CN117510814A - 一种液晶聚合物、纤维及其制备方法、导电纤维 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高分子材料技术领域,具体而言,涉及一种液晶聚合物、纤维及其制备方法、导电纤维;该液晶聚合物的制备方法包括:将特定配比的对羟基苯甲酸、4,4'‑二羟基二苯醚、3,7‑二苯并噻吩二甲酸、6‑羟基‑2‑萘甲酸与酰基化试剂、催化剂混合,得到反应混合物;将所述反应混合物进行预聚合反应,得到预聚物;在惰性气体氛围下,将所述预聚物进行固相缩聚反应,得到液晶聚合物。本发明提供的液晶聚合物制得的纤维具有较高的强度、较佳的耐弯折性能以及与金属具有较高的界面粘着强度等优点。采用该纤维制得的导电纤维具有较高强度和较佳的耐弯折性能。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域,具体而言,涉及一种液晶聚合物、纤维及其制备方法、导电纤维。
背景技术
随着电子行业的飞速发展,各领域日趋网络化、智能化和轻量化,因而对各种材料的性能要求也更加严格。以往,金属线在电子行业作为导线和电磁屏蔽材料占据主导地位,但近年来,为了满足电子电气的轻型化、集成化以及航空航天、汽车和机械工业等质轻的特点,研究人员开始探索采用金属化有机纤维(即在有机纤维表面镀覆金属薄层而形成的导电纤维)来替代传统的纯金属线。这种导电纤维不仅具有有机纤维的高强度、高模量、低密度、耐腐蚀和低膨胀系数等优异特性,还兼顾金属的导电、电磁屏蔽等特性。
有机纤维作为导电纤维的骨架材料,对导电纤维的性能起着至关重要的作用。为了满足导电纤维的使用要求,除要求有机纤维具有较高的强度外,还要求有机纤维与金属具有较高的结合力。另外,由于导线在使用过程中会经常弯折,为了避免导电纤维因过度弯折而折断,因而还要求有机纤维具有较佳的耐弯折性能。然而,现有的应用于导电纤维的有机纤维,无法同时兼具上述性能,影响导电纤维的性能和使用寿命。
发明内容
本发明解决的技术问题是:现有的应用于导电纤维的有机纤维,无法同时具备较高的强度、较佳的耐弯折性能以及与金属具有较高的结合力,影响导电纤维的性能和使用寿命。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:
一种液晶聚合物的制备方法,包括如下步骤:
步骤S1:将四种单体对羟基苯甲酸、4,4'-二羟基二苯醚、3,7-二苯并噻吩二甲酸、6-羟基-2-萘甲酸与酰基化试剂、催化剂混合,得到反应混合物;其中,按摩尔百分数计,所述四种单体中的各单体占比如下:对羟基苯甲酸62-80mol%,4,4'-二羟基二苯醚1.6-5.0mol%,3,7-二苯并噻吩二甲酸1.6-5.0mol%,6-羟基-2-萘甲酸16.8-28mol%;
步骤S2:将所述反应混合物进行预聚合反应,得到预聚物;
步骤S3:在惰性气体氛围下,将所述预聚物进行固相缩聚反应,得到液晶聚合物。
较佳地,所述步骤S2中,所述将反应混合物进行预聚合反应,得到预聚物,包括:将所述反应混合物于120-150℃下保温5-10h,然后升温至300-330℃,保温2-4h,粉碎处理后,于110-130℃下干燥2-3h,得到所述预聚物。
较佳地,所述步骤S3中,所述固相缩聚反应的温度为280-330℃,时间为12-48h。
较佳地,所述步骤S1中,所述酰基化试剂包括乙酸酐、丙酸酐、丁酸酐和戊酸酐中的一种;所述催化剂包括1,2-二甲基咪唑和1-甲基咪唑中的一种。
较佳地,所述酰基化试剂的添加量是所述四种单体中羟基总摩尔数的1.05-1.5倍,所述催化剂的添加重量为所述四种单体总重量的50-300ppm。
本发明还提供了一种液晶聚合物,采用如上所述的液晶聚合物的制备方法制得。
本发明还提供了一种纤维的制备方法,包括如下步骤:
步骤M1:将如上所述的液晶聚合物加热、挤出后,供给至纺丝组件,通过所述纺丝组件喷出纤维丝,对所述纤维丝进行保温、风冷、牵伸定型、分丝收卷,得到初生纤维;
步骤M2:对所述初生纤维进行热处理,得到成品纤维。
本发明还提供了一种纤维,采用如上所述的纤维的制备方法制得。
本发明还提供了一种导电纤维,包括如上所述的纤维。
较佳地,所述导电纤维,包括所述纤维和涂覆在所述纤维表面的金属层。
与现有技术相比,本发明采用特定配比的对羟基苯甲酸、4,4'-二羟基二苯醚、3,7-二苯并噻吩二甲酸、6-羟基-2-萘甲酸在酰基化试剂、催化剂的作用下聚合,获得液晶聚合物;其中,单体4,4'-二羟基二苯醚参与聚合反应,将具有柔顺性的芳醚结构引入分子结构,使得利用该聚合物制得的纤维具有较高的柔韧性,从而具有较高的耐弯折性能;单体3,7-二苯并噻吩二甲酸参与聚合反应,将二苯并噻吩结构引入分子链,由于二苯并噻吩高的共平面结构和较强的极性,使得分子链之间的作用力增强,因而使得利用该聚合物制得的纤维具有较高的强度(如拉伸强度等);同时二苯并噻吩结构中含有硫醚基团,硫原子上的孤对电子与金属有良好的亲和性,因而使得利用该聚合物制得的纤维与金属具有良好的粘结性。综上,本发明提供的液晶聚合物制得的纤维具有较高的强度、较佳的耐弯折性能以及与金属具有较高的界面粘着强度等优点。采用该纤维制得的导电纤维具有较高强度和较佳的耐弯折性能,且与传统金属导线相比重量下降达到25%以上。
附图说明
图1为本发明实施例中液晶聚合物的制备方法的流程示意图;
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例中的特征可以相互组合。术语“包含”、“包括”、“含有”、“具有”的含义是非限制性的,即可加入不影响结果的其它步骤和其它成分。以上术语涵盖术语“由……组成”和“基本上由……组成”。如无特殊说明的,材料、设备、试剂均为市售,方法、工艺、材料含量均为现有技术记载的方法、工艺、材料含量。需要说明液晶聚合物是一种新型的高分子材料。需要说明的是,本发明中ppm表示百万分之一。
如图1所示,本发明实施例一种液晶聚合物的制备方法,包括如下步骤:
步骤S1:将四种单体对羟基苯甲酸、4,4'-二羟基二苯醚、3,7-二苯并噻吩二甲酸、6-羟基-2-萘甲酸与酰基化试剂、催化剂混合,得到反应混合物;其中,按摩尔百分数计,所述四种单体中的各单体占比如下:对羟基苯甲酸62-80mol%,4,4'-二羟基二苯醚1.6-5.0mol%,3,7-二苯并噻吩二甲酸1.6-5.0mol%,6-羟基-2-萘甲酸16.8-28mol%;
步骤S2:将所述反应混合物进行预聚合反应,得到预聚物;
步骤S3:在惰性气体氛围下,将所述预聚物进行固相缩聚反应,得到液晶聚合物。
与现有技术相比,本发明采用特定配比的对羟基苯甲酸、4,4'-二羟基二苯醚、3,7-二苯并噻吩二甲酸、6-羟基-2-萘甲酸在酰基化试剂、催化剂的作用下聚合,获得液晶聚合物;其中,单体4,4'-二羟基二苯醚参与聚合反应,将具有柔顺性的芳醚结构引入分子结构,使得利用该聚合物制得的纤维具有较高的柔韧性,从而具有较高的耐弯折性能;单体3,7-二苯并噻吩二甲酸参与聚合反应,将二苯并噻吩结构引入分子链,由于二苯并噻吩高的共平面结构和较强的极性,使得分子链之间的作用力增强,因而使得利用该聚合物制得的纤维具有较高的强度(如拉伸强度等);同时二苯并噻吩结构中含有硫醚基团,硫原子上的孤对电子与金属有良好的亲和性,因而使得利用该聚合物制得的纤维与金属具有良好的粘结性。综上,本发明提供的液晶聚合物制得的纤维具有较高的强度、较佳的耐弯折性能以及与金属具有较高的界面粘着强度等优点。采用该纤维制得的导电纤维具有较高强度和较佳的耐弯折性能,且与传统金属导线相比重量下降达到25%以上。
本发明的一些实施例中,所述步骤S2中,所述将反应混合物进行预聚合反应,得到预聚物,包括:将所述反应混合物于120-150℃下保温5-10h,然后升温至300-330℃,保温2-4h,粉碎处理后,于110-130℃下干燥2-3h,得到所述预聚物。
本发明的一些实施例中,所述步骤S3中,所述固相缩聚反应的温度为280-330℃,时间为12-48h。
较佳地本发明的一些实施例中,所述步骤S1中,所述酰基化试剂包括乙酸酐、丙酸酐、丁酸酐和戊酸酐中的一种;所述催化剂包括1,2-二甲基咪唑和1-甲基咪唑中的一种;所述酰基化试剂的添加量是所述四种单体中羟基总摩尔数的1.05-1.5倍,所述催化剂的添加重量为所述四种单体总重量的50-300ppm。
本发明实施例还提供了一种液晶聚合物,采用如上所述的液晶聚合物的制备方法制得。
本发明实施例还提供了一种纤维的制备方法,包括如下步骤:
步骤M1:将如上所述的液晶聚合物加热、挤出后,供给至纺丝组件,通过所述纺丝组件喷出纤维丝,对所述纤维丝进行保温、风冷、牵伸定型、分丝收卷,得到初生纤维;
步骤M2:对所述初生纤维进行热处理,得到成品纤维。
本发明的一些实施例中,所述步骤M1中,所述保温的温度为260-290℃,所述牵伸定型的速度为1000-1200m/min。
本发明的一些实施例中,所述步骤M2中,所述热处理的温度为290-330℃,时间为12-36h。
本发明实施例还提供了一种纤维,采用如上所述的纤维的制备方法制得。
本发明实施例还提供了一种导电纤维,包括如上所述的纤维。
本发明的一些实施例中,所述导电纤维,包括所述纤维和涂覆在所述纤维表面的金属层。所述金属层的厚度为0.5-15μm,所述金属层的制备材料包括铜、银、金、铁、锌、铅、钯、镍、铬、锡、钛、铝、铟及钒中的至少一种。
该导电纤维的制备方法,包括以下步骤:
步骤N1、在纤维的表面涂布表面活性剂,得到预处理纤维;
步骤N2、将所述预处理纤维与含钯络合物的超临界二氧化碳流体进行接触处理,得到中间纤维;
步骤N3、在所述中间纤维的表面包覆金属层,得到导电纤维。
本发明的一些实施例中,示例性地,所述步骤N1中,所述表面活性剂包括阳离子表面活性剂,所述的阳离子表面活性剂包括十六烷基氯化吡啶、十八烷基三甲基氯化铵、二乙醇酰胺月桂酸酯和二乙醇酰胺硬脂酸酯中的一种。
本发明的一些实施例中,示例性地,所述步骤N2中,所述钯络合物包括乙酸钯络合物和乙酰基磺酸钯络合物中的一种。
本发明的一些实施例中,示例性地,所述步骤N2中,所述接触处理的压力为5-35MPa,温度为80-150℃,时间为15-40min。
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。表1为实施例1-4的原料中四种单体中对羟基苯甲酸、4,4'-二羟基二苯醚、3,7-二苯并噻吩二甲酸、6-羟基-2-萘甲酸的配比。
表1
实施例1
1.1 将按表1中1#配方配比的四种单体与占所述四种单体中占羟基总摩尔数1.05倍的乙酸酐、占所述四种单体总重量50ppm的1-甲基咪唑混合,投入哈氏合金釜后于150℃下保持5h;然后以1.5℃/min的速度升温至330℃,保温2h;向聚合釜中冲入1.0MPa氮气,以将反应物经过直径2mm、孔数8个的放料阀门放出,粉碎,过20目筛,于130℃干燥2h,得到预聚物;
1.2 在氮气氛围下,所述预聚物在旋转窑中于290℃下进行固相缩聚反应48h,得到液晶聚合物;
1.3 将所述的热致液晶聚芳酯加热至295℃后挤出,供给至纺丝组件,通过所述纺丝组件喷出纤维丝,于260℃对所述纤维丝进行保温5min,然后风冷至室温,再以1000m/min牵伸定型、分丝收卷,得到初生纤维;
1.4 将初生纤维于290℃下热处理36h,得到纤维。
实施例2
2.1 将按表1中2#配方配比的四种单体与占所述四种单体中占羟基总摩尔数1.2倍的乙酸酐、占所述四种单体总重量120ppm的1,2-二甲基咪唑混合,投入哈氏合金釜后于130℃下保持8h;然后以0.7℃/min的速度升温至310℃,保温3h;向聚合釜中冲入0.5MPa氮气,以将反应物经过直径4mm、孔数10个的放料阀门放出,粉碎,过30目筛,于120℃干燥2h,得到预聚物;
2.2 在氮气氛围下,所述预聚物在旋转窑中于300℃下进行固相缩聚反应24h,得到液晶聚合物;
2.3 将所述的热致液晶聚芳酯加热至310℃后挤出,供给至纺丝组件,通过所述纺丝组件喷出纤维丝,于270℃对所述纤维丝进行保温5min,然后风冷至室温,再以1000m/min牵伸定型、分丝收卷,得到初生纤维;
2.4 将初生纤维于300℃下热处理24h,得到纤维。
实施例3
3.1将按表1中3#配方配比的四种单体与占所述四种单体中占羟基总摩尔数1.35倍的乙酸酐、占所述四种单体总重量200ppm的1-甲基咪唑混合,投入哈氏合金釜后于140℃下保持6h;然后以1.0℃/min的速度升温至320℃,保温2h;向聚合釜中冲入0.8MPa氮气,以将反应物经过直径4mm、孔数8个的放料阀门放出,粉碎,过20目筛,于130℃干燥2h,得到预聚物;
3.2 在氮气氛围下,所述预聚物在旋转窑中于320℃下进行固相缩聚反应36h,得到液晶聚合物;
3.3 将所述的热致液晶聚芳酯加热至320℃后挤出,供给至纺丝组件,通过所述纺丝组件喷出纤维丝,于280℃对所述纤维丝进行保温5min,然后风冷至室温,再以1100m/min牵伸定型、分丝收卷,得到初生纤维;
3.4 将初生纤维于310℃下热处理18h,得到纤维。
实施例4
4.1 将按表1中4#配方配比的四种单体与占所述四种单体中占羟基总摩尔数1.5倍的乙酸酐、占所述四种单体总重量300ppm的1-甲基咪唑混合,投入哈氏合金釜后于120℃下保持5h;然后以0.5℃/min的速度升温至300℃,保温4h;向聚合釜中冲入0.1MPa氮气,以将反应物经过直径2mm、孔数10个的放料阀门放出,粉碎,过30目筛,于110℃干燥3h,得到预聚物;
4.2 在氮气氛围下,所述预聚物在旋转窑中于330℃下进行固相缩聚反应12h,得到液晶聚合物;
4.3 将所述的热致液晶聚芳酯加热至335℃后挤出,供给至纺丝组件,通过所述纺丝组件喷出纤维丝,于290℃对所述纤维丝进行保温5min,然后风冷至室温,再以1200m/min牵伸定型、分丝收卷,得到初生纤维;
4.4 将初生纤维于330℃下热处理12h,得到纤维。
对比例1
与实施例3的区别在于,将4,4'-二羟基二苯醚替换成等摩尔量的联苯二酚。
对比例2
与实施例3的区别在于,将3,7-二苯并噻吩二甲酸替换成等摩尔量的对苯二甲酸。
对比例3
与实施例3的区别在于,采用的催化剂为等量的乙酸钾。实验过程中发现,采用乙酸钾传统催化剂参与反应,副反应较多,制备得到的预聚物黏着于反应釜壁无法顺利排出。
应用例1
A1、将纤维的表面涂布十六烷基氯化吡啶,得到预处理纤维;所述纤维为实施例1中制得的纤维;
A2、将所述预处理纤维与含乙酸钯络合物的超临界二氧化碳流体进行接触处理,得到中间纤维;所述接触处理的压力为20MPa,温度为100℃,时间为25min;
A3、在所述中间纤维的表面包覆金属铜,得到导电纤维;金属铜的厚度为5μm。
应用例2
与应用例1的区别在于,使用的纤维为实施例2中制得的纤维。
应用例3
与应用例1的区别在于,使用的纤维为实施例3中制得的纤维。
应用例4
与应用例1的区别在于,使用的纤维为实施例4中制得的纤维。
对比应用例1
与应用例1的区别在于,使用的纤维为对比例1中制得的纤维。
对比应用例2
与应用例1的区别在于,使用的纤维为对比例2中制得的纤维。
实验例
1.纤维的性能测试方法:
(1)拉伸强度和拉伸模量:在温度20±2℃、湿度60±3%条件下按照GB/T19975-2005方法测定;
(2)耐弯折性:MIT耐折度测定仪测定纤维折断时的弯折次数。
2、导电纤维的性能测试方法:
(1)界面粘着强度:在导电纤维表面制备150-200μm的热固性环氧树脂球。然后,使用万能试验机剥离树脂球,由于树脂球与金属层之间的结合力较大,在树脂球剥离时的同时,导电纤维表面的金属层也会随着树脂球与纤维发生剥离。根据此时最大点的应力和用SEM测量的被覆面积,计算界面粘着强度(N/mm2)。
(2)相对电阻测定及弯曲疲劳试验:使用电阻值测定仪对导电纤维的初始电阻值(Ω/10cm)进行测定,将测定值定义为初始电阻。之后,使用弯曲疲劳试验机,在弯曲角度120°、弯曲速度60rpm、负载100g的条件下,对导电纤维进行5000次弯曲后,再次对导电纤维的电阻值进行测定,将测定值定义为弯曲疲劳后电阻。按照下式计算出相对电阻值,对弯曲疲劳性进行评价:
相对电阻=(弯曲疲劳后电阻)/(初始电阻)
对实施例1-4和对比例1-2中制得纤维进行拉伸强度、拉伸模量和耐弯折性能测试,测试结果见表2。从表2可以看出,相比于对比例1,实施例1-4制得的纤维具有更优的耐弯折性能,相比于对比例2,实施例1-4制得的纤维具有更高的拉伸强度和拉伸模量。可见,相比于对比例1-2,实施例1-4制得的纤维能够同时具有较高的抗拉强度、较高的拉伸模量和较佳的耐弯折性能。
表2
对应用例1-4以及对比应用例1-2中制得的导电纤维进行界面粘着强度和耐弯折性能测试,测试结果见表3,从表3可以看出,相比于对比应用例1,应用例1-4制得的导电纤维具有更优的耐弯折性能,相比于对比应用例2,应用例1-4制得的导电纤维具有更高的拉伸强度和界面粘着强度(说明实施例1-4制得的纤维与金属之间的界面粘着强度更高)。可见,相比于对比应用例1-2,应用例1-4制得的导电纤维能够同时具有较高的抗拉强度、较佳的耐弯折性能,而且导电纤维中,纤维与金属的粘着强度较高。另外,传统铜导线的拉伸强度为200-400MPa,远低于本发明导电纤维拉伸强度。
表3
需要说明的是:对于导电纤维的拉伸强度而言,由于导电纤维中纤维的拉伸强度占主导地位,因此,可将纤维的拉伸强度视为导电纤维的拉伸强度。
Claims (10)
1.一种液晶聚合物的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤S1:将四种单体对羟基苯甲酸、4,4'-二羟基二苯醚、3,7-二苯并噻吩二甲酸、6-羟基-2-萘甲酸与酰基化试剂、催化剂混合,得到反应混合物;其中,按摩尔百分数计,所述四种单体中的各单体占比如下:对羟基苯甲酸62-80mol%,4,4'-二羟基二苯醚1.6-5.0mol%,3,7-二苯并噻吩二甲酸1.6-5.0mol%,6-羟基-2-萘甲酸16.8-28mol%;
步骤S2:将所述反应混合物进行预聚合反应,得到预聚物;
步骤S3:在惰性气体氛围下,将所述预聚物进行固相缩聚反应,得到液晶聚合物。
2.根据权利要求1所述的液晶聚合物的制备方法,其特征在于,所述步骤S2中,所述将反应混合物进行预聚合反应,得到预聚物,包括:将所述反应混合物于120-150℃下保温5-10h,然后升温至300-330℃,保温2-4h,粉碎处理后,于110-130℃下干燥2-3h,得到所述预聚物。
3.根据权利要求1所述的液晶聚合物的制备方法,其特征在于,所述步骤S3中,所述固相缩聚反应的温度为280-330℃,时间为12-48h。
4.根据权利要求1所述的液晶聚合物的制备方法,其特征在于,所述步骤S1中,所述酰基化试剂包括乙酸酐、丙酸酐、丁酸酐和戊酸酐中的一种;所述催化剂包括1,2-二甲基咪唑和1-甲基咪唑中的一种。
5.根据权利要求1所述的液晶聚合物的制备方法,其特征在于,所述酰基化试剂的添加量是所述四种单体中羟基总摩尔数的1.05-1.5倍,所述催化剂的添加重量为所述四种单体总重量的50-300ppm。
6.一种液晶聚合物,其特征在于,采用如权利要求1-5任一项所述的液晶聚合物的制备方法制得。
7.一种纤维的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤M1:将如权利要求6所述的液晶聚合物加热、挤出后,供给至纺丝组件,通过所述纺丝组件喷出纤维丝,对所述纤维丝进行保温、风冷、牵伸定型、分丝收卷,得到初生纤维;
步骤M2:对所述初生纤维进行热处理,得到成品纤维。
8.一种纤维,其特征在于,采用如权利要求7所述的纤维的制备方法制得。
9.一种导电纤维,其特征在于,包括如权利要求8所述的纤维。
10.如权利要求9所述的导电纤维,其特征在于,包括所述纤维和涂覆在所述纤维表面的金属层。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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