聚乙二醇改性雙馬來酰亞胺-三嗪樹脂/玻璃纖維布復合材料的熱性能

曾小亮，于淑會，孫蓉，賴茂柏，許建斌

（1中國科學院深圳先進技術(shù)研究院，廣東 深圳 518055；2香港中文大學，香港 999077）

聚乙二醇改性雙馬來酰亞胺-三嗪樹脂/玻璃纖維布復合材料的熱性能

曾小亮1，于淑會1，孫蓉1，賴茂柏1，許建斌2

（1中國科學院深圳先進技術(shù)研究院，廣東 深圳 518055；2香港中文大學，香港 999077）

聚乙二醇對樹脂基玻璃纖維布復合材料增韌具有優(yōu)良的效果，但其柔性鏈段的分子結(jié)構(gòu)本質(zhì)極大影響了復合材料的耐熱性能。本文以聚乙二醇為改性劑制備了聚乙二醇/BT樹脂/玻璃纖維布復合材料，系統(tǒng)研究了不同分子鏈長度以及不同含量的聚乙二醇對復合材料熱性能的影響。研究結(jié)果表明：聚乙二醇的加入降低了復合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、5%熱失重溫度以及800 ℃殘?zhí)柯?。在聚乙二醇相對分子質(zhì)量為4000時，復合材料的熱性能出現(xiàn)最大值。隨聚乙二醇含量的增加，復合材料的熱穩(wěn)定性能逐步下降。由于聚乙二醇、BT樹脂、玻璃纖維布之間較大的界面結(jié)合力，使基體樹脂的鏈運動受到一定程度的限制，一定程度上緩解了由于聚乙二醇的加入而使復合材料的熱穩(wěn)定性能下降的趨勢。研究結(jié)果為合理添加聚乙二醇而提高復合材料的韌性提供了熱性能方面的參考依據(jù)。

復合材料；電子材料；聚合物；熱力學性質(zhì)

雙馬來酰亞胺-三嗪樹脂（bismalemide-triazine，BT）由于結(jié)合了雙馬來酰亞胺、氰酸酯的優(yōu)點，具有高耐熱、低吸濕率、低介電常數(shù)和介質(zhì)損耗等性能，成為球柵陣列封裝（BGA）、芯片級封裝（CSP）及多芯片組件（MCM）等先進封裝載板制造中的首選基板材料。

盡管BT樹脂的性能在許多方面優(yōu)于通用的環(huán)氧樹脂。但是，由于BT樹脂中的雙馬來酰亞胺與氰酸酯分子結(jié)構(gòu)存在較多的剛性基團，使得BT樹脂存在韌性較差的缺點。為滿足特定領(lǐng)域?qū)Ω咝阅蹷T樹脂基體的要求，國內(nèi)外研究者進行了大量的改性研究。BT樹脂改性方法主要包括合成新結(jié)構(gòu)BT樹脂[2-3]、烯丙基化合物改性[4]、環(huán)氧樹脂改性[5-6]、聚苯醚改性[7]、聚硅氧烷改性[8-10]等。

聚合物的分子結(jié)構(gòu)是決定其最終性能的根本因素。致密的剛性三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)導致BT樹脂固化物質(zhì)脆。目前，已有研究采用非晶態(tài)的熱塑性樹脂[如聚碳酸酯（PC）、聚砜（PSU）、聚醚砜（PES）和聚醚酰亞胺（PEI）等]與BT樹脂的單體雙馬來酰亞胺或氰酸酯熱熔共混[11-12]。由于熱塑性樹脂與BT樹脂單體基本上不存在化學鍵，雖然固化前體系呈均相結(jié)構(gòu)，隨固化反應的不斷進行，逐漸產(chǎn)生微相分離結(jié)構(gòu)。微相分離結(jié)構(gòu)的存在可能導致復合材料的熱性能出現(xiàn)雙玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，使得復合材料的應用性能下降。因此，運用分子設(shè)計方法將柔性分子鏈鍵合到致密的BT樹脂交聯(lián)網(wǎng)絡中，形成剛硬和柔軟相間的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，是提高BT樹脂韌性的有效途徑。聚乙二醇由于具有較長的柔性鏈段，是改性聚合物韌性的常用材料。研究結(jié)果表明，雙馬來酰亞胺的酰亞胺基團的雙鍵可以與含羥基化合物發(fā)生Micahel加成反應[13-15]；氰酸酯的活性基團氰基同樣可以與含羥基化合物發(fā)生加成反應。因此，柔性分子鏈聚乙二醇（PEG）鍵易與BT樹脂發(fā)生化學鍵結(jié)合，避免相分離。但是，聚乙二醇增韌的同時會影響聚合物的耐熱性能。嚴重情況下使BT樹脂無法用作高性能結(jié)構(gòu)復合材料的基體。因此，研究聚乙二醇對BT樹脂耐熱性能的影響具有重要的意義。

基于此，本論文制備了聚乙二醇改性BT樹脂/玻璃纖維布復合材料，采用動態(tài)熱機械分析儀和熱重分析儀，研究了不同分子鏈長度以及不同含量的聚乙二醇對BT樹脂/玻璃纖維布復合材料熱性能的影響，并結(jié)合SEM分析了微觀結(jié)構(gòu)與熱性能之間的關(guān)系。

1 實驗部分

1.1 原材料

4,4′-二苯甲烷雙馬來酰亞胺（BMI），工業(yè)級，湖北洪湖雙馬廠；雙酚A型氰酸酯（BCE），純度≥99.9%，上虞市盛達生物化工有限公司；2,2-二烯丙基雙酚A（DBA），湖北洪湖雙馬廠，工業(yè)級；聚乙二醇（PEG，相對分子質(zhì)量分別為2000、4000、6000和8000，分別命名為PEG2000、PEG4000、PEG6000和PEG8000），分析純，國藥集團化學試劑有限公司。丁酮，分析純，國藥集團化學試劑有限公司。玻璃纖維布，型號E-106，深圳市賽龍玻璃纖維有限公司。

1.2 BT樹脂的制備

將10 g 4,4′-二苯甲烷雙馬來酰亞胺（BMI）、20 g雙酚A型氰酸酯（BCE）、10 g 2,2-二烯丙基雙酚A（DBA）加入250 mL的三口燒瓶中，在130 ℃下加熱熔融，恒溫攪拌一定時間，得琥珀色透明液體混合物。冷卻至室溫，得到黏稠狀琥珀色BT樹脂。

1.3 PEG/BT樹脂漿料的制備

稱取20 g BT樹脂，然后加入0.5%的2-甲基-4-乙基咪唑，加入20.0 g的丁酮使之混合均勻，配制成固含量約為50%（質(zhì)量分數(shù)）的漿料，然后加入一定量的分子量不同的聚乙二醇或相同分子量不同含量的聚乙二醇。超聲分散1 h。然后以500 r/min的速度攪拌0.5 h，得混合均勻的漿料。

1.4 PEG/BT樹脂/玻璃纖維布復合材料的制備

將型號為E-106的玻璃纖維布平鋪于離型膜上，采用棒式涂布機將配制的PEG/BT樹脂漿料涂布于玻璃纖維布上。將涂布后的材料置于100 ℃烘箱中烘干10 min除去溶劑，剝離離型膜后得半固化片。將兩張半固化片疊在一起，兩面覆銅，然后置于真空壓機中于150 ℃，10 kgf/cm2（1 kgf/cm2= 98.0665 kPa）的壓力下壓制4 h，得PEG/BT樹脂/玻璃纖維布復合材料。

1.5 測試與表征

采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡對PEG/BT樹脂/玻璃纖維布復合材料進行微觀形貌觀察，觀察時取復合材料斷面樣品，噴金后在FEI NOVA NANOSEM450場發(fā)射掃描電子顯微鏡上進行。

在空氣氛圍下，采用動態(tài)熱機械分析儀（DMA）測定復合材料Tg，DMA升溫速率為3.0 ℃/min，測試頻率1.0 Hz，溫度范圍常溫至300 ℃。以tan δ的峰值作為Tg值，每組樣品測量3次，求其平均值。

在氮氣氛圍下，采用熱重分析儀（TGA）對復合材料進行熱重分析，記錄質(zhì)量變化率。TGA升溫速率為10.0 ℃/min，樣品用量為8～10 mg，氮氣流量為100 mL/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 PEG/BT樹脂/玻璃纖維布復合材料的微觀結(jié)構(gòu)

圖1為PEG 4000/BT樹脂玻璃纖維布復合材料斷面SEM圖。由圖1(a)可知，復合材料并沒有出現(xiàn)相分離現(xiàn)象，說明PEG4000、BT樹脂混合均勻，兩者之間存在較強的結(jié)合力。另外，由圖1(b)可知，樹脂與玻璃纖維布之間接觸良好，并沒有出現(xiàn)明顯裂紋。說明樹脂在反應過程中與玻璃纖維發(fā)生了強的相互作用。這種強的相互作用使基體樹脂的鏈運動受到一定程度的限制，一定程度上緩解了由于PEG的加入而使復合材料的熱穩(wěn)定性能下降的趨勢。

2.2 PEG分子量對BT樹脂/玻璃纖維布復合材料熱性能的影響

圖2是不同分子量PEG/BT樹脂/玻璃纖維布復合材料的DMA曲線圖。復合材料的Tg值總結(jié)于表1中。在不添加PEG時，復合材料的Tg值高達250.87 ℃，表現(xiàn)出較高的耐熱性能。這主要是由于BT樹脂的BMI分子結(jié)構(gòu)中存在剛性的酰亞胺基團以及BCE分子結(jié)構(gòu)中的氰基基團固化后具有較高的交聯(lián)密度。剛性基團的引入以及較高的交聯(lián)密度使得固化物的自由體積較小，增加了分子間的作用力，使BT樹脂固化物具有較高的Tg值。加入5%（質(zhì)量分數(shù)）的PEG后，復合材料的DMA 損耗因子（tan δ）曲線不存在兩個峰，說明PEG與BT樹脂相容性較好，不存在相分離。值得注意的是，添加不同分子量的PEG使BT樹脂/玻璃纖維布復合材料Tg有不同程度的下降。這是因為Tg是聚合物的鏈段從凍結(jié)到運動（或反之）的一個轉(zhuǎn)變溫度，而鏈段運動是通過主鏈的單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的，由于BT樹脂中加入了柔性的PEG，使得固化后的復合材料的Tg由于柔性鏈段的加入而降低。加入PEG2000后，復合材料的Tg降低至213.48 ℃。進一步增加PEG的分子量，復合材料的Tg先增加后降低。這是因為PEG分子鏈段的兩頭各有一個鏈端鏈段。這種鏈端鏈段的活動能力要比一般的鏈段大。分子量越低時，鏈端鏈段的比例越高，Tg也越低。當分子量增大到一定程度后，鏈端鏈段的比例可以忽略不計。所以Tg與PEG分子量的關(guān)系不大。因此，加入PEG4000時，復合材料的Tg值出現(xiàn)最大值229.67 ℃。而進一步提高PEG分子量，復合材料的Tg略微降低。這可能是PEG分子量增大以后，降低了BT樹脂的交聯(lián)密度，從而使Tg略微下降。

圖1 PEG4000/BT樹脂/玻璃纖維布復合材料SEM圖

圖2 PEG/BT樹脂/玻璃纖維布布復合材料DMA曲線

表1 不同PEG的BT樹脂/玻璃纖維布復合材料熱特征參數(shù)

一般來說，采取添加具有柔性鏈段的聚合物增韌的方法會導致聚合物熱性能的下降，如Samanta等[17]研究了端氨基聚乙二醇苯甲酸酯對環(huán)氧樹脂增韌性能的影響。研究結(jié)果表明，該增韌劑能夠有效提高環(huán)氧樹脂的韌性。但同時隨著增韌劑含量的增加，環(huán)氧樹脂熱性能逐漸下降。當增韌劑含量占環(huán)氧樹脂的質(zhì)量分數(shù)為15%時，環(huán)氧樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度由108 ℃降低至93 ℃。王結(jié)良等[18]采用液體端羧基丁腈橡膠（CTBN）對雙酚A型氰酸酯樹脂進行增韌改性，固化樹脂的TGA曲線和HDT曲線表明樹脂的耐熱性能隨著CTBN用量的增大而下降，當CTBN含量從0提高到15%時，樹脂體系的起始分解溫度從407 ℃降低到383 ℃。

圖3為PEG/BT樹脂/玻璃纖維布復合材料在N2氛圍下的熱失重曲線，其熱特征參數(shù)為：5%熱失重溫度（Td5%）和800 ℃時的殘?zhí)柯士偨Y(jié)于表1中。在不添加PEG時，復合材料的Td5%為384.35 ℃，800 ℃殘?zhí)柯蕿?3.04%，表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。由于柔性PEG鏈段的加入，復合材料的Td5%和800 ℃殘?zhí)柯视胁煌潭鹊南陆怠Ｍ瑯拥?，相比于其他分子量的PEG，添加PEG4000，復合材料的Td5%出現(xiàn)最大值347.61℃。這進一步說明，柔性PEG的加入降低了BT樹脂交聯(lián)密度。而PEG4000由于分子量大小適當，分子鏈端活動性適中，使其與BT樹脂分子的交聯(lián)最為緊密，相比于其他分子量的PEG表現(xiàn)出更優(yōu)異的耐熱性能。

2.3 PEG含量對BT樹脂/玻璃纖維布復合材料熱性能的影響

圖4是不同含量PEG2000的BT樹脂/玻璃纖維布復合材料的DMA曲線圖，復合材料的Tg值總結(jié)于表2中。隨著PEG2000含量的增加，復合材料的Tg逐步降低，當PEG2000含量為BT樹脂的10%（質(zhì)量分數(shù)）時，復合材料的Tg值降低至213.20 ℃。這主要是因為柔性PEG的加入增加了復合材料的柔性，使得其Tg降低。隨著PEG含量的增加，復合材料的柔性進一步增加，導致其Tg逐漸降低。

圖3 PEG/BT樹脂/玻璃纖維布布復合材料熱失重曲線（N2）

圖4 不同PEG2000含量復合材料的DMA曲線

表2 PEG含量對BT樹脂/玻璃纖維布復合材料熱特征參數(shù)的影響

圖5 不同PEG2000 含量復合材料的熱失重曲線（N2）

圖5為不同PEG2000含量的PEG/BT樹脂/玻璃纖維布復合材料在氮氣氛圍下的熱失重曲線，其特征參數(shù)Td5%和殘?zhí)柯柿杏诒?中。隨著PEG2000含量的增加，其Td5%逐漸下降，800 ℃殘?zhí)柯氏啾扔诓惶砑覲EG2000略微下降。但隨PEG2000含量的增加，800 ℃殘?zhí)柯驶颈３忠恢?。隨PEG2000含量增加，其熱穩(wěn)定性能下降的原解，而PEG2000因是PEG2000為柔性鏈段，在高溫下容易發(fā)生分含量的增加導致復合材料體現(xiàn)中柔性鏈段增加，高溫下的分解反應更加容易。

3 結(jié) 論

以聚乙二醇為改性劑，制備了聚乙二醇改性BT樹脂/玻璃纖維布復合材料，通過動態(tài)熱機械分析儀和熱重分析儀，系統(tǒng)研究了不同分子鏈長度以及不同含量的聚乙二醇對BT樹脂/玻璃纖維布復合材料熱性能的影響，得到如下結(jié)論。

（1）聚乙二醇、BT樹脂、玻璃纖維布三者之間存在較強的結(jié)合力，不存在相分離現(xiàn)象，基體樹脂與玻璃纖維之間接觸良好，并沒有出現(xiàn)明顯裂紋。這種強的相互作用使基體樹脂的鏈運動受到一定程度的限制，一定程度上緩解了由于PEG得加入而使復合材料的熱穩(wěn)定性能下降的趨勢。

（2）加入不同分子量長度的聚乙二醇均導致復合材料的熱穩(wěn)定性下降。相對于其他分子量聚乙二醇，加入聚乙二醇4000時，復合材料的Tg、Td5%出現(xiàn)最大值，分別為229.67 ℃和347.61 ℃。另外，800 ℃ 殘?zhí)柯孰S聚乙二醇分子量的增加逐步降低。

（3）隨聚乙二醇含量的增加，復合材料的熱穩(wěn)定性隨之降低。當聚乙二醇含量增加到10%（質(zhì)量分數(shù)）時，復合材料的Tg、Td5%、800 ℃殘?zhí)柯史謩e降低至213.20 ℃、340.83 ℃和60.83%。

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Thermal properties of bismaleimide-triazine/glass fiber composites modified by polyethylene glycol

ZENG Xiaoliang1，YU Shuhui1，SUN Rong1，LAI Maobai1，XU Jianbin2
（1Shenzhen Institutes of Advanced Technology，Chinese Academy of Sciences，Shenzhen 518055，Guangdong，China；2The Chinese University of Hong Kong，Hongkong 999077，China ）

It is an effective method that the toughness of polymer-based glass fiber composites is improved by polyethylene glycol (PEG). However，the soft segments of PEG molecular structure have an influence on the thermal properties of composites. In this work，bismaleimide-triazine/glass fiber composites modified by PEG were prepared. The effects of molecular chain length and mounts of PEG on the thermal properties of composites were investigated. The results showed that adding PEG leads to decreases of glass-transition temperature，temperature for the total mass loss of 5%，and the char yield at 800 ℃. There is the highest value of thermal properties，when the molecular weight reaches 4000. Further，the thermal properties of the composites decreased with the increase of PEG amount. The micro-structure analysis showed that the enhanced interface bonding force among PEG，BT resin，and glass fiber are beneficial to the thermal properties，which relaxes the decreased tendency of thermal properties. These results provide a reference for improving the toughness of polymer-based glass fiber using PEG.

composites；electronic materials；polymers；thermodynamics properties

O 63

A

1000-6613（2014）01-0150-05

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.01.025

2013-05-20；修改稿日期：2013-07-02。

國家科技重大專項（2011ZX02709-001）及廣東省引進創(chuàng)新科研團隊計劃（2011D052）項目。

曾小亮（1984—），男，助理研究員，主要從事高分子納米復合材料的研究。聯(lián)系人：孫蓉，研究員，主要從事電子封裝材料研究。E-mail rong.sun@siat.ac.cn。