一种高耐热液晶聚酯酰胺薄膜及其制备方法
阅读说明：本技术 一种高耐热液晶聚酯酰胺薄膜及其制备方法 (High-heat-resistance liquid crystal polyester amide film and preparation method thereof ) 是由 王阳 任忠平 李东伟 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明属于高分子聚合物技术领域,具体涉及一种高耐热液晶聚酯酰胺薄膜及其制备方法。本发明的液晶聚酯酰胺薄膜包括液晶共聚物,所述的液晶共聚物由以下单体制成：对羟基苯甲酸、6-羟基-2-萘甲酸、对苯二甲酸、2-氨基-6-羟基苯并噻唑。制备步骤为预聚、固相缩聚、混炼、熔融挤出、牵引、收卷、热处理。通过引入新型单体2-氨基-6-羟基苯并噻唑,获得薄膜的拉伸强度、介电常数及介电损耗因子皆可与现有液晶薄膜相媲美,还可有效提高液晶共聚物薄膜的耐热稳定性,制得的液晶共聚物薄膜熔点可达340℃以上,经298℃、10s、3次漂锡试验无变形变色。(The invention belongs to the technical field of high molecular polymers, and particularly relates to a high-heat-resistance liquid crystal polyesteramide film and a preparation method thereof. The liquid crystal polyester amide film comprises a liquid crystal copolymer, wherein the liquid crystal copolymer is prepared from the following monomers: p-hydroxybenzoic acid, 6-hydroxy-2-naphthoic acid, terephthalic acid, 2-amino-6-hydroxybenzothiazole. The preparation steps comprise prepolymerization, solid-phase polycondensation, mixing, melt extrusion, traction, rolling and heat treatment. By introducing the novel monomer 2-amino-6-hydroxybenzothiazole, the tensile strength, dielectric constant and dielectric loss factor of the obtained film can be comparable with those of the existing liquid crystal film, the heat-resistant stability of the liquid crystal copolymer film can be effectively improved, the melting point of the prepared liquid crystal copolymer film can reach more than 340 ℃, and the film does not deform or discolor after 298 ℃, 10s and 3 times of tin bleaching tests.)
技术领域
本发明属于高分子共聚物技术领域，具体涉及一种高耐热液晶聚酯酰胺薄膜及其制备方法。
背景技术
随着5G时代的到来，光电、航天、国防及移动通讯对高频高传速提出了更高的要求。液晶共聚物(Liquid Crystal Polyester)在高达110GHz的全部射频范围内，几乎能保持恒定的介电常数，一致性好，正切损耗非常小，即使在110GHz时也只增加到0.0045，非常适合毫米波应用，经由液晶共聚物制备的薄膜产品在5G领域备受青睐。
为了迎合5G领域应用要求，仅开发具有较低介电常数和介电损耗因子的液晶共聚物及对应薄膜产品是远远不够的，其耐高温性能同等重要，会直接影响薄膜材料的使用稳定性。目前从树脂原料入手提高薄膜耐高温性能的研究较少，且主要是通过添加金属元素的方式，如专利US6755991公开了一种液晶聚酯组合物，包含至少一种芳族二羧酸，至少一种含萘环羧酸以及至少一种含量为1～1000ppm碱金属，该发明制备的液晶聚酯组合物具有改进的白度和冲击强度，效果描述中虽然提及了耐热性能得到提高，但并未记载任何耐热性能提高的参照数据；再如专利CN105907058B公开了在树脂组合物中添加重量含量为0.1-300ppm的金属锶元素提高其耐热稳定性，该发明需要严格控制金属锶元素的添加量，操作难度大，为此，还需要专门对组合物中锶元素含量进行测定，工艺过程繁杂，同时专利中也仅仅提到该液晶树脂可以制成薄膜制品，但并未记载如何制膜及制得的薄膜产品性能如何。
目前，现有耐热液晶聚合物薄膜的熔点普遍在310℃左右，可通过288℃、10s、3次漂锡试验，仅可乐丽开发的一款高耐热液晶聚合物薄膜熔点可达335℃，但并未披露漂锡测试情况。鉴于以上问题，发明人通过引入新型单体共聚的方式来提高液晶聚合物的耐热性能，可使液晶聚合物薄膜熔点提升至340-345℃，经过298℃、10s、3次漂锡试验后无变形变色。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供一种高耐热液晶共聚物薄膜，通过在液晶共聚物中引入新型单体2-氨基-6-羟基苯并噻唑可有效提高液晶共聚物薄膜的耐热性能，进而提高其稳定性，以满足更多高频高速度传输应用场景需求。
本发明的上述目的可以通过下列技术方案来实现：一种高耐热液晶聚酯酰胺薄膜，其包括液晶共聚物，所述的液晶共聚物由以下单体制成：对羟基苯甲酸、6-羟基-2-萘甲酸、对苯二甲酸、2-氨基-6-羟基苯并噻唑，所述的对羟基苯甲酸的摩尔百分比为60.5-70mol％，所述的6-羟基-2-萘甲酸的摩尔百分比为24-36.7mol％，所述的对苯二甲酸和2-氨基-6-羟基苯并噻唑的摩尔百分比之和为2.8-6.0mol％，四种单体的摩尔百分比之和等于100mol％。
作为优选，所述对苯二甲酸与2-氨基-6-羟基苯并噻唑的摩尔比为1：1。
本发明的第二个目的是提供一种上述液晶聚酯酰胺薄膜的制备方法，所述的制备方法具体包括以下步骤：
S1：将单体对羟基苯甲酸、6-羟基-2-萘甲酸、对苯二甲酸、2-氨基-6-羟基苯并噻唑，乙酰化试剂乙酸酐，催化剂2-二甲氨基吡啶，抗氧化剂锡粉，投至哈氏合金聚合釜中进行预聚，制得预聚物；
S2：将预聚物从哈氏合金釜排出，经过粉碎，在氮气氛围下进行固相缩聚，制得高分子液晶聚酯酰胺；
S3：将聚酯酰胺经过螺杆挤出机混炼、排气；熔融挤出，侧吹风冷却，牵引，收卷，制得聚酯酰胺初生薄膜；
S4：对制得的初生薄膜进行热处理，制得聚酯酰胺成品薄膜。
本发明制备得到的液晶聚酯酰胺的重均分子量为(3.1-4.0)×104。
作为优选，所述乙酸酐的添加量为对羟基苯甲酸、6-羟基-2-萘甲酸和2-氨基-6-羟基苯并噻唑中羟基和胺基总摩尔数的1.0-3.0倍。
作为优选，所述2-二甲氨基吡啶的添加量为对羟基苯甲酸、6-羟基-2-萘甲酸、对苯二甲酸、2-氨基-6-羟基苯并噻唑总重量的10-500ppm。
作为优选，所述锡粉的添加量为对羟基苯甲酸、6-羟基-2-萘甲酸、对苯二甲酸、2-氨基-6-羟基苯并噻唑总重量的0.2％-0.5％。
作为优选，所述步骤S1具体为：将原料投入哈氏合金聚合釜后于130-150℃下保持2-9h；以0.1-1.0℃/mi n的速度升温至300-320℃，保温2-3h；向聚合釜中冲入0.1-1.0MP氮气，将反应物料经过直径2-4mm的8-10孔放料阀门放出，粉碎，过20-30目筛，经140-160℃干燥1-3h后制得预聚物。
作为优选，所述步骤S2具体为：将制得的预聚物在氮气氛围下，于195-320℃的旋转窑中固相缩聚12-48h，制得液晶聚酯酰胺。
作为优选，所述步骤S3中螺杆挤出机的挤出温度为280-360℃。
作为优选，所述步骤S3中侧吹风温度为20-50℃。
作为优选，所述步骤S4中热处理温度为200-300℃，时间为8-60h。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明通过引入新型单体2-氨基-6-羟基苯并噻唑，其拉伸强度、介电常数及介电损耗因子皆可与现有液晶共聚物薄膜媲美，更为突出的是其耐热性能得到有效提高，液晶共聚物薄膜熔点提升至340-345℃，经298℃、10s、3次漂锡试验无变形变色，能满足更高温度应用场景需求。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。本发明如无特别说明，则所用原料或试剂为现有原料或试剂，所用方法为现有方法。
实施方式
一种高耐热液晶聚酯酰胺薄膜，其包括液晶共聚物，所述的液晶共聚物由以下单体制成：对羟基苯甲酸、6-羟基-2-萘甲酸、对苯二甲酸、2-氨基-6-羟基苯并噻唑，所述的对羟基苯甲酸的摩尔百分比为60.5-70mol％，所述的6-羟基-2-萘甲酸的摩尔百分比为24-36.7mol％，所述的对苯二甲酸和2-氨基-6-羟基苯并噻唑的摩尔百分比之和为2.8-6.0mol％，四种单体的摩尔百分比之和等于100mol％。
上述液晶聚酯酰胺薄膜的制备方法包括以下步骤：
S1：将单体对羟基苯甲酸、6-羟基-2-萘甲酸、对苯二甲酸、2-氨基-6-羟基苯并噻唑，乙酰化试剂乙酸酐，催化剂2-二甲氨基吡啶，抗氧化剂锡粉，投至哈氏合金聚合釜中进行预聚，制得预聚物；
S2：将预聚物从哈氏合金釜排出，经过粉碎，在氮气氛围下进行固相缩聚，制得高分子液晶聚酯酰胺；
S3：将聚酯酰胺经过螺杆挤出机混炼、排气；熔融挤出，侧吹风冷却，牵引，收卷，制得聚酯酰胺初生薄膜；
S4：对制得的初生薄膜进行热处理，制得聚酯酰胺成品薄膜。
上述制备方法中，优选地，乙酸酐的添加量为对羟基苯甲酸、6-羟基-2-萘甲酸和2-氨基-6-羟基苯并噻唑中羟基和胺基总摩尔数的1.0-3.0倍。
上述制备方法中，优选地，2-二甲氨基吡啶的添加量为对羟基苯甲酸、6-羟基-2-萘甲酸、对苯二甲酸、2-氨基-6-羟基苯并噻唑总重量的10-500ppm。
上述制备方法中，优选地，锡粉添加量为对羟基苯甲酸、6-羟基-2-萘甲酸、对苯二甲酸、2-氨基-6-羟基苯并噻唑总重量的0.2％-0.5％。
上述制备方法中，优选地，S1具体为：将原料投入哈氏合金聚合釜后于130-150℃下保持2-9h；以0.1-1.0℃/mi n的速度升温至300-320℃，保温2-3h；向聚合釜中冲入0.1-1.0MPa氮气，将反应物料经过直径2-4mm的8-10孔放料阀门放出，粉碎，过20-30目筛，经140-160℃干燥1-3h后制得预聚物。
上述制备方法中，优选地，S2具体为：将制得的预聚物在氮气氛围下，于195-320℃的旋转窑中固相缩聚12-48h，制得液晶聚酯酰胺。
上述制备方法中，优选地，步骤S3中螺杆挤出机的挤出温度为280-360℃。
上述制备方法中，优选地，所述步骤S3中侧吹风温度为20-50℃。
上述制备方法中，优选地，所述步骤S4中热处理温度为200-300℃，时间为8-60h。
通过下述实施例及对比例对本发明实施方式进行详细说明。本发明实施例1-4的单体配比如表1所示：
表1：实施例1-4中单体配比
实施例1
按照1#单体配比将对羟基苯甲酸、6-羟基-2-萘甲酸、对苯二甲酸、2-氨基-6-羟基苯并噻唑、占对羟基苯甲酸、6-羟基-2-萘甲酸和2-氨基-6-羟基苯并噻唑中羟基和胺基总摩尔数1.0倍的乙酸酐、占四种单体总重量10ppm的2-二甲氨基吡啶及占四种单体总重量0.2％的锡粉投入哈氏合金聚合釜，然后于130℃下保持2h；以0.1℃/min的速度升温至300℃，保温2h；向聚合釜中冲入0.1MPa氮气，将反应物料经过直径2mm的8孔放料阀门放出，粉碎，过20目筛，经140℃干燥1h后制得预聚物；
将制得的预聚物在氮气氛围下，于195℃的旋转窑中固相缩聚12h，制得液晶聚酯酰胺，重均分子量为3.35×104；
将液晶聚酯酰胺经过双螺杆挤出机于280℃下进行混炼、排气、熔融；将得到的熔融物从直径为40mm、模间隙间隔0.5mm的环型模挤出，于吹胀比5.5、牵伸比1.9条件下进行吹胀，20℃侧吹风冷却定型，牵引，收卷，制得平均厚度为50μm的聚酯酰胺初生薄膜；
将上述聚酯酰胺初生薄膜和厚度50μm的铝箔在270℃的加热状态以压力10kg/cm2、速度3m/min的条件压接于安装有耐热橡胶辊和加热金属辊的热辗压制装置，制作热塑性液晶聚合物薄膜/铝箔构成的层叠体，将该层叠体于290℃的热处理炉中放置30s；在氮气保护下，将其在200℃下热处理8h；之后，剥离铝箔，得到平均厚度为50μm的聚酯酰胺成品薄膜。
实施例2
按照2#单体配比将对羟基苯甲酸、6-羟基-2-萘甲酸、对苯二甲酸、2-氨基-6-羟基苯并噻唑、占对羟基苯甲酸、6-羟基-2-萘甲酸和2-氨基-6-羟基苯并噻唑中羟基和胺基总摩尔数2倍的乙酸酐、占四种单体总重量100ppm的2-二甲氨基吡啶及占四种单体总重量0.3％的锡粉投入哈氏合金聚合釜，然后于140℃下保持5h；以0.4℃/min的速度升温至305℃，保温2h；向聚合釜中冲入0.5MPa氮气，将反应物料经过直径3mm的8孔放料阀门放出，粉碎，过25目筛，经145℃干燥2h后制得预聚物；
将制得的预聚物在氮气氛围下，于240℃的旋转窑中固相缩聚24h，制得液晶聚酯酰胺，重均分子量为3.42×104；
将制得的液晶聚酯酰胺经过双螺杆挤出机于300℃下进行混炼、排气；将得到的熔融物从直径为40mm、模间隙间隔0.5mm的环型模挤出，于吹胀比5.5、牵伸比1.9条件下进行吹胀，20℃侧吹风冷却定型，牵引，收卷，制得平均厚度为50μm的聚酯酰胺初生薄膜；
将上述聚酯酰胺初生薄膜和厚度50μm的铝箔在270℃的加热状态以压力10kg/cm2、速度3m/min的条件压接于安装有耐热橡胶辊和加热金属辊的热辗压制装置，制作热塑性液晶聚合物薄膜/铝箔构成的层叠体，将该层叠体于290℃的热处理炉中放置30s；在氮气保护下，将其在220℃下热处理24h；之后，剥离铝箔，得到平均厚度为50μm的聚酯酰胺成品薄膜。
实施例3
按照3#单体配比将对羟基苯甲酸、6-羟基-2-萘甲酸、对苯二甲酸、2-氨基-6-羟基苯并噻唑、占对羟基苯甲酸、6-羟基-2-萘甲酸和2-氨基-6-羟基苯并噻唑中羟基和胺基总摩尔数2.4倍的乙酸酐、占四种单体总重量400ppm的2-二甲氨基吡啶及占四种单体总重量0.4％的锡粉投入哈氏合金聚合釜，然后于145℃下保持7h；以0.8℃/min的速度升温至310℃，保温3h；向聚合釜中冲入0.8MPa氮气，将反应物料经过直径3mm的10孔放料阀门放出，粉碎，过30目筛，经150℃干燥3h后制得预聚物；
将制得的预聚物在氮气氛围下，于300℃的旋转窑中固相缩聚36h，制得液晶聚酯酰胺，重均分子量为3.76×104；
将制得的液晶聚酯酰胺经过双螺杆挤出机于330℃下进行混炼、排气；将得到的熔融物从直径为40mm、模间隙间隔0.5mm的环型模挤出，于吹胀比5.5、牵伸比1.9条件下进行吹胀，20℃侧吹风冷却定型，牵引，收卷，制得平均厚度为50μm的聚酯酰胺初生薄膜；
将上述聚酯酰胺初生薄膜和厚度50μm的铝箔在270℃的加热状态以压力10kg/cm2、速度3m/min的条件压接于安装有耐热橡胶辊和加热金属辊的热辗压制装置，制作热塑性液晶聚合物薄膜/铝箔构成的层叠体，将该层叠体于290℃的热处理炉中放置30s；在氮气保护下，将其在250℃下热处理48h；之后，剥离铝箔，得到平均厚度为50μm的聚酯酰胺成品薄膜。
实施例4
按照4#单体配比将对羟基苯甲酸、6-羟基-2-萘甲酸、对苯二甲酸、2-氨基-6-羟基苯并噻唑、占对羟基苯甲酸、6-羟基-2-萘甲酸和2-氨基-6-羟基苯并噻唑中羟基和胺基总摩尔数3.0倍的乙酸酐、占四种单体总重量500ppm的2-二甲氨基吡啶及占四种单体总重量0.5％的锡粉投入哈氏合金聚合釜，然后于150℃下保持9h；以1.0℃/min的速度升温至320℃，保温3h；向聚合釜中冲入1.0MPa氮气，将反应物料经过直径4mm的10孔放料阀门放出，粉碎，过30目筛，经160℃干燥3h后制得预聚物；
将制得的预聚物在氮气氛围下，于320℃的旋转窑中固相缩聚48h，制得液晶聚酯酰胺，重均分子量为4.0×104；
将制得的液晶聚酯酰胺经过双螺杆挤出机于360℃下进行混炼、排气；将得到的熔融物从直径为40mm、模间隙间隔0.5mm的环型模挤出，于吹胀比5.5、牵伸比1.9条件下进行吹胀，20℃侧吹风冷却定型，牵引，收卷，制得平均厚度为50μm的聚酯酰胺初生薄膜；
将上述聚酯酰胺初生薄膜和厚度50μm的铝箔在270℃的加热状态以压力10kg/cm2、速度3m/min的条件压接于安装有耐热橡胶辊和加热金属辊的热辗压制装置，制作热塑性液晶聚合物薄膜/铝箔构成的层叠体，将该层叠体于290℃的热处理炉中放置30s；在氮气保护下，将其在300℃下热处理60h；之后，剥离铝箔，得到平均厚度为50μm的聚酯酰胺成品薄膜。
对比例1
本对比例与实施例3的区别仅在于，四种单体的摩尔百分比分别为对羟基苯甲酸68mol％、6-羟基-2-萘甲酸25mol％、对苯二甲酸3.5mol％、2-氨基-6-羟基苯并噻唑3.5mol％，其它均与实施例3相同；制得的液晶聚合物重均分子量为3.43×104。
对比例2
本对比例与实施例3的区别仅在于，四种单体的摩尔量分别为对羟基苯甲酸68mol％、6-羟基-2-萘甲酸30mol％、对苯二甲酸1mol％、2-氨基-6-羟基苯并噻唑1mol％，其它均与实施例3相同；制得的液晶聚合物重均分子量为3.31×104。
对比例3
本对比例与实施例3的区别仅在于，将单体2-氨基-6-羟基苯并噻唑替换成等摩尔百分比的对氨基苯酚，其它均与实施例3相同；制得的液晶聚合物重均分子量为3.2×104。
对比例4
本对比例与实施例3的区别仅在于，采用现有常规催化剂醋酸锌，其它均与实施例3相同；制得的液晶聚合物重均分子量为2.3×104。
本发明针对上述实施例及对比例进行了如下性能测试，测试结果如表2所示：
(1)拉伸强度：ASTM D882；
(2)介电常数和介电损耗因子：SPDR,15GHz；
(3)熔点：将供试LCP薄膜以20℃/min的速度升温而使其完全熔融后，将熔融物以50℃/min的速度骤冷至50℃，再以20℃/min的升温，并将此时出现的吸热峰的位置记录为薄膜的熔点。
(4)热应力测试：
A、将薄膜切割成5cm×5cm的测试样品，同一薄膜产品制备2个试样，按照测试温度由低到高分成2组，并作好标记；
B、将待测试样品放置于烘箱中，在烘箱温度为120℃下烘烤6h，然后取出置于干燥器中冷却至室温；
C、用长柄夹将测试样品从干燥器中取出；
D、将锡炉温度调整为288℃±1℃，移走锡炉表面的锡渣，将样品放在锡炉表面，停留10s±1s后取出，自然冷却至室温，即完成一次漂锡过程；
E、将标记好的样品重复D步骤完成3次漂锡过程，然后取出样品待其冷却将样品清洗干净；
F、观察试样薄膜有无变形变色，无变形变色用“√”记录，变形变色用“×”记录；
G、将锡炉温度调整为298℃±1℃，重复D、E、F步骤。
表2：实施例1-4及对比例1-4中制得的液晶聚酯酰胺薄膜的性能测试结果：
通过表2可知，尝试现有配方制备的薄膜熔点在308℃，在进行耐高温测试时，虽可以通过288℃的漂锡试验，但无法通过更高温度的漂锡测试，而采用本发明配方获得的成品薄膜不仅介电性能、力学性能良好，还具有优异的耐热性能，制得的薄膜熔点可达340℃以上，经过298℃漂锡试验不变形变色。另外，通过表2还可以看出，控制新型配方单体的添加量也至关重要，如对比例1与实施例3相比，新型单体添加量超过限定上限(3％)时，薄膜熔点虽提高了，但拉伸强度明显降低，对比例2与实施例3相比，新型单体添加量低于限定下限(1.4％)时，薄膜熔点提升不明显，无法通过298℃漂锡试验。除此之外，发明人尝试采用目前普遍使用的醋酸类催化剂进行聚合反应，发现制得的聚合物粘度很小，分子量较低，进行后续制膜工序时不能吹塑成膜，为此，经过大量研究实践，依据本发明单体配方，特别匹配了催化剂2-二甲氨基吡啶，在该催化剂作用下，单体共聚形成的液晶聚合物具有合适的粘度，因而具有适中的分子量，在制膜时具有较好的成膜性。
本领域技术人员可根据实际的制膜设备自行设置环形模的直径和模间隙间隔，然后再调整吹胀比及牵伸比来获得不同厚度的薄膜，吹胀比范围可以为1.8-7，牵伸比范围可以为1.5-12，这里不再一一赘述。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。
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