пропускания для ортогональной компоненты света (фиг.2, кривые 3 и 4).
Таким образом, йодно-поливиниловые поляризационные пленки делались по традиционной технологии с учетом новизны, связанной с наноструктурирование поверхности пленок углеродными нанотрубками. Сущность традиционной технологии заключается в растяжении при комнатной температуре увлажненной, немного поддубленной и йодированной в растворе йода с йодистым калием поливиниловой пленки из высокомолекулярного поливинилового спирта. Для поставленной цели используется высокомолекулярный ПВС с малым содержанием ацетатных групп. Отфильтрованный и отстоявшийся раствор ПВС разливается на чистые полированные (без царапин и оптических дефектов) стекла, помещенные на столики в специальном сушильном шкафу. Стекла нивелированы по уровню. После высыхания пленки снимаются со стекол. Проводится увлажнение заготовок поливиниловых пленок в парах воды в закрытом сосуде при комнатной температуре. Далее осуществляется дубление увлажненных заготовок поливиниловых пленок в растворе борной кислоты при комнатной температуре, а затем - окрашивание поддубленных заготовок поливиниловых пленок в водном растворе йода с йодистым калием при соотношении: J2/KJ=1/1.1. Технологический процесс ведется при комнатной температуре. Времена дубления и йодирования подбираются экспериментально для достижения требуемых параметров поляроидов. Растяжение увлажненной и окрашенной поливиниловой пленки в специальной растяжной машине с ручным приводом при комнатной температуре до величины растяжения не менее 3.5 раз по отношению к начальной длине пленки, закрепленной для растяжения. Сушка поляризационной пленки в растянутом состоянии в специальных растяжных рамках при комнатной температуре. После сушки получается эластичная поляризационная пленка серого цвета, поляризующая свет в широкой области спектра 280-800 нм.
Сущность новизны в технологическом цикле заключается в наноструктурировании поверхности йодно-поливиниловой поляризационной пленки углеродными нанотрубками. Для этого используется лазерное напыление углеродных нанотрубок при применении р-поляризованного излучения СО2-лазера на длине волны 10.6 микрометров, а также ориентирование осаждаемых углеродных нанотрубок в электрическом поле напряженностью 50-200 В/м.
Указанное усовершенствование в применении наноструктрирования поверхности поляризационных пленок, ранее используемое только для модификации проводящих оксидных слоев дисплейных элементов и модуляторов света для увеличения лазерной и механической прочности проводящих слоев [6], привело к увеличению пропускания йодно-поливиниловых поляризационных пленок в видимой области спектра для параллельной компоненты света - за счет малости показателя преломления углеродных нанотрубок, и увеличению поверхностной механической прочности поляризационных пленок, предотвращающее деформируемость пленок - за счет встраивания в поверхность трудноразрушимых С-С связей от углеродных нанотрубок.
Указанное усовершенствование позволило расширить область применения пленок в системах записи-считывания оптической информации, переключения потоков излучения, др. в телекоммуникационных, дисплейных и медицинских системах и комплексах.
Источники информации
1. Васильев А.А., Касасент Д., Компанец И.П., Парфенов А.В. Пространственные модуляторы света. - М.: Радио и связь. 1987, 320 с.
2. Жаркова Г.М., Сонин А.С. Жидкокристаллические композиты. Новосибирск: ВО "Наука", 1994. 214 с.
3. Каманина Н.В., Сомс Л.Н., Тарасов А.А. Коррекция фазовых аберраций топографическим методом с применением жидкокристаллических пространственных модуляторов света. Оптика и спектроскопия, т.68, № 3, с.691-693, 1990.
4. Савко С.С., Игольникова Л.М. Влияние солнечного облучения на стабильность поляризационных светофильтров. Оптико-механическая промышленность, № 1, с.6-96 1981.
5. Виноградова О.В., Гапоненко И.М., Налбандян Ю.Е., Савко С.С., Студенов В.И., Учанов Ю.Е. Повышение термо- и влагостойкости поляризационных пленок. Оптико-механическая промышленность, № 11, с.41-43, 1989.
6. Каманина Н.В., Васильев П.Я. Перспективы использования прозрачных проводящих покрытий с фуллеренами и нанотрубками для дисплейных элементов нового поколения, Письма в ЖТФ, т.33, вып.18, с.8-13, 2007
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Поляризационная йодно-поливиниловая пленка для лазерной, телевизионной, дисплейной и медицинской техники, для конструкции пространственно-временных модуляторов света, дисплейных пикселей, ограничителей, переключателей лазерного излучения, систем защиты глаз сварщиков, пилотов самолетов, содержащая в качестве поляризационной основы йодированный поливиниловый спирт с малым содержанием ацетатных групп, отличающаяся тем, что для повышения пропускания в видимом диапазоне спектра и увеличения поверхностной механической прочности обе поверхности пленки наноструктурированы одностенными углеродными нанотрубками путем их лазерного нанесения на поверхности пленки с помощью СО2-лазера и ориентированием в электрическом поле напряженностью 50-200 В/м.
www.freepatent.ru
Поляризационный фильтр
Специальные фильтры для фотосъемок используют многие фотолюбители. С помощью этих фильтров можно создать ряд эффектов, которые не получится сделать при дальнейшей обработке фотографии в фотошопе. К ним относится поляризационный фильтр или поляроид. Его можно приобрести в магазине, а также сделать своими руками, применяя подручные материалы.
Для чего нужен поляризационный фильтр
Этот фильтр не пропускает поляризованный свет, то есть различные отражения от стекла, воды и других отражающих поверхностей. Конечно, убираются не все отражения. Например, отражение от зеркала фильтр не уберет. Но фотографии с поляризационным фильтром могут измениться радикально.
Использование поляризационного фильтра позволяет убрать блики от скользящего света неба со стекол машин, зданий, витрин и др. Можно также убрать блики с лакокрасочных поверхностей автомобиля и со стен зданий. Окна делаются более темными, можно рассмотреть пространство за ними. Если автомобиль без тонировки, то на снимке будет просматриваться весь салон.
При съемке пейзажей голубое небо становится темно-синим, облака выглядят более контрастно и с выраженными деталями на них. Применение поляризационного фильтра помогает убрать блики с травы и листвы деревьев, в результате они получаются более зелеными.
При съемке водной поверхности фильтр позволяет получить прозрачную воду, где видны все камешки и водоросли.
Почему возникает необходимость сделать поляризационный фильтр своими руками
Цены на поляризационные фильтры весьма недешевые. Если для фотосъемки вы пользуетесь «мыльницей», то надеть на нее фильтр не получится, так как объективы «мыльниц» обычно не имеют резьбы.
Как вариант, можно приставлять фильтр вручную, что не очень удобно.
Из чего можно сделать поляризационный фильтр своими руками
Свойство поляризации света широко применяется в технике, поэтому нас окружает множество бытовых поляризационных фильтров. Например, в жидкокристаллических экранах используется принцип поляризации света.
Поляризационные фильтры также содержат будильники, наручные часы, мониторы цифровых камер, экраны мониторов и телефонов. Нам остается их достать оттуда.
Примеры создания самодельных поляризационных фильтров
- Для получения фильтра можно использовать старый мобильный телефон. Поляризационным фильтром в таких устройствах будет являться пленка. Подобных пленок в жидкокристаллических экранах две, между ними помещаются жидкие кристаллы. Обычно эти пленки приклеены к стеклам. Желательно не отклеивать поляризационную пленку от стекла, иначе она будет скручиваться, и могут остаться видны следы клея. Поэтому, разобрав телефон, фильтр нужно достать вместе со стеклышком, к которому он был приклеен. Полученный фильтр удобно использовать с «мыльницами».
- Можно приобрести поляризационное стекло в магазинах «Оптика». Стоимость его гораздо меньше стоимости поляризационного фильтра. В этих же магазинах стекло вам могут обточить до требуемых размеров. Чтобы пристроить стекло к фотоаппарату, используется пластмассовая трубка, которая насаживается на адаптер конверторов. В эту трубку вклеивается стекло фильтра, которое предварительно обтачивается по внутреннему размеру трубки. Трубка поворачивается вокруг своей оси, позволяя использовать стекло как поляризационный фильтр.
- Если приходится снимать «мыльницами» и мобильными телефонами, то возникает проблема с креплением фильтра на объектив. Владельцы зеркальных фотоаппаратов могут просто купить фильтр с готовой резьбой и накрутить его на объектив. Для мобильников и «мыльниц» обычно нет соответствующих приспособлений для крепления. Можно самостоятельно изготовить подобное крепление из картона и клея. При этом важно учитывать размер и вид камеры. Вместо покупного фильтра используем поляризационный фильтр из разобранных калькулятора, мобильного телефона, электронной игры и др.
Как снимать с поляризационным фильтром
Максимальную эффективность использования поляризационного фильтра можно достичь, направив линию зрения камеры перпендикулярно солнечному свету.
Направьте указательный палец на солнце, а большой держите под прямым углом к нему. Вращайте руку, продолжая указывать на солнце, при этом указательный палец будет показывать направление максимального эффекта поляризатора.
opriborah.ru
Поляризованный свет | Журнал Популярная Механика
Поляризованный свет, свойства которого давно используются в промышленности и науке, в XXI веке облюбовали художники и фотографы. Чтобы оказаться на пике современного искусства, для начала хватит пары специальных фильтров, рулона целлофана, ножниц и клея.
Сергей Апресов
1 мая 2018 14:00
Яркие, красочные картины, которые вы видите на этой странице, принадлежат перу художницы Остин Вуд-Комароу. Точнее, не перу — в этих работах нет ни капли краски. Мало того, все материалы, из которых они сделаны, абсолютно прозрачны и бесцветны. Такая картина называется полаж (polage) — это сочетание двух слов: поляризация и коллаж. Необычайно яркие, чистые, насыщенные цвета, которые вы видите на картине, — результат взаимодействия источника света, двух поляризационных фильтров и расположенного между ними в несколько слоев преломляющего свет материала. Эти цвета — ближайшие родственники радуги. Полаж — не статичное изображение. Один из поляризационных фильтров постоянно вращается, заставляя цвета картины изменяться и превращая прозрачный витраж в живой переливающийся калейдоскоп. Остин работает в изобретенной ей технике полажа давно — с 1967 года. Сегодня творческие эксперименты с поляризованным светом, будь то создание коллажей или фотосъемка выращенных кристаллов, стремительно набирают популярность и завоевывают репутацию искусства XXI века.
Ломая поверхность (Breaking The Surface) Размер: 158х158 см. Работа подсвечивается четырьмя люминесцентными лампами изнутри. В отличие от других картин Остин, у нее нет вращающегося верхнего поляризационного фильтра. Зритель может сам использовать фильтр как ему будет угодно.
Легкая теория
Свет, излучаемый обычными источниками, например солнцем, электрической лампочкой или свечкой, представляет собой совокупность электромагнитных волн, вектор электрической напряженности которых колеблется в самых разных плоскостях. Такой свет называется неполяризованным. Свет, в котором этот вектор колеблется только в одной плоскости, называется линейно поляризованным. Его можно получить, установив на пути пучка поляризационный фильтр. Если вслед за первым поляризационным фильтром установить еще один, свет сможет преодолеть их только в том случае, если плоскости поляризации обоих фильтров будут параллельны. Если же ориентировать фильтры перпендикулярно, свет пройти не сможет.
Свойства поляризационного фильтра давно используются в фотографии и в быту. К примеру, отраженный на границе двух прозрачных сред свет всегда частично поляризован, поэтому поляризационный фотофильтр эффективно нейтрализует яркие блики. Поляризованные линзы в солнцезащитных очках помогают автолюбителям справиться со слепящим блеском мокрого асфальта, а лыжникам и сноубордерам — с отраженным от снега солнечным светом. Наконец, на эффекте поляризации работают современные ЖК-экраны: жидкие кристаллы, поляризующие свет, меняют свое положение относительно поляризующей подложки, тем самым регулируя яркость каждой точки. Именно свойству кристаллов поляризовать свет мы и обязаны повсеместным использованием поляризации. Большинство поляризационных фильтров и пленок представляют собой слой ацетилцеллюлозы, содержащий большое количество мелких кристаллов, правильно ориентированных в момент изготовления фильтров с помощью электрического поля.
Мастер-класс для очкариков Вы можете последовать примеру Остин Вуд-Комароу и самостоятельно поэкспериментировать с аппликациями в поляризованном свете. Для начала придется раздобыть собственно поляризационную пленку. Она имеется в продаже для лабораторных нужд. Кроме пленки понадобится пара стекол, фоторамка и лампа. Итак, первое стекло будет служить предметным столом. Под ним следует разместить лампу, а на него положить поляризационную пленку. Второе стекло вместе со второй пленкой поместите в рамку — получится удобный в использовании верхний фильтр, который можно класть на картину сверху и поворачивать. Начните эксперимент с простого смятого целлофана — вы удивитесь, насколько причудливые разноцветные картины он может создавать благодаря наложениям и внутренним напряжениям. Можно также использовать очки с поляризованными линзами для предварительного просмотра полученных картин. Кстати, напряжения (натяжение, сжатие) прозрачных материалов ярко окрашиваются в поляризованном свете, и этот эффект уже давно используют в промышленности для дефектоскопии и анализа напряжений в прозрачных материалах.
Прозрачные вещества бывают оптически изотропными и анизотропными. Оптические свойства (показатель преломления, степень поглощения, дисперсия) изотропных веществ не зависят от направления распространения света. К таким веществам относятся аморфные вещества (например, стекло), а также кристаллы с кубической кристаллической решеткой.
Оптические характеристики анизотропных кристаллов зависят от направления распространения света, его длины волны и поляризации. Разные коэффициенты поглощения в зависимости от длины волны и направления поляризации приводят к плеохроизму — различной окраске кристаллов при рассмотрении с различных направлений. Скажем, кристалл апатита кажется на просвет светло-желтым вдоль оптической оси (осевая окраска) и зеленым перпендикулярно к ней (базисная окраска).
Во многих кристаллах наблюдается также двойное лучепреломление — разложение света на два пучка, поляризованные в перпендикулярных направлениях. В сочетании с дисперсией (зависимостью показателя преломления от длины волны) это приводит к различной окраске кристаллов при наблюдении в поляризованном свете.
Художница в темных очках
Итак, Остин не работает с кистью. Ее главный рабочий инструмент — острый резак, которым она вырезает фигуры из листов прозрачного целлофана. Этот прозрачный материал обладает оптической анизотропией — при изготовлении пленки из вискозы ее растягивают и длинные молекулы выстраиваются в цепочки.
www.popmech.ru
поляризационные пленки для видимого диапазона спектра с наноструктурированной поверхностью на основе углеродных нанотрубок и нановолокон - патент РФ 2498373
Поляризационная пленка представляет собой пленку иодированного поливинилового спирта (ПВС) с нанесенной с двух сторон смесью из углеродных нанотрубок и углеродных нановолокон, для нанесения которых используется лазерное напыление углеродных нанотрубок и углеродных нановолокон при применении р-ноляризованного излучения СО2-лазера на длине волны 10.6 микрометров, а также ориентирование осаждаемых наноструктур в электрическом поле напряженностью 50-200 В/м. Технический результат - удешевление материала поляризационной пленки, сохранение пропускания в видимом диапазоне спектра и увеличение поверхностной механической прочности. 1 ил., 1 табл. 
Рисунки к патенту РФ 2498373
Решение задач дисплейной техники, систем телекоммуникаций, лазерной, биомедицинской техники, др. требует применения поляризационных устройств видимого диапазона спектра, причем таковых, которые легко бы встраивались в сложные оптоэлектронные устройства и системы.
Настоящее изобретение относится к области оптического приборостроения, лазерной, телекоммуникационной, дисплейной и биомедицинской техники, а также полезно при использовании в приборах защиты от засветок пилотов самолетов, защиты глаз сварщиков, медицинского персонала при использовании электрооптических, в том числе, жидкокристаллических элементов, функционирующих в скрещенных поляроидах - поляризационных пленках - для разделения параллельной и перпендикулярной компонент светового луча.
Устройство представляет собой структуру, состоящую из пленки иодированного поливинилового спирта (ПВС) и нанесенных с двух сторон углеродных одностенных нанотрубок и нановолокон. При функционировании данного устройства предлагается использовать поляризационные пленки как в параллельном, так и в скрещенном положении в зависимости от необходимости получения изначально светлого или черного поля.
Технический результат - существенное удешевление продукции за счет применения не чистых углеродных одно- и/или многостенных нанотрубок, а смеси нанотрубок с нановолокнами; сохранение пропускания в видимом диапазоне спектра и увеличение поверхностной механической прочности.
Изобретение относится к области оптоэлектроники, в частности к конструкции электро- и светоуправляемых жидкокристаллических пространственно-временных модуляторов света (ЖК-ПВМС), ограничителей и переключателей лазерного излучения, к конструкции дисплейных элементов, ЖК-экранов, к конструкции очков для сварщиков и пилотов самолетов, к конструкции визуализаторов биообъектов в микроскопах, др. [1-3], а также может быть рассмотрено как поляризационный элемент нового поколения с наноструктурированной поверхностью, позволяющей избежать процесса ламинирования поляроидов.
Известно, что функционирование поляризационного элемента связано с поперечностью электромагнитных волн. Основа работы такого поляризационного устройства обусловлена его способностью пропускать одну из компонент естественного света, параллельную оси поляризатора, и задерживать другую, ортогональную компоненту. Известны два способа создания таких поляризационных устройств. Первый основан на напылении металлических полос на полимерную основу и отражает и пропускает падающее излучение разной поляризации, соответственно. Второй основан на создании, например, полимерных йодно-поливиниловых поляризационных пленок, пропускающих, соответственно, параллельную компоненту падающего света и поглощающих - ортогональную компоненту. Таким образом, принцип действия йодно-поливинилового пленочного поляризатора основан на дихроизме поглощения анизотропных комплексов ПВС-йод.
Для предотвращения царапин и изгибов полимерной поляризационной пленки обычно ее заклеивают между стеклянными поверхностями или запрессовывают в триацетатцеллюлозу. Это позволяет сохранить форму пленок, что немаловажно в оптоэлектронных схемах для снижения аберраций в оптических каналах и получения неискаженного сигнала при работе дисплейных пикселей.
Известна конструкция поляризационной пленки, выбранная в качестве аналога [4], содержащего в качестве поляризационного элемента пленку поливинилового спирта (ПВС), заклеенную между силикатными стеклами К8 с помощью акрилового клея или клея бальзамин-М. Поляризационная пленка функционировала в видимом диапазоне спектра с разным уровнем пропускания в зависимости от состава и условий синтеза. Недостатком данной конструкции поляризационной пленки явилось недостаточное пропускание параллельной компоненты света (на уровне 40%) в области 400-750 нм и плохая механическая прочность самой пленки, что вынуждало размещать ее между стеклами, увеличивая число границ раздела сред, а, следовательно, величину потерь Френеля на отражение. Это затрудняет применение устройства, выбранного в качестве аналога, в лазерных, телевизионных, дисплейных, микроскопических, др. системах.
Известна конструкция поляризационной пленки, выбранная в качестве прототипа [5], содержащего в качестве поляризационного элемента пленку сополимера ПВС, заклеенную в триацетатцеллюлозу, что позволяло обеспечивать высокую равномерность по толщине и плоскостности. Было достигнуто увеличение пропускания для параллельной компоненты света на уровне 40-55%, что выше, чем в поляризационной пленке, выбранной в качестве аналога. Недостатком данной конструкции пленочного поляризатора явилось недостаточное сопротивление деформируемости пленки, что снижало поверхностную механическую прочность, а также наличие нескольких границ раздела [5], что также вело к увеличению потерь на отражении при работе поляризатора.
Известна конструкция поляризационной пленки, выбранная дополнительно, также в качестве прототипа [6], где для повышения пропускания параллельной компоненты света использовались одностенные углеродные нанотрубки. Недостатком данной конструкции [6] явилось использование для процесса повышения пропускания и упрочнения поверхности поляризационных пленок чистых углеродных одностенных нанотрубок, что существенно повышает стоимость изготавливаемых изделий.
Техническим результатом изобретения является удешевление в 2 раза продукции, сохранение пропускание параллельной компоненты света и повышение поверхностной механической прочности.
Указанный результат достигается наноструктурированием поверхности пленок смесью углеродных нанотрубок и нановолокон. Указанный результат достигается тем, что нанесение на поверхность поляризационных пленок смеси углеродных нанотрубок и нановолокон требует применение углеродного материала, синтез которого связан с существенно меньшими затратами, чем синтез одностенных нанотрубок. Стоимость смеси углеродных нанотрубок с углеродными нановолокнами, как в отечественном производстве, так и на мировых рынках, по крайней мере в 2 и более раз меньше, чем стоимость чистых углеродных одностенных и многостенных нанотрубок. Кроме того, уменьшается число дефектных областей, связанных с неравномерностью распределения и разностью высоты одностенных или многостенных углеродных нанотрубок, сепарировать которые достаточно трудно; данные дефектных области заполняются смесью углеродных нанотрубок с нановолокнами с высокой поверхностной площадью. Уменьшение числа дефектных областей ведет к увеличению механической прочности. Сохранение спектральных характеристик обеспечивается малостью показателя преломления смеси углеродных нанотрубок и нановолокон. В спектральной области длин волн 400-750 нм пленки обеспечивают пропускание параллельной компоненты света на уровне 70%. Повышение поверхностной механической прочности обусловлено ковалентной привязкой углеродных нанообъектов к поверхности пленок, что обеспечивает упрочнение поверхности за счет встраивания в поверхность большого количества трудноразрушимых С-С связей от углеродных нанотрубок и углеродных нановолокон. Замена ламинирования поляризационных пленок при их заклеивании в стекло К8 или запрессовывании в триацетатцеллюлозу процессом лазерного нанесения ориентированных в электрическом поле нанообъектов из смеси углеродных нанотрубок и нановолокон обеспечивает отсутствие царапин и дефектов на поверхности пленок, что делает их более функционально пригодными в приборах микроскопии, лазерных системах коррекции аберраций, дисплейной и медицинской технике.
Сравнительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая поляризационная пленка отличается тем, что для удешевления поляризационной пленки с наностуктурированной поверхностью, сохранения пропускания в видимом диапазоне спектра и повышения механической прочности используется тот же состав иодированного поливинилового спирта, но при нанесении нанообъектов на поверхность пленки используется наноструктурирование поверхности пленок смесью углеродных нанотрубок и нановолокон путем их лазерного нанесения на поверхность пленок и ориентированием нанообъектов в электрическом поле. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлены зависимости пропускания от длины волны для параллельной и ортогональной компонент (фиг.1) и таблицей сравнительных данных по увеличению механической прочности (Таблица 1).
Итак, предлагаемая поляризационная пленка с пропусканием, указанным на фиг.1, представляет собой однородную структуру, состоящую из слоя иодированного поливинилового спирта толщиной 60-80 микрометров и нанесенных на обе поверхности пленки слоя из смеси углеродных нанотрубок и углеродных нановолокон толщиной ~0.05-0.05 мкм, напыляемых в вакууме лазерным способом при приложении ориентирующего электрического поля напряженностью 50-200 В/м.
Измерения пропускания пленок без нанесения нанотрубок и при их нанесении на поверхность пленок показывают сохранение пропускания наноструктурированной пленки в видимой области спектра для параллельной компоненты света (фиг.1, кривые Т||) и сохранение минимального пропускания для ортогональной компоненты света (фиг.1, кривые T
).
Таким образом, йодно-поливиниловые поляризационные пленки делались по традиционной технологии с учетом новизны, связанной с наноструктурирование поверхности пленок смесью углеродных нанотрубок и углеродных нановолокон. Сущность традиционной технологии заключается в растяжении при комнатной температуре увлажненной, немного поддубленной и йодированной в растворе йода с йодистым калием поливиниловой пленки из высокомолекулярного поливинилового спирта. Для поставленной цели используется высокомолекулярный ПВС с малым содержанием ацетатных групп. Отфильтрованный и отстоявшийся раствор ПВС разливается на чистые полированные (без царапин и оптических дефектов) стекла, помещенные на столики в специальном сушильном шкафу. Стекла нивелированы по уровню. После высыхания пленки снимаются со стекол. Проводится увлажнение заготовок поливиниловых пленок в парах воды в закрытом сосуде при комнатной температуре. Далее осуществляется дубление увлажненных заготовок поливиниловых пленок в растворе борной кислоты при комнатной температуре, а затем - окрашивание поддубленных заготовок поливиниловых пленок в водном растворе йода с йодистым калием при соотношении: J 2/KJ=1/1.1. Технологический процесс ведется при комнатной температуре. Времена дубления и йодирования подбираются экспериментально для достижения требуемых параметров поляроидов. Растяжение увлажненной и окрашенной поливиниловой пленки в специальной растяжной машине с ручным приводом при комнатной температуре до величины растяжения не менее 3.5 раз по отношению к начальной длине пленки, закрепленной для растяжения. Сушка поляризационной пленки в растянутом состоянии в специальных растяжных рамках при комнатной температуре. После сушки получается эластичная поляризационная пленка серого цвета, поляризующая свет в широкой области спектра 280-800 нм.
Сущность новизны в технологическом цикле заключается в наноструктурировании поверхности йодно-поливиниловой поляризационной пленки смесью углеродных нанотрубкок и углеродных нановолокон. Для этого используется лазерное напыление углеродных нанообъектов при применении p-поляризованного излучения CO2-лазера на длине волны 10.6 микрометров, а также ориентирование осаждаемой смеси из углеродных нанотрубок и углеродных нановолокон в электрическом поле напряженностью 50-200 В/м.
Указанное усовершенствование в применении наноструктрирования поверхности поляризационных пленок смесью углеродных нанотрубок и углеродных нановолокон, ранее используемое только для увеличения лазерной и механической прочности проводящих слоев и мягких материалов УФ и ИК-диапазона, улучшению фоторефрактивных свойств органических нанокомпозитов [7], привело к удешевлению материала поляризационной пленки в 2 раза, сохранению пропускания в видимой области спектра для параллельной компоненты света - за счет малости показателя преломления углеродных нанотрубок, и увеличению в 2.5 раза поверхностной механической прочности поляризационных пленок, предотвращающее деформируемость пленок - за счет встраивания в поверхность трудноразрушимых С-С связей от углеродных нанообъектов.
Указанное усовершенствование позволило расширить область применения пленок в гражданском приборостроении, связанном с производством микроскопической, дисплейной, медицинской техники, а также в системах записи-считывания оптической информации, переключения потоков излучения, в телекоммуникационных, и лазерных системах и комплексах.
Источники информации
1. Васильев А.А., Касасент Д., Компанец И.П., Парфенов А.В. Пространственные модуляторы света, - М.: Радио и связь. 1987, 320 с.
2. Жаркова Г.М., Сонин А.С. Жидкокристаллические композиты. Новосибирск: ВО "Наука", 1994. 214 с.
3. Каманина Н.В., Соме Л.Н., Тарасов А.А. «Коррекция фазовых аберраций голографическим методом с применением жидкокристаллических пространственных модуляторов света», Оптика и спектроскопия, т.68, № 3, с.691-693, 1990.
4. Савко С.С, Игольникова Л.М. «Влияние солнечного облучения на стабильность поляризационных светофильтров», Оптико-механическая промышленность, № 1, с.6-96 1981.
5. Виноградова О.В., Гапоненко И.М., Налбандян Ю.Е., Савко С.С., Студенов В.И., Учанов Ю.Е. «Повышение термо- и влагостойкости поляризационных пленок», Оптико-механическая промышленность, № 11, с.41-43, 1989.
6. Н.В. Каманина, П.Я. Васильев, В.И. Студенов, «Тонкопленочные поляризаторы для видимого диапазона спектра с наноструктурированной поверхностью на основе углеродных нанотрубок», Письма в ЖТФ, том 36, вып.15, 2010.
7. N.V. Kamanina, N.A. Shurpo, S.V. Likhomanova, D.N. Timonin, S.V. Serov, O.V. Barinov, P.Ya. Vasilyev, V.I. Studeonov, N.N. Rozhkova, V.E. Vaganov, I.V. Mishakov, A.A. Artukh, L.A. Chernozatonskii, "Features of the nanostractured composites", Proceedings of the tenth Israeli-Russian Bi-National Workshop 2011 "The Optimization of the Composition, Structure and Properties of Metals, Oxides, Composites, Nano- and Amorphous Materials", Israel Academy of Science and Humanities and the Russian Academy of Science; 20 June - 23 June, 2011, p.77-85.
| Таблица 1 | |||||||||
| Сравнительные данные по микротвердости для чистых и наноструктурированных тонких поляризационных пленок на основе йодно-поливинилспиртовых композиций при наноструктурировании поверхности смесью углеродных нанотрубок и углеродных нановолокон | |||||||||
| Изучаемая система/число измерений | Микротвердость, Па×109 | Среднее значение | Коэффициент увеличения микротвердости | ||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |  | | |
| Чистая матричная поляризационная пленка | 0.191 | 0.154 | 0.148 | 0.175 | 0.182 | 0.182 | 0.154 | 0.1694 | 2.587 |
| Наноструктурированная поляризационная пленка | 0.492 | 0.458 | 0.458 | 0.402 | 0.376 | 0.354 | 0.558 | 0.4383 | |
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Поляризационная йодно-поливинилспиртовая пленка для микроскопии, дисплейной, лазерной, телевизионной, медицинской техники, для оптимизации конструкции свето- и электроуправляемых пространственно-временных модуляторов света, ограничителей, переключателей лазерного излучения, систем защиты глаз сварщиков, пилотов самолетов, содержащая в качестве поляризационной основы йодированный поливиниловый спирт с малым содержанием ацетатных групп, отличающаяся тем, что для удешевления материала поляризационной пленки, сохранения пропускания в видимом диапазоне спектра и увеличения поверхностной механической прочности обе поверхности пленки наноструктурированы смесью углеродных нанотрубок и углеродных нановолокон путем их лазерного нанесения на поверхность пленки с помощью СО2-лазера и ориентированием наноструктур в электрическом поле напряженностью 50-200 В/м.
www.freepatent.ru
поляризационная пленка и способ ее получения - патент РФ 2520938
Поляризационная пленка состоит из ориентированных молекул блок-сополимера поливинилового спирта и поливинилена, полученного кислотно-катализированной термической дегидратацией ориентированных молекул поливинилового спирта, и дополнительно содержит фосфорно-вольфрамовую кислоту. Способ получения заключается в формировании пленки поливинилового спирта из водного раствора поливинилового спирта и кислотного катализатора термической дегидратации этого полимера, одноосной вытяжке и последующем отжиге этой пленки. В качестве кислотного катализатора используют фосфорно-вольфрамовую кислоту в количестве 10-30% относительно массы поливинилового спирта. Пленку вытягивают в 4-7 раз относительно ее исходной длины и отжигают при температуре 120-140°C в течение 1-15 мин. Технический результат - одинаковые оптические свойства по всей площади, повышение устойчивости к влаге и теплу, обеспечение простоты, экономичности и экологичности получения пленки. 2 н. и 1 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к поляризационным пленкам для видимой области спектра на основе поливинилового спирта (ПВС) и способам их получения. Такие пленки являются важными составными элементами различных оптоэлектронных устройств, включая в первую очередь плоские дисплеи на жидких кристаллах.
Известные в настоящее время поляризационные пленки на основе ПВС делятся на три группы в зависимости от входящего в их состав поляризующего свет компонента: 1) пленки, содержащие полииодидные комплексы; 2) пленки, содержащие дихроичные красители, 3) пленки, в которых цепи ПВС содержат поливиниленовые звенья. Пленки одноосно вытянуты. Одноосная вытяжка создает преимущественную молекулярную ориентацию поляризующих компонентов в направлении оси вытяжки, в результате чего пленка приобретает поляризационные свойства.
Предметом изобретения является поляризационная пленка на основе ПВС, полимерные цепи которого содержат поливниленовые звенья. В основе получения таких пленок лежит кислотно-катализируемая реакция термической дегидратации ПВС, в которой часть поливинилспиртовых звеньев полимерной цепи химически превращаются в поливиниленовые и, как результат, образуется блок-сополимер поливинилового спирта и поливинилена
где -(Ch3-CHOH)n-k - и -(CH=CH)k- представляют собой, соответственно, поливинилспиртовые и поливиниленовые звенья указанного блок-сополимера. Одноосно ориентированные поливиниленовые звенья характеризуются сильным оптическим дихроизмом в видимой области спектра - пропускают свет, поляризованный параллельно оси ориентации, и сильно поглощают свет с перпендикулярной поляризацией. Поэтому пленка, состоящая из ориентированных молекул блок-сополимера ПВС и поливинилена, обладает поляризационными свойствами.
Поляризационная пленка, состоящая из ориентированных молекул блок-сополимера ПВС и поливинилена, полученного кислотно-катализированной термической дегидратацией ориентированных молекул ПВС, описана в патенте [1].
В предлагаемых в [1] способах получения указанной пленки для катализа термической дегидратации ПВС используют сильные минеральные кислоты: НС1, HI, HBr, h3SO4 . В одном способе кислоту вводят в неориентированную пленку ПВС, погружая ее в водный раствор кислоты в метаноле или в смеси метанол-вода. Затем пленку подвергают дегидратации путем ее отжига при 150-175°C с одновременной одноосной вытяжкой. В другом способе пленку ПВС сначала ориентируют (вытягивают) в одном направлении, затем вводят в нее кислоту, аналогично первому способу, после чего пленку отжигают при 150-175°C. В процессе отжига кислота, содержащаяся в пленке, катализирует термическую дегидратацию ПВС и одновременно удаляется из пленки в результате испарения.
Известны модификации способов получения поляризационной пленки, описанных в патенте [1], отличающиеся тем, что сильную минеральную кислоту (НО) вводят в пленку, выдерживая ее не в кислотном растворе, а в парах концентрированной (дымящейся) кислоты [2-4]. Дополнительно эти способы включают операции, позволяющие повысить термо- и влагостойкость пленок, а также улучшить их поляризационные характеристики.
Недостатком известных способов [1-4] является использование больших количеств высоко-коррозийных и опасных по воздействию на человека сильных минеральных кислот. Это накладывает повышенные требования к антикоррозийной защите оборудования и безопасности производства. Другим недостатком способов [1-4] является то, что динамика испарения кислоты и, соответственно, ее концентрация на разных участках пленки может различаться из-за флуктуации температуры и конвективного движения контактирующих с пленкой паров кислоты. В результате образование поливиниленовых звеньев в структуре ПВС при его дегидратации происходит неравномерно, что приводит к появлению дефектов «полосатости» и «пятнистости» окрашивания пленок в поляризованном свете и делает их непригодными для особо точных оптических применений.
Известны технические решения [5, 6], которые позволяют получать поляризационную пленку путем частичной термической дегидратации ПВС, катализируемой соляной кислотой, без применения больших количеств кислоты, и дают при этом равномерное образование поливиниленовых структур по площади пленки. В способе [5] на несущую пленку из полиэтилентерефталата или триацетата целлюлозы наносят слой 1-3-нормального раствора НСl в количестве ~10-4 мл/см2 и одновременно совмещают несущую пленку по нанесенному слою с одноосно вытянутой пленкой ПВС, после чего полученный «сэндвич» выдерживают при 115-160°C в течение 3-10 мин. Способ [6] аналогичен способу [5], за исключением того, что вместо слоя водного раствора НСl на поверхность несущей пленки наносят тонкий слой композиции, содержащей вещество, которое при повышенных температурах разлагается с образованием НСl. Недостатком этих способов является их сложность, связанная с использованием дополнительного специального оборудования для нанесения однородного тонкого слоя вещества или смеси веществ на одну пленку и совмещения ее по этому слою с другой пленкой. Другим недостатком этих способов является увеличение материальных затрат из-за использования вспомогательных полимерных пленок и реагентов.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является поляризационная пленка и способ ее получения, описанные в патенте [1] (прототип).
Задачей настоящего изобретения является поляризационная пленка, способ получения которой является простым и экономичным, не требует антикоррозийной защиты оборудования и повышенных мер безопасности производства, обеспечивает равномерное образование поливиниленовых структур и, соответственно, одинаковые оптические свойства по всей площади пленки.
Поставленная задача решается тем, что поляризационная пленка, состоящая из ориентированных молекул блок-сополимера ПВС и поливинилена, полученного кислотно-катализированной термической дегидратацией ориентированных молекул ПВС, дополнительно содержит фосфорно-вольфрамовую кислоту (ФВК).
Концентрация ФВК в пленке составляет 10-30%.
Способ получения заявляемой поляризационной пленки заключается в формировании пленки ПВС из совместного водного раствора ПВС и кислотного катализатора термической дегидратации этого полимера, одноосной вытяжке и последующем отжиге пленки. В качестве кислотного катализатора используют ФВК, которую добавляют в раствор ПВС в количестве 10-30% относительно массы полимера, пленку вытягивают в 4-7 раз относительно ее исходной длины и отжигают при температуре 120-140°C в течение 1-15 мин.
Нами обнаружено, что ФВК (химическая формула h4PW12O40) является эффективным катализатором термической дегидратации ПВС, что позволяет получать требуемую степень дегидратации пленок ПВС при относительно невысоких температурах отжига (120-140°С) даже при относительно небольшом (до 10%) содержании ФВК в пленке. При этом важно, что ФВК, в отличие от сильных жидких минеральных кислот (НСl, HI, HBr, h3SO4), является нелетучим, экологически чистым и безопасным кислотным катализатором [7]. Благодаря этому получение заявляемой поляризационной пленки не требует антикоррозийной защиты оборудования и повышенных мер безопасности производства. Нами также обнаружено, что пленки состава ПВС-ФВК, получаемые из совместного водного раствора ПВС и ФВК, являются нанокомпозитными: ФВК равномерно распределена в матрице ПВС в виде твердых частиц размером менее 50 нм. Благодаря равномерному распределению частиц ФВК, катализируемая ей реакция дегидратации ПВС протекает равномерно по всей пленке, в результате чего пленка имеет одинаковые поляризационные свойства по всей своей площади. Кроме того, поскольку размер частиц ФВК составляет порядка 10 нм, рассеяние света на этих частицах отсутствует и, соответственно, их наличие в поляризационной пленке не сказывается на ее оптической прозрачности.
Как будет видно из приведенных ниже примеров реализации изобретения, пленки, имеющие высокие показатели поляризационных свойств, термо- и влагостойкости, могут быть получены заявляемым способом при содержании ФВК 10-30% относительно массы ПВС, одноосной вытяжке пленки в 4-7 раз относительно ее начальной длинны, температуре отжига пленки 120-140°С и длительности отжига 1-15 мин.
Пример 1.
Заданное количество водного раствора ПВС (марка Mowiol 28-99) и ФВК с содержанием ФВК 30% относительно ПВС выливают на дно чашки Петри из модифицированного полистирола и сушат при комнатной температуре в течение 24 час. Сформировавшуюся пленку толщиной 50 мкм снимают с подложки, фиксируют в ручном устройстве для одноосной вытяжки полимерных пленок и вытягивают в 4 раза при заданной температуре. Толщина пленки после вытяжки составляет примерно 25 мкм. Ориентированную пленку, по-прежнему зафиксированную в устройстве для вытяжки, отжигают в термошкафу при 120°C в течение 8 мин. Полученная таким образом пленка практически бесцветна при рассмотрении в свете, поляризованном параллельно оси вытяжки пленки, и имеет серо-коричневую окраску в свете, поляризованном перпендикулярно, что говорит о наличии у полученной пленки поляризационных свойств. Окраска пленки равномерна по всей ее площади, дефекты «полосатости» и «пятнистости» окрашивания отсутствуют.
Еще две поляризационные пленки изготавливают аналогичным способом за исключением того, что одну пленку отжигают 12 мин при 120°C, а другую - 2 мин при 140°C.
Пропускание (Т) полученных поляризационных пленок в области длин волн 400-700 нм при параллельной (T||) и перпендикулярной (Т
) поляризации света относительно оси вытяжки пленки измеряли на спектрофотометре UV-Vis-NIR Сагу 500. После чего степень поляризации (k) света пленкой определяли по формуле
k(%)=(T||-Т)/(Т||+Т)×100
Для перпендикулярно поляризованного света спектры полученных поляризационных пленок имеют широкую интенсивную полосу поглощения в области 400-600 нм с максимумом около 465 нм. Значения T|| и k на длине волны 465 нм для полученных поляризационных пленок приведены в Таблице 1. Приведенные данные показывают, что оптические характеристики пленки вытянутой в 4 раза изменяются от 60 до 26% по Т|| и от 54 до 92% по к при увеличении продолжительности и температуры отжига.
Пример 2.
Две пленки ПВС, содержащие 30% ФВК, отливают из водного раствора, подвергают одноосной вытяжке и отжигают, аналогично описанному в примере 1. При этом пленки вытягивают в 7 раз и одну пленку отжигают 12 мин при 120°С, а другую пленку - 2 мин при 140°С.Оптические характеристики полученных поляризационных пленок, измеренные аналогично описанному в примере 1, приведены в таблице 1.
Сравнение приведенных в таблице 1 данных для примера 2 с данными для примера 1 показывает что для пленок с одинаковым содержанием ФВК увеличение степени вытяжки пленок при неизменной продолжительности и температуре их последующего отжига позволяет получать поляризационные пленки с повышенной поляризующей способностью без снижения их прозрачности для параллельно поляризованного света. Пример 3.
Две пленки ПВС, содержащих ФВК в количестве 20% от массы ПВС, отливают из водного раствора, подвергают одноосной вытяжке в 4 раза и отжигают, аналогично описанному в примере 1. При этом одну пленку отжигают 12 мин при 120°C, а другую пленку - 3 мин при 140°C. Оптические характеристики полученных поляризационных пленок приведены в таблице 1. Сравнение приведенных в таблице 1 данных для примера 3 с данными для примера 1, показывает, что снижение концентрации ФВК с 30% до 20% при получении поляризационных пленок заявляемым способом позволяет повысить их поляризующую способность и одновременно увеличить их прозрачность для параллельно поляризованного света.
Пример 4.
Три пленки ПВС, содержащие ФВК в количестве 15% от массы ПВС, отливают из водного раствора, подвергают одноосной вытяжке в 4 раза и последующему отжигу, аналогично описанному в примере 1. При этом одну пленку отжигают 17 мин при 120°C, а две другие пленки - 3 и 4 мин при 140°C. Оптические характеристики полученных поляризационных пленок приведены в таблице 1. Сравнение приведенных в таблице 1 данных для примера 4 с данными для примеров 1 и 3 показывает, что для пленок, содержащих 15% ФВК, значения Т|| и k, сопоставимые с таковыми для пленок, содержащих 20% или 30% ФВК, могут быть получены за счет небольшого увеличения продолжительности отжига пленок при 140°C.
Пример 5.
Две пленки ПВС, содержащие ФВК в количестве 10% от массы ПВС, отливают из водного раствора, подвергают одноосной вытяжке в 4 раза и последующему отжигу, аналогично описанному в примере 1. Отжиг проводят при 140°C в течение 10 и 15 мин для первой и второй пленки соответственно. Оптические характеристики полученных поляризационных пленок приведены в таблице 1. Сравнение приведенных в таблице 1 данных для примера 5 с данными для примера 4 показывает, что снижение концентрации ФВК с 15% до 10% позволяет заметно увеличить прозрачность пленок для параллельно поляризованного света, сохранив при этом их высокую поляризующую способность, но требует для этого существенного увеличения продолжительности отжига пленок.
| Таблица 1. | ||||||
 | Содержание | Степень | Температура | Длительность | T||,% | k, % |
| ФВК, % | вытяжки | отжига, °C | отжига, мин | | |
| Пример 1 | 30 | 4 | 120 | 8 | 35,3 | 85,2 |
| 30 | 4 | 120 | 12 | 30,2 | 91,5 |
| | 30 | 4 | 140 | 2 | 25,9 | 92,2 |
| Пример 2 | 30 | 7 | 120 | 12 | 39,5 | 92,8 |
| | 30 | 7 | 140 | 2 | 25,6 | 94,7 |
| Пример 3 | 20 | 4 | 120 | 12 | 40,5 | 90,6 |
| | 20 | 4 | 140 | 3 | 35,0 | 95,1 |
| Пример 4 | 15 | 4 | 120 | 17 | 57,7 | 72,9 |
| | 15 | 4 | 140 | 3 | 53,3 | 84,5 |
| | 15 | 4 | 140 | 4 | 28,6 | 97,0 |
| Пример 5 | 10 | 4 | 140 | 10 | 48,9 | 92,8 |
| | 10 | 4 | 140 | 15 | 33,7 | 97,8 |
Пример 6.
Поляризационная пленка, полученная в примере 3, с оптическими характеристиками T||=35,0% и k=95,1% была испытана на термостойкость путем выдерживания при 80°C в термошкафу в течение 50 ч. Измерения оптических характеристик пленки после указанных испытаний дали значения T||=35,2% и k=94,8%, которые практически совпадают со значениями этих характеристик до испытаний, что свидетельствует о высокой термостойкости полученной поляризационной пленки.
Пример 7.
Поляризационная пленка, полученная аналогично описанному в примере 2, с оптическими характеристиками Т||=39,0% и k=91,4% была испытана на влагостойкость путем выдерживания при температуре 35°C и относительной влажности 100% в течение 16 ч. Измерения оптических характеристик пленки после указанных испытаний дали значения Т|| =49,5% и k=89,6%. После этого пленку дополнительно выдержали при температуре 20-25°C и относительной влажности 90% в течение 140 ч. Значения оптических характеристик пленки составили T||=54,6% и k=85,4%. Таким образом, результаты испытаний показывают, что полученная поляризационная пленка имеет хорошую влагостойкость.
Источники информации
1. Патент США № 2173304. (прототип)
2. Патент США № 2674159.
3. Патент США № 5666223.
4. Патент США № 6814899 В2.
5. Патент США № 5973834.
6. Патент США № 7087194 В2.
7. Misono М., Ono I., Koyano G., Aoshima A. Heteropolyacids. Versatile green catalysts usable in a variety of reaction media. Pure Appl. Chem. V. 72. № 7, P. 1305-1311. 2000.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Поляризационная пленка, состоящая из ориентированных молекул блок-сополимера поливинилового спирта и поливинилена, полученного кислотно-катализированной термической дегидратацией ориентированных молекул поливинилового спирта, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит фосфорно-вольфрамовую кислоту.
2. Поляризационная пленка по п.1, отличающаяся тем, что концентрация фосфорно-вольфрамовой кислоты в ней составляет 10-30%.
3. Способ получения поляризационной пленки, заключающийся в формировании пленки поливинилового спирта из водного раствора поливинилового спирта и кислотного катализатора термической дегидратации этого полимера, одноосной вытяжке и последующем отжиге этой пленки, отличающийся тем, что в качестве кислотного катализатора используют фосфорно-вольфрамовую кислоту, которую берут в количестве 10-30% относительно массы поливинилового спирта, пленку вытягивают в 4-7 раз относительно ее исходной длины и отжигают при температуре 120-140°C в течение 1-15 мин.
www.freepatent.ru
Поляризационные пленки для видимого диапазона спектра с наноструктурированной поверхностью на основе углеродных нанотрубок и нановолокон
Поляризационная пленка представляет собой пленку иодированного поливинилового спирта (ПВС) с нанесенной с двух сторон смесью из углеродных нанотрубок и углеродных нановолокон, для нанесения которых используется лазерное напыление углеродных нанотрубок и углеродных нановолокон при применении р-ноляризованного излучения СО2-лазера на длине волны 10.6 микрометров, а также ориентирование осаждаемых наноструктур в электрическом поле напряженностью 50-200 В/м. Технический результат - удешевление материала поляризационной пленки, сохранение пропускания в видимом диапазоне спектра и увеличение поверхностной механической прочности. 1 ил., 1 табл.
Решение задач дисплейной техники, систем телекоммуникаций, лазерной, биомедицинской техники, др. требует применения поляризационных устройств видимого диапазона спектра, причем таковых, которые легко бы встраивались в сложные оптоэлектронные устройства и системы.
Настоящее изобретение относится к области оптического приборостроения, лазерной, телекоммуникационной, дисплейной и биомедицинской техники, а также полезно при использовании в приборах защиты от засветок пилотов самолетов, защиты глаз сварщиков, медицинского персонала при использовании электрооптических, в том числе, жидкокристаллических элементов, функционирующих в скрещенных поляроидах - поляризационных пленках - для разделения параллельной и перпендикулярной компонент светового луча.
Устройство представляет собой структуру, состоящую из пленки иодированного поливинилового спирта (ПВС) и нанесенных с двух сторон углеродных одностенных нанотрубок и нановолокон. При функционировании данного устройства предлагается использовать поляризационные пленки как в параллельном, так и в скрещенном положении в зависимости от необходимости получения изначально светлого или черного поля.
Технический результат - существенное удешевление продукции за счет применения не чистых углеродных одно- и/или многостенных нанотрубок, а смеси нанотрубок с нановолокнами; сохранение пропускания в видимом диапазоне спектра и увеличение поверхностной механической прочности.
Изобретение относится к области оптоэлектроники, в частности к конструкции электро- и светоуправляемых жидкокристаллических пространственно-временных модуляторов света (ЖК-ПВМС), ограничителей и переключателей лазерного излучения, к конструкции дисплейных элементов, ЖК-экранов, к конструкции очков для сварщиков и пилотов самолетов, к конструкции визуализаторов биообъектов в микроскопах, др. [1-3], а также может быть рассмотрено как поляризационный элемент нового поколения с наноструктурированной поверхностью, позволяющей избежать процесса ламинирования поляроидов.
Известно, что функционирование поляризационного элемента связано с поперечностью электромагнитных волн. Основа работы такого поляризационного устройства обусловлена его способностью пропускать одну из компонент естественного света, параллельную оси поляризатора, и задерживать другую, ортогональную компоненту. Известны два способа создания таких поляризационных устройств. Первый основан на напылении металлических полос на полимерную основу и отражает и пропускает падающее излучение разной поляризации, соответственно. Второй основан на создании, например, полимерных йодно-поливиниловых поляризационных пленок, пропускающих, соответственно, параллельную компоненту падающего света и поглощающих - ортогональную компоненту. Таким образом, принцип действия йодно-поливинилового пленочного поляризатора основан на дихроизме поглощения анизотропных комплексов ПВС-йод.
Для предотвращения царапин и изгибов полимерной поляризационной пленки обычно ее заклеивают между стеклянными поверхностями или запрессовывают в триацетатцеллюлозу. Это позволяет сохранить форму пленок, что немаловажно в оптоэлектронных схемах для снижения аберраций в оптических каналах и получения неискаженного сигнала при работе дисплейных пикселей.
Известна конструкция поляризационной пленки, выбранная в качестве аналога [4], содержащего в качестве поляризационного элемента пленку поливинилового спирта (ПВС), заклеенную между силикатными стеклами К8 с помощью акрилового клея или клея бальзамин-М. Поляризационная пленка функционировала в видимом диапазоне спектра с разным уровнем пропускания в зависимости от состава и условий синтеза. Недостатком данной конструкции поляризационной пленки явилось недостаточное пропускание параллельной компоненты света (на уровне 40%) в области 400-750 нм и плохая механическая прочность самой пленки, что вынуждало размещать ее между стеклами, увеличивая число границ раздела сред, а, следовательно, величину потерь Френеля на отражение. Это затрудняет применение устройства, выбранного в качестве аналога, в лазерных, телевизионных, дисплейных, микроскопических, др. системах.
Известна конструкция поляризационной пленки, выбранная в качестве прототипа [5], содержащего в качестве поляризационного элемента пленку сополимера ПВС, заклеенную в триацетатцеллюлозу, что позволяло обеспечивать высокую равномерность по толщине и плоскостности. Было достигнуто увеличение пропускания для параллельной компоненты света на уровне 40-55%, что выше, чем в поляризационной пленке, выбранной в качестве аналога. Недостатком данной конструкции пленочного поляризатора явилось недостаточное сопротивление деформируемости пленки, что снижало поверхностную механическую прочность, а также наличие нескольких границ раздела [5], что также вело к увеличению потерь на отражении при работе поляризатора.
Известна конструкция поляризационной пленки, выбранная дополнительно, также в качестве прототипа [6], где для повышения пропускания параллельной компоненты света использовались одностенные углеродные нанотрубки. Недостатком данной конструкции [6] явилось использование для процесса повышения пропускания и упрочнения поверхности поляризационных пленок чистых углеродных одностенных нанотрубок, что существенно повышает стоимость изготавливаемых изделий.
Техническим результатом изобретения является удешевление в 2 раза продукции, сохранение пропускание параллельной компоненты света и повышение поверхностной механической прочности.
Указанный результат достигается наноструктурированием поверхности пленок смесью углеродных нанотрубок и нановолокон. Указанный результат достигается тем, что нанесение на поверхность поляризационных пленок смеси углеродных нанотрубок и нановолокон требует применение углеродного материала, синтез которого связан с существенно меньшими затратами, чем синтез одностенных нанотрубок. Стоимость смеси углеродных нанотрубок с углеродными нановолокнами, как в отечественном производстве, так и на мировых рынках, по крайней мере в 2 и более раз меньше, чем стоимость чистых углеродных одностенных и многостенных нанотрубок. Кроме того, уменьшается число дефектных областей, связанных с неравномерностью распределения и разностью высоты одностенных или многостенных углеродных нанотрубок, сепарировать которые достаточно трудно; данные дефектных области заполняются смесью углеродных нанотрубок с нановолокнами с высокой поверхностной площадью. Уменьшение числа дефектных областей ведет к увеличению механической прочности. Сохранение спектральных характеристик обеспечивается малостью показателя преломления смеси углеродных нанотрубок и нановолокон. В спектральной области длин волн 400-750 нм пленки обеспечивают пропускание параллельной компоненты света на уровне 70%. Повышение поверхностной механической прочности обусловлено ковалентной привязкой углеродных нанообъектов к поверхности пленок, что обеспечивает упрочнение поверхности за счет встраивания в поверхность большого количества трудноразрушимых С-С связей от углеродных нанотрубок и углеродных нановолокон. Замена ламинирования поляризационных пленок при их заклеивании в стекло К8 или запрессовывании в триацетатцеллюлозу процессом лазерного нанесения ориентированных в электрическом поле нанообъектов из смеси углеродных нанотрубок и нановолокон обеспечивает отсутствие царапин и дефектов на поверхности пленок, что делает их более функционально пригодными в приборах микроскопии, лазерных системах коррекции аберраций, дисплейной и медицинской технике.
Сравнительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая поляризационная пленка отличается тем, что для удешевления поляризационной пленки с наностуктурированной поверхностью, сохранения пропускания в видимом диапазоне спектра и повышения механической прочности используется тот же состав иодированного поливинилового спирта, но при нанесении нанообъектов на поверхность пленки используется наноструктурирование поверхности пленок смесью углеродных нанотрубок и нановолокон путем их лазерного нанесения на поверхность пленок и ориентированием нанообъектов в электрическом поле. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлены зависимости пропускания от длины волны для параллельной и ортогональной компонент (фиг.1) и таблицей сравнительных данных по увеличению механической прочности (Таблица 1).
Итак, предлагаемая поляризационная пленка с пропусканием, указанным на фиг.1, представляет собой однородную структуру, состоящую из слоя иодированного поливинилового спирта толщиной 60-80 микрометров и нанесенных на обе поверхности пленки слоя из смеси углеродных нанотрубок и углеродных нановолокон толщиной ~0.05-0.05 мкм, напыляемых в вакууме лазерным способом при приложении ориентирующего электрического поля напряженностью 50-200 В/м.
Измерения пропускания пленок без нанесения нанотрубок и при их нанесении на поверхность пленок показывают сохранение пропускания наноструктурированной пленки в видимой области спектра для параллельной компоненты света (фиг.1, кривые Т||) и сохранение минимального пропускания для ортогональной компоненты света (фиг.1, кривые T⊥).
Таким образом, йодно-поливиниловые поляризационные пленки делались по традиционной технологии с учетом новизны, связанной с наноструктурирование поверхности пленок смесью углеродных нанотрубок и углеродных нановолокон. Сущность традиционной технологии заключается в растяжении при комнатной температуре увлажненной, немного поддубленной и йодированной в растворе йода с йодистым калием поливиниловой пленки из высокомолекулярного поливинилового спирта. Для поставленной цели используется высокомолекулярный ПВС с малым содержанием ацетатных групп. Отфильтрованный и отстоявшийся раствор ПВС разливается на чистые полированные (без царапин и оптических дефектов) стекла, помещенные на столики в специальном сушильном шкафу. Стекла нивелированы по уровню. После высыхания пленки снимаются со стекол. Проводится увлажнение заготовок поливиниловых пленок в парах воды в закрытом сосуде при комнатной температуре. Далее осуществляется дубление увлажненных заготовок поливиниловых пленок в растворе борной кислоты при комнатной температуре, а затем - окрашивание поддубленных заготовок поливиниловых пленок в водном растворе йода с йодистым калием при соотношении: J2/KJ=1/1.1. Технологический процесс ведется при комнатной температуре. Времена дубления и йодирования подбираются экспериментально для достижения требуемых параметров поляроидов. Растяжение увлажненной и окрашенной поливиниловой пленки в специальной растяжной машине с ручным приводом при комнатной температуре до величины растяжения не менее 3.5 раз по отношению к начальной длине пленки, закрепленной для растяжения. Сушка поляризационной пленки в растянутом состоянии в специальных растяжных рамках при комнатной температуре. После сушки получается эластичная поляризационная пленка серого цвета, поляризующая свет в широкой области спектра 280-800 нм.
Сущность новизны в технологическом цикле заключается в наноструктурировании поверхности йодно-поливиниловой поляризационной пленки смесью углеродных нанотрубкок и углеродных нановолокон. Для этого используется лазерное напыление углеродных нанообъектов при применении p-поляризованного излучения CO2-лазера на длине волны 10.6 микрометров, а также ориентирование осаждаемой смеси из углеродных нанотрубок и углеродных нановолокон в электрическом поле напряженностью 50-200 В/м.
Указанное усовершенствование в применении наноструктрирования поверхности поляризационных пленок смесью углеродных нанотрубок и углеродных нановолокон, ранее используемое только для увеличения лазерной и механической прочности проводящих слоев и мягких материалов УФ и ИК-диапазона, улучшению фоторефрактивных свойств органических нанокомпозитов [7], привело к удешевлению материала поляризационной пленки в 2 раза, сохранению пропускания в видимой области спектра для параллельной компоненты света - за счет малости показателя преломления углеродных нанотрубок, и увеличению в 2.5 раза поверхностной механической прочности поляризационных пленок, предотвращающее деформируемость пленок - за счет встраивания в поверхность трудноразрушимых С-С связей от углеродных нанообъектов.
Указанное усовершенствование позволило расширить область применения пленок в гражданском приборостроении, связанном с производством микроскопической, дисплейной, медицинской техники, а также в системах записи-считывания оптической информации, переключения потоков излучения, в телекоммуникационных, и лазерных системах и комплексах.
Источники информации
1. Васильев А.А., Касасент Д., Компанец И.П., Парфенов А.В. Пространственные модуляторы света, - М.: Радио и связь. 1987, 320 с.
2. Жаркова Г.М., Сонин А.С. Жидкокристаллические композиты. Новосибирск: ВО "Наука", 1994. 214 с.
3. Каманина Н.В., Соме Л.Н., Тарасов А.А. «Коррекция фазовых аберраций голографическим методом с применением жидкокристаллических пространственных модуляторов света», Оптика и спектроскопия, т.68, №3, с.691-693, 1990.
4. Савко С.С, Игольникова Л.М. «Влияние солнечного облучения на стабильность поляризационных светофильтров», Оптико-механическая промышленность, №1, с.6-96 1981.
5. Виноградова О.В., Гапоненко И.М., Налбандян Ю.Е., Савко С.С., Студенов В.И., Учанов Ю.Е. «Повышение термо- и влагостойкости поляризационных пленок», Оптико-механическая промышленность, №11, с.41-43, 1989.
6. Н.В. Каманина, П.Я. Васильев, В.И. Студенов, «Тонкопленочные поляризаторы для видимого диапазона спектра с наноструктурированной поверхностью на основе углеродных нанотрубок», Письма в ЖТФ, том 36, вып.15, 2010.
7. N.V. Kamanina, N.A. Shurpo, S.V. Likhomanova, D.N. Timonin, S.V. Serov, O.V. Barinov, P.Ya. Vasilyev, V.I. Studeonov, N.N. Rozhkova, V.E. Vaganov, I.V. Mishakov, A.A. Artukh, L.A. Chernozatonskii, "Features of the nanostractured composites", Proceedings of the tenth Israeli-Russian Bi-National Workshop 2011 "The Optimization of the Composition, Structure and Properties of Metals, Oxides, Composites, Nano- and Amorphous Materials", Israel Academy of Science and Humanities and the Russian Academy of Science; 20 June - 23 June, 2011, p.77-85.
| Таблица 1 | |||||||||
| Сравнительные данные по микротвердости для чистых и наноструктурированных тонких поляризационных пленок на основе йодно-поливинилспиртовых композиций при наноструктурировании поверхности смесью углеродных нанотрубок и углеродных нановолокон | |||||||||
| Изучаемая система/число измерений | Микротвердость, Па×109 | Среднее значение | Коэффициент увеличения микротвердости | ||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | |||
| Чистая матричная поляризационная пленка | 0.191 | 0.154 | 0.148 | 0.175 | 0.182 | 0.182 | 0.154 | 0.1694 | 2.587 |
| Наноструктурированная поляризационная пленка | 0.492 | 0.458 | 0.458 | 0.402 | 0.376 | 0.354 | 0.558 | 0.4383 |
Поляризационная йодно-поливинилспиртовая пленка для микроскопии, дисплейной, лазерной, телевизионной, медицинской техники, для оптимизации конструкции свето- и электроуправляемых пространственно-временных модуляторов света, ограничителей, переключателей лазерного излучения, систем защиты глаз сварщиков, пилотов самолетов, содержащая в качестве поляризационной основы йодированный поливиниловый спирт с малым содержанием ацетатных групп, отличающаяся тем, что для удешевления материала поляризационной пленки, сохранения пропускания в видимом диапазоне спектра и увеличения поверхностной механической прочности обе поверхности пленки наноструктурированы смесью углеродных нанотрубок и углеродных нановолокон путем их лазерного нанесения на поверхность пленки с помощью СО2-лазера и ориентированием наноструктур в электрическом поле напряженностью 50-200 В/м.
www.findpatent.ru
