導熱性膠粘劑的制備與性能

邵康宸　卜彥強　史洪源　陳文靜

摘要：實驗以雙酚A型環氧樹脂為基體樹脂、線性酚醛樹脂為固化劑、丁腈橡膠為增韌劑和氮化硼（BN）為填料，添加適量的活性稀釋劑——烯丙基縮水甘油醚（AGE）等其他助劑制備環保型導熱性環氧樹脂膠粘劑，研究基體樹脂、增韌劑、填料、固化劑用量等因素對環氧樹脂膠粘劑性能的影響結果表明，采用正交試驗法優選出制備環保型導熱性環氧樹脂膠粘劑的最佳工藝：在溫度120 ℃條件下固化1 h，再在溫度180 ℃條件下固化2 h，丁腈橡膠質量分數為15%、線性酚醛樹脂質量分數為10%和氮化硼的質量分數為25%，環氧樹脂膠粘劑導熱系數為0.962 W/（m·K），粘接強度為42.91 MPa。

關鍵詞：環氧樹脂;固化劑;導熱性;環保

中圖分類號：TQ433.4

文獻標識碼：A文章編號：1001-5922（2022）06-0013-04

Preparation andproperties of thermal conductive adhesive

SHAO Kangchen， BU Yanqiang， SHI Hongyuan， CHEN Wenjing

（College of Aeronautical Materials Engineering， Xian Aeronautical Polytechnic Institute， Xian 710089， China

）

Abstract：In the experiment， bisphenol A epoxy resin was used as matrix resin， linear phenolic resin as curing agent， nitrile rubber as toughening agent， Boron Nitride （BN） as filler， and an appropriate amount of active diluent age and other additives such as Allyl Glycidyl Ether （AGE） were added to prepare environment-friendly thermal conductivity epoxy resin adhesive. The effects of matrix resin， toughening agent， filler and curing agent on the properties of epoxy resin adhesive were studied. The results showed that the best process for preparing environment-friendly thermal conductivity epoxy resin adhesive was optimized by orthogonal test： curing at 120 ℃ for 1 h， and then curing at 180 ℃ for 2 h，the mass fraction of nitrile rubber was 15%， the mass fraction of linear phenolic resin was 10% and the mass fraction of boron nitride was 25%， the thermal conductivity of epoxy resin adhesive is 0.962 W/（m·K），?and the bonding strength is 42.91 MPa.

Key words：epoxy resin; curing agent; thermal conductivity; environment-friendly

環氧樹脂優良的物理機械和電絕緣性能、與各種材料的粘接性能、以及其使用工藝的靈活性是其他熱固性塑料所不具備的[1-3]。因此它能制成涂料、復合材料、澆鑄料、膠粘劑、模壓材料和注射成型材料，在國民經濟的各個領域中得到廣泛的應用[4-5]。環氧膠粘劑是結構膠粘劑的重要品種，主要由環氧樹脂和固化劑兩大部分組成[6]。為改善某些性能，滿足不同用途加入增韌劑、稀釋劑、促進劑、偶聯劑等輔助材料[7-8]。由于環氧膠粘劑的粘接強度高、通用性強，曾有“萬能膠”、“大力膠”之稱[9-10]，在航空、航天、汽車、機械、建筑、化工、輕工、電子、電器以及日常生活等領域得到廣泛的應用。

當前，隨著機械、電子、航天、航空等工業的快速發展，環保型膠粘劑變得越來越重要，需求量也越來越大。然而環保型綠色環氧樹脂膠粘劑的研究與其應用的實際需求還存在一定差距，許多方面還有待于改進。

本實驗以雙酚A型環氧樹脂為基體樹脂，線性酚醛樹脂為固化劑，丁腈橡膠為增韌劑，氮化硼為填料，再添加適量的活性稀釋劑烯丙基縮水甘油醚等其他助劑，制備環保型導熱性環氧樹脂膠粘劑。

1實驗部分

1.1實驗原料

雙酚A環氧樹脂（工業級，南亞化學）;活性稀釋劑烯丙基縮水甘油醚（AGE）（化學純，南亞化學）;氮化硼（BN）（工業級，天元化工）;線性酚醛樹脂（工業級，廣東宏昌電子有限公司）;丁腈橡膠（工業級，天津市福晨化學試劑廠）;消泡劑（工業級，陜西泰和化工廠）;分散劑（工業級，德國畢克化學）。

1.2實驗儀器

JJ-1型定時電動攪拌器（金壇市華峰儀器有限公司）;HH-2型數顯恒溫水浴鍋（北京科偉永興儀器有限公司）;DZF-6062型真空干燥箱（杭州藍天化驗儀器廠）;Q50型熱重分析儀（TG）（馭锘實業（上海）有限公司）;JSM6510LV型掃描電鏡（日本電子株式會社）;WQF-310型傅里葉變換紅外光譜儀（北京第二光學儀器廠）; DRL-2型導熱測試儀（湘潭湘儀儀器有限公司）。40081EB7-A290-414B-893E-250D359294F8

1.3試樣制備

將環氧樹脂和丁腈橡膠按照一定比例在80～90℃（水?。┗旌暇鶆蚝?，將水浴鍋溫度升高到100 ℃，再加入活性稀釋劑烯丙基縮水甘油醚，混合攪拌均勻;然后加入一定量固化劑線型酚醛樹脂、促進劑、消泡劑和流平劑等，最后加入導熱填料。在一定條件下固化后進行相關性能的測定，探討固化溫度和時間，并以此作為考核指標，采用正交試驗法優選出導熱性環氧樹脂膠粘劑的最佳工藝條件及含量。

1.4測試或表征

（1）SEM分析。采用JSM6510LV型掃描電鏡分析固化物斷裂面形貌，樣品在液氮中低溫脆斷，斷面真空鍍金，掃描加速電壓20 kV;

（2）結構特征。采用紅外光譜（FT-IR）法進行表征，將合成產物壓好成薄片，用WQF-310型傅里葉紅外光譜儀測定其紅外譜圖：測定范圍3 500～400 cm^-1，掃描信號累加16次，分辨率4 cm^-1;

（3）導熱系數。采用DRL-2型導熱測試儀對樣品的導熱系數進行測量，游標卡尺測量出所制備的圓片狀試樣的厚度和直徑。在試樣上涂硅油，并將其放入DRL-2型導熱測試儀中;高溫端溫度設定為50 ℃，程控溫度也設定為50 ℃。按照ASTM D5470-2005導熱儀的操作步驟，測量其導熱系數;

（4）熱性能（TG）。采用熱失重分析法進行表征，以10 ℃/min的升溫速率將試樣從室溫加熱至800 ℃，取樣量為6～10 mg，氮氣氣氛，測量整個過程中的吸熱和放熱狀況;

（5）粘接強度。依據GB/T 14074.10—1993，使用萬能試驗機進行測量，鐵板基板：100 cm × 30 cm × 0.3 cm，施膠面積為3 cm ×3 cm，5組樣品的平均值。

2結果與討論

2.1正交試驗

本試驗中，將環氧樹脂膠粘劑的粘接強度（R）作為考察指標。環氧樹脂膠粘劑粘接強度與其粘接性能呈正相關，即粘接強度越大，粘接性能越好。選取對環氧樹脂膠粘劑的粘接性能有較大影響的增韌劑丁腈橡膠（A）、固化劑線性酚醛樹脂（B）、填料氮化硼（C）作為變化因素，并利用L₉（3³）正交表進行正交試驗，正交試驗水平和因素選擇如表1所示;正交試驗的結果如表2所示。

從表2可以看出，工藝參數的選擇對環氧樹脂膠粘劑的粘接強度有著較為明顯的影響。其中第4組工藝水平組合即A₂B₁C₂時，R得數值最大為42.91 MPa。綜合分析，最佳工藝條件：在丁腈橡膠質量分數為15%，線性酚醛樹脂質量分數為10%，填料氮化硼質量分數為25%時，粘接強度最好。

2.2環氧樹脂膠粘劑的紅外表征

環氧樹脂膠粘劑固化前、后的紅外譜圖，結果如圖1所示。

從圖1（b）可以看出，C—H的振動吸收峰在1 380 cm^-1處;—CH₃、—CH₂—的伸縮振動特征吸收峰分別在2 923、3 457 cm^-1處;苯環骨架的振動吸收峰在1 621 cm^-1處;C—O的振動收縮吸收峰在1 180 cm^-1處;環氧基團的吸收峰在823 cm^-1處;固化條件：在溫度120 ℃條件下，固化1 h;然后，在溫度180 ℃條件下，固化2 h。

從圖1（a）可以看出，在823 cm^-1環氧基團的吸收峰明顯減弱，即環氧基團基本消失，說明在以上固化條件下環氧樹脂膠粘劑基本固化完全。因此，通過紅外光譜的測定，該環氧樹脂膠粘劑體系的固化溫度和時間：在溫度120 ℃條件下，固化1 h;然后在溫度180 ℃條件下，固化2 h。

2.3環氧樹脂膠粘劑導熱性

為了增加雙酚A型環氧樹脂膠粘劑的導熱系數，在固化體系中加入導熱填料來提高其導熱性。在其他條件保持不變的前提下，導熱填料的加入可有效增加環氧樹脂膠粘劑的導熱性，不同BN的含量對環氧樹脂膠粘劑導熱性的影響結果如表3所示。

由表3可知，隨著填料氮化硼質量分數的增加，環氧樹脂膠粘劑的導熱性明顯提高。當填料氮化硼質量分數增加到25%時，其體系導熱系數達到最高;當繼續增加填料氮化硼的含量，環氧樹脂膠粘劑體系的導熱性開始下降。由表3還可以看出，BN的含量影響體系的導熱性，且含量越高導熱性越好。這是因為當填充量比較小時，彼此能夠均勻地分散在體系中，它們之間沒有接觸和相互作用，此時填料對整個體系的導熱性的貢獻不大。而隨著填料量進一步增大，逐漸提高了填料與基體材料的致密程度，使體系內形成了類似網狀或鏈狀的結構形態，即形成了有效的導熱鏈，構成連續的熱流通道，從而復合材料的導熱系數增大明顯。但導熱填料加入過多，其粘接性能開始降低。綜合正交試驗和導熱性兩方面因素考慮，選擇氮化硼的質量分數為25%較為適宜。

2.4環氧樹脂膠粘劑SEM

在其他條件保持不變的前提下，增韌劑對環氧樹脂膠粘劑SEM的影響，結果如圖2所示。

由圖2 （a）可以看出，未添加丁腈橡膠環氧樹脂固化物斷面比較光滑，應力條紋沒有分支，呈直線擴展，而且沒有出現應力分散現象，是典型的脆性斷裂。

由圖2（b）可以看出，添加質量分數15%的丁腈橡膠的環氧樹脂膠粘劑，其斷裂面粗糙，沒有直線狀應力條紋的出現，裂紋發生彎曲形變且分布均勻，是典型的韌性斷裂特征。這說明將丁腈橡膠加入以后，分子鏈段的運動能力增加，阻礙和鈍化了裂紋在樹脂中的擴展，使應力得以分散，從而使固化物的韌性提高。因此，丁腈橡膠的質量分數為15%較為適宜。

2.5環氧樹脂膠粘劑的熱性能40081EB7-A290-414B-893E-250D359294F8

環氧樹脂膠粘劑的TG曲線通?？梢栽谝欢ǔ潭壬象w現其熱穩定性能，在其他條件保持不變的前提下，環氧樹脂膠粘劑固化后TG曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，環氧樹脂膠粘劑在373 ℃時逐漸開始失重，并且在此溫度下，慢慢分解，直到約480 ℃基本完全分解。這是由于環氧樹脂中具有適中的碳碳鏈長度，使得碳碳鏈段發生微區向分離，從而使環氧樹脂的結晶性能變得更好，然而定向排列結晶導致聚合物分子與分子之間形成氫鍵更加容易，說明它獲得了較好的有序結晶。因此，聚合物的鏈段遷移以及結晶的阻旋作用，最終使環氧膠膜表現出優異的熱穩定性。

3結語

（1）以雙酚A型環氧樹脂為基體樹脂，線性酚醛樹脂為固化劑，丁腈橡膠為增韌劑，氮化硼為填料，再添加適量的活性稀釋劑烯丙基縮水甘油醚等其他助劑，制備性能優異的環保型導熱性環氧樹脂膠粘劑。采用此工藝制備的環氧樹脂膠粘劑，柔韌性好、導熱性高、具有良好的熱穩定性能;

（2）采用正交試驗優選出制備環保型導熱性環氧樹脂膠粘劑的最佳工藝條件：在溫度120 ℃條件下，固化1 h;再在溫度180 ℃條件下，固化2 h;丁腈橡膠質量分數為15%，線性酚醛樹脂質量分數為10%，氮化硼質量分數為25%，環氧樹脂膠粘劑導熱系數為0.962 W/（m·K），粘接強度為42.91 MPa。

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