黃堅(jiān)龍 王碧武
(廣東生益科技股份有限公司國家電子電路基材工程技術(shù)研究中心,廣東 東莞 523039)
雷 煒
(廣東生益科技股份有限公司技術(shù)中心,廣東 東莞 523039)
環(huán)氧樹脂是一種低聚物,其分子中含有兩個(gè)或兩個(gè)以上的環(huán)氧基,可與固化劑反應(yīng)交聯(lián),生成三維網(wǎng)狀固化物。固化后的環(huán)氧樹脂機(jī)械強(qiáng)度高、力學(xué)性能好,粘結(jié)力強(qiáng),可與金屬粘合、也可與玻璃粘合,收縮率低、尺寸穩(wěn)定性好,耐腐蝕性和電絕緣性優(yōu)良,成型加工方便。環(huán)氧樹脂的應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛,包括電子電器、化工、軍工、航空航天等[1]。為探究環(huán)氧樹脂的固化反應(yīng)機(jī)理,確定最佳固化溫度,已有許多學(xué)者對(duì)環(huán)氧樹脂的固化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究,不過關(guān)于環(huán)氧樹脂固化模型在覆銅板加工過程中的應(yīng)用卻鮮有報(bào)道。本文通過差示掃描量熱法確定體系的固化放熱曲線,再由放熱曲線推導(dǎo)出該體系的固化度曲線及等溫固化反應(yīng)模型,從固化度曲線上可以確定固化度和反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系,經(jīng)驗(yàn)證,該曲線可以預(yù)測體系在恒溫下達(dá)到某一固化度所需時(shí)間,從而為預(yù)浸料的烘烤溫度和烘烤時(shí)間提供參考,對(duì)固化條件的選擇具有一定的指導(dǎo)作用。
雙酚A環(huán)氧樹脂DER530A80,工業(yè)品,美國陶氏;雙氰胺(Dicy),工業(yè)品,寧夏大榮;二甲基咪唑(2-MI),德國巴斯夫;N,N-二甲基甲酰胺(DMF),揚(yáng)子石化巴斯夫有限責(zé)任公司;1080玻纖布,臺(tái)嘉玻璃纖維有限公司。
1.2.1 等溫固化動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)
使用適量DMF溶解Dicy以及2-MI,溶解完全后添加到環(huán)氧樹脂中,其中,環(huán)氧樹脂:Dicy:2-MI = 100:2:0.05,固體含量控制在65~75%,攪拌均勻即制得膠液。
本實(shí)驗(yàn)采用美國TA公司型號(hào)Q20的差示掃描量熱儀,對(duì)樹脂體系進(jìn)行等溫DSC掃描,實(shí)驗(yàn)過程如下:(1)用一次性注射器吸取少量試樣置于鋁坩堝中,樣品質(zhì)量在10 mg左右;(2)在坩堝蓋上打一小孔用于排氣,蓋好坩堝蓋并壓實(shí),制得試樣;(3)待儀器預(yù)熱完成后,將試樣置于樣品池中;(4)設(shè)置體系的溫度從30 ℃分別升高到指定溫度160 ℃、170 ℃、180 ℃和190 ℃,升溫速率為120 ℃/min,在指定溫度下恒溫60 min,再由指定溫度升溫至220 ℃,升溫速率為10 ℃/min。測試前,對(duì)差示掃描量熱儀進(jìn)行能量和溫度校正,所有測試均選用氮?dú)鈿夥眨獨(dú)獾牧髁繛?0 mL/min。
1.2.2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)
使用前述的膠液均勻浸潤1080玻纖布,室溫下放置48 h,制得預(yù)浸料,并從中裁切一部分作為預(yù)浸料試樣,編號(hào)000。使用廣州愛斯佩克環(huán)境儀器有限公司型號(hào)PHH301的熱風(fēng)烘箱對(duì)預(yù)浸料進(jìn)行烘烤,烘烤溫度恒定為160 ℃,烘烤時(shí)間分別為300 s、400 s、500 s、600 s、700 s、800 s、900 s,制得烘烤后的試樣,分別編號(hào)為1603、1604、1605、1606、1607、1608、1609。
采用美國TA公司型號(hào)Q20的差示掃描量熱儀,將預(yù)浸料試樣和烘烤后的試樣分別進(jìn)行DSC掃描,實(shí)驗(yàn)過程如下:(1)用鑷子裁刀等工具剪取少量試樣置于鋁坩堝中,樣品質(zhì)量在10 mg左右;(2)在坩堝蓋上打一小孔用于排氣,蓋好坩堝蓋并壓實(shí),制得試樣;(3)待儀器預(yù)熱完成后,將試樣置于樣品池中;(4)設(shè)置體系的溫度從30℃分別升高到285 ℃,升溫速率為5 ℃/min。測試前,對(duì)差示掃描量熱儀進(jìn)行能量和溫度校正,所有測試均選用氮?dú)鈿夥?,氮?dú)獾牧髁繛?0 mL/min。
等溫固化曲線和固化放熱量如圖1所示。圖1為不同溫度下的固化曲線,由圖可見,恒溫溫度越高,固化峰越窄,峰值越大;溫度越低,固化峰越寬,峰值出現(xiàn)的時(shí)間越晚。總的來說,隨著溫度的提高,固化峰前移。在升溫至220 ℃的過程中,未見放熱峰,可以認(rèn)為恒溫段固化反應(yīng)已經(jīng)進(jìn)行完全。不同溫度下的固化放熱量不同,溫度越高,放熱量越大。這是因?yàn)轶w系中含有溶劑,在相同升溫速率下,恒溫溫度越高,達(dá)到恒溫段所需時(shí)間越長,因此溶劑有更多的時(shí)間揮發(fā),對(duì)體系的放熱量影響更小。反之,恒溫溫度越低,達(dá)到的時(shí)間更短,溶劑還未揮發(fā)完全,會(huì)吸收一部分固化放出的熱量,導(dǎo)致放熱量減?。ㄒ姳?)。
圖1 不同溫度下的等溫固化曲線
表1 固化放熱量
應(yīng)用Origin數(shù)學(xué)計(jì)算軟件將DSC曲線中的熱流率對(duì)時(shí)間t積分,得到t時(shí)刻下反應(yīng)的放熱量,再將t時(shí)刻下的放熱量比上總的反應(yīng)熱,得到固化度對(duì)時(shí)間曲線。
圖2 不同溫度下的α-t曲線
應(yīng)用等溫DSC法對(duì)固化反應(yīng)進(jìn)行熱分析時(shí),需要進(jìn)行以下幾點(diǎn)假設(shè)。
(1)固化反應(yīng)的基本速率方程[2]見式(1):
式中:α為固化度;t為固化時(shí)間;k(T)為反應(yīng)速率常數(shù),與溫度成函數(shù)關(guān)系,k(T)= Aexp[-Ea/(RT)];f(α)表示反應(yīng)模型;A為指前因子;Ea為反應(yīng)活化能。
(2)固化反應(yīng)速率與熱流率成正比見式(2):
兩邊同時(shí)積分,得到固化度為見式(3):
式中:Hu表示總的放熱量;dH/dt為熱流率,即單位時(shí)間內(nèi)輸入到試樣或參比物的能量。以熱流率對(duì)時(shí)間積分,即可得到某一時(shí)間范圍內(nèi)總的放熱量。
常用的固化反應(yīng)模型有n級(jí)模型、自催化模型和Kamal模型。n級(jí)模型的固化速率極值出現(xiàn)在反應(yīng)剛開始的時(shí)候;自催化模型存在誘導(dǎo)期,固化速率極值出現(xiàn)在反應(yīng)開始后的一段時(shí)間[3],且等溫DSC曲線上存在峰值;Kamal模型中,k2為t=0時(shí)的反應(yīng)速率常數(shù),k3為t>0時(shí)的反應(yīng)速率常數(shù)[4]。(見表2)。
表2 常用的固化反應(yīng)模型
表3 環(huán)氧固化體系的自催化模型動(dòng)力學(xué)參數(shù)
將環(huán)氧固化體系在160 ℃、170 ℃、180 ℃以及190 ℃下的等溫DSC固化曲線基線調(diào)零,由dα/dt= (dH/dt)/Hu可知,曲線縱坐標(biāo)除以總的反應(yīng)熱Hu即可得到dα/dt,結(jié)合前面已經(jīng)求出的各個(gè)時(shí)刻下的固化度,即可做出dα/dt-α曲線。代曉青[3]、柯紅軍[5]等指出環(huán)氧樹脂的等溫固化動(dòng)力學(xué)可以采用自催化模型表示,筆者采用自催化模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,擬合曲線如圖3見表3。
表3為自催化模型的動(dòng)力學(xué)參數(shù),其中RSS為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合曲線的殘差平方和,殘差平方和越小,數(shù)據(jù)擬合程度越好。Adjusted R2為校正決定系數(shù),其值越接近于1,表明擬合效果越好。從圖3可以看出,自催化模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線在反應(yīng)初期的擬合度好,隨著固化度的增大,模型曲線逐漸偏離實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這是因?yàn)榉磻?yīng)初期,分子運(yùn)動(dòng)快,反應(yīng)由化學(xué)活性控制,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,體系的分子量增大,形成一個(gè)空間阻礙作用,使得未反應(yīng)的分子、官能團(tuán)難以相遇,反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)散控制[6]。為描述擴(kuò)散控制對(duì)反應(yīng)的影響,在自催化模型中引入擴(kuò)散因子g(α)[7][8]。見式(4):
其中C為擴(kuò)散系數(shù),αc為臨界反應(yīng)程度。
引入擴(kuò)散因子后的自催化模型為見式(5):
采用如上引入擴(kuò)散因子后的自催化模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,擬合曲線如圖4見表4參數(shù)。
圖4 實(shí)驗(yàn)曲線與擴(kuò)散控制的自催化模型曲線對(duì)比
表4 擴(kuò)散控制的自催化模型動(dòng)力學(xué)參數(shù)
圖5 lnk1與1/T的關(guān)系曲線
從圖4可以看出,引入擴(kuò)散因子后擬合曲線與實(shí)驗(yàn)曲線基本重合,從動(dòng)力學(xué)參數(shù)上看,擬合后的殘差平方和十分接近于0,Adjusted R2均在0.998以上,表明擬合曲線對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重合度高,可以采用擴(kuò)散控制的自催化模型描述該體系的恒溫固化反應(yīng)。前述k(T)= Aexp[-Ea/(RT)],于是lnk =lnA-Ea/RT。將表4所列的k1取自然對(duì)數(shù),然后以lnk1對(duì)1/T作圖,得到圖5。對(duì)圖5所示的四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合,得到相關(guān)系數(shù)為0.9752,說明lnk1與1/T線性相關(guān)性良好(如圖5)。
線性擬合后,直線的斜率-9844.096 =-Ea/R,截距17.439=lnA,解得反應(yīng)活化能Ea=81.843 kJ/mol,指前因子A=3.747×107 s-1。則反應(yīng)速率常數(shù)k1=3.747×107exp(-9844.096/T)。如圖6所示,以m、n、C、αc分別對(duì)溫度T作圖,線性擬合后得到各自與溫度的相關(guān)關(guān)系,最后將其代入固化模型中,得到該體系的等溫固化反應(yīng)模型為如圖6。
圖6 m、n、C、αc與T的關(guān)系曲線
表5 不同試樣的放熱量及固化度對(duì)比
圖7 不同試樣的DSC曲線
在覆銅板生產(chǎn)過程中,需要對(duì)預(yù)浸料進(jìn)行烘烤,以達(dá)到某一所需的固化程度,烘烤時(shí)間越長,樹脂固化程度越高。目前,預(yù)浸料的烘烤時(shí)間僅根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),沒有明確的方法可循,而等溫固化度曲線可以為烘烤時(shí)間提供參考。前述已由DSC反應(yīng)曲線得到體系在160 ℃恒溫下固化度與時(shí)間的關(guān)系,此固化度為理論固化度。將預(yù)浸料置于160 ℃下恒溫烘烤不同時(shí)間,并測試試樣固化度,作為實(shí)測固化度如圖7見表5對(duì)比數(shù)據(jù)。
從試樣的DSC曲線上得出體系的放熱量,再由放熱量求得固化度。從表5可以看出,實(shí)測固化度較理論固化度偏小,這主要是實(shí)驗(yàn)過程的人為誤差和系統(tǒng)誤差造成的。本實(shí)驗(yàn)所用熱風(fēng)烘箱,溫度波動(dòng)較大,在打開烘箱門的過程中烘箱內(nèi)溫度下降,導(dǎo)致實(shí)際恒溫時(shí)間偏短,實(shí)測固化度偏低??偟膩碚f,實(shí)測固化度與理論固化度重合度較好,表明可以由等溫固化度曲線預(yù)測體系達(dá)到某一固化度所需烘烤時(shí)間,為半固化片的生產(chǎn)提供指導(dǎo)作用。
(1)通過差示掃描量熱儀對(duì)雙酚A環(huán)氧樹脂/Dicy體系進(jìn)行等溫DSC掃描,引入擴(kuò)散因子,得出雙酚A環(huán)氧/Dicy體系的固化反應(yīng)符合擴(kuò)散控制的自催化反應(yīng)模型,及模型方程。
(2)由DSC反應(yīng)曲線得出體系固化度對(duì)時(shí)間的關(guān)系曲線,實(shí)驗(yàn)表明,該等溫固化曲線可以預(yù)測體系達(dá)到某一固化度所需的恒溫烘烤時(shí)間,為半固化片固化條件的選擇提供一定的參考作用。