氫氧化鈰對導(dǎo)電復(fù)合材料性能的影響*

馬星星，馮亞凱,2

(1. 天津大學(xué) 化工學(xué)院，天津 300350； 2. 天津大學(xué) 化工協(xié)同創(chuàng)新中心，天津300350)

0 引言

隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展和電子設(shè)備的廣泛使用，各種電子產(chǎn)品之間的電磁干擾變得越來越嚴(yán)重，這就要求電子設(shè)備不僅具有小型化，運(yùn)行快和多功能等優(yōu)點(diǎn)更需要保證其安全性和可靠性，因此如何防止電磁泄漏就顯得尤為重要，通常的解決方法就是對集成度高的電子元器件進(jìn)行封裝屏蔽干擾[1-2]。電磁屏蔽材料主要有金屬非晶電磁屏蔽材料、發(fā)泡金屬屏蔽材料和導(dǎo)電高分子屏蔽材料等[3]。由于導(dǎo)電高分子屏蔽材料具有寬泛的吸收能量頻率，工藝簡單，良好的機(jī)械強(qiáng)度和耐老化等優(yōu)點(diǎn)，受到了更多科研工作者的關(guān)注[4-6]。

點(diǎn)膠成型導(dǎo)電硅橡膠(FIP)具有低密度、良好耐候性、高彈性、耐高低溫和耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)異性能[7-8]，又兼具高導(dǎo)電填料鎳包石墨片成本低，導(dǎo)電性好，穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點(diǎn)[9-11]，被廣泛應(yīng)運(yùn)于電磁干擾屏蔽中。FIP導(dǎo)電硅橡膠的屏蔽效果與材料的電阻率和壓縮回彈性能有很大的關(guān)系[12]，壓縮回彈性能比較差時(shí)，會導(dǎo)致電磁泄漏，然而關(guān)于如何有效降低FIP硅橡膠的壓縮永久變形報(bào)道還很少。

近年來，隨著對FIP導(dǎo)電硅橡膠屏蔽效果的重視，壓縮永久變形問題變得尤為突出[12]。硫化膠壓縮永久變形是評價(jià)橡膠制品密封性能、屏蔽效果及電子元件使用壽命的重要指標(biāo)之一，并且直接影響到電子元件的安全性和可靠性[13]。橡膠的壓縮永久變形主要取決于橡膠的種類、分子量、化學(xué)組成及結(jié)構(gòu)、交聯(lián)程度、助劑和補(bǔ)強(qiáng)填充劑等[14]。大多數(shù)研究者把壓縮永久變形作為硅橡膠抗老化的一個(gè)力學(xué)性能進(jìn)行了簡單的描述[15-17]。然而，基礎(chǔ)聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)、硅氫比例和耐熱助劑對有機(jī)硅彈性體(SE)最終產(chǎn)物的性能也至關(guān)重要[18]。

鑒于稀土元素鈰與有機(jī)硅聚合物、填料或/和兩者之間的相互作用可以有效改善硅橡膠的耐熱性能及壓縮永久變形[19-20]。本文以不同乙烯基含量的雙端乙烯基硅油為基礎(chǔ)聚合物，不同含氫量的端甲基側(cè)氫硅油為交聯(lián)劑，在催化劑的作用下發(fā)生硅氫加成反應(yīng)制備了一系列有機(jī)硅彈性體(SE)，根據(jù)樣品壓縮永久變形和加工性能的好壞篩選出最適合做導(dǎo)電復(fù)合材料的基礎(chǔ)膠料和比例，重點(diǎn)探究氫氧化鈰對有機(jī)硅彈性體/鎳包石墨片/氫氧化鈰導(dǎo)電復(fù)合材料(SE/Ni(G)/Ce(OH)4壓縮永久變形、力學(xué)性能、耐熱性能和電阻率的影響。為了保證復(fù)合材料有一定的強(qiáng)度和導(dǎo)電性，導(dǎo)電粉鎳包石墨片填充量為66質(zhì)量份phr。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

雙端乙烯基硅油Vi-1：乙烯基含量0.10%，數(shù)均分子量65113；Vi-2：乙烯基含量0.13%，數(shù)均分子量40156；Vi-3：乙烯基含量0.18%，數(shù)均分子量32245；Vi-4：乙烯基含量0.24%，數(shù)均分子量27194；Vi-5：乙烯基含量0.32%，數(shù)均分子量21068；Vi-6：乙烯基含量0.45%，數(shù)均分子量16382；端甲基側(cè)氫硅油H-1：硅氫基含量0.13%，數(shù)均分子量10337；H-2：硅氫基含量0.27%，數(shù)均分子量10419；H-3：硅氫基含量0.57%，數(shù)均分子量10876；H-4：硅氫基含量0.83%，數(shù)均分子量13431，工業(yè)級，浙江潤禾有機(jī)硅新材料有限公司；鉑催化劑：鉑含量2.5%，分析純，鄭州阿爾法化工有限公司；1-乙炔基-1-環(huán)己醇抑制劑，分析純，天津希恩思生化科技有限公司；甲苯，分析純，天津市江天化工技術(shù)有限公司；氫氧化鈰：分析純，粒徑84.7～127 um，上海旭碩生物科技有限公司；鎳包石墨片導(dǎo)電粉：工業(yè)級，粒徑100 um，河北南宮市鑄金噴涂焊材有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

首先以不同乙烯基含量的乙烯基硅油為基膠，以不同硅氫基含量的含氫硅油為交聯(lián)劑，添加適量鉑金催化劑和抑制劑制備一系列有機(jī)硅彈性體(SE)，根據(jù)SE的壓縮永久變形和加工性能篩選出最適合的乙烯基硅油和含氫硅油作為導(dǎo)電復(fù)合材料的膠料，然后在乙烯基含量和含氫量摩爾比0.8：1的基礎(chǔ)上，添加66質(zhì)量份的導(dǎo)電粉和不同質(zhì)量份的氫氧化鈰，分別將其加入到膠料罐中，將膠料罐放入ZYMC-580V型非介入式材料均質(zhì)機(jī)中，選擇分段模式：800 r/min速率攪拌1 min,900 r/min速率邊攪拌邊真空脫泡2 min，最后，將攪拌好的膠料固定質(zhì)量倒入6 mm厚的有機(jī)硅彈性體成型模具中，靜置5 min，保證膠料流平模具，放入125 ℃的烘箱里固化30 min,取出樣品，室溫下冷卻，備用。相關(guān)工藝流程如圖1所示。

圖1 導(dǎo)電復(fù)合材料SE/Ni(G)/Ce(OH)4的制備流程

1.3 樣品的性能與表征

樣品的硬度分析用德國博銳儀器有限公司BS61‖型邵00硬度計(jì)；樣品的密度分析用美國麥克儀器公司AccuPyc1330型真實(shí)密度儀；樣品的溶脹度采用平衡溶脹法測試；樣品的壓縮永久變形按照ISO-815標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算；樣品的厚度分析用日本三豐精密儀器有限公司543-391B型厚度規(guī)；樣品的力學(xué)性能分析用中國美特斯工業(yè)系統(tǒng)有限公司CMT2型微機(jī)控制電子試驗(yàn)機(jī)(拉伸速率為200 mm/min)；樣品的DSC分析用上海耐馳科學(xué)儀器商貿(mào)有限公司204F1型差示掃描量熱儀(氮?dú)夥諊乱?0 ℃/min的加熱速率從-80 ℃升溫到25 ℃)；樣品的TGA分析用美國TA儀器公司DynTHERM MP型熱重分析儀(氮?dú)夥諊乱?0 ℃/min的加熱速率從25 ℃升溫到800 ℃)；樣品的電阻率分析用北京智德創(chuàng)新儀器設(shè)備有限公司ATI-212型體積電阻率測試儀(壓縮率15%)。

2 結(jié)果與討論

2.1 低壓縮永久變形有機(jī)硅彈性體(SE)膠料及其比例的確定

圖2(a)、(b)、(c)、(d)分別列出了乙烯基硅油和含氫硅油對有機(jī)硅彈性體真實(shí)密度、溶脹度、硬度和壓縮永久變形的影響。如圖2(d)所示，有機(jī)硅彈性體(SE)的壓縮永久變形與乙烯基硅油和含氫硅油都有比較明顯的關(guān)系，在25%的壓縮比例下，影響樣品壓縮永久變形的原因一方面是由于乙烯基硅油所含的二甲基硅鏈節(jié)數(shù)，乙烯基硅油的乙烯基含量越小，所含的二甲基硅鏈節(jié)數(shù)越多，乙烯基硅油的分子量越大，則每分子乙烯基所含分子量越大，乙烯基基團(tuán)的相對密度越小，在基團(tuán)比例一定的情況下形成的交聯(lián)點(diǎn)越少，內(nèi)部空隙越大，溶脹度越大，交聯(lián)密度越小，樣品越軟，硬度越小，回彈性越差，壓縮永久變形越高，另一方面含氫硅油的含氫量越大，反應(yīng)位點(diǎn)越集中，反應(yīng)空間位阻越大，導(dǎo)致交聯(lián)點(diǎn)集中，局部硫化過快，內(nèi)部空隙越多，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)越不均勻，樣品缺陷越大，回彈性越差，壓縮永久變形越高。與此同時(shí)，為了確保有機(jī)硅彈性體有一定的粘度和良好的加工性能，故選擇乙烯基摩爾含量為0.18%的乙烯基硅油Vi-3，含氫量為0.27%的含氫硅油H-2作為研究有機(jī)硅彈性體壓縮永久變形的最終原料。

圖2 不同乙烯基含量和硅氫基含量對有機(jī)硅彈性體密度(a)、溶脹度(b)、硬度(c)和壓縮永久變形(d)的影響

表1展示了乙烯基硅油Vi-3和含氫硅油H-2的摩爾比例對有機(jī)硅彈性體壓縮永久變形的影響，當(dāng)兩者硅氫比例為0.8∶1時(shí)，彈性體的壓縮永久變形最低為4.93%，原因是在理論比例1：1之前，隨著Si-Vi:Si-H摩爾比例的增大，未反應(yīng)含氫硅油越少，交聯(lián)程度越大，交聯(lián)點(diǎn)越多，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)越均勻，溶脹度越小，交聯(lián)密度越大，樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)越均勻，硬度較大；在理論比例1：1之后，隨著硅氫比例的增大，未反應(yīng)乙烯基基團(tuán)增多，乙烯基硅油的相對分子量越大，每分子乙烯基所含的分子量越大，交聯(lián)點(diǎn)越少，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)越稀松，溶脹度越大，交聯(lián)密度越低，樣品越軟，硬度越低。綜上，選擇乙烯基硅油Vi-3和含氫硅油H-2在兩者比例為0.8∶1的基礎(chǔ)上添加導(dǎo)電粉鎳包石墨炭和氫氧化鈰制備導(dǎo)電復(fù)合材料SE/Ni(G)/Ce(OH)4。

表1 乙烯基硅油Vi-3和含氫硅油H-2的不同Si-Vi:Si-H摩爾比例對有機(jī)硅彈性體密度、溶脹度、硬度和壓縮永久變形的影響

2.2 導(dǎo)電復(fù)合材料SE/Ni(G)/Ce(OH)4的性能

2.2.1 不同Ce(OH)4質(zhì)量份對SE/Ni(G)/Ce(OH)4壓縮永久變形的影響

將制備的導(dǎo)電復(fù)合材料裁切成Φ14.1×6 mm的圓柱形樣品，放入壓縮永久變形模具中，如圖3所示，然后按照ISO-815標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算樣品的壓縮永久變形。

圖3 導(dǎo)電復(fù)合材料SE/Ni(G)/Ce(OH)4壓縮永久變形的測試模具

為了使得彈性體同時(shí)具有良好的壓縮永久變形和優(yōu)異的導(dǎo)電性，圖4探究了不同氫氧化鈰質(zhì)量份對導(dǎo)電復(fù)合材料壓縮永久變形的影響，作為對比，圖4還記錄了無導(dǎo)電粉時(shí)，氫氧化鈰對彈性體壓縮永久變形的影響。結(jié)果表明：導(dǎo)電粉填料的加入整體上增加了彈性體的壓縮永久變形，原因是導(dǎo)電粉填充了彈性體高分子鏈之間的空隙，使得彈性體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更為緊密，單位體積內(nèi)提供柔性基團(tuán)的分子鏈含量相對變低，樣品的回彈性變差，壓縮永久變形增大。同時(shí)，隨著Ce(OH)4質(zhì)量份的增多，不論是否添加導(dǎo)電粉，樣品的壓縮永久變形都是先降低后增加，當(dāng)氫氧化鈰質(zhì)量份為0.75時(shí)，復(fù)合材料SE/Ni(G)/0.75Ce(OH)4的壓縮永久變形最低為3.50%，與未添加氫氧化鈰復(fù)合材料SE/Ni(G)/0Ce(OH)4壓縮永久變形10.45%相比，降低了66.5%，原因可能是氫氧化鈰作為抗氧化劑，一方面可以通過Ce4+和Ce3+的不斷轉(zhuǎn)變降低聚合物的自由基鏈反應(yīng)，改善彈性體的耐熱性能；另一方面適量氫氧化鈰與聚合物、填料或/和兩者的相互作用，降低了分子鏈相對位移，阻止了彈性體發(fā)生應(yīng)力松弛，降低了復(fù)合材料的壓縮永久變形。然而隨著氫氧化鈰的增加，粒子之間發(fā)生團(tuán)聚，不利于復(fù)合材料保持高彈性[19-20]。

圖4 不同氫氧化鈰質(zhì)量份對SE/Ni(G)/Ce(OH)4壓縮永久變形性能的影響

2.2.2 不同Ce(OH)4質(zhì)量份對SE/Ni(G)/Ce(OH)4力學(xué)性能的影響

從表2數(shù)據(jù)可以看到，隨著氫氧化鈰質(zhì)量份的增加，SE/Ni(G)/Ce(OH)4的邵A硬度、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和撕裂強(qiáng)度均先增加后降低，并在Ce(OH)4質(zhì)量份為0.75時(shí)達(dá)到最大值。這是因?yàn)楫?dāng)Ce(OH)4質(zhì)量份小于0.75時(shí)，鈰粒子主要通過價(jià)態(tài)的不斷轉(zhuǎn)變改善彈性體的側(cè)基氧化，進(jìn)而提高彈性體的力學(xué)性能。當(dāng)Ce(OH)4質(zhì)量份大于0.75時(shí)，過多的氫氧根極性基團(tuán)，使得其極易吸附水分、分散性變差發(fā)生二次團(tuán)聚，最終導(dǎo)致了彈性體的力學(xué)性能變差。

表2 不同氫氧化鈰質(zhì)量份對復(fù)合材料SE/Ni(G)/Ce(OH)4硬度、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和撕裂強(qiáng)度的影響

2.2.3 不同Ce(OH)4質(zhì)量份對SE/Ni(G)/Ce(OH)4低溫性能的影響

由圖5和表3可知，對比不添加Ce(OH)4的SE/Ni(G)/0 Ce(OH)4，添加0.75質(zhì)量份Ce(OH)4的SE/Ni(G)/Ce(OH)4的熔點(diǎn)從-44 ℃降低為-44.51 ℃，僅僅降低0.51 ℃，故少量Ce(OH)4的加入不會明顯減弱復(fù)合材料的耐低溫性能。

表3 含不同氫氧化鈰質(zhì)量份SE/Ni(G)/Ce(OH)4的DSC數(shù)據(jù)

圖5 含不同氫氧化鈰質(zhì)量份SE/Ni(G)/Ce(OH)4的DSC曲線

2.2.4 不同Ce(OH)4質(zhì)量份對SE/Ni(G)/Ce(OH)4高溫性能的影響

從圖6和表4中的數(shù)據(jù)可以看出，對比不添加Ce(OH)4的SE/Ni(G)/0Ce(OH)4，添加0.75質(zhì)量份Ce(OH)4的SE/Ni(G)/0.75Ce(OH)4的起始失重溫度從245.30 ℃增加到256.47 ℃，失重5%時(shí)的溫度從505.83 ℃增加到538.90 ℃，最大失重速率時(shí)的溫度從565.25 ℃增加到659.12 ℃，790 ℃時(shí)的殘重從69.10%增加到77.54%，同時(shí)添加1.5質(zhì)量份Ce(OH)4復(fù)合材料的起始失重溫度降低到195.6 ℃，可知適量Ce(OH)4的加入可以明顯改善彈性體的耐高溫性能。這可能是因?yàn)橄⊥猎剽嬃Ｗ幼鳛榭寡趸瘎?，通過價(jià)態(tài)的不斷轉(zhuǎn)變降低了聚合物在加熱過程中產(chǎn)生的自由基，進(jìn)而提高了彈性體的起始失重溫度，改善了彈性體的耐高溫性能。

圖6 含不同氫氧化鈰質(zhì)量份SE/Ni(G)/Ce(OH)4的TG和DTG圖像

表4 含不同氫氧化鈰質(zhì)量份SE/Ni(G)/Ce(OH)4的TG和DTG數(shù)據(jù)

2.2.5 不同Ce(OH)4質(zhì)量份對SE/Ni(G)/Ce(OH)4電阻率的影響

從圖7可以看出，電阻率值均在0.007～0.016 Ω·m之間，當(dāng)氫氧化鈰質(zhì)量份為1.25時(shí)，樣品的電阻率最小，氫氧化鈰質(zhì)量份為0.75時(shí)，樣品的電阻率相對較低，表明0.75質(zhì)量份Ce(OH)4的加入對有機(jī)硅彈性體的電阻率有一定的促進(jìn)作用。而電阻率越小，壓縮永久變形越小，電磁屏蔽越好，即氫氧化鈰的質(zhì)量份為0.75時(shí)，樣品的壓縮永久變形最低，電阻率相對較小，可以有效預(yù)防電磁泄漏。

圖7 不同氫氧化鈰質(zhì)量份對SE/Ni(G)/Ce(OH)4電阻率的影響

3 結(jié)論

利用乙烯基硅油和含氫硅油在鉑金催化劑的作用下發(fā)生硅氫加成反應(yīng)，制備了導(dǎo)電復(fù)合材料，并對該導(dǎo)電復(fù)合材料的性能進(jìn)行了表征。

首先，優(yōu)化了該導(dǎo)電復(fù)合材料中有機(jī)硅彈性體SE的膠料及其配比，結(jié)果表明，當(dāng)乙烯基硅油Vi-3和含氫硅油H-2的摩爾比例為0.8∶1時(shí)，有機(jī)硅彈性體的壓縮永久變形和加工性能較好。

其次，導(dǎo)電復(fù)合材料的壓縮永久變形性能、力學(xué)性能結(jié)果表明，當(dāng)氫氧化鈰質(zhì)量份為0.75時(shí)，復(fù)合材料的壓縮永久變形最低，力學(xué)性能最好。導(dǎo)電復(fù)合材料的高溫性能結(jié)果表明，0.75質(zhì)量份的氫氧化鈰可以提高復(fù)合材料的耐高溫性能。導(dǎo)電復(fù)合材料的低溫性能和電阻率結(jié)果表明，盡管0.75質(zhì)量份的氫氧化鈰可以促進(jìn)導(dǎo)電復(fù)合材料的耐低溫性能和電阻率，但影響不是很明顯。

第三，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，添加適量的氫氧化鈰可以通過改善復(fù)合材料的壓縮永久變形和促進(jìn)復(fù)合材料的電阻率有效預(yù)防電磁泄漏，可為導(dǎo)電硅橡膠FIP的電磁屏蔽研究提供指導(dǎo)價(jià)值，具有一定的實(shí)際應(yīng)用前景。