物流環(huán)境對導(dǎo)電膠耐腐蝕與粘接強(qiáng)度性能影響研究

王 珂

(河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院,河南 鄭州 450042)

現(xiàn)代膠接技術(shù)發(fā)展快、應(yīng)用廣泛,并對高新技術(shù)的科技進(jìn)步和人們的生活改善產(chǎn)生了重大的影響。導(dǎo)電膠是一種提供粘合和機(jī)械性能的粘合劑,電導(dǎo)通道形成于基體樹脂中,電導(dǎo)通道保證了它的電導(dǎo)性[1]?；w樹脂的種類有很多種,如環(huán)氧樹脂、有機(jī)硅、酚醛、聚氨酯樹脂等。然而,由于環(huán)境的影響,導(dǎo)電膠的耐腐蝕性發(fā)生了變化[2]。耐腐蝕性是指材料對周圍介質(zhì)腐蝕損傷的抵抗力,而導(dǎo)電膠本身的耐腐蝕性的變化會影響其導(dǎo)電性和粘度。研究分析了物流運(yùn)輸環(huán)境對導(dǎo)電膠耐腐蝕性能的影響,并根據(jù)分析結(jié)果對物流高溫運(yùn)輸環(huán)境進(jìn)行了調(diào)整。

1 實(shí)驗(yàn)材料制備

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

影響實(shí)驗(yàn)中需要使用的材料可以分為樣品制備過程中使用的材料和耐腐蝕性測試過程中使用的材料2個部分。實(shí)驗(yàn)選取上海巨興化有限公司的雙酚型環(huán)氧樹脂作為膠體基質(zhì),選擇上海巨興化有限公司的TiB陶瓷粉末作為導(dǎo)電粒子為導(dǎo)電膠提供導(dǎo)電性能,采用上海巨興化有限公司的表面活性劑作為導(dǎo)電膠的分散劑,選擇北京瑞立德科技有限公司的固態(tài)導(dǎo)電膠作為交聯(lián)劑[3]。

準(zhǔn)備的實(shí)驗(yàn)原料中包含了基體膠、固化劑、填料以及添加劑等多種類型。

1.2 材料設(shè)備

除了原料之外還需要從制備和測試2個方面進(jìn)行儀器的準(zhǔn)備,具體的實(shí)驗(yàn)儀器:250 mL圓底三口燒瓶、250 mL燒杯、100 mL量筒、250 ℃溫度計(jì)、500 mL布氏漏斗、3541型電阻儀(日本 Hioki 公司)。

1.3 實(shí)驗(yàn)制備

在燒杯中加入少量環(huán)氧樹脂,然后將燒杯放入100 ℃的鼓風(fēng)干燥箱中30 min,以除去樹脂中的水分。按設(shè)計(jì)配比取一定量的脫水樹脂,加入少量稀釋劑在瑪瑙砂漿中攪拌,同時加入一定比例的燒硅偶聯(lián)劑[4-5]。根據(jù)環(huán)氧樹脂的質(zhì)量,按預(yù)計(jì)算的比例,稱取與TiB陶瓷粉末的比例,加入2種粉末樹脂,第1次加入5～10 min,直到混合物與樹脂混合成膏狀粉末,第2次加入陶瓷粉末,防止因混合不均勻而造成粉末分散,適量加入稀釋劑,同時攪拌15～20 min,按比例加入固化劑和磷酸三丁酯,繼續(xù)攪拌至乳化狀態(tài),即可固化導(dǎo)電膠[6]。在測試中,需要對導(dǎo)電膠的導(dǎo)電性和力學(xué)性能進(jìn)行測試。根據(jù)不同的測試數(shù)據(jù),需要制備2種不同的樣品。根據(jù)GJB 548A—1996,選用(7.62×2.54)cm玻片作為載體,以體積電阻率為指標(biāo),采用直接測試法測定其導(dǎo)電性能。使用前,用無水乙醇清洗載玻片,并將其放入干燥箱中以備日后使用[7]。使用前,用比例尺畫出兩條相距2.54 mm的平行線,并與載玻片中間的長邊平行。將2條耐高溫膠帶貼在平行線的外側(cè),2條耐高溫膠帶中間的槽為涂有導(dǎo)電膠的導(dǎo)槽。將導(dǎo)電膠涂在導(dǎo)槽上,用一個刀片小心地刮掉多余的導(dǎo)電膠。刮削過程中,刀片與滑塊以勻速從導(dǎo)槽一端向另一端形成30°角,保證導(dǎo)槽內(nèi)填充導(dǎo)電膠,表面平整無明顯氣泡[8-9]。將涂有導(dǎo)電膠的載片放入干燥箱中,按規(guī)定的固化溫度和時間進(jìn)行固化。冷卻至室溫后,將導(dǎo)電膠兩側(cè)的耐高溫膠帶取下,制成導(dǎo)電膠樣品,如圖1所示。

圖1 導(dǎo)電膠制備樣品示意圖

除具有良好的導(dǎo)電性能外,導(dǎo)電膠的粘接強(qiáng)度也同樣十分重要,粘結(jié)劑的粘接強(qiáng)度一般用剪切強(qiáng)度來表示,即當(dāng)試件受到剪應(yīng)力作用時,單位面積上的最大載荷,把這個參數(shù)設(shè)定為圖像試驗(yàn)中需要重點(diǎn)檢測和研究的另一個參數(shù)。導(dǎo)電膠力學(xué)性能試驗(yàn)的試樣,如圖2所示。

圖2 力學(xué)性能測試的導(dǎo)電膠試樣示意圖

最后計(jì)算固化劑的用量并實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電膠樣品的固化處理。利用上述導(dǎo)電膠樣品的制備流程,在物流運(yùn)輸環(huán)境下進(jìn)行對比樣品的制備。最終將正常環(huán)境中的導(dǎo)電膠制備樣品標(biāo)記為A-i,其中i的取值為1、2、3和4。另外,物流運(yùn)輸環(huán)境下得出的樣品制備結(jié)果標(biāo)記為B-i。

2 性能測試方法設(shè)計(jì)

以不同的物流運(yùn)輸環(huán)境下制備的導(dǎo)電膠為基礎(chǔ),分別從導(dǎo)電性、粘接強(qiáng)度以及材料表征3個方面進(jìn)行測定,從而觀察出物流運(yùn)輸環(huán)境對其耐腐蝕性的影響情況。

2.1 導(dǎo)電膠導(dǎo)電性能測定方法設(shè)計(jì)

采用粉末壓片機(jī)利用模壓法將導(dǎo)電膠固化制成均勻的薄片狀試樣,在樣品左側(cè)邊制作4個對稱的電極,如圖3所示。

圖3 電阻率測試原理

測量電阻率時,依次在一對相鄰的電極通電流,另一對電極之間測電位差,得到電阻,帶入公式得到電阻率ρ計(jì)算公式:

(1)

2.2 導(dǎo)電膠粘接強(qiáng)度測試方法設(shè)計(jì)

用國標(biāo)規(guī)定剪切速率的同軸雙筒旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測定導(dǎo)電膠樣的黏度,方法參照國家標(biāo)準(zhǔn)。將剪切速率設(shè)置為1.00、2.50、6.30、16.0、40.0、100、250 s-1以及將這些數(shù)字乘以或除以100。因此,可用式(2)計(jì)算導(dǎo)電膠結(jié)合強(qiáng)度。

η=K·a

(2)

式中:K和a分別表示儀器常數(shù)和讀數(shù)值[11]。將不同物流運(yùn)輸環(huán)境下制備的導(dǎo)電膠樣本對應(yīng)的測試數(shù)據(jù)讀出,并導(dǎo)入到式(2)中,便可以得出對應(yīng)的導(dǎo)電膠粘接強(qiáng)度性能的量化測試結(jié)果。

2.3 導(dǎo)電膠表征分析方法設(shè)計(jì)

用設(shè)備METTLER 821 e/400將所制得的粘結(jié)劑加入到固化劑中,并用氮?dú)鈿夥諏ζ溥M(jìn)行保護(hù),設(shè)定溫度為42 ℃,分別在5、10、15 ℃/min條件下升溫[12]。通過表征試驗(yàn),從理論上分析了固化導(dǎo)電膠中各微粒的分布狀況,發(fā)現(xiàn)各微粒密度越大,間距越小,就越容易形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),即其自身的導(dǎo)電和結(jié)合能力越強(qiáng),否則就說明導(dǎo)電膠存在腐蝕或老化現(xiàn)象。

綜合上述3個方面的性能測試結(jié)果,從而反映出物流運(yùn)輸環(huán)境對導(dǎo)電膠耐腐蝕性能影響[13]。對比A-i和B-i導(dǎo)電膠樣品性能測試結(jié)果的平均值,導(dǎo)電性越高、粘接強(qiáng)度越強(qiáng)、導(dǎo)電粒子的密度越大證明導(dǎo)電膠的耐腐蝕性越強(qiáng),反之,則說明導(dǎo)電膠的腐蝕性越弱。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同物流運(yùn)輸溫度下導(dǎo)電膠導(dǎo)電性能對比結(jié)果分析

在研究物流高溫運(yùn)輸環(huán)境對導(dǎo)電膠耐腐蝕性能影響分析時,對物流運(yùn)輸環(huán)境的溫度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)控制:根據(jù)物流運(yùn)輸中可能遇到的高溫情況,選擇42 ℃的溫度水平進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得到2種類型的導(dǎo)電膠樣品的電阻率測試對比曲線。

由圖4可知,正常環(huán)境下制備的導(dǎo)電膠樣本的電阻率明顯高于物流運(yùn)輸環(huán)境下導(dǎo)電膠的電阻率。由此可以證明,物流運(yùn)輸環(huán)境對導(dǎo)電膠的導(dǎo)電性能產(chǎn)生了負(fù)面影響。另外,從自腐蝕電位和電流密度上可以得出統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),如表1所示。

表1 電位和電流密度對比數(shù)據(jù)表Tab.1 Data table of potential and current density

圖4 不同導(dǎo)電膠樣品的電阻率對比曲線

由表2可知, 導(dǎo)電膠樣品A-1的自腐蝕電位為(-100.54±4.71)V,自腐蝕電流密度為(203.10±5.25)A/mm2。 導(dǎo)電膠樣品A-2的自腐蝕電位為(-117.41±2.83)V,自腐蝕電流密度為(259.76±0.89)A/mm2。導(dǎo)電膠樣品B-1的自腐蝕電位為(-13.47±3.49)V,自腐蝕電流密度為(97.86±7.09)A/mm2。導(dǎo)電膠樣品B-2的自腐蝕電位為(-16.31±4.67)V,自腐蝕電流密度為(124.54±1.72)A/mm2。物流高溫運(yùn)輸環(huán)境下導(dǎo)電膠的自腐蝕電位和電流密度均高于正常環(huán)境下的導(dǎo)電膠樣品,即正常導(dǎo)電流通的電流密度降低。

表2 粘接強(qiáng)度測試對比結(jié)果Tab.2 Comparison results of the bond strength test

3.2 不同物流運(yùn)輸暴露時長下導(dǎo)電膠粘接強(qiáng)度對比結(jié)果分析

在42 ℃水平下,需要確定導(dǎo)電膠暴露在該溫度環(huán)境下的時間長度。選擇1、3、24 h 這3個點(diǎn)進(jìn)行觀察和測試,得到導(dǎo)電膠粘接強(qiáng)度的對比結(jié)果如表2所示。

由表3可知,42 ℃高溫下,暴露1 h后,A-1導(dǎo)電膠樣品的剪切強(qiáng)度12.6 MPa,A-2導(dǎo)電膠樣品的剪切強(qiáng)度17.43 MPa,B-1導(dǎo)電膠樣品的剪切強(qiáng)度11.76 MPa,B-2導(dǎo)電膠樣品的剪切強(qiáng)度5.92 MPa。暴露24 h后,A-1導(dǎo)電膠樣品的剪切強(qiáng)度8.6 MPa,A-2導(dǎo)電膠樣品的剪切強(qiáng)度10.3 MPa,B-1導(dǎo)電膠樣品的剪切強(qiáng)度7.9 MPa,B-2導(dǎo)電膠樣品的剪切強(qiáng)度4.5 MPa。綜合分析可知,A-1和A-2導(dǎo)電膠樣品的粘接強(qiáng)度明顯高于B-1和B-2導(dǎo)電膠,即長時間在物流高溫環(huán)境下運(yùn)輸會降低導(dǎo)電膠的粘接強(qiáng)度性能。

3.3 導(dǎo)電膠表征測試結(jié)果分析

分別在常溫25 ℃與42 ℃溫度水平下進(jìn)行導(dǎo)電膠表征測試實(shí)驗(yàn),圖5為顯微設(shè)備觀察得出的導(dǎo)電膠微觀圖像。

(a)25 ℃

從圖5表示的微觀圖像中可以看出,2種環(huán)境下制備的導(dǎo)電膠內(nèi)部的導(dǎo)電粒子的大小無明顯差異,但從粒子密度中可以看出,物流正常溫度運(yùn)輸環(huán)境下導(dǎo)電膠粒子密度更高,即導(dǎo)電性和穩(wěn)定性更高;反之,在溫度過高時,粒子密度降低,且粒子出現(xiàn)白斑即裂化嚴(yán)重,即導(dǎo)電性和穩(wěn)定性下降。

綜合上述的量化測試對比結(jié)果可以得出:物流高溫運(yùn)輸環(huán)境影響下,導(dǎo)電膠的導(dǎo)電性、粘接強(qiáng)度以及微觀結(jié)構(gòu)都發(fā)生了不同程度的變化,且導(dǎo)電性和粘接強(qiáng)度出現(xiàn)明顯的下降趨勢,即物流高溫運(yùn)輸環(huán)境會降低導(dǎo)電膠的耐腐蝕性。

4 結(jié)語

耐腐蝕性能是衡量膠粘劑中導(dǎo)電膠的一個主要性能指標(biāo),其越高的耐腐蝕能力有利于提高導(dǎo)電膠在各個工況當(dāng)中的使用壽命。通過從導(dǎo)電膠本身性質(zhì)出發(fā),研究不同物流高溫運(yùn)輸環(huán)境下導(dǎo)電膠耐腐蝕性能的變化情況,這可為制備高耐腐蝕性能導(dǎo)電膠提供研究思路。通過影響實(shí)驗(yàn)的分析,可以發(fā)現(xiàn)物流高溫運(yùn)輸環(huán)境會在一定程度上影響導(dǎo)電膠的耐腐蝕性,因此需要對物流高溫運(yùn)輸環(huán)境進(jìn)行控制,以保證導(dǎo)電膠的應(yīng)用性能和使用壽命。