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        多元雜化填料改性聚乙烯基導(dǎo)熱復(fù)合材料的制備與性能

        2021-10-27 07:38:56葉惠尹楊菁菁周仕龍徐立筠
        化工技術(shù)與開發(fā) 2021年10期
        關(guān)鍵詞:氮化硼導(dǎo)熱性聚乙烯

        葉惠尹,楊菁菁,周仕龍,徐立筠,荀 浩

        (江蘇理工學(xué)院材料工程學(xué)院,江蘇 常州 213001)

        在現(xiàn)代電子技術(shù)中,電子封裝技術(shù)的發(fā)展使得電子元件的尺寸越來越小,囊括的功能卻越來越多,因此對(duì)電子封裝材料提出了越來越高的要求。電子封裝材料在保護(hù)電子元件的同時(shí),需要及時(shí)散發(fā)集成電路產(chǎn)生的熱量[1-4]。聚乙烯材料(PE)具有良好的耐化學(xué)腐蝕性、耐低溫性能和韌性,質(zhì)量輕且密度高,特別是具有卓越的電絕緣性和介電性能,是目前聚合物中電絕緣性最優(yōu)越的塑料品種。在保持其高電絕緣性的同時(shí),利用絕緣導(dǎo)熱填料制備導(dǎo)熱電絕緣聚乙烯,使其可廣泛應(yīng)用于電子器件及封裝材料等領(lǐng)域[5-8]。

        填充型導(dǎo)熱材料[9-10]是將高導(dǎo)熱填料添加到聚合物基體中,采用開煉、密煉等方式,將原料混合均勻后制備得到的。因其制備工藝簡單,只需在樹脂基體中添加高導(dǎo)熱填料,就能提高聚合物的導(dǎo)熱性能,反應(yīng)程度易控制,導(dǎo)熱填料及基體的成本低廉,導(dǎo)熱效果明顯,因此填充型復(fù)合材料的制備及研究在國內(nèi)外盛行。

        填充性導(dǎo)熱填料可以在基體中形成導(dǎo)熱通路,但只使用單一的導(dǎo)熱填料,有時(shí)不能很好地構(gòu)建立體導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò),復(fù)合材料熱導(dǎo)率的提升有限。在復(fù)合材料中加入不同維度的導(dǎo)熱填料,可以在填料間互相搭接起三維立體導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò),形成更加密實(shí)的導(dǎo)熱通路[11-13]。h-BN是片層結(jié)構(gòu),層內(nèi)的原子間有很強(qiáng)的共價(jià)鍵存在,在復(fù)合材料中的排列呈高度取向,可使復(fù)合材料內(nèi)部形成二維網(wǎng)絡(luò),可在二維平面上形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)通路。加入短切碳纖維作為骨架,基于BN片層形成二維網(wǎng)絡(luò)后,相互穿插,可搭建起三維立體導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò),為聲子提供有效的導(dǎo)熱通路[14-15]。因此,本工作以2種粒徑的h-BN為改性劑,首先研究2種粒徑氮化硼的質(zhì)量比對(duì)聚乙烯基體綜合性能的影響,再進(jìn)一步添加短切碳纖維,研究多元雜化導(dǎo)熱填料的加入對(duì)聚乙烯基體性能的影響,以期在有效提高聚乙烯導(dǎo)熱性能的同時(shí),使基體具有良好的綜合性能。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 主要原料

        低密度聚乙烯(LDPE),h-BN(粒徑為1μm和16μm),短切碳纖維(CF),十六烷基溴化銨(CTAB,CA),抗氧劑 1010、168。

        1.2 主要儀器設(shè)備

        XH401A型雙輥開煉機(jī),XH406B型壓片機(jī),Sigma500型掃描電子顯微鏡,DRPL-I型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀,CMT4104型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī),ZWK1302-2型微機(jī)控制維卡軟化溫度試驗(yàn)機(jī),ZJC-50kV型擊穿電壓試驗(yàn)儀。

        1.3 多元雜化填料改性聚乙烯導(dǎo)熱復(fù)合材料的制備

        開煉機(jī)前后輥溫度為115/120℃。先將LDPE進(jìn)行開煉,基本成型后加入h-氮化硼及其他助劑熔融塑化,混合均勻后再加入CF。塑化后的物料在壓片機(jī)上進(jìn)一步塑化成型,壓片機(jī)上下板均設(shè)為175℃,低壓4MPa下預(yù)壓4min,高壓15MPa下壓制6min。具體配方見表1。

        表1 多元雜化填料改性聚乙烯基導(dǎo)熱復(fù)合材料的配方 /份

        1.4 測(cè)試與表征

        用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察,按GB/T 16594?2008測(cè)定,斷面噴金處理。導(dǎo)熱系數(shù)按ASTMD 5470?2017測(cè)定,試樣尺寸15 mm×15 mm×4 mm。彎曲性能按GB/T 9341?2008測(cè)試;熱變形溫度按GB/T 1634.1?2004測(cè)試;擊穿電壓按GB/T 1408.1?2006測(cè)試。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 雙粒徑BN質(zhì)量比對(duì)聚乙烯基復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響

        2.1.1 導(dǎo)熱性能

        圖1是雙粒徑BN的質(zhì)量比對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響結(jié)果。從圖1可以看出,固定導(dǎo)熱填料BN的添加量,當(dāng)2種粒徑氮化硼的質(zhì)量比BN(1μm∶16μm)=1∶4時(shí),復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能最好,熱導(dǎo)系數(shù)為0.424 W·m-1·K-1,比純LDPE的導(dǎo)熱系數(shù)0.207W·m-1·K-1提高了95.2%,原因在于大粒徑BN的導(dǎo)熱效果通常優(yōu)于小粒徑。BN粒徑過小時(shí),BN顆粒會(huì)被基體材料包裹,呈現(xiàn)為孤立狀態(tài),顆粒間無法相互接觸,也不能形成導(dǎo)熱通路,因而對(duì)復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能無明顯影響;而較大粒徑的BN不容易被包裹住,填料間可相互觸碰,形成導(dǎo)熱通路,從而提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。雙粒徑BN作為填料填充時(shí),大粒徑BN之間存在空隙,缺少橋梁搭建,導(dǎo)熱通路不嚴(yán)密,容易使基體阻礙聲子的傳播。而小粒徑BN的加入,可以填補(bǔ)大粒徑BN間的間隙,搭建比較密實(shí)的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò),有助于減小聲子在傳播途中的散射。但小粒徑BN易被基體包裹,形成海島結(jié)構(gòu),因此添加比例不宜過多,以免填料團(tuán)聚在一起,影響材料的導(dǎo)熱性能。因此,當(dāng)BN總加入量一定時(shí),大粒徑BN顆粒的占比越多,復(fù)合材料的導(dǎo)熱通路越完善,導(dǎo)熱系數(shù)也隨之提高。

        圖1 雙粒徑BN質(zhì)量比對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響

        2.1.2 力學(xué)性能

        圖2是雙粒徑BN的質(zhì)量比對(duì)復(fù)合材料彎曲性能的影響結(jié)果。從圖2可以看出,在LDPE中加入導(dǎo)熱填料BN后,復(fù)合體系的彎曲強(qiáng)度較純LDPE有所提高,其中,氮化硼質(zhì)量比BN(1μm∶16μm)=1∶1時(shí),彎曲強(qiáng)度的提高最大,為10.0MPa,較純LDPE提高了37.6%。這是因?yàn)樾×紹N的比表面積大,相同質(zhì)量下,粒子數(shù)相對(duì)會(huì)增加,與基體接觸的表面積也隨之增大,界面之間的相互作用會(huì)使填料在基體中獲得更多的應(yīng)力分散,用以吸收外界對(duì)其的應(yīng)力。

        圖2 雙粒徑BN的質(zhì)量比對(duì)復(fù)合材料彎曲性能的影響

        2.1.3 電絕緣性能

        表2是雙粒徑BN的質(zhì)量比對(duì)復(fù)合材料擊穿電壓的影響結(jié)果。從表2可以看出,隨著雙粒徑氮化硼的加入,復(fù)合材料的擊穿電壓無較大變化,保持在7.6~7.9kV之間,復(fù)合體系仍保持較好的電絕緣性。這是因?yàn)锽N的導(dǎo)電性能一般,它的加入沒有改善基體材料的電流通路,電子流動(dòng)受阻,基體仍具有較好的電絕緣性。

        表2 雙粒徑BN的質(zhì)量比對(duì)復(fù)合材料擊穿電壓的影響

        2.1.4 耐熱性能

        圖3是雙粒徑BN的質(zhì)量比對(duì)復(fù)合材料熱變形溫度的影響結(jié)果。由圖3可知,隨著雙粒徑氮化硼的加入,復(fù)合材料的熱變形溫度略有提高,原因可能是BN是剛性填料,它的加入占據(jù)了基體的空間,增加了基體樹脂分子鏈之間的距離,氫鍵作用減弱,空間位阻增加,使得LDPE分子鏈的伸展受到限制,隨著溫度的上升,復(fù)合材料變形溫度的上升變得滯后,因此復(fù)合材料的熱變形溫度提高。

        圖3 雙粒徑BN質(zhì)量比對(duì)復(fù)合材料熱變形溫度的影響

        2.2 多元雜化填料的加入對(duì)聚乙烯基復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響

        2.2.1 導(dǎo)熱性能

        如表3所示,隨著短切碳纖維的加入,LDPE/BN/CF復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)先降低后增加,當(dāng)短切碳纖維的添加量為6份時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)最高為0.373W·m-1·K-1。這是因?yàn)槎糖刑祭w維的主要成分為碳,因此具有良好的導(dǎo)熱性能。隨著短切碳纖維含量的增加,BN/LDPE復(fù)合材料體系中的樹脂與雙粒徑氮化硼導(dǎo)熱粒子之間填充進(jìn)了短切碳纖維,短切碳纖維能夠在樹脂和導(dǎo)熱粒子之間交織穿插,形成有效的三維網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)熱通路,從而提升復(fù)合體系的導(dǎo)熱系數(shù)。但短切碳纖維含量過大時(shí)易形成氣泡,填料與基體之間的界面位阻過大,會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料導(dǎo)熱性能下降。

        表3 短切碳纖維含量對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響

        2.2.2 力學(xué)性能

        圖4是短切碳纖維含量對(duì)復(fù)合材料彎曲性能的影響結(jié)果。由圖4可知,隨著短切碳纖維的含量增加,復(fù)合體系的彎曲強(qiáng)度增大。這是因?yàn)槎糖刑祭w維含量越多,越易在基體內(nèi)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),界面之間的相互作用會(huì)使填料在基體中獲得更多的應(yīng)力分散,從而提高了復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度。

        圖4 短切碳纖維含量對(duì)復(fù)合材料彎曲性能的影響

        2.2.3 電絕緣性能

        表4是短切碳纖維含量對(duì)復(fù)合材料擊穿電壓的影響結(jié)果。由表4可知,保持BN(1μm∶16μm)=1∶3,添加短切碳纖維后,復(fù)合材料的擊穿電壓無較大變化,依舊維持在7~8kV范圍內(nèi),表現(xiàn)出復(fù)合體系良好的電絕緣性。這是因?yàn)槎糖刑祭w維加入后,未在復(fù)合材料中形成有效的電流通路,復(fù)合材料仍保持在電絕緣范圍內(nèi)。

        表4 短切碳纖維含量對(duì)復(fù)合材料擊穿電壓的影響

        2.2.4 耐熱性能

        圖5是短切碳纖維含量對(duì)復(fù)合材料熱變形溫度的影響結(jié)果。由圖5可知,隨著短切碳纖維的含量增加,復(fù)合材料的熱變形溫度提高。原因在于,一方面短切碳纖維與BN之間互相交疊堆砌形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),使得復(fù)合體系結(jié)合得更緊密;另一方面由于短切碳纖維的剛性較強(qiáng),是典型的性能增強(qiáng)材料,因此隨著其用量增加,復(fù)合材料的熱變形溫度上升。

        圖5 短切碳纖維含量對(duì)復(fù)合材料熱變形溫度的影響

        2.3 掃描電鏡分析

        圖6(a)是氮化硼質(zhì)量比為BN(1μm∶16μm)=1∶3、添加量為30份時(shí)的LDPE/BN導(dǎo)熱復(fù)合材料的SEM圖片。由圖可知,BN為片層的六方結(jié)構(gòu),大部分呈圓形,在垂直方向,相互平行地堆疊在一起,還有散落在不同方向的單層BN。層內(nèi)的原子間有很強(qiáng)的共價(jià)鍵存在,層間則存在較弱的范德華力,所以層間較易剝離而單層結(jié)構(gòu)不易被破壞。因此,BN具有非常好的相容性和分散性。BN填料在復(fù)合材料中的排列呈高度取向,使得復(fù)合材料內(nèi)部形成了二維網(wǎng)絡(luò),可為聲子提供有效的導(dǎo)熱通路。

        圖6(b)是加入6份短切碳纖維后,多元雜化改性的導(dǎo)熱復(fù)合材料沖擊斷面的掃描電鏡圖。由圖可知,短切碳纖維和氮化硼粒子能較好地分散在基體樹脂中,以短切碳纖維作為骨架,可在LDPE基體中成功搭建三維立體導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò),導(dǎo)熱粒子間可形成更多的物理連接,使聲子的傳播更高效,從而提高了復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。

        圖6 LDPE/BN及LDPE/BN/CF復(fù)合材料的SEM圖

        3 結(jié)論

        1)BN(1μm∶16μm)=1∶3時(shí),復(fù)合材料的綜合性能較好,在保持較高導(dǎo)熱性能、較好絕緣性能的同時(shí),力學(xué)性能也較優(yōu)。

        2)在BN(1μm∶16μm)質(zhì)量比為1∶3的雙粒徑氮化硼中,加入短切碳纖維,可形成雜化導(dǎo)熱填料體系。隨著短切碳纖維的用量增加,聚乙烯基導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)增加。當(dāng)短切碳纖維用量為6份時(shí),復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)最大,為0.373W·m-1·K-1,是純LDPE導(dǎo)熱系數(shù)的1.8倍。隨著短切碳纖維的用量增加,復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度增加,耐熱性能提高,電絕緣性能變化不大。

        3)掃描電鏡結(jié)果表明,短切碳纖維加入后,在LDPE基體中成功搭建了三維立體導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò),導(dǎo)熱粒子間形成了更多的物理連接,使得聲子的傳播更高效,從而提高了復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。

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