高導(dǎo)熱低黏度環(huán)氧樹脂灌封膠

黃艷娜，周正發(fā)，徐衛(wèi)兵

（合肥工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，安徽 合肥 230009）

高導(dǎo)熱低黏度環(huán)氧樹脂灌封膠

黃艷娜，周正發(fā)，徐衛(wèi)兵*

（合肥工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，安徽 合肥 230009）

以E-51型環(huán)氧樹脂為基體，Al2O3為導(dǎo)熱填料，CYH-277為稀釋劑制備高導(dǎo)熱低黏度環(huán)氧樹脂灌封膠。優(yōu)化了硅烷偶聯(lián)劑KH-560、稀釋劑CYH-277的用量；分別采用NDJ-7型旋轉(zhuǎn)式黏度計和Hot Disk型熱常數(shù)分析儀測試其黏度和導(dǎo)熱系數(shù)。結(jié)果表明：硅烷偶聯(lián)劑KH-560用量為1.25%(wt)時效果最優(yōu)；隨CYH-277用量的增加灌封膠黏度、耐熱性能均逐漸下降，最佳用量為25%(wt)；隨Al2O3用量增加，灌封膠的黏度、導(dǎo)熱系數(shù)均增大；用量相同時，填充20μmAl2O3的樹脂體系相比于填充6μm Al2O3樹脂體系黏度小、導(dǎo)熱系數(shù)大，復(fù)配兩種粒徑Al2O3對應(yīng)樹脂體系的導(dǎo)熱性最好；復(fù)配Al2O3用量為86%(wt)時，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到2.23W/(m·K)，此時灌封膠的黏度為30100mPa·s，仍保持較好的加工流動性。

環(huán)氧樹脂；Al2O3；導(dǎo)熱系數(shù)；灌封膠；黏度

前言

環(huán)氧樹脂（EP）具有諸多優(yōu)異的性能，被廣泛應(yīng)用于國防、國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域[1]。但其導(dǎo)熱系數(shù)低，無法滿足某些場合的散熱要求，限制了它在電路元器件高度集中的電子信息領(lǐng)域的應(yīng)用，因此研究開發(fā)導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂灌封膠成為熱點。裴昌龍等人[2]選用不同尺寸的改性Al2O3填充環(huán)氧/有機硅基體以改善導(dǎo)熱性能，所制備的環(huán)氧樹脂灌封膠的導(dǎo)熱系數(shù)為1.01W/(m·K)；齊海元等人[3]選用氮化硼（BN）為導(dǎo)熱填料，制備的環(huán)氧樹脂/碳纖維/BN導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.8438W/(m·K)。導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂灌封膠還存在凝膠快、可操作時間短、黏度大、不易灌封的缺點。

本文以Al2O3為導(dǎo)熱填料，硅烷偶聯(lián)劑KH-560為表面改性劑，CYH-277為稀釋劑，制備了兼具優(yōu)異的導(dǎo)熱性和加工流動性的環(huán)氧樹脂灌封膠。

1 實驗部分

1.1 原料

環(huán)氧樹脂：E-51，無錫藍(lán)星樹脂廠；Al2O3：6/20μm,淄博麟凱化工材料有限公司；硅烷偶聯(lián)劑：KH-560，南京能德化工有限公司；稀釋劑：CYH-277，武漢森茂化工有限公司；固化劑：ZY-1618，徐州中研科技有限公司。

1.2 復(fù)合材料的制備

取一定量的無水乙醇、硅烷偶聯(lián)劑KH-560于500ml三口燒瓶中水解，1h后加入適量的Al2O3，升溫至80℃反應(yīng)3.5h。過濾、烘干、粉碎研磨待用。

取一定量的環(huán)氧樹脂、稀釋劑CYH-277、固化劑ZY-1618于燒杯中，加入不同比例改性后的Al2O3。于高速分散機中分散均勻。倒入預(yù)熱好的模具中，于75℃下真空脫泡。固化工藝為120℃/2h。

1.3 性能測試

活化指數(shù)的測試是于250ml錐形瓶中加入100mL去離子水，然后加入一定量的Al2O3，于超聲波震蕩儀中震蕩30min，靜置1h后取出沉于底部的粉體烘干稱重，按下列公式[4]計算其活化指數(shù)：活化指數(shù)=（1-沉降部分的質(zhì)量/粉體總質(zhì)量）×100%。

粒度分布的測試采用Mastersizer 2000型激光粒度儀（馬爾文儀器有限公司）。

黏度的測試采用NDJ-7型旋轉(zhuǎn)式黏度計（上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司），設(shè)定溫度為25℃。

熱分析的測試采用NETZSCH TG 209 F3型熱失重分析儀（德國NETZSCH公司），溫度范圍40～600℃，升溫速率10℃/min，N2氛圍。

導(dǎo)熱系數(shù)的測定：使用Hot Disk型熱常數(shù)分析儀（瑞典Hot Disk公司）。

2 結(jié)果與討論

2.1 Al2O3的表面改性

由圖1可知，隨著偶聯(lián)劑用量的增加，Al2O3活化指數(shù)逐漸增大，當(dāng)偶聯(lián)劑用量為Al2O3的1.25%（wt）時，活化指數(shù)達(dá)到穩(wěn)定為99.2%。繼續(xù)增加用量，偶聯(lián)劑會在Al2O3表面形成多分子層。由于偶聯(lián)劑為熱絕緣體，熱阻較大，多余的低導(dǎo)熱率偶聯(lián)劑分子主要分散存在于兩相界面間[5]，因而熱導(dǎo)率反而會出現(xiàn)下降。因此KH-560最佳用量為1.25%（wt）。

圖2為Al2O3處理前、后的粒度分布圖。由圖2可知，與表面處理前相比，經(jīng)KH-560表面處理的Al2O3平均粒徑變小，團(tuán)聚現(xiàn)象減少。這是由于表面處理前，Al2O3粉末表面原子周圍缺少相鄰原子，有許多懸空鍵，具有不飽和性質(zhì)，表面作用能力大大增強，使其成為一個不穩(wěn)定的熱力學(xué)體系，顆粒表面極易與其它原子相結(jié)合而產(chǎn)生團(tuán)聚[6]；經(jīng)KH-560表面處理后，Al2O3的分散性增強，空間位阻增加，降低了團(tuán)聚傾向，較改性前的填料更穩(wěn)定，粒徑分布更均勻；還降低填料表面能，增強與基體間的結(jié)合作用，降低界面處的熱阻[7]，提高體系的導(dǎo)熱率。

圖1 Al2O3活化指數(shù)與KH-560用量的關(guān)系Fig.1The relationship between activation index of Al2O3and different contents of KH-560

圖2 Al2O3表面處理前后粒度分布Fig.2Particle size distribution of Al2O3before and after modification

2.2 稀釋劑用量的影響

以E-51為基體樹脂，ZY-1618為固化劑，研究了稀釋劑CYH-277用量對灌封膠黏度及固化物耐熱性能的影響，如表1所示。

由表1可知，隨CYH-277用量的增加灌封膠黏度逐漸下降，當(dāng)CYH-277用量為E-51的25%（wt）時黏度為660mPa·s，再增加CYH-277用量黏度下降幅度較??；另外隨CYH-277用量的增加灌封膠固化物的耐熱性逐漸下降；綜合考慮黏度和耐熱性能，CYH-277用量為25%（wt）時效果最佳。

表1 CYH-277用量對灌封膠黏度及耐熱性能的影響Table 1Viscosity and heat resistance properties of composites with different contents of CYH-277

2.3Al2O3對環(huán)氧樹脂灌封膠黏度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響

環(huán)氧樹脂灌封膠的黏度特性對其加工性能具有十分重要作用。本文采用兩種不同粒徑Al2O3并對其進(jìn)行復(fù)配，研究對應(yīng)體系的黏度特性，如圖3所示。

圖3 Al2O3對黏度的影響Fig.3Viscosity of composites with different contents of Al2O3

由圖3可知，環(huán)氧樹脂灌封膠的黏度均隨Al2O3含量的增加而增大，但增大幅度不同。相同用量時，填充20μm Al2O3樹脂體系的黏度小于填充6μm Al2O3樹脂體系的黏度。這是因為用量相同時，粒徑較小的填料的比表面積大、顆粒間界面多、不利于被環(huán)氧樹脂充分浸潤，黏度較大。另外粒徑較小的填料易發(fā)生懸浮與團(tuán)聚，導(dǎo)致樹脂體系混合不均勻。復(fù)配兩種粒徑Al2O3對應(yīng)樹脂體系的黏度處于二者之間。

圖4 Al2O3對導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.4Thermal conductivity of composites with different contents of Al2O3

由圖4可知，環(huán)氧樹脂灌封膠固化物的導(dǎo)熱系數(shù)均隨Al2O3用量的增加而增大，這是因為Al2O3自身的導(dǎo)熱系數(shù)大于環(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱系數(shù)。用量相同時，粒徑20μm的Al2O3更能提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，而復(fù)配兩種Al2O3的效果最佳。因為用量相同時，粒徑較小的顆粒間存在較多的界面接觸，復(fù)合材料的傳熱阻力增大；而粒徑較大的顆粒間接觸界面少，傳熱阻力小，更易形成導(dǎo)熱通道。大、小粒徑的Al2O3復(fù)配使用，小粒徑Al2O3可以填充到大粒徑Al2O3之間的空穴中，使導(dǎo)熱填料粒子之間形成了較合理的堆砌[8]，顆粒達(dá)到更大限度的致密堆積，從而使體系呈現(xiàn)較好的導(dǎo)熱性能。

2.4 高導(dǎo)熱低黏度環(huán)氧樹脂灌封膠

本文以復(fù)配6μm、20μm粒徑的Al2O3填充環(huán)氧樹脂基體，得到高導(dǎo)熱低黏度環(huán)氧樹脂灌封膠。

圖5 Al2O3對灌封膠導(dǎo)熱系數(shù)及黏度的影響Fig.5Thermal conductivity and viscosity of composites with different contents of Al2O3

如圖5所示，隨Al2O3用量增加，環(huán)氧樹脂灌封膠的黏度、導(dǎo)熱系數(shù)均增大，當(dāng)Al2O3用量為86%（wt）時，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到2.23W/(m·K），此時灌封膠的黏度為30100mPa·s，仍保持較好的加工流動性能。

3 結(jié)論

（1）硅烷偶聯(lián)劑KH-560的最佳用量1.25%（wt），此時活化指數(shù)達(dá)到最大為99.2%；經(jīng)偶聯(lián)劑表面處理的Al2O3平均粒徑減小，團(tuán)聚現(xiàn)象減少；

（2）隨CYH-277用量的增加環(huán)氧樹脂灌封膠黏度、耐熱性均逐漸下降，CYH-277最佳用量為25%（wt）；

（3）環(huán)氧樹脂灌封膠的黏度隨Al2O3用量的增加而增大；填充量相同時，填充20μm Al2O3的樹脂體系相比于填充6μm Al2O3樹脂體系的黏度小、導(dǎo)熱系數(shù)大；復(fù)配兩種粒徑Al2O3對應(yīng)樹脂體系的導(dǎo)熱性能最好，黏度處于二者之間。

（4）復(fù)配兩種粒徑的Al2O3填充量為86%（wt）時，導(dǎo)熱系數(shù)最高達(dá)到2.23W/(m·K)，此時灌封膠的黏度為30100mPa·s，仍保持較好的加工流動性能。

［1］李堅輝，張緒剛，張斌，等．改性劑對環(huán)氧灌封膠性能的影響［J］．化學(xué)與黏合，2012,34（5）:33～35．

［2］裴昌龍，賀英，張瑤斐，等．高導(dǎo)熱環(huán)氧/有機硅雜化封裝膠的制備與性能［J］．高分子材料科學(xué)與工程，2012，28（4）:140～143．

［3］齊海元，齊暑華，曹鵬，等．環(huán)氧樹脂/碳纖維/BN導(dǎo)熱復(fù)合材料制備及研究［J］．化學(xué)與黏合，2011,33（1）:8～11．

［4］周麗玲，莊濤，王侃，等．納米氧化鋅的改性及其對NR膠力學(xué)性能的影響［J］．青島科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007,28（4）:308～312．

［5］B Lee,G Dai．Influence of interfacial modification on the thermal conductivity of polymer composites［J］．Journal of Materials Science,2009,44(18):4848～4855．

［6］馬淑花,郭奮,陳建峰．化學(xué)改性氫氧化鋁的反團(tuán)聚研究［J］．高校化學(xué)工程學(xué)報，2005，19（2）:244～247．

［7］汪懷遠(yuǎn)．聚合物基動密封材料耐磨性及壽命預(yù)測研究［D］．南京:南京工業(yè)大學(xué)，2007．

［8］B L Zhu,J Ma,J Wu,et al,Study on the Properties of the Epoxy-Matrix Composites Filled with Thermally Conductive AlN and BN Ceramic Particles［J］．Journal of Applied Polymer Science,2010, 118:2754～2764．

Epoxy Potting Adhesive with High Thermal Conductivity and Low Viscosity

HUANG Yan-na，ZHOU Zheng-fa and XU Wei-bing（College of Chemical Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China）

An epoxy potting adhesive with high thermal conductivity and low viscosity was prepared with using E-51 epoxy resin as a matrix, Al2O3as a thermally conductive filler,and CYH-277 as a diluent.The amount of coupling agent and diluent were optimized．The viscosity and thermal conductivities of the epoxy potting adhesive were investigated by NDJ-7 rotation viscometer and Hot Disk thermal constant analyzer.The results showed that the best dosage of KH-560 was 1.25%(wt).The viscosity and heat resistance both gradually declined with the increasing dosage of CYH-277 and the best dosage was 25%(wt).The viscosity and thermal conductivity both rose with the increasing content of Al2O3.when the filler content was same，the 20μm Al2O3was beneficial to a higher thermal conductivity and a lower viscosity than the 6μm Al2O3。Compared with single Al2O3filled composite,it was found that the hybrid Al2O3filled composite had higher thermal conductivity.When the filling fraction of hybrid Al2O3was 86%(wt),the thermal conductivity reached 2.23W/(m·K)and the viscosity was 30100mPa·s,which showed high thermal conductivity and good flow properties.

Epoxy resin;Al2O3；thermal conductivity;potting adhesive;viscosity

TQ436.6

A

1001-0017（2013）06-0016-04

2013-07-22

黃艷娜（1989-），女，安徽宿州人，碩士，主要從事高分子材料改性研究。*通訊聯(lián)系人：徐衛(wèi)兵，E-mail:xwb105105@sina.com.