隨著現代工業的發展,對在特殊環境中使用的環 氧樹脂灌封材料的強度、韌性、耐熱性、絕緣性等方面 都提出了更為嚴格的要求。目前,雖然環氧樹脂 灌封材料已獲得了大量開發,硅微粉填充的環氧樹脂 灌封材料得到了廣泛應用,但新型高性能環氧樹脂灌 封材料的設計與研制仍備受關注。磨碎玻璃纖維 (MG)具有玻璃纖維和粉末填料的共同優點,采用MG 設計的灌封材料具有一定的新穎性和特色,綜合性能 優異,相關的研究工作很少見于文獻報道[3,4]。本研 究采用長徑比為(10~15)∶1的MG為填料,設計了一 類新型的高性能聚氨酯(PU)改性環氧灌封材料。并 對它們的力學性能、熱性能和電性能進行了探討。

        1　實驗部分

        1.1　原料與試劑

      2,4-甲苯二異氰酸酯(TDI):上海試一化學試劑 有限公司生產;聚醚二元醇:分子量1000,PPG,天津 市石油化工三廠生產;4,5環氧環己烷1,2-二甲酸二 縮水甘油酯(TDE-85)、四氫鄰苯二甲酸二縮水甘油酯 (711)和二酚基丙烷環氧樹脂(E-51):天津津東化工廠 生產;甲基四氫鄰苯二甲酸酐(MeTHPA):溫州清明 化工廠生產;2,4,6-三(二甲胺基甲基)苯酚(DMP- 30):長沙市化工研究所生產;1,4-丁二醇(1,4-BDO): 中國醫藥上海化學試劑有限公司; 3-羥甲基丙烷(TMP):中國醫藥上海化學試劑有限公司生產;磨碎 玻璃纖維(MG):直徑為11μm,長徑比為(10~15)∶1, 杭州高科復合材料有限公司生產。

       1.2　試樣制備

       1.2.1　端異氰酸酯基PU預聚體的制備:將稱量好 的PPG加入到潔凈干燥的四口燒瓶中,攪拌、加熱至 120℃回流脫水1 h,降溫至50℃加入化學計量的 TDI,再緩慢升溫至70℃,保溫并勻速攪拌至所需時 間后停止反應,即得到端異氰酸酯基的PU預聚體,轉 移至干凈的燒杯中,冷卻至室溫待用。

       1.2.2　環氧樹脂灌封材料的制備:按比例預先將 MG與環氧樹脂TDE-85或711或E-51、MeTHPA混 合(質量比mMG/mEP=100/100),用高速分散機分 散。然后將制備好的端異氰酸酯基PU預聚體、擴鏈 劑1,4-BDO、交聯劑TMP、固化促進劑DMP-30加入 混合,倒入真空環氧自動灌注機內升溫攪拌,在真空脫 泡一段時間后,在真空條件下灌注到預先涂有脫模劑 的模具中,經程序升溫固化(110℃/2 h,130℃/2 h, 160℃/2 h),隨爐冷卻,打開模具取出樣品即可。

       1.3　材料性能測試

       按GB 1040-92標準,采用CSS-44100型微機控 制電子萬能試驗機測試材料的拉伸強度;按GB 1043 -93標準,采用吳忠材料試驗機廠生產的JB-5型沖 擊試驗機測試其沖擊強度。
    采用美國SDT Q600型同步熱分析儀測定灌封材 料的熱分解與熱失重情況。按GB10580-89標準,采 用ZC36型高阻計測試材料的體積電阻率。

         2　結果與討論

         2.1　三種灌封材料的力學性能

        實驗中分別采用TDE-85環氧樹脂、711環氧樹 脂及E-51環氧樹脂為原料,以PU對環氧樹脂進行改 性,分別制備了MG/PU/TDE-85灌封材料、MG/PU/ 711灌封材料和MG/PU/E-51灌封材料。三種灌封 材料的拉伸強度和沖擊強度如Tab.1所示。從表中 可以看出,MG/PU/TDE-85灌封材料的拉伸強度和 沖擊強度最佳。同時,MG/PU/E-51灌封材料的拉伸 強度高于MG/PU/711灌封材料,而MG/PU/711灌 封材料的沖擊強度則高于MG/PU/E-51灌封材料。 環氧樹脂灌封材料的拉伸強度很大程度上由基體 環氧樹脂的交聯密度所決定。固化過程中TDE-85環 氧樹脂中的三個官能團均參加反應,而711環氧樹脂、 E-51環氧樹脂參加反應的只有兩個官能團,因此, TDE-85的固化物交聯密度最大,得到的MG/PU/ TDE-85灌封材料的拉伸強度最大。與711環氧樹脂 比,E-51環氧樹脂分子結構中包含了相對較多的苯環 結構,苯環結構的存在賦予其剛性,因此,MG/PU/E- 51灌封材料表現出高于MG/PU/711灌封材料的拉 伸強度。另一方面,TDE-85環氧樹脂由于其脂環上 連了兩個相鄰長側鏈(兩個縮水甘油酯基),鏈的柔性 較大,因此,TDE-85環氧樹脂具有一定強度的同時保 持了良好的韌性。而E-51樹脂分子結構中包含了相 對較多的苯環結構,賦予其剛性的同時也在一定程度 上降低了抗沖擊性能,711環氧樹脂柔性介于兩者之 間。因此,MG/PU/TDE-85灌封材料、MG/PU/711 灌封材料的沖擊強度均大于MG/PU/E-51灌封材料 的沖擊強度。
            
   
        2.2　三種灌封材料的熱性能

       實驗測定了三種灌封材料的熱性能,它們的玻璃 化轉變溫度(Tg)和半壽溫度如Tab.2所示。從Tab. 2可以看出,MG/PU/TDE-85灌封材料的Tg最高,比 MG/PU/711和MG/PU/E-51灌封材料分別高出36 ℃和27℃;通常采用半壽溫度來表征材料的耐熱分解 能力,半壽溫度越高,材料的耐熱性能越好。從Tab.2 可以看出,MG/PU/E-51灌封材料的熱穩定性最好, MG/PU/TDE-85灌封材料的熱穩定性略高于MG/ PU/711灌封材料。
            

       上述三種環氧脂灌封材料的Tg主要與高分子鏈 的柔性相關。TDE-85體系固化后的交聯密度大于其 余兩種樹脂體系的交聯密度,材料交聯密度的增大,限 制了其分子鏈的運動,降低了分子鏈的活動性,從而賦 予MG/PU/TDE-85灌封材料較高的Tg。通常Tg用 來表征材料保有較好物理力學性能的使用溫度范圍上 限,可以認為,MG/PU/TDE-85灌封材料具有突出的 耐溫性能。

       高聚物的熱分解主要與化學鍵的斷裂有關。組成 高分子的化學鍵的鍵能越大,材料的耐熱分解能力就 越強,在高分子鏈中含有的弱鍵越少,其熱穩定性越 好[5]。E-51分子主鏈上含有大量的具有較高化學鍵 鍵能的苯環結構,弱鍵的相對含量較低,因此,MG/ PU/E-51灌封材料的半壽溫度最高,TDE-85和711 環氧樹脂的結構相近,兩者的熱穩定性相近。

        2.3　三種灌封材料的電性能

        三種環氧樹脂灌封材料的體積電阻率如Tab.3 所示。由Tab.3可以看出,MG/PU/TDE-85灌封材 料的體積電阻率最高,其次為MG/PU/711灌封材料, MG/PU/E-51灌封材料的體積電阻率最低。 高分子絕緣材料的化學結構是決定其電導性的首 要因素。E-51環氧樹脂的分子結構中含有羥基、醚 鍵、苯基等極性基團,并且極性基團的基團密度相對較 高,易在交變電場的作用下,發生極化作用產生位移電 流,因此,MG/PU/E-51灌封材料的體積電阻率低于 MG/PU/711及MG/PU/TDE-85灌封材料。TDE-85 環氧樹脂含有環氧環己烷結構,而711環氧樹脂則對 應的是苯環結構,由分子雜化軌道理論[6]可知,苯環 中6個碳均為sp2雜化。雜化形成三個sp2雜化軌道, 其中兩個與相鄰碳的sp2雜化軌道重疊形成C-Cσ 鍵,另一個與氫的s軌道重疊,形成C-Hσ鍵,所有原 子均在同一平面上。每個碳上剩下的p軌道垂直于環 所在的平面,相互平行,可在各個方向進行重疊,重疊 結果形成一個閉合的環狀大π鍵。環狀大π鍵相對C -C、C-Hσ鍵來說,極化性較大。環氧環己烷結構中 僅含C-C、C-Hσ鍵而不含π鍵,基團極化性較苯環結構小,這是MG/PU/TDE-85灌封材料的體積電阻 率高于MG/PU/711灌封材料的體積電阻率的原因之 一。同時,TDE-85環氧樹脂有三個官能團參加反應, 固化后的交聯密度大于711環氧樹脂體系的交聯密 度,較高的交聯密度,限制了極性基團的運動。因此, MG/PU/TDE-85灌封材料的體積電阻率高于MG/ PU/711灌封材料的體積電阻率。

   
       3　結論

       (1)通過加入磨碎玻璃纖維(MG)填料和聚氨酯 (PU)對高性能環氧樹脂進行改性,合成的三種環氧樹脂灌封材料均具有優異的綜合性能。

       (2)與711環氧樹脂及E-51環氧樹脂相比,TDE- 85環氧樹脂兼有脂環族環氧樹脂與縮水甘油酯型環 氧樹脂的優點,制備的MG/PU/TDE-85灌封材料的 拉伸強度、沖擊強度、玻璃化轉變溫度、體積電阻率在 三種灌封材料中均為最大,分別達到79·72 MPa、 17·83 kJ/m2、144℃和2·78×1015Ω·cm,具有最佳的 綜合性能。