高導熱耐高溫型環(huán)氧灌封膠的制備與性能

周錦強，潘仕榮，何秀沖

（上?；靥煨虏牧嫌邢薰荆虾?201600）

高導熱耐高溫型環(huán)氧灌封膠的制備與性能

周錦強，潘仕榮，何秀沖

（上?；靥煨虏牧嫌邢薰?，上海 201600）

以氮化硼為主填料，采用酚醛型環(huán)氧樹脂與酸酐類固化劑，制備了一種高導熱耐高溫型環(huán)氧灌封膠。研究了填料用量與硅烷偶聯(lián)劑改性對膠粘劑熱導率與耐高溫性的影響。結(jié)果表明，隨著填料量的增加，熱導率增強,但耐溫性能有所降低。偶聯(lián)劑的適量加入也增強了環(huán)氧膠的導熱與耐溫性能。

環(huán)氧樹脂；氮化硼；導熱；耐高溫；灌封膠

環(huán)氧樹脂具有較高的強度和優(yōu)良的粘接性能，它以復合材料用樹脂、膠粘劑、灌封材料等形式用于許多工業(yè)領域[1]。但因其固化物耐熱性較差，使其在高功率電子電器、航空航天等高端領域的應用受到限制[2]。同時，普通環(huán)氧樹脂熱導率很低，也無法滿足電子電器、微電子等相關領域的散熱要求[3]。

本文以氮化硼為導熱填料，采用酚醛型環(huán)氧樹脂與酸酐類固化劑，制備了一種高導熱耐溫環(huán)氧灌封膠。研究了填料用量與硅烷偶聯(lián)劑改性對膠粘劑熱導率與耐高溫性的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料

酚醛型環(huán)氧樹脂；酸酐類固化劑；咪唑類促進劑；硅烷偶聯(lián)劑KH-560（γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷），分析純；剛性鏈的活性稀釋劑；氮化硼，粒徑5～15μm，純度99 %；以上均為市售。

1.2 氮化硼/環(huán)氧樹脂導熱耐溫灌封膠的制備

將一定配比的環(huán)氧樹脂、活性稀釋劑、氮化硼、KH-560在強力攪拌機的作用下攪拌均勻并真空脫泡，即得A組分。將酸酐固化劑與咪唑促進劑在常溫下按一定比例混合均勻，即得B組分。

將A組分升溫至90 ℃，再加入一定比例的B組分，90 ℃固化3 h，再升溫至150 ℃繼續(xù)固化3 h，緩慢降溫，即得高導熱耐高溫環(huán)氧固化塊樣品。

1.3 測試與表征

鋼/鋼拉伸剪切強度：根據(jù)GB/T 7124—2008，選擇尺寸為100 mm×25 mm×2 mm的不銹鋼基材，并用P120砂布打磨被粘表面，再用丙酮清洗，干燥。粘接面長度約為12.5 mm，控制膠層的厚度約為0.2 mm。

示差掃描量熱分析（DSC）：TA公司Q-20熱分析儀，N2氛圍。40 ℃/min升溫至250℃，恒溫5 min，然后以10 ℃/min降溫至30℃，再以10 ℃/min 升溫至250 ℃。第2次升溫數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)。

熱導率：采用QTM-500 型快速熱導儀（日本KEM 公司）測定。選擇PD-11 標準探頭，使用儀器自帶的SOFT-QTM5EW 薄板測試軟件以及聚乙烯、硅橡膠、石英標準板作為參比，加熱電流選擇2.0 或3.0 A。

2 結(jié)果與討論

2.1 氮化硼用量及KH-560改性對環(huán)氧灌封膠剪切強度的影響

圖1為氮化硼用量與硅烷偶聯(lián)劑對環(huán)氧膠剪切強度的影響。

圖1 BN用量及KH-560改性對環(huán)氧灌封膠剪切強度的影響Fig.1 Effect of BN content and KH-560 treating on shear strength of epoxy potting sealant

由圖1可以看到隨著氮化硼用量的增加，環(huán)氧灌封膠的剪切強度逐漸降低，加入量過大時，則剪切強度不能滿足實際應用要求。經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑改性的填料體系，剪切強度相對略高。原因在于氮化硼與環(huán)氧樹脂的界面相容性得到提高，體系中微孔與缺陷減少，從而粘接強度得到提升。當填料量為60%時達到11 MPa，滿足應用要求。

2.2 氮化硼用量及KH-560改性對環(huán)氧灌封膠玻璃化溫度（Tg） 的影響

環(huán)氧膠耐高溫性很大程度上取決于樹脂基體與固化劑的結(jié)構(gòu)。本體系中采用剛性極強的酚醛環(huán)氧與酸酐固化劑，得到了耐高溫性能較好的環(huán)氧膠，Tg可達210 ℃（見圖2）。

圖2 BN用量及KH-560改性對環(huán)氧灌封膠Tg的 影響Fig.2 Effect of BN content and KH-560 treating on Tg of epoxy potting sealant

由圖2看到對于未改性的氮化硼體系，隨著填料的增加，Tg逐 漸降低，而對于硅烷偶聯(lián)劑改性后的氮化硼體系，隨著填料的增加，Tg先 升高后降低。這可以解釋為：表面處理后的填料粒子，在基體中實際起到交聯(lián)點的作用。一方面，其表面有利于環(huán)氧樹脂鏈的纏結(jié)，形成物理交聯(lián)，阻礙分子鏈的運動；另一方面，其表面的表面處理劑與基體鍵合，使得填料與基體間形成良好的界面結(jié)合，起到化學交聯(lián)點的作用，提高了交聯(lián)密度。至于表面處理的填料添加量較大時出現(xiàn)的Tg降 低，原因在于大填充量時填料的團聚使得自由體積反而增大，有利于分子鏈運動。對于表面未處理的填料，填料對體系未起到化學交聯(lián)作用，反以阻礙反應的形式降低了交聯(lián)密度。同時，由于氮化硼與樹脂間相容性不佳導致界面會有微孔與缺陷，使得聚合物鏈的自由體積增大，分子鏈運動更加容易。

2.3 氮化硼用量及KH-560改性對環(huán)氧灌封膠熱導率的影響

由圖3可以看到，隨著氮化硼填充量的增加，環(huán)氧灌封膠的熱導率增加明顯，導熱性能明顯增強。填料表面改性后，熱導率有所提升，當填料量為60%時達到3.25 W/mK。

圖3 BN用量及KH-560改性對環(huán)氧灌封膠熱導率的影響Fig.3 Effect of BN content and KH-560 treating on thermal conductivity of epoxy potting sealant

當填料量小時，熱導率增加緩慢，填料量增加一定程度后，熱導率快速增長。原因在于大填充量時，填料互相接觸，形成導熱通路。至于填料表面改性導熱性能增強，則是因為氮化硼與樹脂間界面相容性提高，降低了界面熱阻。

3 結(jié)論

1）采用酚醛型環(huán)氧樹脂與酸酐類固化劑，制備了一種高導熱耐高溫型環(huán)氧灌封膠，Tg達 210 ℃，熱導率達3.25 W/mK。氮化硼未表面改性時，隨著填料量的增加，剪切強度降低，熱導率增強,耐高溫性能有所降低。

2）適量偶聯(lián)劑的加入可以提高氮化硼與環(huán)氧樹脂的相容性，從而同時提高粘接強度、熱導率與耐高溫性能。

[1]孫曼靈．環(huán)氧樹脂應用原理與技術[M]．北京:機械工業(yè)出版社．2002:3-80．

[2]李春華,齊暑華,王東紅．耐高溫有機膠粘劑研究進展[J]．中國膠粘劑,2007,16(10):41-46．

[3]徐靖,周正發(fā),任鳳梅,等．導熱環(huán)氧灌封膠的研制[J]．粘接,2010,31(5):48-50．

Preparation and performance of epoxy potting sealant with high thermal conductivity and hightemperature resistance

ZHOU Jin-qiang, PAN Shi-rong, HE Xiu-chong
(Shanghai Huitian New Material Co．, Ltd．, Shanghai 201600, China)

A epoxy resin potting sealant with high thermal conductivity and high temperature resistance was prepared with the novolac epoxy resin and anhydride curing agent, using the boron nitride (BN) micro particles as the basic packing． The result showed that with increasing the mass fraction of BN, the thermal conductivity of epoxy sealant was increased, however, its temperature resistance was decreased． The addition of right amount coupling agent enhanced the thermal conductivity and temperature resistance of epoxy potting sealant．

epoxy resin; boron nitride; thermal conduction; temperature resistant; potting sealant

TQ433.4+37

A

1001-5922（2015）08-0057-02

2014-06-17

周錦強（1987-），男，碩士，研究方向：環(huán)氧樹脂膠粘劑。E-mail：zhoujq0814@gmail.com。