低粘度導(dǎo)熱環(huán)氧膠粘劑的研究

(天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300402)

前言

環(huán)氧樹脂具有優(yōu)良的機(jī)械性能、抗腐蝕性能、電絕緣性能和粘結(jié)性能，在航天器中的復(fù)合材料、大規(guī)模集成電路中的封裝材料、土木建筑中的膠粘劑等有著廣泛的用途[1]。但環(huán)氧樹脂自身粘度高，環(huán)氧當(dāng)量為190的E-51環(huán)氧樹脂的粘度為11000～15000mPa.s，在調(diào)配環(huán)氧樹脂時(shí)，對(duì)操作性、脫泡性等有很大影響。例如風(fēng)電葉片制造要求環(huán)氧樹脂與固化劑混合物的注射粘度在250mPa.s以下[2]。降低環(huán)氧樹脂的粘度是擴(kuò)展其應(yīng)用的主要途徑。

由于樹脂本身的特點(diǎn)，導(dǎo)熱性能一般都較差，其導(dǎo)熱系數(shù)在25℃時(shí)均低于0.50W/(m·K)，而環(huán)氧樹脂只有0.20W/(m·K)[3]。對(duì)于高散熱的器件會(huì)產(chǎn)生不良影響?；谝陨显?，本文擬研究一種低粘度導(dǎo)熱環(huán)氧膠粘劑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)原料： 環(huán)氧樹脂E-51，化學(xué)純，天豪達(dá)化工有限公司；

乙二醇二縮水甘油醚，化學(xué)純，天豪達(dá)化工有限公司；

脂肪胺固化劑TE-80，化學(xué)純，常州山峰化工有限公司；

硅烷偶聯(lián)劑KH-550，濟(jì)南多維橋化工有限責(zé)任公司；

Al2O3,粒徑10微米，工業(yè)品，晶瑞新材料有限公司；

MgO，粒徑10微米，工業(yè)品，晶瑞新材料有限公司。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：高速分散機(jī)；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱；旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)；萬能試驗(yàn)機(jī),差示掃描量熱儀(DSC)。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 環(huán)氧樹脂基體的配比

關(guān)于胺類固化劑的用量的計(jì)算是把胺基上的一個(gè)活潑氧與一個(gè)環(huán)氧基相對(duì)應(yīng)來考慮的，公式為[4]；

G=M/Hn*E

式中： G- 100g環(huán)氧樹脂所需要的胺類固化劑的質(zhì)量(單位為克)；

M-胺的相對(duì)分子質(zhì)量；

Hn—胺基上活潑氧的總數(shù)；

E—環(huán)氧樹脂的環(huán)氧值。

將環(huán)氧樹脂E-51、固化劑TE-80和稀釋劑乙二醇二縮水甘油醚按一定比例如表1.1所示，混合均勻，脫泡后進(jìn)行粘度測(cè)試。

按照同樣方法混合環(huán)氧膠粘劑基體，脫泡注入模具中，放入干燥箱，按指定溫度程序升溫固化，固化后降至室溫，進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試 。

表1.1 環(huán)氧樹脂基體配比

1.2.2 環(huán)氧膠粘劑填料的選擇

將一定質(zhì)量的填料置于攪拌下放入醇水溶液(水/醇=1/9)中，配制成一定濃度的溶劑，然后加入填料重量1%的硅烷偶聯(lián)劑，繼續(xù)攪拌20min。然后將溶液放入干燥箱100℃徹底干燥，取出后待用。

取100質(zhì)量份的環(huán)氧樹脂E-51，25質(zhì)量份的固化劑TE-80，40質(zhì)量份的稀釋劑乙二醇二縮水甘油醚混合攪拌，加入一定比例的填料，在攪拌機(jī)下充分?jǐn)嚢瑁瑴y(cè)量粘度后，脫泡后注入模具，放入干燥箱，按指定溫度程序升溫固化，固化后降至室溫，進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 稀釋劑對(duì)環(huán)氧樹脂的影響

2.1.1 稀釋劑對(duì)環(huán)氧樹脂粘度的影響

乙二醇二縮水甘油醚是環(huán)氧樹脂用稀釋劑，粘度為10mPa.s，它的加入可以有效降低環(huán)氧樹脂體系的初始粘度，如表2.1所示，隨著乙二醇二縮水甘油醚質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，環(huán)氧樹脂體系的粘度逐漸降低，當(dāng)稀釋劑的加入量達(dá)到40wt%時(shí)，體系粘度已經(jīng)降低到302 mPa.s，具有非常好的流動(dòng)性。

表2.1 加入稀釋劑的環(huán)氧樹脂粘度

2.1.2 稀釋劑對(duì)環(huán)氧樹脂力學(xué)性能的影響

乙二醇二縮水甘油醚是一種活性稀釋劑，分子中具有兩個(gè)環(huán)氧基團(tuán)，可以參與環(huán)氧樹脂的固化反應(yīng)，加入到固化產(chǎn)物的分子中，而非活性稀釋劑則要游離在固化物之中，或者揮發(fā)留下空隙，嚴(yán)重影響固化物的力學(xué)性能。如表2.2所示，加入乙二醇二縮水甘油醚的環(huán)氧樹脂固化物力學(xué)性能都有所改善，并且隨著添加量的增加，改善更明顯，到添加量為40%，拉伸強(qiáng)度達(dá)到最高的65.1MPa，添加量30～40%，彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度也達(dá)到最大值。說明活性稀釋劑乙二醇二縮水甘油醚的加入還可以改善環(huán)氧樹脂固化物的力學(xué)性能。

表2.2 加入稀釋劑的環(huán)氧固化物的力學(xué)性能

2.2 填料對(duì)環(huán)氧樹脂的影響

圖2-1 填料質(zhì)量百分?jǐn)?shù)對(duì)MgO和Al2O3電熱率的影響

2.2.1 填料對(duì)環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱性能的影響

從圖2-1中看出隨著兩種填料含量的增加，環(huán)氧樹脂固化物的導(dǎo)熱性能均得到明顯的提高。這是因?yàn)殡S著填料比重的增加，填料顆粒在基體中形成了穩(wěn)定的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，其導(dǎo)熱性得到充分發(fā)揮，對(duì)于固化物的導(dǎo)熱性能也就能有更好的改善。MgO(導(dǎo)熱率48～60W/(m.k))和 Al2O3(導(dǎo)熱率20～30 W/(m.k))都是導(dǎo)熱率較高的無機(jī)填料，它們的加入都能明顯改善環(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱率，但是由于自身導(dǎo)熱能力的區(qū)別，對(duì)于基體的改善效果也不一樣，對(duì)比可以看出加入MgO環(huán)氧樹脂固化物的導(dǎo)熱率更高。

2.2.2 填料對(duì)環(huán)氧樹脂力學(xué)性能的影響

從圖2-2至2-7中可以看出兩種填料的加入都降低了環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能，拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度都受到了影響。并且趨勢(shì)都是隨著填料含量的增加，呈現(xiàn)先降低后升高再降低的趨勢(shì)。當(dāng)固化物受到外力時(shí)，因?yàn)樘盍虾可伲荒軌虺浞址稚?yīng)力，導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋，所以強(qiáng)度下降；當(dāng)含量進(jìn)一步增加，在裂紋擴(kuò)展過程中，填料能充分吸收、分散材料所受應(yīng)力，從而提高固化物的強(qiáng)度；但當(dāng)含量進(jìn)更高，顆粒在環(huán)氧樹脂中產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致應(yīng)力集中，使固化物放入強(qiáng)度下降。并且加入MgO產(chǎn)生的影響比Al2O3要小，強(qiáng)度普遍要高。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，MgO填料80wt%的添加量為最佳。

圖2-2 MgO填料百分?jǐn)?shù)和拉伸強(qiáng)度的關(guān)系

圖2-3 MgO填料百分?jǐn)?shù)和彎曲強(qiáng)度的關(guān)系

圖2-4 MgO填料百分?jǐn)?shù)和沖擊強(qiáng)度的關(guān)系

圖2-5 Al2O3填料百分?jǐn)?shù)和拉伸強(qiáng)度的關(guān)系

圖2-6 Al2O3填料百分?jǐn)?shù)和彎曲強(qiáng)度的關(guān)系

圖2-7 Al2O3填料百分?jǐn)?shù)和沖擊強(qiáng)度的關(guān)系

3 結(jié)論

由以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論：(1)稀釋劑乙二醇二縮水甘油醚的加入能夠有效降低環(huán)氧樹脂的粘度，并且可以一定程度改善固化物的力學(xué)性能，最佳添加比例為40wt%；(2)無機(jī)填料MgO和Al2O3的加入可以提高環(huán)氧固化物的導(dǎo)熱性，添加80wt%的MgO既可以保證環(huán)氧樹脂固化物的力學(xué)性能，又將其導(dǎo)熱率提高到2.13 W/(m.k)?；谝陨辖Y(jié)論可以復(fù)配出一種低粘度導(dǎo)熱環(huán)氧膠粘劑。

參考文獻(xiàn)：

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[4]周文英,齊暑華,涂春潮.導(dǎo)熱絕緣高分子復(fù)合材料研究進(jìn)展[J].塑料工程,2005,(B5).