高导热低黏度环氧树脂灌封胶

黄艳娜，周正发，徐卫兵

（合肥工业大学化工学院，安徽 合肥 230009）

高导热低黏度环氧树脂灌封胶

黄艳娜，周正发，徐卫兵*

（合肥工业大学化工学院，安徽 合肥 230009）

以E-51型环氧树脂为基体，Al2O3为导热填料，CYH-277为稀释剂制备高导热低黏度环氧树脂灌封胶。优化了硅烷偶联剂KH-560、稀释剂CYH-277的用量；分别采用NDJ-7型旋转式黏度计和Hot Disk型热常数分析仪测试其黏度和导热系数。结果表明：硅烷偶联剂KH-560用量为1.25%(wt)时效果最优；随CYH-277用量的增加灌封胶黏度、耐热性能均逐渐下降，最佳用量为25%(wt)；随Al2O3用量增加，灌封胶的黏度、导热系数均增大；用量相同时，填充20μmAl2O3的树脂体系相比于填充6μm Al2O3树脂体系黏度小、导热系数大，复配两种粒径Al2O3对应树脂体系的导热性最好；复配Al2O3用量为86%(wt)时，导热系数达到2.23W/(m·K)，此时灌封胶的黏度为30100mPa·s，仍保持较好的加工流动性。

环氧树脂；Al2O3；导热系数；灌封胶；黏度

前言

环氧树脂（EP）具有诸多优异的性能，被广泛应用于国防、国民经济各领域[1]。但其导热系数低，无法满足某些场合的散热要求，限制了它在电路元器件高度集中的电子信息领域的应用，因此研究开发导热环氧树脂灌封胶成为热点。裴昌龙等人[2]选用不同尺寸的改性Al2O3填充环氧/有机硅基体以改善导热性能，所制备的环氧树脂灌封胶的导热系数为1.01W/(m·K)；齐海元等人[3]选用氮化硼（BN）为导热填料，制备的环氧树脂/碳纤维/BN导热复合材料的导热系数为0.8438W/(m·K)。导热环氧树脂灌封胶还存在凝胶快、可操作时间短、黏度大、不易灌封的缺点。

本文以Al2O3为导热填料，硅烷偶联剂KH-560为表面改性剂，CYH-277为稀释剂，制备了兼具优异的导热性和加工流动性的环氧树脂灌封胶。

1 实验部分

1.1 原料

环氧树脂：E-51，无锡蓝星树脂厂；Al2O3：6/20μm,淄博麟凯化工材料有限公司；硅烷偶联剂：KH-560，南京能德化工有限公司；稀释剂：CYH-277，武汉森茂化工有限公司；固化剂：ZY-1618，徐州中研科技有限公司。

1.2 复合材料的制备

取一定量的无水乙醇、硅烷偶联剂KH-560于500ml三口烧瓶中水解，1h后加入适量的Al2O3，升温至80℃反应3.5h。过滤、烘干、粉碎研磨待用。

取一定量的环氧树脂、稀释剂CYH-277、固化剂ZY-1618于烧杯中，加入不同比例改性后的Al2O3。于高速分散机中分散均匀。倒入预热好的模具中，于75℃下真空脱泡。固化工艺为120℃/2h。

1.3 性能测试

活化指数的测试是于250ml锥形瓶中加入100mL去离子水，然后加入一定量的Al2O3，于超声波震荡仪中震荡30min，静置1h后取出沉于底部的粉体烘干称重，按下列公式[4]计算其活化指数：活化指数=（1-沉降部分的质量/粉体总质量）×100%。

粒度分布的测试采用Mastersizer 2000型激光粒度仪（马尔文仪器有限公司）。

黏度的测试采用NDJ-7型旋转式黏度计（上海昌吉地质仪器有限公司），设定温度为25℃。

热分析的测试采用NETZSCH TG 209 F3型热失重分析仪（德国NETZSCH公司），温度范围40～600℃，升温速率10℃/min，N2氛围。

导热系数的测定：使用Hot Disk型热常数分析仪（瑞典Hot Disk公司）。

2 结果与讨论

2.1 Al2O3的表面改性

由图1可知，随着偶联剂用量的增加，Al2O3活化指数逐渐增大，当偶联剂用量为Al2O3的1.25%（wt）时，活化指数达到稳定为99.2%。继续增加用量，偶联剂会在Al2O3表面形成多分子层。由于偶联剂为热绝缘体，热阻较大，多余的低导热率偶联剂分子主要分散存在于两相界面间[5]，因而热导率反而会出现下降。因此KH-560最佳用量为1.25%（wt）。

图2为Al2O3处理前、后的粒度分布图。由图2可知，与表面处理前相比，经KH-560表面处理的Al2O3平均粒径变小，团聚现象减少。这是由于表面处理前，Al2O3粉末表面原子周围缺少相邻原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，表面作用能力大大增强，使其成为一个不稳定的热力学体系，颗粒表面极易与其它原子相结合而产生团聚[6]；经KH-560表面处理后，Al2O3的分散性增强，空间位阻增加，降低了团聚倾向，较改性前的填料更稳定，粒径分布更均匀；还降低填料表面能，增强与基体间的结合作用，降低界面处的热阻[7]，提高体系的导热率。

图1 Al2O3活化指数与KH-560用量的关系Fig.1The relationship between activation index of Al2O3and different contents of KH-560

图2 Al2O3表面处理前后粒度分布Fig.2Particle size distribution of Al2O3before and after modification

2.2 稀释剂用量的影响

以E-51为基体树脂，ZY-1618为固化剂，研究了稀释剂CYH-277用量对灌封胶黏度及固化物耐热性能的影响，如表1所示。

由表1可知，随CYH-277用量的增加灌封胶黏度逐渐下降，当CYH-277用量为E-51的25%（wt）时黏度为660mPa·s，再增加CYH-277用量黏度下降幅度较小；另外随CYH-277用量的增加灌封胶固化物的耐热性逐渐下降；综合考虑黏度和耐热性能，CYH-277用量为25%（wt）时效果最佳。

表1 CYH-277用量对灌封胶黏度及耐热性能的影响Table 1Viscosity and heat resistance properties of composites with different contents of CYH-277

2.3Al2O3对环氧树脂灌封胶黏度和导热系数的影响

环氧树脂灌封胶的黏度特性对其加工性能具有十分重要作用。本文采用两种不同粒径Al2O3并对其进行复配，研究对应体系的黏度特性，如图3所示。

图3 Al2O3对黏度的影响Fig.3Viscosity of composites with different contents of Al2O3

由图3可知，环氧树脂灌封胶的黏度均随Al2O3含量的增加而增大，但增大幅度不同。相同用量时，填充20μm Al2O3树脂体系的黏度小于填充6μm Al2O3树脂体系的黏度。这是因为用量相同时，粒径较小的填料的比表面积大、颗粒间界面多、不利于被环氧树脂充分浸润，黏度较大。另外粒径较小的填料易发生悬浮与团聚，导致树脂体系混合不均匀。复配两种粒径Al2O3对应树脂体系的黏度处于二者之间。

图4 Al2O3对导热系数的影响Fig.4Thermal conductivity of composites with different contents of Al2O3

由图4可知，环氧树脂灌封胶固化物的导热系数均随Al2O3用量的增加而增大，这是因为Al2O3自身的导热系数大于环氧树脂的导热系数。用量相同时，粒径20μm的Al2O3更能提高复合材料的导热系数，而复配两种Al2O3的效果最佳。因为用量相同时，粒径较小的颗粒间存在较多的界面接触，复合材料的传热阻力增大；而粒径较大的颗粒间接触界面少，传热阻力小，更易形成导热通道。大、小粒径的Al2O3复配使用，小粒径Al2O3可以填充到大粒径Al2O3之间的空穴中，使导热填料粒子之间形成了较合理的堆砌[8]，颗粒达到更大限度的致密堆积，从而使体系呈现较好的导热性能。

2.4 高导热低黏度环氧树脂灌封胶

本文以复配6μm、20μm粒径的Al2O3填充环氧树脂基体，得到高导热低黏度环氧树脂灌封胶。

图5 Al2O3对灌封胶导热系数及黏度的影响Fig.5Thermal conductivity and viscosity of composites with different contents of Al2O3

如图5所示，随Al2O3用量增加，环氧树脂灌封胶的黏度、导热系数均增大，当Al2O3用量为86%（wt）时，导热系数达到2.23W/(m·K），此时灌封胶的黏度为30100mPa·s，仍保持较好的加工流动性能。

3 结论

（1）硅烷偶联剂KH-560的最佳用量1.25%（wt），此时活化指数达到最大为99.2%；经偶联剂表面处理的Al2O3平均粒径减小，团聚现象减少；

（2）随CYH-277用量的增加环氧树脂灌封胶黏度、耐热性均逐渐下降，CYH-277最佳用量为25%（wt）；

（3）环氧树脂灌封胶的黏度随Al2O3用量的增加而增大；填充量相同时，填充20μm Al2O3的树脂体系相比于填充6μm Al2O3树脂体系的黏度小、导热系数大；复配两种粒径Al2O3对应树脂体系的导热性能最好，黏度处于二者之间。

（4）复配两种粒径的Al2O3填充量为86%（wt）时，导热系数最高达到2.23W/(m·K)，此时灌封胶的黏度为30100mPa·s，仍保持较好的加工流动性能。

［1］李坚辉，张绪刚，张斌，等．改性剂对环氧灌封胶性能的影响［J］．化学与黏合，2012,34（5）:33～35．

［2］裴昌龙，贺英，张瑶斐，等．高导热环氧/有机硅杂化封装胶的制备与性能［J］．高分子材料科学与工程，2012，28（4）:140～143．

［3］齐海元，齐暑华，曹鹏，等．环氧树脂/碳纤维/BN导热复合材料制备及研究［J］．化学与黏合，2011,33（1）:8～11．

［4］周丽玲，庄涛，王侃，等．纳米氧化锌的改性及其对NR胶力学性能的影响［J］．青岛科技大学学报：自然科学版，2007,28（4）:308～312．

［5］B Lee,G Dai．Influence of interfacial modification on the thermal conductivity of polymer composites［J］．Journal of Materials Science,2009,44(18):4848～4855．

［6］马淑花,郭奋,陈建峰．化学改性氢氧化铝的反团聚研究［J］．高校化学工程学报，2005，19（2）:244～247．

［7］汪怀远．聚合物基动密封材料耐磨性及寿命预测研究［D］．南京:南京工业大学，2007．

［8］B L Zhu,J Ma,J Wu,et al,Study on the Properties of the Epoxy-Matrix Composites Filled with Thermally Conductive AlN and BN Ceramic Particles［J］．Journal of Applied Polymer Science,2010, 118:2754～2764．

Epoxy Potting Adhesive with High Thermal Conductivity and Low Viscosity

HUANG Yan-na，ZHOU Zheng-fa and XU Wei-bing（College of Chemical Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China）

An epoxy potting adhesive with high thermal conductivity and low viscosity was prepared with using E-51 epoxy resin as a matrix, Al2O3as a thermally conductive filler,and CYH-277 as a diluent.The amount of coupling agent and diluent were optimized．The viscosity and thermal conductivities of the epoxy potting adhesive were investigated by NDJ-7 rotation viscometer and Hot Disk thermal constant analyzer.The results showed that the best dosage of KH-560 was 1.25%(wt).The viscosity and heat resistance both gradually declined with the increasing dosage of CYH-277 and the best dosage was 25%(wt).The viscosity and thermal conductivity both rose with the increasing content of Al2O3.when the filler content was same，the 20μm Al2O3was beneficial to a higher thermal conductivity and a lower viscosity than the 6μm Al2O3。Compared with single Al2O3filled composite,it was found that the hybrid Al2O3filled composite had higher thermal conductivity.When the filling fraction of hybrid Al2O3was 86%(wt),the thermal conductivity reached 2.23W/(m·K)and the viscosity was 30100mPa·s,which showed high thermal conductivity and good flow properties.

Epoxy resin;Al2O3；thermal conductivity;potting adhesive;viscosity

TQ436.6

A

1001-0017（2013）06-0016-04

2013-07-22

黄艳娜（1989-），女，安徽宿州人，硕士，主要从事高分子材料改性研究。*通讯联系人：徐卫兵，E-mail:xwb105105@sina.com.