氟樹脂復合材料的制備與介電性能分析

趙瑋孫艷

（南京信息職業技術學院，江蘇 南京 210023）

隨著電子行業的發展，參與到電路板(Printed Circuit Board,PCB)生產的企業也越來越多，為了形成更好的競爭優勢，低成本高品質的PCB板成了各家企業追求的目標，因此，各企業對PCB中樹脂的要求也逐漸提高，低介電常數、高玻璃化轉變溫度、高導熱系數以及高絕緣電阻的樹脂成了PCB企業的首選[1-3]。一般來說，在高頻線路中，介電常數和介質損耗應越小越好，介電常數和介質損耗越小則材料介電性能越好，信號的傳播速率越快，一般介電常數范圍在2．7-3．1之間[4-5]。

所以，本次試驗將選其中的介電常數作為研究依據，對制作出的不同比例的復合樹脂進行介電常數及介質損耗測量，確定最佳復合樹脂的混合比例以此來改善信號在電路板上的傳輸速度，這為PCB基材企業增添了成本優勢，也為電子行業進一步發展提供一種可能性。

1 實驗部分

1．1 主要材料

氟樹脂（ZEFFLE GK-570，清漆），大金氟涂料（上海）有限公司；環氧樹脂（WSR6101），藍星新材料無錫樹脂廠；聚酰胺樹脂（650低分子），西南化工有限公司；改性密胺樹脂（CYMEL，○R 303LF 甲醛/甲醇＜0．5%)，氰特化工有限公司。

ZEFFLE GK-570氟樹脂為四氟乙烯/乙烯基單體的共聚物，不含氯，通常使用異氰酸酯、三聚氰酰胺作為固化劑，可調成各種光澤和顏色。可使用噴霧器、刷子、滾筒進行各種涂裝，具備優良的耐候性、防食性、耐薬品性以及去污性。廣泛用于建筑施工、道路橋梁中的保護層涂料[6]。氟樹脂和環氧樹脂直接混合，其介電常數可能相對較低[7-9]，但力學性能不理想，樣品成型不易。

WSR6101環氧樹脂具有防腐和黏結作用，是最常用的樹脂之一。

低分子650聚酰胺樹脂中含有增韌劑，一般與環氧樹脂配套使用，常溫下即可固化，為常用固化劑。

CYMEL是一種高度甲醚化氨基樹脂，可作為聚酯樹脂及環氧樹脂等樹脂的交聯固化劑，固化時能有極好的硬度，柔韌性和戶外耐候性，遂實驗中也應用于復合樹脂的固化。

1．2 主要設備儀器

集熱式磁力攪拌器DF-1；大功率磁力攪拌器88-1；真空干燥箱DZF-605；電熱恒溫鼓風干燥箱DHG-9146A；介電常數及介質損耗測試儀SBJDCS-B。

1．3 實驗方法

通過氟樹脂和環氧樹脂以不同的比例混合，在不同的混合比例中可更換固化劑，比較不同固化劑下的固化樹脂效果，測得不同比例下樹脂的介電常數及介質損耗，最后根據測得的介電常數及介質損耗確定最佳復合樹脂的混合比例。

1．3．1 模具制作

用玻璃刀裁剪 11cm×10cm 玻璃板及 2cm×6．5cm、2cm×10cm 的玻璃條作為邊框。為防止樹脂在固化過程中從模具中流出及固化后難以從玻璃板上取下，故在玻璃板及玻璃條粘接處均用硅脂粘接。

1．3．2 樣品制作與分析

比較樹脂固化后性狀，以外觀和強度能夠滿足測試條件為宜：

樣品1，氟樹脂/改性密胺樹脂=5：1

樣品 2，氟樹脂/環氧樹脂/聚酰胺樹脂=5：1：1

樣品 3，氟樹脂/環氧樹脂/聚酰胺樹脂=5：3：3

樣品4，環氧樹脂/聚酰胺樹脂=3：1

以樣品1為例說明制作過程：選用100ml燒杯，注入50ml氟樹脂，放入集熱式磁力攪拌器中加熱，以減少膠體中氣泡，初設定溫度為60℃，每隔3min升20℃，到130℃時可停止升溫；將氟樹脂放入大功率磁力攪拌器的大燒杯中加熱，溫度設為60℃，注入10ml改性密胺樹脂，加入轉子進行充分攪拌，攪拌時間10min；在有一定的粘度下將混合物均勻倒入模具中，將模具放在托盤中一起放入真空干燥箱中抽真空30min，取出托盤放入烘箱中加熱，初設80℃，隔30min升20℃，觀察樹脂固化情況。混合時膠體為透明色，固化溫度170℃，取出為淺白色透明固體。

分析：氟樹脂/改性密胺樹脂5：1和環氧樹脂/聚酰胺樹脂3：1對比。由于氟樹脂中有wt25%-35%的醋酸正丁酯溶劑，故加熱過程中樣品有酸性氣味，且在加熱過程中不斷出氣泡。故實驗過程中但凡有氟樹脂參與的混合樹脂均在配置過程中未加入固化劑時，將裝有氟樹脂或混合物放入集熱式磁力攪拌器中加熱至130℃，去除部分醋酸正丁酯，減少固化過程中的氣泡影響，保障樣品質量。

2 介電性能分析

在電場作用下，能產生極化的物質又被稱之為電介質。電介質性能對電子工業中的集成電路、電容器等尤為重要。如果將一塊電介質放入一平行電場中，則可發現在介質表面感應出了電荷，即正極板附近的電介質感應出了負電荷，負極板附近的介質表面感應出正電荷。這種電介質在電場作用下產生感生電荷的現象，稱之為電介質的極化。感應電荷產生的原因在于介質內部質點(原子、分子、離子)在電場作用下正負電荷重心的分離，變成了偶極子。不同的偶極子有不同的電偶極矩，電偶極矩的方向與外電場方向一致。表征材料介電性能的參數主要有介電常數與介質損耗。

介電常數：以絕緣材料為介質與以真空為介質制成同尺寸電容器的電容量之比值。表示在單位電場中，單位體積內積蓄的靜電能量的大小。它代表電介質極化并儲存電荷的能力，是個宏觀物理量。

介質損耗：置于交流電場中的介質，以內部發熱(溫度升高)形式表現出來的能量損耗。介質的功率損耗與介質損耗角正切tgδ成正比,所以后者是絕緣材料介質損耗的重要指標，測量tgδ值是判斷電氣設備絕緣狀態地一項靈敏有效的方法。它反映絕緣材料的整體性缺陷（如全面老化）和小電容樣品中的嚴重局部性缺陷。一般來說，tgδ隨溫度的增高而增大。[4]

2．1 試驗數據

被測樣品的介電常數：

被測樣品的損耗角正切值：

式中：K為圓筒電容器線性變化率，一般為0．33/mm，每個測試夾具在盒蓋內標有具體數值 (本實驗采用的夾具K為0．32)。一般按以上公式計算的結果，其精度和重復性是能滿足的。D，M均通過儀器測量得到。

表1 樣品測定數據記錄表（L=1mH，K=0.32，F=500kHz）

2．2 結果分析

根據數據顯示，在氟樹脂材料（樣品1）的基礎上加入少量環氧樹脂后（樣品2），其介電常數和介質損耗均有明顯上升，信號傳播的衰減隨之變大。但繼續增加環氧樹脂和聚酰胺樹脂比例（樣品3），其介電常數與樣品2相比又有所下降，介質損耗繼續增大。通過對比發現，樣品3的介電常數比純粹的環氧樹脂（樣品 4）明顯要低，介質損耗雖然較高，但仍可接受（＜3．0×10-2）。

3 結論

通過混合共聚的方法并選擇合適固化劑，制備了不同配比的氟樹脂/環氧樹脂基復合材料。在氟樹脂/環氧樹脂/聚酰胺樹脂的配比為5：3：3時，室溫下測得其介質損耗角正切為2．7，介電常數為2．1。 與普通環氧樹脂材料相比，在介電常數上有較明顯優勢。說明在環氧樹脂體系中加入適量的氟樹脂，可有效提高其介電性能，滿足電子工程應用的需要。

［1］陳祥寶．聚合物基復合材料手冊[M]．北京：化學工業出版社,2004：105-121．

［2］王汝敏,藍立文．先進復合材料用熱固性樹脂基體的發展[J]．熱固性樹脂,2001,16(1)：36-38．

［3］李哲,曾竟成,杜剛．合材料線芯鋁導線的應用[J]．電網技術,2006,30(增刊)：225-227．

［4］趙文元,趙文明,王亦軍．聚合物材料的電學性能及其應用[M]．北京：化學工業出版社,2006：154．

［5］關振鐸,張中太,焦金生．無機材料物理性能[M]．北京：清華大學出版社,2002：348-349．

［6］最好的防腐涂料——四氟樹脂涂料[J]．有機硅氟資訊,2008,07．

［7］蔡長庚,朱立新,賈德民．動態力學分析在復合材料界面中的應用[J]．纖維復合料,2004,21(1)：46-4．

［8］仲偉虹,李芙蓉,張佐光,等．先進復合材料耐熱性定義與表征[J]．纖維復合材料,1998,15(2)：15-17．

［9］胡志鵬．氟樹脂涂料的特性及發展[J]．涂裝與電鍍,2009,02．