CN110862523A - 一种液晶聚合物薄膜的制备方法 - Google Patents

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许斌
李宏
周文
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Chongqing Pret New Materials Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种液晶聚合物薄膜及其制备方法，包括以下步骤：将含羟基芳香族单体与醋酐进行乙酰化反应；将乙酰化后的反应物或/与芳香二酸单体熔融缩聚，得到液晶聚合物预聚物；数均分子量在10000以下；将液晶聚合物预聚物进行固态聚合，得到液晶聚合物；数均分子量在30000以上；将液晶聚合物以熔融挤出双向拉伸方式制备得到液晶聚合物薄膜。通过控制双向拉伸的横向纵向拉伸比得到的液晶聚合物薄膜厚度为20‑150微米，均匀性好；所使用的原料经过固相聚合热处理，纵向横向性能差异小，与铜箔的结合力好。可应用于需要高耐热，低介电常数，低介电损耗的高速移动通信领域。

Description

一种液晶聚合物薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及制备一种液晶聚合物薄膜的制备方法，属于聚合物材料领域，也属于薄膜生产加工领域。
背景技术
热致性液晶聚合物(LCP)是一种高性能聚合物材料，通常以其高强度、高模量，优良的熔融加工成型特性、固有的阻燃性、低吸水性，耐化学腐蚀性和良好的耐辐照性能以及在高温下的诸多用途而著称。
现有的技术已公知LCP可制备成薄膜产品，LCP薄膜具备高强度、高气体阻隔、耐高低温等特点，可应用于包装材料领域；此外，随着5G技术应用的全面推进，通讯频率的进一步提高，LCP薄膜材料高频下介电常数低，介电损耗低且稳定的特性使其在通讯基站、移动终端上起到无法替代的作用。
LCP分子结构为刚性链段，熔融状态下成液晶态，流动性优良，制成品强度高，刚度高，但也有各向异性的缺陷；且开始熔融后，黏度迅速下降，挤出成型后难以维持形状，对加工设备工艺要求高。
目前，全世界范围内，LCP挤出吹塑成膜或拉伸成膜工艺还存在与金属结合力弱、厚度不均等问题，产量小，合格率低。从市场需求看，需要保持LCP优良的耐热性能、机械性能、介电性能，且易加工的LCP薄膜产品。
本发明的设计思路即从满足以上性能出发，主要针对LCP的缺陷而开发一种制备工艺。使用该制备工艺得到的LCP薄膜纯度高，小分子杂质少，与金属的结合力高，厚度公差小，各向异性小。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种液晶聚合物薄膜的制备方法，以便于挤出高性能薄膜。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种液晶聚合物薄膜的制备方法，其包括以下必要步骤：
(1)将含羟基芳香族单体与醋酐进行乙酰化反应；
(2)将乙酰化后的反应物或/与芳香二酸单体熔融缩聚，得到液晶聚合物预聚物；数均分子量在10000以下；
(3)将液晶聚合物预聚物进行固态聚合，得到液晶聚合物；数均分子量在30000以上；
(4)将液晶聚合物以熔融挤出双向拉伸方式制备得到液晶聚合物薄膜。
本发明中的液晶聚合物为在熔融状态下显示液晶性的液晶聚酯，本发明所使用的液晶聚酯的熔融峰温度在260～350℃，优选为280～330℃。本发明所使用的液晶聚酯的熔体黏度通常在50～200Pa·s。
液晶聚酯为使用芳香族化合物作为原料单体而成的液晶聚酯，优选为仅使用芳香族化合物作为原料单体而成的全芳香族液晶聚酯。
本发明的液晶聚合物的典型的例子，可以使用芳香族羟基羧酸和选自由芳香族二羧酸和芳香族二醇构成的组合中的至少各一种化合物进行聚合而形成的液晶聚酯。
上述芳香族羟基羧酸、芳香族二羧酸、芳香族二醇的一部分或全部可以分别独立地为它们的可聚合的衍生物。
作为芳香族羟基羧酸、芳香族二醇之类的具有羟基的化合物的可聚合的衍生物，可以例示将羟基进行酰基化、变换为酰氧基而形成的酰基化物。
液晶聚酯优选具有式(1)、式(2)和式(3)所表示的重复单元(以下称为“重复单元(1)”、“重复单元(2)”和“重复单元(3)”)：
式(1)-O-Ar1-CO-
式(2)-CO-Ar2-CO-
式(3)-O-Ar3-O-
式中，Ar1、Ar2及Ar3分别独立地表示亚苯基或亚萘基。
以上构成液晶聚酯的各重复单元的组合中：
重复单元(1)选自对羟基苯甲酸、6-羟基-2-萘甲酸的重复单元；重复单元(2)选自对苯二甲酸、间苯二甲酸、2,6-萘二甲酸的重复单元，优选自对对苯二甲酸、2,6-萘二甲酸的重复单元；重复单元(3)选自对苯二酚、2,6-萘二酚、4,4’-二羟基联苯的重复单元，优选来自对苯二酚、2，6-萘二酚的重复单元。
重复单元(1)的含量通常为30摩尔％以上，优选42～88摩尔％，更优选58～72摩尔％。重复单元(2)的含量通常为30摩尔％以下，优选6～30摩尔％，更优选9～21摩尔％。重复单元(3)的含量通常为30摩尔％以下，优选6～30摩尔％，更优选9～21摩尔％。
重复单元(2)的含量和重复单元(3)的含量之比通常0.9/1～1/0.9，优选为相同的。
液晶聚酯中的重复单元(1)～(3)分别独立地为1种重复单元或2种以上重复单元的组合。
液晶聚酯中的重复单元(1)～(3)至少含有一种1种或1种以上含亚萘基的重复单元。其中，含亚萘基的重复单元的含量之和为30％-40％。
步骤(3)中，固态聚合在惰性气体气流或真空条件下进行，所述惰性气体为氮气、氩气和二氧化碳中的至少一种，优选为氮气，气流流量为6-120mL/min；所述真空条件为真空度小于等于200Pa，优选小于100Pa。若气流太小或真空度不足，均会使制备得到液晶聚合物中小分子含量过高，造成液晶聚合物薄膜与金属的结合力过低。真空度不足还会导致液晶聚合物色调较深。
上述液晶聚合物可由挤出双向拉伸成型方法制备得到液晶聚合物薄膜。双向拉伸成型方法可使用“两步法”或“同步法”，优选“同步法”。液晶聚合物经过单螺杆或双螺杆挤出机熔融塑化，后进入模头流延铸厚片，厚片通过纵向横向双向同步拉伸机组多点拉伸，纵向拉伸倍数为1-10倍，优选为1-4倍，横向拉伸倍数为1.5-20倍，优选为1.5–8倍，最终得到厚度可控的液晶聚合物薄膜。通过控制纵向拉伸倍数与横向拉伸倍数，可以得到我们所需的薄膜厚度，厚度在20–150微米且公差在15％以内。
根据本发明得到的液晶聚合物薄膜材料各向异性小，强度好，耐温高，与金属的结合力好，厚度均匀。
具体实施方式
下面通过实施例和对比例进一步说明本发明，在不违反本发明的宗旨下，本发明应不限于以下实施例具体明示的内容。
产品性能测试方法：
本发明使用差示扫描量热仪(DSC 8000，美国PerkinElmer公司)测试熔点(Tm)，参照ASTM D3418方法进行测试。本发明使用毛细管流变仪(RH 2200，英国Malvern公司)测试熔体黏度(MV)，参照ASTM D3835方法进行测试。本发明将液晶聚合物薄膜与铜箔热压复合，测试液晶聚合物薄膜剥离铜箔时所需要的最大力，即90°剥离强度，来评价液晶聚合物薄膜与金属的结合力，参照ASTM D3330方法进行测试。本发明使用薄膜拉伸强度测试仪测试拉伸强度，参照GB/T 1040.3-2006方法进行测试。本发明使用机械接触式测厚仪测试薄膜厚度，参照ASTM D645方法进行测试；关于厚度公差，本发明在薄膜的任意位置沿着垂直流动(TD)方向每隔2cm测定厚度，测定10次，测量值的最大值设为Lmax、最小值设为Lmin、平均值设为La，用下式来定义厚度公差百分比。
厚度公差百分比＝(Lmax-Lmin)/La×100％。
实施例1：
预聚物1的合成：
首先将对羟基苯甲酸、6-羟基-2-萘甲酸、对苯二酚与醋酸酐在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对萘二甲酸进行熔融缩聚反应，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，使反应物成为具有一定分子量的预聚物1；当搅拌器的扭矩升到预定程度，立即通入氮气，终止聚合反应；增加氮气气压到2kg/cm2，放出液晶聚合物预聚物1，将得到的液晶聚合物预聚物1进行熔点和熔体黏度的测定。制备上述液晶聚合物的单体配比如下：对羟基苯甲酸32摩尔％、6-羟基-2-萘甲酸32摩尔％、对苯二酚18摩尔％，对萘二甲酸18摩尔％。制备所得的液晶聚合物预聚物1的熔点为281℃，熔体黏度为12Pa·s。
将所得的预聚物1在氮气气氛，气流流量80L/min条件下，用1小时从25℃升温至105℃后，保温10min；再用1小时从105℃升温至240℃，保温10min。然后，用2小时从240℃升温至250℃，保温2小时，进行固相聚合，进一步冷却，由此得到LCP1。
LCP1的熔点为283℃，熔体黏度为66Pa·s。
利用双螺杆挤出机对LCP1进行加热熔融挤出，挤出片经过双向拉伸得到LCP薄膜。薄膜拉伸参数与性能见表1。
实施例2：
预聚物2的合成：
预聚物2以与预聚物1相同的方法制备得到。制备上述液晶聚合物预聚物2的单体配比如下：对羟基苯甲酸36摩尔％、6-羟基-2-萘甲酸34摩尔％、间苯二酚15摩尔％，对苯二甲酸15摩尔％。制备所得的液晶聚合物预聚物2的熔点为308℃，熔体黏度为6Pa·s。
将所得的预聚物2在氮气气氛，气流流量80L/min条件下，用1小时从25℃升温至105℃后，保温10min；再用1小时从105℃升温至250℃，保温10min。然后，用3小时从250℃升温至270℃，保温3小时，进行固相聚合，进一步冷却，由此得到LCP2。
LCP2的熔点为309℃，熔体黏度为60Pa·s。
利用单螺杆挤出机对LCP2进行加热熔融挤出，挤出片经过双向拉伸得到LCP薄膜。薄膜拉伸参数与性能见表1。
实施例3：
将所得的预聚物2，用1小时从25℃升温至105℃，同时抽真空，真空度达到20Pa后，保温10min；再用1小时从105℃升温至250℃，保温10min。然后，用3小时从250℃升温至270℃，保温2小时，进行固相聚合，进一步冷却，由此得到LCP3。
LCP3的熔点为309℃，熔体黏度为60Pa·s。
利用单螺杆挤出机对LCP3进行加热熔融挤出，挤出片经过双向拉伸得到LCP薄膜。薄膜拉伸参数与性能见表1。
实施例4：
预聚物3的合成：
预聚物3以与预聚物1相同的方法制备得到。制备上述液晶聚合物预聚物3的单体配比如下：对羟基苯甲酸64摩尔％、6-羟基-2-萘甲酸18摩尔％、对苯二酚9摩尔％，对苯二甲酸9摩尔％。制备所得的液晶聚合物预聚物2的熔点为334℃，熔体黏度为16Pa·s。
将所得的预聚物3用1小时从25℃升温至105℃后，保温10min；再用1小时从105℃升温至260℃，保温10min。然后，用4小时从260℃升温至300℃，保温2小时，进行固相聚合，进一步冷却，由此得到LCP4。
LCP4的熔点为335℃，熔体黏度为61Pa·s。
利用单螺杆挤出机对LCP4进行加热熔融挤出，挤出片经过双向拉伸得到LCP薄膜。薄膜拉伸参数与性能见表1。
实施例5：
将所得的预聚物2在氮气气氛，气流流量80L/min条件下，用1小时从25℃升温至105℃后，保温10min；再用1小时从105℃升温至250℃，保温10min。然后，用3小时从250℃升温至270℃，保温6小时，进行固相聚合，进一步冷却，由此得到LCP5。
LCP5的熔点为309℃，熔体黏度为106Pa·s。
利用单螺杆挤出机对LCP5进行加热熔融挤出，挤出片经过双向拉伸得到LCP薄膜。薄膜拉伸参数与性能见表1。
实施例6：
将所得的预聚物2在氮气气氛，气流流量80L/min条件下，用1小时从25℃升温至105℃后，保温10min；再用1小时从105℃升温至250℃，保温10min。然后，用3小时从250℃升温至270℃，保温12小时，进行固相聚合，进一步冷却，由此得到LCP6。
LCP6的熔点为311℃，熔体黏度为173Pa·s。
利用单螺杆挤出机对LCP6进行加热熔融挤出，挤出片经过双向拉伸得到LCP薄膜。薄膜拉伸参数与性能见表1。
对比例1：
将所得的预聚物2在氮气气氛，气流流量40L/min条件下，用1小时从25℃升温至105℃后，保温10min；再用1小时从105℃升温至250℃，保温10min。然后，用3小时从250℃升温至270℃，保温2小时，进行固相聚合，进一步冷却，由此得到LCP7。
LCP7的熔点为308℃，熔体黏度为40Pa·s。
利用单螺杆挤出机对LCP7进行加热熔融挤出，挤出片经过双向拉伸得到LCP薄膜。薄膜拉伸参数与性能见表1。
对比例2：
将所得的预聚物2在氮气气氛，气流流量60L/min条件下，用1小时从25℃升温至105℃后，保温10min；再用1小时从105℃升温至250℃，保温10min。然后，用3小时从250℃升温至270℃，保温22小时，进行固相聚合，进一步冷却，由此得到LCP8。
LCP8的熔点为312℃，熔体黏度为210Pa·s。
利用单螺杆挤出机对LCP8进行加热熔融挤出，挤出片经过双向拉伸无法得到LCP薄膜。液晶聚合物粘度过大，双向拉伸困难，无法成膜。
对比例3：
将所得的预聚物2，用1小时从25℃升温至105℃，同时抽真空，真空度达到500Pa后，保温10min；再用1小时从105℃升温至250℃，保温10min。然后，用3小时从250℃升温至270℃，保温3小时，进行固相聚合，进一步冷却，由此得到LCP9。
LCP9的熔点为308℃，熔体黏度为36Pa·s。
利用单螺杆挤出机对LCP9进行加热熔融挤出，挤出片经过双向拉伸得到LCP薄膜。薄膜拉伸参数与性能见表1。
表1实施列与比较例薄膜
Figure BDA0002259406530000071
表中，○代表成膜性好，厚度均匀；△代表成膜性一般，厚度均匀性控制困难；×代表无法成膜。
实施例1～6与对比例1～3的使用液晶聚合物、成膜性以及薄膜性能如表1所示。液晶聚合物经过单螺杆或双螺杆挤出机熔融塑化，后进入模头流延铸厚片，厚片通过纵向横向双向同步拉伸机组多点拉伸，最终得到厚度可控的液晶聚合物薄膜。通过控制纵向拉伸倍数与横向拉伸倍数，可以得到我们所需的薄膜厚度，厚度在20–150微米且公差在15％以内。对比实施例2和对比例1、对比例3，可以看出，液晶聚合物再固态聚合热处理时，若惰性气体气流太小或真空度不够，制备得到液晶聚合物薄膜可以达到我们所需的厚度，但均匀性差，厚度公差百分比大于20％，且与金属的结合力较差，剥离强度小于0.5kgf/cm，没有实际使用价值。
表2原位复合聚酯材料组分与性能
Figure BDA0002259406530000081
表中，○代表能稳定挤出成膜；×代表不能稳定挤出成膜。
从表中我们可以看出，对于实施例和比较例，使用熔体黏度与熔融温度在一定范围内的液晶聚合物、PET，可稳定地进行挤出成膜，且制备得到的薄膜强度高，各向异性小。
本发明的液晶聚合物原位复合材料可以方便稳定地进行挤出成膜，且制备得到的薄膜具有强度高，各向异性小的特点，因此可适用于高频通讯领域。

Claims (10)

1.一种液晶聚合物薄膜的制备方法，其特征在于：包括以下几个步骤：
(1)将含羟基芳香族单体与醋酐进行乙酰化反应；
(2)将乙酰化后的反应物或/与芳香二酸单体熔融缩聚，得到液晶聚合物预聚物；数均分子量在10000以下；
(3)将液晶聚合物预聚物进行固态聚合，得到液晶聚合物；数均分子量在30000以上；
(4)将液晶聚合物以熔融挤出双向拉伸方式制备得到液晶聚合物薄膜。
2.根据权利要求1所述的液晶聚合物薄膜的制备方法，其特征在于：所述液晶聚合物熔融峰温度在260℃-350℃之间；其熔体黏度在50-200Pa·s之间。
3.根据权利要求1所述的液晶聚合物薄膜的制备方法，其特征在于：所述的液晶聚合物薄膜厚度在20–150微米之间，厚度公差百分比小于15％。
4.根据权利要求1所述的液晶聚合物薄膜的制备方法，其特征在于：所述液晶聚合物具有式(1)、式(2)和式(3)所表示的重复单元：重复单元(1)、重复单元(2)和重复单元(3)：
式(1)：-O-Ar1-CO-
式(2)：-CO-Ar2-CO-
式(3)：-O-Ar3-O-
式中，Ar1、Ar2及Ar3分别独立地表示亚苯基或亚萘基。
5.根据权利要求4所述的液晶聚合物薄膜的制备方法，其特征在于：重复单元(1)选自对羟基苯甲酸、6-羟基-2-萘甲酸的重复单元；重复单元(2)选自对苯二甲酸、间苯二甲酸、2,6-萘二甲酸的重复单元；重复单元(3)选自对苯二酚、2,6-萘二酚、4,4'-二羟基联苯的重复单元。
6.根据权利要求4所述的液晶聚合物薄膜的制备方法，其特征在于：重复单元(1)的含量为58-72摩尔％；重复单元(2)的含量为9-21摩尔％；重复单元(3)的含量为9-21摩尔％。
7.根据权利要求4所述的液晶聚合物薄膜的制备方法，其特征在于：重复单元(2)的含量和重复单元(3)的含量之比为0.9/1-1/0.9。
8.根据权利要求4所述的液晶聚合物薄膜的制备方法，其特征在于：至少含有一种含亚萘基的重复单元。
9.根据权利要求1所述的液晶聚合物薄膜的制备方法，其特征在于：步骤(3)中固态聚合在惰性气体气流或真空条件下进行，所述惰性气体为氮气、氩气和二氧化碳中的至少一种，气流流量为6-120mL/min；所述真空条件为真空度小于等于200Pa。
10.根据权利要求1所述的液晶聚合物薄膜的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，纵向拉伸倍数为1-10倍；横向拉伸倍数为1.5-20倍。
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