CN115433438A - 耐热及拉伸强度增强型聚酯膜及其制备方法、复合集流体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐热及拉伸强度增强型聚酯膜及其制备方法、复合集流体,属于集流体生产技术领域,耐热及拉伸强度增强型聚酯膜的原材料包括聚酯高分子,采用熔融挤出形成聚酯膜,在成膜后进行纵向拉伸和横向拉伸;所述纵向拉伸包括预热、纵向拉伸、热定型和冷却处理;所述横向拉伸包括预热、横向拉伸、热定型和冷却处理。本发明从聚酯高分子原料的分子量及分布调控出发,提出了一种新的制备方法,最终得到的聚酯膜的拉伸强度和耐热性能明显提升;以该聚酯膜为基材,制备得到了复合集流体,复合集流体的破膜率明显降低,力学性能和耐热性能明显提升,采用该复合集流体制备的极片,以及极片制备得到的电池性能也得到了相应的保证。
Description
技术领域
本发明属于集流体生产技术领域,具体涉及耐热及拉伸强度增强型聚酯膜及其制备方法、复合集流体。
背景技术
聚合物膜是一类以聚合物为原材料制成的膜状物,以聚酯化合物为原料制成的聚合物膜即为聚酯膜。以聚酯膜为基材,可用于生产各种功能材料,例如在聚酯膜表面沉积金属层,形成的金属化聚酯膜,可用作复合集流体、包装铝塑膜、薄膜电极和印刷薄膜等,在电池和印刷等领域有着广泛的应用。
在形成的金属化聚酯膜中,作为基材的聚酯膜的性能直接决定了金属化聚酯膜的性能,例如当聚酯膜的拉伸强度较低时,在制备金属化聚酯膜时容易产生破膜;当聚酯膜的耐热性能较差时,金属化聚酯膜在使用时基材聚酯膜的热收缩程度较大,容易导致金属层与聚酯膜层分离。所以制备具有较高拉伸强度和良好耐热性能聚酯膜可以提高金属化聚酯膜的使用性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐热及拉伸强度增强型聚酯膜及其制备方法、复合集流体,以解决上述背景技术中提到的技术问题。
为了实现上述目的,本发明公开了一种耐热及拉伸强度增强型聚酯膜的制备方法,采用熔融挤出成膜,在成膜后进行纵向拉伸和横向拉伸;所述纵向拉伸包括预热、纵向拉伸、热定型和冷却处理;所述横向拉伸包括预热、横向拉伸、热定型和冷却处理。
进一步地,所述纵向拉伸时,拉伸倍率为(3-4.5):1。
进一步地,所述横向拉伸时,拉伸倍率为(3-4.5):1。
进一步地,所述耐热及拉伸强度增强型聚酯膜的原材料包括聚酯高分子和添加剂,所述聚酯高分子选自聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)或聚芳酯(PAR),或者它们的衍生物或共聚物中的一种或几种;所述添加剂包括爽滑剂、抗氧化剂、抗静电剂或成核剂中的一种或几种。
进一步地,所述耐热及拉伸强度增强型聚酯膜包括中间层,和分别位于中间层上下两个表面的内层和外层;按照质量百分比,所述内层原材料中包括88-98%的聚酯高分子、2-12%的添加剂;中间层原材料包括:92-99%的聚酯高分子、1-8%的添加剂;外层原材料包括:88-98%的聚酯高分子、2-12%的添加剂。
进一步地,所述耐热及拉伸强度增强型聚酯膜的原材料在熔融挤出时,内层原材料、中间层原材料和外层原材料的挤出质量比为(10-30%):(40-80%):(10-30%)。
进一步地,所述耐热及拉伸强度增强型聚酯膜的原材料在熔融挤出之前,需要进行预处理,所述预处理包括结晶和干燥。
进一步地,所述结晶温度为135-185℃,结晶处理时间为20-120min。
进一步地,所述所述干燥温度为135-175℃,干燥处理时间为120-300min。
本发明同时要求保护一种采用上述制备方法得到的耐热及拉伸强度增强型聚酯膜,所述耐热及拉伸强度增强型聚酯膜的原材料包括聚酯高分子,所述聚酯高分子的特性粘度为0.690-0.800dL/g,分子量分布为2.3-2.8。
对于聚酯膜的制备,在拉伸工艺一定的条件下,影响聚酯膜拉伸强度和耐热性能的关键因素在于聚酯高分子的分子量及分布,提升聚酯高分子的平均分子量,制备的聚酯膜拉伸强度及耐热性能提升,同时,提升聚酯高分子的分子量分布,可以解决平均分子量提升带来的生产过程中破膜率提高的问题。
为了解决普通聚酯膜拉伸强度低的问题,本方明采用高平均分子量的聚酯分子为原料。聚酯高分子的平均分子量一般以特性粘度来间接表征,普通聚酯膜采用的聚酯高分子的特性粘度为0.600-0.680dL/g,本发明采用更高分子量的聚酯高分子,特性粘度在0.690-0.800dL/g之间。
为了解决平均分子量提升带来的生产过程中破膜率提高的问题,本发明采用分子量分布较宽的聚酯高分子作为原料。普通聚酯膜通常采用的聚酯高分子的分子量分布为2.0-2.3,本发明采用分子量分布更宽的聚酯高分子,分子量分布在2.3-2.8之间。
本发明从聚酯高分子原料的分子量及分布调控出发,提出了一种聚酯膜的制备方法,以该方法制备出的聚酯膜的拉伸强度和耐热性能明显提升,以此聚酯膜为基膜制备金属化薄膜,可有效解决金属化薄膜在制备及后端应用过程中由于基膜拉伸强度低而破膜导致的良品率低的问题以及金属化聚酯膜耐热性差的问题。
本发明同时要求保护一种复合集流体,复合集流体是一种金属化聚合物膜,采用了如前文所述的耐热及拉伸强度增强型聚酯膜,所述复合集流体包括复合正极集流体和复合负极集流体,所述复合正极集流体为在所述耐热及拉伸强度增强型聚酯膜上设置铝层后形成,所述复合负极集流体为在所述耐热及拉伸强度增强型聚酯膜上设置铜层后形成。
采用上述复合集流体可制备得到的极片。极片包括正极极片和负极极片,其中正极极片为在复合正极集流体上负载正极活性物质后形成,负极极片为在复合负极集流体上负载负极活性物质后形成。
采用上述的极片可制备得到电池,电池中采用了上述的正极极片和负极极片。
与现有技术相比,本发明的耐热及拉伸强度增强型聚酯膜及其制备方法、复合集流体具有以下优点:
(1)本发明的耐热及拉伸强度增强型聚酯膜制备方法简单,易于实现,可便于进行放大生产。
(2)采用本发明的方法制备得到的耐热及拉伸强度增强型聚酯膜拉伸强度和耐热性能高,可满足作为基材时制备得到的复合集流体的使用需求,形成的复合集流体破膜率低。
附图说明
图1:本发明的耐热及拉伸强度增强型聚酯膜的结构示意图。
其中,1、中间层;2、内层;3、外层。
具体实施方式
一种耐热及拉伸强度增强型聚酯膜的制备方法,包括如下步骤:
一、准备原材料;二、原材料预处理;三、熔融共挤;四、成型;五、纵向拉伸;六、横向拉伸;七、收卷。
具体的,一、准备原材料:
聚酯高分子选用PET、PBT、PEN或PAR,或者它们的衍生物或共聚物中的一种或几种。聚酯高分子的特性粘度为0.690-0.800dL/g,聚酯高分子的分子量分布为2.3-2.8。
添加剂包括爽滑剂、抗氧化剂、抗静电剂、成核剂中的一种或几种。爽滑剂为二氧化钛、二氧化硅、碳酸钙、滑石粉、高岭土、硅藻土、硅氧烷或丙烯酸酯中的一种或几种。
抗氧化剂为膦酸酯(如抗氧化剂1222、抗氧化剂300)或亚磷酸双酚A酯中的一种或几种。
抗静电剂为氧化镁、氧化铜、氧化铝、炭黑、石墨、丙三醇、聚甘油、聚乙二醇、聚醚酯或导电纤维等中的一种或几种。
成核剂为氧化镁、氧化锌、氧化铝、硫酸钡、滑石粉、碳酸钙、碳酸钠、磷酸三苯酯、二苯甲酮、聚乙二醇、聚己内酯、硬酯酸镁或苯甲酸钠等中的一种或几种。
按照质量百分比,内层原材料包括:88-98%的聚酯高分子、2-12%的添加剂;中间层原材料包括:92-99%的聚酯高分子、1-8%的添加剂;外层原材料包括:88-98%的聚酯高分子、2-12%的添加剂。
原材料准备完毕后,配制三种原材料,三种原材料中的聚酯高分子和添加剂分别混合均匀后,进行加热熔融挤出、成型和切片后制备聚酯切片,即分别形成中间层原材料、内层原材料和外层原材料,备用。
二、原材料预处理:
首先,将各层的原材料在结晶器内进行结晶,结晶温度为135-185℃,结晶处理时间为20-120min;然后将原材料在干燥塔内进行干燥,干燥温度为135-175℃,干燥处理时间为120-300min。
三、熔融共挤:
将内层原材料、中间层原材料和外层原材料加入螺杆挤出机内,进行三层共挤出,加热熔融温度为270-290℃,内层原材料、中间层原材料和外层原材料的挤出质量比为(10-30%):(40%-80%):(10-30%)。
四、成型:
熔融共挤出的熔融料经模头挤出后,流延至铸片辊上,经过铸片辊和冷却水的冷却处理,熔融料冷却成型为聚酯膜。
五、纵向拉伸:
首先将聚酯膜进行预热,预热温度为70-100℃;然后将聚酯膜进行纵向拉伸,拉伸倍率为(3-4.5):1,拉伸温度为80-120℃;然后进行热定型,温度为165-180℃;最后进行冷却处理,冷却温度为30-50℃。
六、横向拉伸:
首先将纵向拉伸后的聚酯膜进行预热,预热温度为80-120℃;然后将聚酯膜进行横向拉伸,拉伸倍率为(3-4.5):1,拉伸温度为90-140℃;然后进行热定型,温度为150-250℃;最后进行冷却处理,冷却处理时,聚酯膜先进入中冷区,再进入冷却区进行冷却,其中中冷区冷却温度为80-150℃,冷却区冷却温度为25-45℃。
七、收卷:
将完成横向拉伸后的聚酯膜经过牵引系统,送入收卷系统中进行聚酯膜收卷。
如图1所示,为本发明得到的耐热及拉伸强度增强型聚酯膜的结构示意图,增强型聚酯膜包括三层结构,分别为位于中间层1,和分别位于中间层1上下两个表面的内层2和外层3。
下面通过具体实施例和对比例进行详细阐述,说明本发明的技术方案。
实施例1
1、耐热及拉伸强度增强型聚酯膜的制备:
一、准备原材料:内层原材料中,按照重量百分比,包括92%的PET高分子、8%的添加剂,其中PET高分子的特性粘度为0.70dL/g,分子量分布为2.3;添加剂包括1%的抗氧化剂1222、2%的二氧化钛、2%的氧化铝和3%的碳酸钙,添加剂中各组分的粒径为50-100nm。
中间层原材料中,按照重量百分比,包括95%的PET高分子、5%的添加剂,其中PET高分子的特性粘度为0.70dL/g,分子量分布为2.3;添加剂包括1%的抗氧化剂1222、1%的二氧化钛、2%的氧化铝和1%的碳酸钙,添加剂中各组分的粒径为50-100nm。
外层原材料中,按照重量百分比,包括92%的PET高分子、8%的添加剂,其中PET高分子的特性粘度为0.70dL/g,分子量分布为2.3;添加剂包括1%的抗氧化剂1222、2%的二氧化钛、2%的氧化铝和3%的碳酸钙,添加剂中各组分的粒径为50-100nm。
上述三种原材料中的原料成分分别混合均匀后,进行加热熔融挤出、成型和切片后形成聚酯切片,备用。
二、原材料预处理:将上述中间层原材料、内层原材料和外层原材料的聚酯切片分别各自在结晶器内进行结晶,结晶温度为145℃,结晶处理时间为40min;然后将结晶完成后的原材料分别各自在干燥塔内进行干燥,干燥温度为155℃,干燥处理时间为160min。
三、熔融共挤:将上述中间层原材料、内层原材料和外层原材料的聚酯切片加入到螺杆挤出机内,借助计量泵进行模头挤出,进行三层共挤出,加热熔融温度为280℃,内层原材料、中间层原材料和外层原材料的挤出质量比为30%:40%:30%。
四、成型:熔融共挤出的熔融料经模头挤出后,流延至铸片辊上,经过铸片辊和冷却水的冷却处理,熔融料冷却成型为聚酯膜,聚酯膜的厚度为108μm。
五、纵向拉伸:首先将聚酯膜进行预热,预热温度为90℃;然后将聚酯膜进行纵向拉伸,拉伸倍率为4.5:1,拉伸温度为110℃;然后进行热定型,温度为170℃;最后进行冷却处理,冷却温度为40℃。
六、横向拉伸:首先将聚酯膜进行预热,预热温度为90℃;然后将聚酯膜进行横向拉伸,拉伸倍率为4:1,拉伸温度为120℃;然后进行热定型,温度为170℃;最后进行冷却处理,冷却处理时,聚酯膜先进入中冷区,再进入冷却区进行冷却,其中中冷区冷却温度为90℃,冷却区冷却温度为35℃。
七、收卷:
将完成横向拉伸后的聚酯膜经过牵引系统,送入收卷系统中进行聚酯膜收卷,制备得到厚度为6μm的聚酯膜。记为S1。
2、复合集流体的制备:
采用上述方法制得的耐热及拉伸强度增强型聚酯膜分别制备复合负极集流体和复合正极集流体。
2.1、复合负极集流体的制备:
首先,金属导电层的制备:将上述制备的聚酯膜置于真空蒸镀的舱体内,以1400-2000℃的高温将金属蒸发室内的高纯铜丝(纯度大于99.99%)熔化蒸发,蒸发后的金属原子经过真空镀膜室内的冷却系统,沉积在高分子基膜的两个表面,形成厚度为1μm的铜金属导电层。其次,保护层的制备:通过超声分散的方法将1g石墨烯均匀分散到999g氮甲基吡咯烷酮(NMP)溶液中,配制成固含量为0.1wt%的涂布液,然后通过模头涂布的工艺将涂布液均匀涂覆到金属导电层的表面,其中涂覆量控制在80μm,最后在100℃下进行干燥。
得到的复合负极集流体记为F1。
2.2、复合正极集流体的制备:
首先,金属导电层的制备:将上述制备的聚酯膜置于真空蒸镀的舱体内,以1300-2000℃的高温将金属蒸发室内的高纯铝丝(纯度大于99.99%)熔化蒸发,蒸发后的金属原子经过真空镀膜室内的冷却系统,沉积在高分子基膜的两个表面,形成厚度为1μm的铝金属导电层。其次,保护层的制备:通过超声分散的方法将1g碳纳米管均匀分散到999g氮甲基吡咯烷酮(NMP)溶液中,配制成固含量为0.1wt%的涂布液,然后通过模头涂布的工艺将涂布液均匀涂覆到金属导电层的表面,其中涂覆量控制在90μm,最后在100℃下进行干燥。
得到的复合正极集流体记为Z1。
实施例2
与实施例1基本相同,区别之处在于:PET高分子的特性粘度为0.72dL/g,分子量分布为2.4。
得到的耐热及拉伸强度增强型聚酯膜记为S2,得到的复合负极集流体记为F2,得到的复合正极集流体记为Z2。
实施例3
与实施例1基本相同,区别之处在于:PET高分子的特性粘度为0.74dL/g,分子量分布为2.5。
得到的耐热及拉伸强度增强型聚酯膜记为S3,得到的复合负极集流体记为F3,得到的复合正极集流体记为Z3。
实施例4
与实施例1基本相同,区别之处在于:PET高分子的特性粘度为0.76dL/g,分子量分布为2.6。
得到的耐热及拉伸强度增强型聚酯膜记为S4,得到的复合负极集流体记为F4,得到的复合正极集流体记为Z4。
实施例5
与实施例1基本相同,区别之处在于:PET高分子的特性粘度为0.78dL/g,分子量分布为2.7。
得到的耐热及拉伸强度增强型聚酯膜记为S5,得到的复合负极集流体记为F5,得到的复合正极集流体记为Z5。
实施例6
与实施例1基本相同,区别之处在于:PET高分子的特性粘度为0.80dL/g,分子量分布为2.8。
得到的耐热及拉伸强度增强型聚酯膜记为S6,得到的复合负极集流体记为F6,得到的复合正极集流体记为Z6。
实施例7
1、耐热及拉伸强度增强型聚酯膜的制备:
一、准备原材料:内层原材料中,按照重量百分比,包括95%的PET高分子、5%的添加剂,其中PET高分子的特性粘度为0.76dL/g,分子量分布为2.8;添加剂包括1%的抗氧化剂300、1%的氧化镁、2%的石墨和1%的滑石粉,添加剂中各组分的粒径为50-100nm。
中间层原材料中,按照重量百分比,包括96%的PET高分子、4%的添加剂,其中PET高分子的特性粘度为0.76dL/g,分子量分布为2.8;添加剂包括1%的抗氧化剂1222、1%的滑石粉、1%的氧化铜和1%的碳酸钙,添加剂中各组分的粒径为50-100nm。
外层原材料中,按照重量百分比,包括93%的PET高分子、7%的添加剂,其中PET高分子的特性粘度为0.76dL/g,分子量分布为2.8;添加剂包括2%的抗氧化剂300、2%的二氧化钛、2%的氧化铝和1%的碳酸钙,添加剂中各组分的粒径为50-100nm。
上述三种原材料中的原料成分分别混合均匀后,进行加热熔融挤出、成型和切片后形成聚酯切片,备用。
二、原材料预处理:将上述中间层原材料、内层原材料和外层原材料的聚酯切片分别各自在结晶器内进行结晶,结晶温度为165℃,结晶处理时间为50min;然后将结晶完成后的原材料分别各自在干燥塔内进行干燥,干燥温度为165℃,干燥处理时间为155min。
三、熔融共挤:将上述中间层原材料、内层原材料和外层原材料的聚酯切片加入到螺杆挤出机内,借助计量泵进行模头挤出,进行三层共挤出,加热熔融温度为275℃,内层原材料、中间层原材料和外层原材料的挤出质量比为20%:50%:30%。
四、成型:熔融共挤出的熔融料经模头挤出后,流延至铸片辊上,经过铸片辊和冷却水的冷却处理,熔融料冷却成型为聚酯膜,聚酯膜的厚度为108μm。
五、纵向拉伸:首先将聚酯膜进行预热,预热温度为85℃;然后将聚酯膜进行纵向拉伸,拉伸倍率为4:1,拉伸温度为105℃;然后进行热定型,温度为175℃;最后进行冷却处理,冷却温度为45℃。
六、横向拉伸:首先将聚酯膜进行预热,预热温度为100℃;然后将聚酯膜进行横向拉伸,拉伸倍率为4.5:1,拉伸温度为115℃;然后进行热定型,温度为180℃;最后进行冷却处理,冷却处理时,聚酯膜先进入中冷区,再进入冷却区进行冷却,其中中冷区冷却温度为85℃,冷却区冷却温度为30℃。
七、收卷:
将完成横向拉伸后的聚酯膜经过牵引系统,送入收卷系统中进行聚酯膜收卷,制备得到厚度为6μm的聚酯膜。记为S7。
得到的耐热及拉伸强度增强型聚酯膜记为S7,得到的复合负极集流体记为F7,得到的复合正极集流体记为Z7。
实施例8
与实施例7基本相同,区别之处在于:聚酯高分子选择PBT,PBT高分子的特性粘度为0.75dL/g,分子量分布为2.8。
得到的耐热及拉伸强度增强型聚酯膜记为S8,得到的复合负极集流体记为F8,得到的复合正极集流体记为Z8。
对比例1
与实施例1基本相同,区别之处在于:PET高分子的特性粘度为0.60dL/g,分子量分布为2.0。
得到的耐热及拉伸强度增强型聚酯膜记为B1,得到的复合负极集流体记为BF1,得到的复合正极集流体记为BZ1。
对比例2
与对比例1基本相同,区别之处在于:聚酯膜在熔融挤出成型后,仅进行常规纵向拉伸处理,即拉伸过程在常温下进行,然后进行牵引和收卷。
得到的耐热及拉伸强度增强型聚酯膜记为B2,得到的复合负极集流体记为BF2,得到的复合正极集流体记为BZ2。
测试评价:
对实施例和对比例中得到的耐热及拉伸强度增强型聚酯膜的拉伸强度、断裂伸长率和热收缩率进行了评价,测试方法参照国标GB/T 1040.3-2006及GB/T 10003-2008,测试结果如表1所示,其中MD表示膜的纵向方向,TD表示膜的横向方向;热收缩率为150℃下加热30min后的数据。
表1聚酯膜的性能测试结果
对前述制备得到的复合负极集流体和复合正极集流体也进行性能测试,分别测试了破膜率、拉伸强度和热收缩率,测试结果分别如表2和表3所示,其中热收缩率为150℃下加热15min后的数据。
表2复合负极集流体的性能测试结果
表3复合正极集流体的性能测试结果
由此可见,相对于采用对比例中得到的聚酯膜,采用本发明的方法制得到聚酯膜的拉伸强度显著增大,热收缩率也明显下降,说明采用本发明方法得到了耐热及拉伸强度增强型聚酯膜,以此制备的聚酯膜为基膜制备的复合集流体的力学及耐热性能也得到了明显提升。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用于限制发明,凡在本发明的设计构思之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.耐热及拉伸强度增强型聚酯膜,其特征在于:所述耐热及拉伸强度增强型聚酯膜的原材料包括聚酯高分子,所述聚酯高分子的特性粘度为0.690-0.800dL/g,分子量分布为2.3-2.8。
2.如权利要求1所述的耐热及拉伸强度增强型聚酯膜的制备方法,其特征在于:所述耐热及拉伸强度增强型聚酯膜采用熔融挤出成膜,在成膜后进行纵向拉伸和横向拉伸;所述纵向拉伸包括预热、纵向拉伸、热定型和冷却处理;所述横向拉伸包括预热、横向拉伸、热定型和冷却处理。
3.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于:所述纵向拉伸时,拉伸倍率为(3-4.5):1。
4.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于:所述横向拉伸时,拉伸倍率为(3-4.5):1。
5.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于:所述耐热及拉伸强度增强型聚酯膜的原材料包括聚酯高分子和添加剂,所述聚酯高分子选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯或聚芳酯,或者它们的衍生物或共聚物中的一种或几种;所述添加剂包括爽滑剂、抗氧化剂、抗静电剂或成核剂中的一种或几种。
6.如权利要求5所述的制备方法,其特征在于:所述耐热及拉伸强度增强型聚酯膜包括中间层,和分别位于中间层上下两个表面的内层和外层;按照质量百分比,所述内层原材料中包括88-98%的聚酯高分子、2-12%的添加剂;中间层原材料包括:92-99%的聚酯高分子、1-8%的添加剂;外层原材料包括:88-98%的聚酯高分子、2-12%的添加剂。
7.如权利要求6所述的制备方法,其特征在于:所述耐热及拉伸强度增强型聚酯膜的原材料在熔融挤出时,内层原材料、中间层原材料和外层原材料的挤出质量比为(10-30%):(40-80%):(10-30%)。
8.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于:所述耐热及拉伸强度增强型聚酯膜的原材料在熔融挤出之前,需要进行预处理,所述预处理包括结晶和干燥。
9.如权利要求8所述的制备方法,其特征在于:所述结晶温度为135-185℃,结晶处理时间为20-120min。
10.如权利要求8所述的制备方法,其特征在于:所述所述干燥温度为135-175℃,干燥处理时间为120-300min。
11.复合集流体,采用了如权利要求1-10中任一项所述的耐热及拉伸强度增强型聚酯膜,其特征在于:所述复合集流体包括复合正极集流体和复合负极集流体,所述复合正极集流体为在所述耐热及拉伸强度增强型聚酯膜上设置铝层后形成,所述复合负极集流体为在所述耐热及拉伸强度增强型聚酯膜上设置铜层后形成。
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