环氧树脂的工程应用研究

江旭

摘 要：环氧树脂用于产品封装，从其工程应用案例出发，讨论添加活性稀释剂、增稠剂、触变剂、消泡剂、偶联剂等助剂的对环氧树脂实际应用的改善效果；研究环氧树脂的热力学特性（Tg、TG），并应用于产品封装工艺及制程问题的改善。

关键词：环氧树脂；助剂；应用；热分析；改善；研究

中图分类号：U445 文献标志码：A

1 环氧树脂概述

环氧树脂是分子中带有两个或两个以上环氧基低分子量物质及其交联固化产物的总称，其最重要一类是双酚A型环氧树脂。因其原材料易得，成本低，产量比例约占世界环氧树脂使用量80%以上，故也称作通用型环氧树脂。

环氧树脂，与酚醛树脂和不饱和聚酯树脂，被称为三大通用型热固性树脂。环氧树脂具有良好的工艺操作和黏结特性，力学性能和电气性能俱佳、尺寸稳定性好，并具有极佳的耐候性和耐温性。环氧树脂用途广泛，可用于涂料、胶黏剂、封装料、工程塑料、复合材料和建筑材料等领域。特别是在电子电器行业产品灌封、浇注等密封工艺上有很广泛应用。

2 环氧树脂及其助剂的工程应用

双酚A型环氧树脂封装料主要由高环氧值低粘环氧树脂、增韧改性剂、填充料等组分组成。

双酚A型环氧树脂封装料主要为两大类：第一类是胺类固化环氧树脂，称为常温快干型。常温表干时间2h～6h，完全固化时间24h～48h；另一类是酸酐类固化环氧树脂，须加温固化。所需温度往往要高达120℃以上。所以，酸酐类固化剂中往往添加复配胺类或咪唑类促进剂，以降低固化温度。

现在就双酚A型环氧树脂在电子元器件封装上的应用和改善进行研究和讨论。

双酚A型环氧树脂用于产品的封装，因产品的特性和具体施工工艺需求，会遇到许多问题，因此为适应产品特性和固化工艺而使用的助剂，显得尤为重要。

2.1 稀释剂和增稠剂的应用

环氧树脂由于加入了填充料和改性剂，其黏度较大，尤其是胺类固化环氧树脂，其黏度变化随环境温度变化明显。因而，稀释剂和增稠剂的使用成为必然。

在温度较高的情况下，树脂黏度下降，封装容易出现流挂，我们需使用一定比例增稠剂；而温度较低时，树脂黏度上升，流动性差，影响施工效率，我们需使用一定比例稀释剂。这都是为了调节环氧树脂黏度将其控制在一定范围内，使其获得最好的可操作性。

增稠剂一般使用Al（OH）3、SiO2等无机填料，一般使用300目以上小粒径粉末。而稀释剂分为活性稀释剂和非活性稀释剂，非活性稀释剂主要是酮类、酯类等溶剂，为低沸点易挥发溶剂，而且本身不参与固化反应，容易产生气泡、影响交联从而导致树脂性能下降。因而使用参与交联的环氧树脂活性稀释剂，双官能团的二缩水甘油醚成为稀释体系主流。

以某款电子产品封装为例，根据实际经验，结合转子黏度计测量，我们发现常温固化环氧树脂HA适合作业的黏度范围为32000mPa·s～36000mPa·s。

根据反复试验、测试论证：温度22～25℃时，封口环氧树脂体系自身可以满足这一要求；≥26℃时，树脂须添加0.5～1.5%增稠剂D16；而≤22℃，添加0.3～0.5%活性稀释剂D18，可以满足以上要求。结果证明，适当比例增稠剂和稀释剂可以控制该款环氧树脂黏度在适合作业的黏度范围。

2.2 触变剂的应用

触变剂，是能增加液体黏度并使该液体具有触变性的助剂。表现为受到剪切时，稠度变小；停止剪切时，稠度又增加的性质即是触变性。触变剂具有优异防流挂性能，能防止环氧树脂等流体在封装、涂装等过程中的溅落和流挂，改善流平性能。

最常用触变剂有气相二氧化硅、有机膨润土、氢化蓖麻油等。实际应用中，改善环氧树脂流变特性时气相二氧化硅最为常用。

气相二氧化硅为固体气凝胶，该体系在受到剪切力作用时，因氢键很弱，网络结构被破坏，凝胶作用消失，黏度下降；当剪切力去除氢键继续作用时，故能恢复到原来形状。

在生产过程中碰到过因树脂触变性差影响操作的问题，而添加0.3%～0.5%的气相二氧化硅可以获得很好成效。树脂触变性大为提升，与稀释剂配合使用，点胶时树脂出胶顺畅，且树脂在产品口部收缩良好，不出现流淌的现象，很好满足了生产工艺需求。

2.3 偶联剂的应用

在环氧树脂材料中，由于使用了填料等无机物以及粘接界面多样性，偶联剂显得尤为重要。

偶联剂是指一类具有两性结构的物质，其一部分基团与有机物具有亲和力，另一部分基团与无机物填料亲和，使得难相容的有机物和无机物通过这种桥接的形式紧密结合。

环氧树脂中有补强剂、增稠剂等无机填料时，体系中最常用的是硅烷类偶联剂。硅烷偶联剂能有效增加填料与树脂的融合能力，使得“填充料（无机物）—偶联剂—环氧树脂（有机物）”紧密连接；同时，硅烷偶联剂能使环氧树脂封装紧密性大大增强，在实际应用中，无机壳体产品中，偶联剂能使 “陶瓷壳（无机物）—偶联剂—环氧树脂（有机物）”连接起来，增加其结合强度。

在封装环氧树脂中，添加0.5%硅烷偶联剂，实践证明，偶联剂能有效增加环氧树脂与陶瓷类无机界面粘接强度。

2.4 消泡剂的应用

在环氧树脂的生产和配制过程中，经常由于混合、倾倒、流动、搅拌等工序混入空气，产生大量气泡，这些气泡在环氧树脂固化后会形成空隙甚至空洞，对环氧树脂封装强度和密封性能造成很大危害。

能有效防止气泡产生或产生的气泡迅速脱逸的一类助剂我们称为消泡剂。消泡剂表面张力低，能使气泡迅速破裂，从而有效防止气泡的产生和持续存在。

消泡剂常用的有低分子量醇类、油脂类、有机硅类等。环氧树脂体系中，最常使用的一种消泡剂是聚硅氧烷类消泡剂。

某款产品使用0.3%～0.5%硅烷类消泡剂，配合抽真空，气泡不良得到了很大改善，不良率由原来7%～8%降低到0.5 %。

3 环氧树脂的Tg测定与改善研究

环氧树脂Tg，即玻璃化转变温度。玻璃化转变温度是指无定形或半结晶高聚物在降温过程中从橡胶态转变为玻璃体的玻璃化转变所对应的温度。环氧树脂的Tg值作为环氧树脂的重要热力学特征温度，我们在生产过程中，用于评估烘烤工艺、助剂添加影响以及异常情况下的固化物特征；有时同热重TG联用，对于环氧树脂的应用有着很重要的指导作用。

热分析对于环氧树脂应用改善的作用显著。热分析可分析环氧树脂的Tg和TG等信息，对于环氧树脂实际应用和烘烤工藝的改善具有重要作用，可在此测试数据基础上汇总对比以上关联项目，作为环氧树脂研究选用的标准依据。

此外，我们必须结合环氧树脂的使用条件和需求，在设计新产品或改善现有产品设计和固化工艺时予以充分考虑。

结语

环氧树脂作为使用广泛的工程树脂，在用于电子元器件的封装时，有着不可比拟的优势。我们可以根据产品的设计需求，并从材料操作性、力学性能、电气性能、阻燃性能、环保特性和价格等各方面综合评估选择环氧树脂。但环氧树脂使用受环境温湿度、产品自身特点和工艺要求影响，往往要添加一些黏度调节剂（增稠剂和稀释剂）、触变剂、偶联剂、消泡剂等助剂，以提升环氧树脂可操作性，降低缺陷和提高固化可靠性。此外，环氧树脂的封装和烘烤工艺与其产品特性及制作工艺密切相关，通过热分析研究环氧树脂及其不同助剂和不同固化工艺的Tg和TG信息，可以得到一个适合产品的环氧树脂体系及烘烤工艺，并加以改良。而在这基础上，环氧树脂的对比研究，对环氧树脂的工程应用和改善研究有着重要意义。

参考文献

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[2]魏涛，汪在芹，韩玮，等.环氧树脂灌浆材料的种类及其在工程中的应用[J].长江科学院院报，2009，26（7）：69-71.