CN101831306A - 一种热致性液晶高分子材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热致性液晶高分子材料,其熔点不超过355℃,比浓对数粘度为4~10dL/g,且分子的链结构主要是由HBA、HNA、TA和HQ所引出的重复单元组成,重复单元的摩尔分数分别为42~72%、12~16%、6~21%、6~21%。将本发明的TLCP与玻璃纤维按70∶30的重量百分比共混复合而成的复合材料的热变形温度达到260~285℃,适用于模塑制件。另外,根据本发明所揭示的组成和熔点的本质关系,可方便地设计TLCP的组成、合成出所需熔点的TLCP,对工业生产具有很强的指导性。

Description

一种热致性液晶高分子材料
技术领域
本发明是涉及一种热致性液晶高分子材料,具体说,是涉及一种链结构中包含了由对羟基苯甲酸(HBA)、6-羟基-2-萘甲酸(HNA)、对苯二甲酸(TA)和对苯二酚(HQ)所引出的重复单元的热致性液晶高分子及其与增强剂复合而成的复合材料,属于液晶高分子材料技术领域。
背景技术
热致性液晶高分子(TLCP)是一类高性能高分子材料,具有全芳族的刚性链,在熔体中刚性链趋向于平行排列;加工时,TLCP的链很容易沿着流动方向取向,冷却后的固态依然保持链的取向状态。正是这种特殊的链结构和凝聚态结构赋予TLCP极佳的综合性能:优越的流动性和加工性能,制件尺寸精密、尺寸稳定,低线膨胀系数,兼具高刚性、高强度、高韧性,高热变形温度、优良的热稳定性、固有的阻燃性,陶瓷般的抗化学药品性能,卓越的气密性,低吸湿性,优良的耐辐照性能,振动吸收性能。TLCP的上述性能最大限度地满足了电子产品对材料性能的要求,因此它在电子工业中有许多应用,如表面贴装部件,线路板,电子封装,各种用途的盒、套、罩、支架、支座,线圈骨架等。注模级TLCP主要用作为电子连接器件(electronic interconnect devices,EID)的结构性绝缘体,尤其适用于长尺寸、薄壁以及结构复杂的连接器件的注射成型。此外,TLCP在航空航天、国防军事、核工业、光缆、汽车工业、化工装置、医疗器具、音响设备等领域都有广泛应用。随着电子工业采用表面贴装技术,电子部件日益向轻、小、薄的方向发展,这就推动了流动性能极佳的TLCP的发展。其次近年来环保法规要求电子产品的焊接工艺采用无铅焊锡,而无铅焊锡的熔融温度较高,这就对材料热变形温度(HDT)提出了更高的要求,高熔点是高热变形温度的重要前提,因此市场急需具有足够高熔点的热致性液晶高分子材料,以满足电子领域的无铅焊锡要求。
另外,虽然与本发明相关联的专利US4219461、US4318841、US4370466、US4473682、US5015722、US6306946中均有关于TLCP的组成及制备方法报道,但上述专利文献中均没有揭示出所涉及的TLCP组成与熔点的关系,根据所公开的相关TLCP的组成范围,本领域的技术人员不能显而易见的推知相关TLCP组成与熔点的关系,如果要想制备某个熔点范围的某种TLCP,本领域的技术人员根据现有技术和公知常识不能得出应该采用何种组成比例可以实现。因此,本领域的技术人员亟需解决所涉及的TLCP的熔点与组成比例的确切关系,以方便指导工业生产。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种链结构中包含了由对羟基苯甲酸(HBA)、6-羟基-2-萘甲酸(HNA)、对苯二甲酸(TA)和对苯二酚(HQ)所引出的重复单元的热致性液晶高分子及其与增强剂复合而成的复合材料,以满足电子领域的无铅焊锡的焊接工艺要求。
本发明的另一个目的是揭示热致性液晶高分子的熔点和组成的关系,藉此优选组成范围,以便指导工业生产。
为实现上述发明目的,本发明采用的技术方案如下:
本发明通过合成系列液晶高分子、测定它们的熔点、以及测定液晶高分子与玻璃纤维的复合材料的热变形温度,从熔点~组成关系图中确定熔点相对较低、热变形温度相对较高的组成范围,合成所需的液晶高分子。
本发明所述的热致性液晶高分子,其特征在于:熔点不超过355℃,比浓对数粘度为4~10dL/g,分子的链结构主要是由下列单体按相应摩尔分数所引出的重复单元组成:
A、对羟基苯甲酸(HBA)        42~72%
B、6-羟基-2-萘甲酸(HNA)     12~16%
C、对苯二甲酸(TA)           6~21%
D、对苯二酚(HQ)             6~21%
在这四个单体的任一组合中,C和D的摩尔分数是相等的,A、B、C、D的摩尔分数的总和是100%。
作为本发明的一个优选方案,其特征在于:熔点不超过345℃,比浓对数粘度为6~8dL/g,分子的链结构主要是由下列单体按相应摩尔分数所引出的重复单元组成:
A、对羟基苯甲酸(HBA)        45~69%
B、6-羟基-2-萘甲酸(HNA)     13~15%
C、对苯二甲酸(TA)           9~20%
D、对苯二酚(HQ)             9~20%
在这四个单体的任一组合中,C和D的摩尔分数是相等的,A、B、C、D的摩尔分数的总和是100%。
本发明中所谓“引出的”是指:单体不是整体进入聚合物链中,而是经缩聚反应后留下的残留结构进入链中作为链的重复单元;所谓“主要”是指:除了这四个单体外,可能有少量杂质经聚合而进入链中,但不影响TLCP的主要性能。
本发明所述的热致性液晶高分子的制备通常分二步进行:乙酰化反应和聚合反应;在乙酰化反应中,将HBA、HNA、HQ与醋酸酐在较低温度下进行反应,使酚羟基转变为醋酸酯,副产物醋酸被蒸出;在聚合反应中,将乙酰化反应得到的醋酸酯与TA进行熔融缩聚反应,醋酸酯基团与羧基基团反应后形成酯键;随着聚合反应的进行,副产物醋酸被蒸出,TLCP分子量逐渐增加;反应后期,反应体系升至很高的温度,并施加高真空,以便获得高分子量TLCP。
本发明的乙酰化反应中,醋酸酐的加入量以参与乙酰化反应的HBA、HNA及HQ三单体总摩尔数的1.05~1.10倍为最佳。
本发明的TLCP制备过程中需用催化剂,适宜的催化剂包括烷基金属氧化物(以烷基氧化锡较好)、芳基金属氧化物(以芳基氧化锡较好)、二氧化钛、烷氧基硅钛酸盐、钛醇盐、碱金属和碱土金属羧酸盐(以碱土金属醋酸盐、如醋酸锂、醋酸钠、醋酸钾较好)、气态酸催化剂(如BF3、HCl)及对羟基苯甲酸钾。以单体总重量计,催化剂的用量为50~500ppm,以100~300ppm较佳,催化剂可以在乙酰化阶段加入,也可在熔融缩聚阶段加入。
本发明的TLCP制备过程中,乙酰化反应和熔融缩聚反应可以在同一个反应釜中进行,也可以分别在二个反应釜中进行,即在第一个反应釜中完成乙酰化反应,TA预先加在第二个反应釜中、并升温到与第一个反应釜相同的温度,然后将乙酰化反应的产物加入第二个反应釜与TA进行熔融缩聚反应。
本发明的TLCP还可通过先用苯酚与TA、HBA、HNA反应生成TA、HBA、HNA的苯酚酯,然后将得到的苯酚酯与HQ进行熔融缩聚反应制备而成。
本发明用差示扫描量热仪(IA Instrument DSC-910)测试熔点,第一次升温至熔点以上约20℃、恒温3分钟,随之降温至150~200℃,再进行第二次升温,取第二次升温的熔融峰温作为熔点;升温速度为20℃/min,降温速度为10℃/min。
本发明中比浓对数粘度的测定方法如下:将TLCP溶解于五氟苯酚中,溶液浓度为0.1g/100ml,在60℃进行比浓对数粘度(I.V.)测定。
本发明的TLCP可与各种助剂共混复合、制备复合材料,所述助剂包括填料和增强剂,如玻纤、中空或实心的玻璃球、矿物质(粘土、云母、滑石粉、硅灰石)、碳纤维、颜料(碳黑、TiO2、金属氧化物、金属碳酸盐)、无机纤维(硅、铝、氮化硼、钛酸钾纤维)、有机纤维(芳纶纤维)、脱模剂以及其它聚合物。所述增强剂是纤维状的或片状的材料,长径比或直径厚度比应为2以上,最好3以上。所述片状增强剂是滑石粉、云母。所述纤维状增强剂是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维,优选玻璃纤维。纤维状增强剂在复合材料中的重量百分比一般为10~70%,优选30~50%。一般用单螺杆挤出机或双螺杆挤出机将TLCP和助剂混合挤出,并用通用设备进行铸条、切粒。
将本发明所述的热致性液晶高分子与玻璃纤维按70∶30的重量百分比共混复合而成的复合材料的热变形温度达到260~285℃,适用于模塑制件。
与现有技术相比,本发明的有益效果如下:
根据本发明,可以很方便的制备出熔点不超过355℃,比浓对数粘度为4~10dL/g的热致性液晶高分子。由本发明的TLCP与玻璃纤维按70∶30的重量百分比共混复合得到的复合材料的热变形温度达到260~285℃,适用于模塑制件,有利于推广TLCP在电子领域的广泛应用,对工业生产具有很强的指导性。
附图说明
图1为熔点与HBA摩尔分数的关系图;
图2为低共熔温度与HNA摩尔分数的关系图;
图3为熔点与HBA和HNA摩尔分数的三维关系图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细、完整地说明,在如下实施例中所用的单体A、B、C和D均从市场购得。
实施例1~42
本实施例组所述的热致性液晶高分子的制备方法如下所述:首先将HBA、HNA、HQ与醋酸酐在120~130℃恒温反应1小时,接着在2小时内升到185~195℃,再恒温反应0.5~1小时,乙酰化反应结束;然后将乙酰化反应得到的醋酸酯与TA进行熔融缩聚反应,并在3小时内将聚合温度升到预定温度,使聚合反应不断进行;接着恒温,使聚合反应趋向完成;为了使TLCP的分子量足够高,反应后期反应体系要施加高真空、并保持高温;当搅拌器的扭矩升到预定程度,立即通入N2,终止聚合反应;增加N2气压到2Kg/cm2,放出TLCP,将得到的TLCP进行熔点和比浓对数粘度的测定。
对于HNA摩尔分数为12%、14%、18%、20%、25%和30%的聚合反应,反应终点的温度分别为370~375℃、360~370℃、330~355℃、330~350℃、325~340℃、320~330℃;反应终点的扭矩分别为1.70~1.75A、1.65~1.70A、1.40~1.45A、1.20~1.25A和1.10~1.20A。
上述聚合反应中,醋酸酐的加入量是参与乙酰化反应的HBA、HNA及HQ三单体总摩尔数的1.05倍。
上述聚合反应中,所用的催化剂为醋酸钾。以单体总重量计,醋酸钾用量为100ppm。催化剂可以在乙酰化阶段加入,也可在熔融缩聚阶段加入。
表1为实施例中参与反应的各单体的摩尔分数及所得到的TLCP的熔点。
表1单体的摩尔分数与TLCP熔点
Figure B2009100475461D0000071
Figure B2009100475461D0000081
图1为熔点与HBA摩尔分数的关系图,图中:■代表HNA摩尔分数为12%的TLCP熔点、□代表HNA摩尔分数为14%的TLCP熔点、▲代表HNA摩尔分数为18%的TLCP熔点、△代表HNA摩尔分数为20%的TLCP熔点、●代表HNA摩尔分数为25%的TLCP熔点、○代表HNA摩尔分数为30%的TLCP熔点。由图1可见:当HNA摩尔分数不变时,TLCP的熔融随HBA摩尔分数的变化呈现典型的低共熔行为。对应于图1中的每一个HNA摩尔分数,熔点拟合线外推给出低共熔温度。
图2为低共熔温度与HNA摩尔分数的关系图,由图可见,低共熔温度随HNA的摩尔分数的增加而线性降低。
图3为熔点与HBA和HNA摩尔分数的三维关系图。本发明人根据实验数据,由EXCEL、ORIGIN软件得到以下拟合方程:
方程A
Tm=(-0.841+0.0243×B-0.00177×B2)×A+(-106.72ln(B)+671.7)
方程B
T m = ( 1.203 + 2.73162 - 1.203 1 + 10 ( B - 20.457 ) ) × A + ( - 9462.023 + 2526.463 × B - 256.916 × B 2
+ 12.64 × B 3 - 0.302 × B 4 + 0.0028 × B 5 )
低共熔点左边的熔点根据方程式A计算,低共熔点右边的熔点根据方程式B计算。根据熔点计算值,用ORIGIN构建熔点和组成关系的三维图。图中从左到右的黑线由熔点实验数据拟合得到,中间从上到下的黑线表示低共熔点连线。
由表1、图1可见:当TLCP分子的链结构中主要是由42~72%HBA、12~16%HNA、6~21%TA、6~21%HQ所引出的重复单元组成时,TLCP的熔点不超过355℃;当TLCP分子的链结构中主要是由45~69%HBA、13~15%HNA、9~20%TA、9~20%HQ所引出的重复单元组成时,TLCP的熔点不超过345℃。
上述组成的TLCP符合电子产品领域的高HDT的要求;但用作薄膜和纤维,熔点不要求那么高;若用作普通高分子改性的材料,则要求较低的熔点,以便能和普通高分子熔融相混。因此,本发明建立的TLCP组成和熔点关系在低熔点区域呈现的规律也有现实的指导意义,根据实际应用的需要,可在表1、图1中选择合适的组成范围,合成低熔点的TLCP。
将上述部分实施例所合成的TLCP分别在150℃干燥3~5小时,用双螺杆挤出机(Φ=35mm)将它和玻璃纤维按70∶30的重量百分比共混。共混挤出时,料筒和模口的温度选择接近或稍高于相应TLCP熔点的温度,螺杆转速为200rpm。TLCP和玻璃纤维预先混合,由加料口一齐加入、经过螺杆由模口出来后铸条、切粒,TLCP/玻纤粒子在150℃干燥3~5小时后,用注射成型方法制备测试性能的样条。注射温度选择接近或稍高于相应TLCP熔点的温度,注射压力20~40MPa,注射时间5~10sec,冷却时间5~10sec,模温90~110℃。
本发明用ASTM-D648方法测试HDT,负荷为1.82MPa,升温速度为2℃/min;拉伸强度(TS)、拉伸模量(TM)和伸长率(EB)用ASTM-D638方法测试,拉伸速度为5.1mm/min;弯曲强度(FS)和弯曲模量(FM)用ASTM-D790方法测试;Izod缺口冲击强度(IS)用ASTM-D256方法测试。测试得到的部分试样的力学性能和热变形温度见表3所示。
表3部分实施例的TLCP与玻璃纤维的复合材料的性能
Figure B2009100475461D0000101
由表3可见:将本发明所述的热致性液晶高分子与玻璃纤维按70∶30的重量比共混复合后,得到的复合材料的热变形温度能高达286℃,适用于模塑制件。

Claims (8)

1.一种热致性液晶高分子,其特征在于:熔点不超过355℃,比浓对数粘度为4~10dL/g,分子的链结构主要是由下列单体按相应摩尔分数所引出的重复单元组成:
A、对羟基苯甲酸(HBA)         42~72%
B、6-羟基-2-萘甲酸(HNA)      12~16%
C、对苯二甲酸(TA)            6~21%
D、对苯二酚(HQ)              6~21%
在这四个单体的任一组合中,C和D的摩尔分数是相等的,A、B、C、D的摩尔分数的总和是100%。
2.根据权利要求1所述的热致性液晶高分子,其特征在于:熔点不超过345℃,比浓对数粘度为6~8dL/g,分子的链结构主要是由下列单体按相应摩尔分数所引出的重复单元组成:
A、对羟基苯甲酸(HBA)         45~69%
B、6-羟基-2-萘甲酸(HNA)      13~15%
C、对苯二甲酸(TA)            9~20%
D、对苯二酚(HQ)              9~20%
在这四个单体的任一组合中,C和D的摩尔分数是相等的,A、B、C、D的摩尔分数的总和是100%。
3.一种权利要求1或2所述的热致性液晶高分子的复合材料,其特征在于:由所述的热致性液晶高分子与纤维状增强剂共混复合而成,其中纤维状增强剂的长、径比至少为2、且在复合材料中的重量百分比为10~70%。
4.根据权利要求3所述的热致性液晶高分子的复合材料,其特征在于:所述纤维状增强剂是玻璃纤维,且玻璃纤维在复合材料中的重量百分比为30~50%。
5.根据权利要求4所述的热致性液晶高分子的复合材料,其特征在于:玻璃纤维在复合材料中的重量百分比为30%。
6.根据权利要求5所述的热致性液晶高分子的复合材料,其特征在于:复合材料中的热致性液晶高分子的组成如权利要求1所述,复合材料的热变形温度为260~285℃。
7.根据权利要求5所述的热致性液晶高分子的复合材料,其特征在于:复合材料中的热致性液晶高分子的组成如权利要求2所述,复合材料的热变形温度为270~285℃。
8.根据权利要求6或7所述的热致性液晶高分子的复合材料,其特征在于:用于模塑制件。
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