無機粉體及其表面改性對有機硅電子灌封料阻燃性、電性能和力學性能影響

葉賢春，賀建蕓，康維佳，何　紅，苑會林

(1 廈門北化生物產業研究院有限公司，福建廈門 361022；2 北京化工大學，北京 100029)

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無機粉體及其表面改性對有機硅電子灌封料阻燃性、電性能和力學性能影響

葉賢春1，賀建蕓1，康維佳2，何紅2，苑會林1

(1 廈門北化生物產業研究院有限公司，福建廈門 361022；2 北京化工大學，北京 100029)

摘要：以有機硅樹脂為基料、復合粉體為填料，制備有機硅電子灌封料，采用硅烷偶聯劑(KH-570)γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷對粉體進行表面處理，研究了粉體種類及其表面改性及用量對有機硅電子灌封料的阻燃性、電學性能和力學性能的影響。研制的有機硅電子灌封料具有良好的阻燃性、電性能和力學性能，可用于較高電壓等級的產品，滿足避雷器的電氣性能要求。

關鍵詞：復合粉體，表面改性，電子灌封料，絕緣性，電氣性能

Research on the Influence of Powder and Its Surface Modification to

隨著微電子技術的飛速發展，電子元器件向著微型化、集成化、超薄化、高性能化方向發展，為了保證電子元器件的正常工作，免受外界灰塵、潮氣、沖擊、振動、雷電和化學物質等因素的干擾，需要對電子元器件進行封裝或絕緣灌封保護[1-3]。因此，人們對電子灌封料的阻燃性、電學性能和力學性能進行了大量研究[4-5]，對其綜合性能的要求不斷提高。

本文以有機硅樹脂為基料、復合無機粉體為填料，采用硅烷偶聯劑(KH-570)對粉體進表面處理，研究了粉體的表面改性及其用量對有機硅電子灌封料的阻燃性、電學性能和力學性能的影響。研制的有機硅電子灌封料具有良好的阻燃性、電性能和力學性能優良，可用于較高電壓等級產品，滿足避雷器的電氣性能要求。

1實驗部分

1.1　主要原料和儀器設備

501硅橡膠：M、N組份，中昊晨光研究所；氧化鋁粉體，石英粉，氫氧化鋁粉，硅微粉：佛山維科德化工材料有限公司；高速攪拌分散機：ESJ-300，上海易勒機電設備有限公司；真空干燥箱：DZ-1BC，天津因賽科技發展有限公司；導熱儀：HC-110，EKO公司；旋轉粘度計：NDJ-4，上海平軒科學儀器有限公司；邵氏A硬度計：上海陸川量具有限公司；材料萬能試驗機：Universal testing machine INSTRON 1185，Instron corporation；阻抗分析儀：E4991A，美國安捷倫科技有限公司。

1.2　性能測試

粘度：按GB/T 2794-1995 用旋轉粘度計測定；熱導率：按GB/T 11205-2009 測定；拉伸強度和斷裂伸長率：按GB/T 528-2009 測定；相對介電常數：按GB/T 1409-2006 測定；體積電阻率：按GB/T 1410-2006 測定。

1.3　粉體表面處理

分別把計量的經過110℃ 2h預烘的氧化鋁粉、氫氧化鋁粉、石英粉和硅微粉加入到高速攪拌分散機中，在高速攪拌下，以噴霧的方式加入質量分數為0.26%的KH-570的乙醇溶液(KH-570與乙醇的質量比為1 ∶1)，對粉體分別進行表面處理，然后將粉體置于100℃的真空干燥箱里干燥 40min，制得改性粉體。

試驗時，對不同質量配比的氧化鋁粉、氫氧化鋁粉、石英粉和硅微粉進行混合得到復合粉體，表1是改性及未改性粉體的復配比例表。

表1　粉體的復合配比

經過表面改性的復合粉體1、2、3分別記為Ci(C1、C2、C3)，未改性的復合粉體1、2、3分別記為Wi(W1、W2、W3)。

1.4　雙組份基料的制備

在100份M、N硅膠組份中，分別加入一定量的復合粉體Ci和Wi，高速分散均勻，制成的基料分別記為基料MCi、NCi 和基料MWi、NWi。

1.5　試樣的制備

把基料MCi與NCi，及基料MWi與NWi，分別按1 ∶1的質量比混合均勻共混，脫氣泡，固化；固化條件：溫度80℃±1℃，相對濕度50%±5%，得到固化后的灌封料Ai和Bi。灌封料Ai是加入表面改性的復合粉體制備的；灌封料Bi是用加入表面未改性的復合粉體制備的。然后進行灌封料的阻燃性、電學性能和力學性能測試，對比分析。

2結果與討論

2.1　粉體用量對有機硅電子灌封料力學性能的影響

由圖1可見，加入表面改性及未改性粉體制備的灌封料，隨著粉體用量的增加，灌封料的拉伸強度都呈現先增加后降低的趨勢，并在粉體加入量為190份時出現最大值。這是由于隨著粉體用量的增加，粉體與硅橡膠之間的相互作用增強，所以灌封料的拉伸強度提高；但當粉體用量大于190份后，由于灌封料粘度的增大，造成粉體局部團聚，從而導致灌封料的拉伸強度下降。從圖1 還可以看出，在相同粉體用量時，加入經過表面改性的復合粉體的灌封料的拉伸強度高于加入未表面改性粉體的灌封料的拉伸強度。這是由于粉體經過表面處理后，粉體與硅橡膠的相容性明顯改善，粉體的分散性提高，界面相互作用力增強。

圖1　復合粉體的用量與灌封料拉伸強度的關系

2.2　粉體對電子灌封料電性能及阻燃性的影響

分別在100份M、N硅膠中，加入一定量的復合粉體Ci，混合并制備試樣，進行試驗研究。結果表明：Al(OH)3有利于提高灌封料的阻燃效果，因為Al(OH)3在高溫下分解產生的H2O分子可以吸收燃燒中所產生的熱量。實驗還表明：Al(OH)3對有機硅灌封料的介質損耗影響較小，但是Al(OH)3對膠料的增稠作用較明顯，石英粉填料的增稠作用較小，加入部分石英粉填料，膠料抽真空時排泡容易，同時，阻燃性能較好，并且對基料的介質損耗影響較小。經過大量試驗，對配方進行了優化，表2是優化配方的實驗結果。優化配方：分別在100份M、N硅膠中，加入190份改性復合粉體C2，制備試樣固化，性能測試。

表2　灌封料A2電性能及阻燃性測定結果

實驗研究結果表明，用復合粉體C2制備的灌封料能夠較好地滿足產品對填充材料電氣性能及工藝性能的要求。

絕緣性是有機硅灌封料的一個重要性能指標，絕緣性通常用體積電阻率來表征，體積電阻率越高，灌封料的絕緣性就越好。粉體用量對灌封料體積電阻率的影響如圖2所示。

圖2　粉體用量對灌封膠體積電阻率的影響

由圖2可見，隨著粉體用量的增加，灌封膠的體積電阻率逐漸減少，這是由于硅微粉的體積電阻率低于硅橡膠所致。在相同粉體用量時，用經過表面改性的粉體制備的灌封料的體積電阻率高于采用未表面改性粉體制備的灌封材料體積電阻率，這是因為粉體經過偶聯劑表面處理后，增加了粉體與基體間的界面粘接，從而使有機硅樹脂分子間作用力增大，鏈段的活動性降低，因而導電性減小，體積電阻率增加。

2.3　粉體表面處理對灌封料粘度及穩定性的影響

經過表面處理和未經過表面處理的粉體及其用量對灌封材料粘度的影響如圖3所示。

圖3　經表面處理和未經表面處理的粉體的加入量與灌封

由圖3可知，隨著粉體含量的增加，灌封料的粘度增加，同樣的粉體加入量，用經表面處理的粉體制備的灌封料的粘度明顯低于采用未處理的粉體制備的灌封材料的粘度。原因是粉體表面有羥基，羥基與灌封料中的硅樹脂發生化學鍵合和物理吸附作用，使灌封膠的粘度增加，隨著粉體用量的增加，粉體與硅橡膠的這種相互作用力也隨之增加，從而導致灌封料粘度不斷上升；而經過硅烷偶聯劑 KH-570改性的粉體，其表面活性羥基明顯減少，粉體表面能及表面極性降低，粉體與硅橡膠之間的相互作用力降低，因此，灌封料的相應粘度也隨之降低。

2.4　復合粉體用量對電子灌封膠導熱性能的影響

復合粉體用量對有機硅灌封膠熱導率的影響如圖4所示。由圖4可知：隨著復合粉體體積分數的增加，灌封料的導熱性明顯提高。由于基體的熱導率遠小于填料的熱導率，在填料填充量較低時，灌封料的導熱率提高不顯著，因為低填充量下，大多數粉體顆粒之間未能直接接觸，填料粉體的高導熱性得不到充分發揮。隨著復合粉體含量的進一步增加，粒子與粒子之間的距離減少，傳熱阻力減少，灌封料的熱導率增長較快，因為粉體的高填充量使粉體顆粒在樹脂中形成了有效的導熱網絡，熱流可沿著這一網絡傳遞，此時復合粉體填料的高導熱性得到了充分發揮，進一步增加復合粉體的用量，灌封膠的熱導率增速變緩。從圖4 還可以看出，在相同的粉體用量下，灌封料Ai的熱導率高于灌封料Bi的熱導率，這是由于粉體表面偶聯改性，改善了硅橡膠與填料的界面相容性，減少了界面缺陷及可能存在的空隙，降低了體系的熱阻的緣故。

圖4　復合粉體用量對有機硅灌封料熱導率的影響

3結論

(1)粉體經過表面改性處理后，有利于提高有機硅電子灌封料的絕緣性、拉伸強度、熱導率。

(2)隨著復合粉體加入量的增大，有機硅電子灌封膠的粘度、熱導率增加，體積電阻率減小，拉伸強度隨著復合粉體加入量的增大先增大后減少。

(3)在灌封膠中加入190份經過KH-570表面改性處理的復合粉體，灌封膠具有良好的阻燃性、電性能和力學性能，可用于較高電壓等級的產品，滿足避雷器的電氣性能要求。

參考文獻

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the Flame Retardance，Electric Performance and Mechanical

Properties of Silicone Potting Material

YE Xian-chun1，HE Jian-yun1，KANG Wei-jia2，HE Hong2，YUAN Hui-lin1

(1 Amoy-BUCT Industrial Bio-technovation Institute，Xiamen 361022，Fujian，China；

2 Beijing University of Chemical Technology，Bejing 100029，China)

Abstract：Organic silicone resin and composite powders were respectively used as base material and filler to prepare silicone electronic potting compound，and silane coupling agent(KH-570)γ-3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate was used to do surface treatment of the powder. The influence of surface modification and content of the powder to the flame retardance，electric performance and mechanical properties of silicone potting material was studied in this paper. The developed organic silicon electronic potting materials with good flame retardance，electric performance and mechanical properties，could be used in high voltage grade of products，and meet the electrical performance requirements of arrester.

Key words：composite powders，surface treatment，electronic potting material，insulation，electrical performance

中圖分類號：TQ 333.93