丙烯酸三元共聚分散劑在環氧澆注工藝中的應用

王楨楠,盛文杰

(中國電子科技集團公司第二十一研究所,上海200233)

0 引 言

環氧澆注工藝是電機制造過程中常用的絕緣方法,適用于幾何尺寸小、結構特殊緊湊、使用條件嚴格的微型特種電機,其所形成的澆注絕緣結構具有緊湊、堅固、整體密封、防潮、防腐蝕、抗震、耐熱、耐寒及絕緣性能優異等優點。環氧澆注材料通常有環氧樹脂本體、固化劑、增韌劑、填充劑等組成。二氧化硅作為常用的填充劑可以相對降低樹脂用量,降低成本,改善固化物的物理和機械性能,包括:

(1)降低固化物的收縮率和熱膨脹系數,避免澆注件發生開裂。

(2)提高耐熱性,改善導熱性。

(3)提高機械強度(如:硬度、抗壓強度)和耐磨性能。

但是在實際的生產工藝過程中,填充劑顆粒受到重力的影響,極其容易沉降。不規則的沉降導致固化產物整體的收縮率和膨脹系數不一致,在高低溫環境的沖擊下,澆注體發生開裂,降低電機整體的電絕緣性能。對于分裝式力矩電動機,因為填料沉降,引起開裂導致絕緣不良的情況尤為嚴重。通常的解決方法是提高填料加入量、使用高速旋轉裝置進行輔助固化或是使用硅烷偶聯劑進行填料預處理來抑制沉降。提高填料加入量會使澆注體系粘度上升,不利于后續的澆注操作;而高速旋轉裝置的經濟投入較大,對于大型電機澆注時存在危險,且無法進行大規模連續生產;而偶聯劑的抗沉降效果也不甚明顯。所以,如何解決填料的沉降已經成為環氧澆注工藝的瓶頸問題[1]。

分散劑是一種在分子結構內部同時具有親油基團和親水基團,可以均勻地分散難溶或者不溶于液體固體顆粒,同時又可以有效防止這些顆料發生沉降或團聚,從而形成穩定懸浮體系的一類助劑,常用于涂料和農藥行業。分散劑的種類較多,其作用機理主要分為雙電層效應和空間位阻效應。雙電層效應主要利用等電點電荷無排斥現象,體系無法發生沉淀或團聚現象;空間位阻效應利用位阻使料子接近時發生滑動或錯開。丙烯酸三元共聚分散劑屬高分子型分散劑,同時具有雙電層效應和空間位阻效應,其分散效果較其它型分散劑來得更好,本文采用它在E-51雙酚A型環氧樹脂中分散SiO2顆粒,來抑制SiO2的沉降。

1 實驗部分

1.1 主要原料及儀器

原料:丙烯酸三元共聚分散劑;二氧化硅(600目);E-51雙酚A型環氧樹脂;LHY-918C酸酐型固化劑;丙酮CP純。

實驗所需儀器設備:S10-2高轉速磁力攪拌攪拌機,722型分光光度計,TGL-16臺式高速離心機,JCM-5000型掃描電子電鏡。

1.2 SiO2顆粒粒子對分散劑的吸附量的測定

配制濃度不同的分散劑溶液,測試在分散劑溶液在分光光度計上的吸光度,并依據吸光度來繪制標準工作曲線。配制分散劑濃度不同的含有SiO210 phr的100 mL雙酚A環氧樹脂懸浮液。懸浮液體系在60℃水浴超聲波中恒溫振蕩分散1 h,而后用吸管吸取一部分懸浮液并在臺式離心機上以10 000 r/m in的速度高速離心30 min,再次用吸管吸取上層清液并用溶劑稀釋到一定程度后在分光光度計上做吸光度測試,求出雙酚A環氧樹脂懸浮液中多余分散劑的質量,從而得到SiO2固體顆粒對分散劑的吸附量。

1.3 分散劑的加入量對SiO2顆粒粒子懸浮率的測定

在100m L的燒杯中加入丙烯酸三元共聚分散劑,加入約50mLE-51雙酚A型環氧樹脂,最后加入10 phr SiO2顆粒填料,將整個體系加熱至60℃,用高速攪拌機攪拌10min以上(轉速設定在1 000～1 200 r/min之間),攪拌完畢后,將整個體系移入50mL的量筒中,并將筒口密封。將密封后量筒放置在90℃水浴中進行加熱。加熱60min后,用吸管吸去上層45m L雙酚A型環氧樹脂懸浮液,并將剩余5m L雙酚A型環氧樹脂懸浮液用大量丙酮進行沖洗,減壓過濾出不溶物。不溶物用丙酮繼續漂洗,并將經過漂洗的不溶物全部轉移至已稱重的潔凈培養皿中,將不溶物和培養皿一起放入100℃烘箱中干燥。干燥后整體再次稱重,前后兩次稱量差值為m,從而計算出SiO2顆粒粒子的懸浮率。

懸浮率的測定公式:

式中:m為雙酚A型環氧樹脂中加入SiO2顆粒和丙烯酸三元共聚分散劑的總質量;m′為量筒底部所含有SiO2顆粒和丙烯酸三元共聚分散劑的質量。

1.4 分散劑的加入量對SiO2顆粒粒子沉降速度的測定

配制加入分散劑量不同的含10.0 phr SiO2的100m L雙酚A型環氧樹脂懸浮液,移入量筒中,并將量筒口部密封。在60℃水浴超聲波中振蕩分散1 h,然后放置于100℃烘箱中進行沉降速度測試,當懸浮液體系發生沉淀現象時,在懸浮液體系中清液和濁液會出現一個明顯的界面,我們將量筒中上層清液的所占體積作為沉降速率快慢測定的標志。

2 結果和討論

2.1 SiO2顆粒粒子對分散劑的吸附量的測定

我們配制了濃度為0.01 g/L、0.05 g/L、0.10 g/L、0.15 g/L、0.20 g/L、0.25 g/L、0.30 g/L、0.35 g/L、0.40 g/L、0.45 g/L、0.50 g/L、0.55 g/L、0.60 g/L的丙烯酸三元共聚分散劑/雙酚A型環氧樹脂溶液。然后我們先將0.10 g/L的分散劑/樹脂溶液放置在分光光度計中進行全波段掃描測試,可以得到其最大吸收峰在230 nm處。然后依次測定各濃度丙烯酸三元共聚分散劑/雙酚A型環氧樹脂溶液在230 nm處的吸光度,依據吸光度的不同繪制曲線。擬合后得到回歸曲線:

往配制好100mL濃度不同分散劑/環氧樹脂溶液中加入10 phr SiO2,依據擬合所得的回歸曲線,求出雙酚A型環氧樹脂懸浮液中多余分散劑的質量,從而得到SiO2固體顆粒對分散劑的吸附量。其吸附量數據如圖1所示。

由圖1我們可以發現,在雙酚A型環氧樹脂中,SiO2顆粒對分散劑的吸附隨著丙烯酸三元共聚物不斷地加入而線性增加。當丙烯酸三元共聚分散劑加入量達到0.393 g/L時,吸附量趨于平衡,即0.393 g/L為SiO2對丙烯酸三元共聚分散劑的飽和吸附量,即丙烯酸三元共聚分散劑可加入量的上限。為了便于今后的試驗操作,我們取0.40 g/L為加入量上限。

圖1 對SiO2吸附量對分散劑加入量的影響

2.2 分散劑的加入量對SiO2顆粒粒子懸浮率的測定

圖2 分散劑的加入量對SiO2懸浮率的影響

我們用不同濃度的丙烯酸三元共聚分散劑來分散10 phr的SiO2固體顆粒,所得的結果如圖2所示。

從圖2中我們發現,丙烯酸三元共聚分散劑具有高效的分散抗沉降的性能。在加入0～0.80 g丙烯酸三元共聚分散劑進行分散階段,SiO2顆粒的懸浮率隨著分散劑用量的增加而增加。當在丙烯酸三元共聚分散劑加入量為0.08 g時,SiO2顆粒的懸浮率已經達到91.32%,然后隨著丙烯酸三元共聚分散劑用量的增加,SiO2懸浮率呈現平緩趨勢。分散劑用量達到0.40 g/L上限時,SiO2顆粒的懸浮率為97.53%。

2.3 分散劑的加入量對SiO2顆粒粒子沉降速度的測定

通過前文所論述的方法,我們進行了沉降速度試驗,試驗數據如圖3所示。

圖3 分散劑的加入量對SiO2沉降速度的影響

在懸浮液體系中的上層純樹脂的體積隨丙烯酸三元共聚分散劑加入量的增加而減少。其中,不加入分散劑時,SiO2顆粒在1～1.5 h內就會產生明顯的界面,4 h左右全部沉降;當懸浮液體系中含有0.05g丙烯酸三元共聚分散劑時,SiO2顆粒會在6 h內全部沉降;當加入量上升至0.10 g時,72 h后上層純樹脂的體積為30.2m L,SiO2顆粒不會全部沉降;當加入量提升至0.20 g分散劑時,72 h后上層純樹脂的體積為10m L,SiO2顆粒不會全部沉降;當加入至上限0.40 g的丙烯酸三元共聚分散劑時,72 h后上層純樹脂的體積只為5.5 m L,SiO2顆粒不會全部沉降。

通過對SiO2懸浮液顆粒進行取樣和電子電鏡掃描,我們可以發現,在加分散劑后,SiO2懸浮液顆粒受到雙電層形成的靜電斥力和吸附層形成的空間位阻效應的共同作用,SiO2顆粒粒子分散均勻,且沒有明顯的SiO2顆粒粒子團;而不加入分散劑的懸浮液中,SiO2顆粒粒子大部分都聚集在一起,呈現大團絮狀結構,有明顯的團聚現象,如圖4所示。

從沉降試驗數據和電子掃描電鏡結果可以說明:隨著丙烯酸三元共聚分散劑量的增加,SiO2顆粒粒子表面吸附的分散劑也越多,在SiO2顆粒表面的雙電層斥力也增加,吸附層也不斷加厚,有效地阻止了顆粒之間相互吸附,粒子和粒子之間的吸附/聚集而最后形成大顆粒而分層/沉降現象得到抑制,導致SiO2顆粒的團聚速度降低,沉降速度減緩,最終有效地抑制雙酚A型環氧樹脂/SiO2懸濁液體系沉降分層。

圖4 SiO2顆粒的掃描電鏡圖

3 結 語

以丙烯酸類三元聚合物分散雙酚A型環氧樹脂中的SiO2顆粒,可以大大提高SiO2顆粒懸浮率,經過測試該類丙烯酸類三元聚合分散劑的飽和用量為0.40 g/L,當用量超過0.40 g/L時,SiO2吸附量趨于平衡,沒有明顯增加現象。在100℃環境SiO2沉降試驗中,靜置72 h后上層純環氧樹脂的體積只為5.5%,明顯抑制了環氧灌封澆注體系中SiO2的沉降現象。

[1] 焦桐順.微電機原理及工藝[M].北京:電子工藝出版社,1984.

[2] 王德中.環氧樹脂生產與應用[M].北京:化學工業出版社,2001.

[3] 歐秀娟,杜海燕.納米TiO2粉體的分散性研究[J].硅酸鹽通報,2006,25(2):74-77.

[4] 任天瑞,陳軍,吁松瑞.一種三元共聚物分散劑及其制備工藝和應用.中國,200810201806.1[P].2008-10-20.