无机粉体及其表面改性对有机硅电子灌封料阻燃性、电性能和力学性能影响

叶贤春，贺建芸，康维佳，何　红，苑会林

(1 厦门北化生物产业研究院有限公司，福建厦门 361022；2 北京化工大学，北京 100029)



无机粉体及其表面改性对有机硅电子灌封料阻燃性、电性能和力学性能影响

叶贤春1，贺建芸1，康维佳2，何红2，苑会林1

(1 厦门北化生物产业研究院有限公司，福建厦门 361022；2 北京化工大学，北京 100029)

摘要：以有机硅树脂为基料、复合粉体为填料，制备有机硅电子灌封料，采用硅烷偶联剂(KH-570)γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷对粉体进行表面处理，研究了粉体种类及其表面改性及用量对有机硅电子灌封料的阻燃性、电学性能和力学性能的影响。研制的有机硅电子灌封料具有良好的阻燃性、电性能和力学性能，可用于较高电压等级的产品，满足避雷器的电气性能要求。

关键词：复合粉体，表面改性，电子灌封料，绝缘性，电气性能

Research on the Influence of Powder and Its Surface Modification to

随着微电子技术的飞速发展，电子元器件向着微型化、集成化、超薄化、高性能化方向发展，为了保证电子元器件的正常工作，免受外界灰尘、潮气、冲击、振动、雷电和化学物质等因素的干扰，需要对电子元器件进行封装或绝缘灌封保护[1-3]。因此，人们对电子灌封料的阻燃性、电学性能和力学性能进行了大量研究[4-5]，对其综合性能的要求不断提高。

本文以有机硅树脂为基料、复合无机粉体为填料，采用硅烷偶联剂(KH-570)对粉体进表面处理，研究了粉体的表面改性及其用量对有机硅电子灌封料的阻燃性、电学性能和力学性能的影响。研制的有机硅电子灌封料具有良好的阻燃性、电性能和力学性能优良，可用于较高电压等级产品，满足避雷器的电气性能要求。

1实验部分

1.1　主要原料和仪器设备

501硅橡胶：M、N组份，中昊晨光研究所；氧化铝粉体，石英粉，氢氧化铝粉，硅微粉：佛山维科德化工材料有限公司；高速搅拌分散机：ESJ-300，上海易勒机电设备有限公司；真空干燥箱：DZ-1BC，天津因赛科技发展有限公司；导热仪：HC-110，EKO公司；旋转粘度计：NDJ-4，上海平轩科学仪器有限公司；邵氏A硬度计：上海陆川量具有限公司；材料万能试验机：Universal testing machine INSTRON 1185，Instron corporation；阻抗分析仪：E4991A，美国安捷伦科技有限公司。

1.2　性能测试

粘度：按GB/T 2794-1995 用旋转粘度计测定；热导率：按GB/T 11205-2009 测定；拉伸强度和断裂伸长率：按GB/T 528-2009 测定；相对介电常数：按GB/T 1409-2006 测定；体积电阻率：按GB/T 1410-2006 测定。

1.3　粉体表面处理

分别把计量的经过110℃ 2h预烘的氧化铝粉、氢氧化铝粉、石英粉和硅微粉加入到高速搅拌分散机中，在高速搅拌下，以喷雾的方式加入质量分数为0.26%的KH-570的乙醇溶液(KH-570与乙醇的质量比为1 ∶1)，对粉体分别进行表面处理，然后将粉体置于100℃的真空干燥箱里干燥 40min，制得改性粉体。

试验时，对不同质量配比的氧化铝粉、氢氧化铝粉、石英粉和硅微粉进行混合得到复合粉体，表1是改性及未改性粉体的复配比例表。

表1　粉体的复合配比

经过表面改性的复合粉体1、2、3分别记为Ci(C1、C2、C3)，未改性的复合粉体1、2、3分别记为Wi(W1、W2、W3)。

1.4　双组份基料的制备

在100份M、N硅胶组份中，分别加入一定量的复合粉体Ci和Wi，高速分散均匀，制成的基料分别记为基料MCi、NCi 和基料MWi、NWi。

1.5　试样的制备

把基料MCi与NCi，及基料MWi与NWi，分别按1 ∶1的质量比混合均匀共混，脱气泡，固化；固化条件：温度80℃±1℃，相对湿度50%±5%，得到固化后的灌封料Ai和Bi。灌封料Ai是加入表面改性的复合粉体制备的；灌封料Bi是用加入表面未改性的复合粉体制备的。然后进行灌封料的阻燃性、电学性能和力学性能测试，对比分析。

2结果与讨论

2.1　粉体用量对有机硅电子灌封料力学性能的影响

由图1可见，加入表面改性及未改性粉体制备的灌封料，随着粉体用量的增加，灌封料的拉伸强度都呈现先增加后降低的趋势，并在粉体加入量为190份时出现最大值。这是由于随着粉体用量的增加，粉体与硅橡胶之间的相互作用增强，所以灌封料的拉伸强度提高；但当粉体用量大于190份后，由于灌封料粘度的增大，造成粉体局部团聚，从而导致灌封料的拉伸强度下降。从图1 还可以看出，在相同粉体用量时，加入经过表面改性的复合粉体的灌封料的拉伸强度高于加入未表面改性粉体的灌封料的拉伸强度。这是由于粉体经过表面处理后，粉体与硅橡胶的相容性明显改善，粉体的分散性提高，界面相互作用力增强。

图1　复合粉体的用量与灌封料拉伸强度的关系

2.2　粉体对电子灌封料电性能及阻燃性的影响

分别在100份M、N硅胶中，加入一定量的复合粉体Ci，混合并制备试样，进行试验研究。结果表明：Al(OH)3有利于提高灌封料的阻燃效果，因为Al(OH)3在高温下分解产生的H2O分子可以吸收燃烧中所产生的热量。实验还表明：Al(OH)3对有机硅灌封料的介质损耗影响较小，但是Al(OH)3对胶料的增稠作用较明显，石英粉填料的增稠作用较小，加入部分石英粉填料，胶料抽真空时排泡容易，同时，阻燃性能较好，并且对基料的介质损耗影响较小。经过大量试验，对配方进行了优化，表2是优化配方的实验结果。优化配方：分别在100份M、N硅胶中，加入190份改性复合粉体C2，制备试样固化，性能测试。

表2　灌封料A2电性能及阻燃性测定结果

实验研究结果表明，用复合粉体C2制备的灌封料能够较好地满足产品对填充材料电气性能及工艺性能的要求。

绝缘性是有机硅灌封料的一个重要性能指标，绝缘性通常用体积电阻率来表征，体积电阻率越高，灌封料的绝缘性就越好。粉体用量对灌封料体积电阻率的影响如图2所示。

图2　粉体用量对灌封胶体积电阻率的影响

由图2可见，随着粉体用量的增加，灌封胶的体积电阻率逐渐减少，这是由于硅微粉的体积电阻率低于硅橡胶所致。在相同粉体用量时，用经过表面改性的粉体制备的灌封料的体积电阻率高于采用未表面改性粉体制备的灌封材料体积电阻率，这是因为粉体经过偶联剂表面处理后，增加了粉体与基体间的界面粘接，从而使有机硅树脂分子间作用力增大，链段的活动性降低，因而导电性减小，体积电阻率增加。

2.3　粉体表面处理对灌封料粘度及稳定性的影响

经过表面处理和未经过表面处理的粉体及其用量对灌封材料粘度的影响如图3所示。

图3　经表面处理和未经表面处理的粉体的加入量与灌封

由图3可知，随着粉体含量的增加，灌封料的粘度增加，同样的粉体加入量，用经表面处理的粉体制备的灌封料的粘度明显低于采用未处理的粉体制备的灌封材料的粘度。原因是粉体表面有羟基，羟基与灌封料中的硅树脂发生化学键合和物理吸附作用，使灌封胶的粘度增加，随着粉体用量的增加，粉体与硅橡胶的这种相互作用力也随之增加，从而导致灌封料粘度不断上升；而经过硅烷偶联剂 KH-570改性的粉体，其表面活性羟基明显减少，粉体表面能及表面极性降低，粉体与硅橡胶之间的相互作用力降低，因此，灌封料的相应粘度也随之降低。

2.4　复合粉体用量对电子灌封胶导热性能的影响

复合粉体用量对有机硅灌封胶热导率的影响如图4所示。由图4可知：随着复合粉体体积分数的增加，灌封料的导热性明显提高。由于基体的热导率远小于填料的热导率，在填料填充量较低时，灌封料的导热率提高不显著，因为低填充量下，大多数粉体颗粒之间未能直接接触，填料粉体的高导热性得不到充分发挥。随着复合粉体含量的进一步增加，粒子与粒子之间的距离减少，传热阻力减少，灌封料的热导率增长较快，因为粉体的高填充量使粉体颗粒在树脂中形成了有效的导热网络，热流可沿着这一网络传递，此时复合粉体填料的高导热性得到了充分发挥，进一步增加复合粉体的用量，灌封胶的热导率增速变缓。从图4 还可以看出，在相同的粉体用量下，灌封料Ai的热导率高于灌封料Bi的热导率，这是由于粉体表面偶联改性，改善了硅橡胶与填料的界面相容性，减少了界面缺陷及可能存在的空隙，降低了体系的热阻的缘故。

图4　复合粉体用量对有机硅灌封料热导率的影响

3结论

(1)粉体经过表面改性处理后，有利于提高有机硅电子灌封料的绝缘性、拉伸强度、热导率。

(2)随着复合粉体加入量的增大，有机硅电子灌封胶的粘度、热导率增加，体积电阻率减小，拉伸强度随着复合粉体加入量的增大先增大后减少。

(3)在灌封胶中加入190份经过KH-570表面改性处理的复合粉体，灌封胶具有良好的阻燃性、电性能和力学性能，可用于较高电压等级的产品，满足避雷器的电气性能要求。

参考文献

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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

中图分类号：TQ 333.93