團狀模塑料(BMC)制品具有很高的機械強度,良好的電絕緣性、抗漏電性、耐化學腐蝕性等性能,因此廣泛應用于電氣部件、汽車部件和電子塑封等領域。現有的通用型BMC制品的彎曲強度為100MPa,拉伸強度為35 MPa左右,絕緣電阻為1012~1014Ω,耐電弧性為120 s,介電常數為6·5。但是隨著高科技的發展,人們對BMC制品的性能,特別是力學性能,電性能和耐熱性能的要求越來越高,使得BMC制品在電氣、建筑和航天軍工領域的應用受到極大的限制。因此國內外研究學者主要通過改變填料[3]、短切玻纖用量、種類或采用混雜玻纖、添加彈性體組分等途徑來提高BMC制品的力學性能,但是在模量、耐熱、耐腐蝕性、電性能都有不同程度的降低。
      而環氧樹脂作為一種高性能樹脂,具有耐溫性、耐腐蝕性好、力學強度高、絕緣效果好、收縮率和吸水率低等諸多優點[8-9]。如果能運用環氧樹脂獨特的優點,用環氧樹脂代替不飽和樹脂,制備出環氧團狀模塑料,可以在提高BMC制品的力學性能的同時,提高其電性能。
    本文主要是以環氧樹脂為基體,通過設計玻璃纖維/填料/環氧樹脂三元復合材料組分的配方及性能,研究了不同玻纖/填料質量比對BMC制品力學性能、電性能、吸水率的影響,繼而進一步考察不同質量比對其性能的影響規律,并討論其原因。
    1　實驗部分
    1·1　原材料和儀器設備
    雙酚A型環氧樹脂: CYD-128,工業品,岳陽石化環氧樹脂廠;固化劑: 4, 4′-二氨基二環己基甲烷(HMDA),工業品,上海山吉化工公司;增強材料:短切玻璃纖維,無堿,長度4·5 mm,南京玻璃纖維研究院;填料:超細滑石粉, 1 250目,桂林桂廣滑石開發有限公司。
    耐電弧測試儀: NDHU-2,桂林市漓源電子儀器有限公司;捏合機: BWDO-23,常州新區光磊傳動件有限公司;液壓機: YNY32-100,武漢毅能鍛壓機械有限責任公司;微機控制電子萬能試驗機: RGM30A,深圳瑞格爾儀器有限公司。高頻Q表測試儀QBG-3,上海無線電儀器廠。
    1·2　試樣的制備
    1·2·1　BMC的制備路線
            
    1·2·2　實驗配方
    為了研究不同的玻璃纖維/滑石粉質量比對BMC力學性能、電性能的以及吸水率的影響,實驗固定環氧樹脂的質量分數(50% )、模壓料的制備方式、模壓工藝參數,在模壓料具有可操作性的情況下,改變玻璃纖維/滑石粉的質量比,其配方如表1。
           
    1·2·3　BMC的壓制成型
    經過多次試驗,該實驗中環氧BMC的模壓工藝參數確定為:成型溫度為90℃;成型壓力為5MPa;保壓時間為30 min。
    1·3　測試方法
    將壓制成的環氧BMC制品,按照標準加工成試件,測試其各項性能。拉伸強度:按照GB/T 2567—2005進行測試;彎曲強度:按照GB/T 2567—2005進行測試;耐電弧性按照GB 1411—1978進行測試;介電性能按照GB 1409—2006進行測試;體積電阻率按照GB 1410—2006進行測試;吸水率按照GB/T1462—2005進行測試。
    2　結果與討論
    2·1　玻纖/填料質量比對BMC力學性能的影響
    玻璃纖維是BMC的增強體,它的含量對在BMC制品的力學性能有決定性的影響。玻纖/填料質量比小,玻纖含量少而填料的含量卻高,填料的增強效果比玻纖差,但玻纖不能達到理想分散時,在材料內部易產生缺乏玻纖的區域,成為應力集中點,使得BMC的力學性能降低;當玻纖填料質量比較大時,玻纖容易貫穿整個材料,就可以克服上述缺陷。圖1、2是纖維/填料質量比對制品彎曲強度和拉伸強度的影響。
             
    從圖1、圖2可以看出,環氧BMC的力學性能隨纖維/填料質量比的增加呈先上升后下降的趨勢。當玻纖/填料質量比為35/15時,彎曲強度和拉伸強度都達到最大值。加入少量的短切纖維(20/30)時,力學強度很低,這主要是當玻纖/填料質量比小時,玻纖含量低而填料含量高,填料的增強效果比玻纖差,而短纖維不能很好地分散,使得材料內部可能會產生缺乏纖維區域使得應力集中,力學強度下降;當短纖維用量大于一定值時,隨著短纖維用量增大,界面應力分散,較多的短纖維形成密度較大的“纖維帶”,能有效地限制基質形變,阻礙裂紋發展,并成為主要的力學承載體,力學強度隨玻纖含量升高而升高[10-11]。但是玻纖用量過多時, BMC的拉伸、彎曲性能也會變差,這是由于基體樹脂難以浸透纖維,而過多的玻璃纖維也會成束堆積,使得復合材料局部不均,形成應力缺陷,導致制品的力學強度下降。
    2·2　玻纖/填料質量比對BMC電性能的影響
    在BMC工藝中,滑石粉和玻璃纖維本身是絕緣體,具有較好的電絕緣性。但是在BMC制備過程中,由于樹脂的浸潤性不好以及纖維與樹脂粘接性不好等問題存在,研究不同玻纖/填料質量比對電性能的影響很有必要。
           
    表2為環氧BMC的電性能與玻纖/填料質量比的變化關系。由表中數據可以看出,環氧BMC的介電性能隨纖維/填料質量比的增加呈先下降后增加,而體積電阻率隨纖維/填料質量比的增加呈先增加后下降的趨勢。但介電性能和電阻率的數值波動都不大。介電常數除了與樹脂、纖維和填料各自的介電常數和相對含量有關外,同時同它們相互之間的界面也有很大的關系[12]。從表中數據可以看出,介電性能的數值波動不大。只有纖維/填料質量比為40/10時,介電常數上升較快,這主要是:在纖維含量較少時,纖維均能被很好地浸潤,所以雖然纖維含量有所增加,但BMC的介電性能變化的幅度卻不大。而同時玻璃纖維和滑石粉本身的電阻率很高,是良好的絕緣體,所以隨著纖維含量的增加,環氧BMC板材的電阻會略有增加。但當纖維質量分數達到40%時,樹脂無法完全浸潤纖維,板材中的纖維和氣體在制品中形成大量裂紋和氣泡,導致介電常數和介電損耗都上升,而體積電阻率會下降,電性能變差。
    耐電弧性表示絕緣材料對電弧作用的抵抗能力。通常以絕緣材料在電弧作用下,其表面產生“炭痕”(燒焦)所經歷的時間(秒),作為耐電弧性強度的指標[13]。由表中可以看出,在所研究的纖維/填料質量比的范圍內,耐電弧性只有數秒的變化,耐電弧提高的時間很短。但是不加滑石粉的纖維/環氧樹脂復合材料的耐電弧時間為120 s。因此,滑石粉的加入,對環氧BMC的耐電弧性能的提高有一定的改善。這主要是滑石粉在高電壓、強電場和高溫條件下不分解,有良好的耐電弧強度[14]。
    2·3　填料質量比對BMC吸水率的影響
    吸水率是反映材料性能的一個重要指標。通過吸水率可以得出環氧BMC板材內部的密實程度,氣孔的多少,以此來判定板材的性能[15]。通過測試不同玻纖/填料質量比的BMC制品的吸水率,可以得出耐水性好,缺陷少的最佳配方。 
            
    吸水性除了與材料本身如樹脂有關以外,它與模壓工藝以及BMC的配比也有很大的關系,當滑石粉填充到環氧樹脂、玻璃纖維等的空隙中,經過模壓后,制品結構致密,大大降低了制品的吸水率。由數據可以看出,配方1、2、3、4的吸水率都是低于1·0%,說明其耐水性能比較好。但是當玻纖/填料質量比為40/10時,其吸水率已經超過了1%,主要是泡孔或者裂紋和缺陷之類的出現,使得吸水率上升。
    2·4　不同玻纖/填料質量比的BMC制品的斷面微觀形貌
            
    圖3是用掃描電鏡觀察到的BMC制品的斷面形貌圖。由圖可知,玻纖/填料質量比為40/10的制品,纖維與樹脂分離嚴重,有樹脂堆積,纖維含量集中,當玻纖不能達到理想分散時,在材料內部易產生缺乏玻纖的區域,成為應力集中點,使得BMC的力學性能降低。而玻纖/填料質量比為35/15的BMC制品中纖維分布均勻,含量高,與樹脂粘接良好,制品缺陷少,力學性能和電性能都很理想。
    3　結論
    1)纖維和填料的含量對環氧BMC的力學性能、體積電阻率、介電特性、耐電弧性以及吸水率等具有顯著的影響。綜合考慮,當纖維/填料的質量比為35/15時,環氧BMC能獲得較好的力學性能和電性能以及低于1%的吸水率。
    2)研究結果表明:相比現有的通用型BMC制品的力學性能和電性能,運用環氧樹脂獨特的優點,是可以制備出性能較優良的環氧BMC,以解決不飽和聚酯樹脂BMC制品存在的力學強度低、電性能不理想的缺點的。