周北明

（重慶工業(yè)職業(yè)技術學院， 重慶 401120）

環(huán)氧樹脂電子封裝材料的阻燃改性

周北明

（重慶工業(yè)職業(yè)技術學院， 重慶 401120）

在環(huán)氧樹脂（EP）中添加氫氧化鎂和氧化鋁兩種阻燃劑，研究了不同的阻燃劑對EP的阻燃性的影響。結果表明，當氫氧化鎂的體積分數(shù)為15%時，EP復合材料的極限氧指數(shù)為35%，已達到極難燃塑料要求。當氫氧化鎂的體積分數(shù)為15%時，EP復合材料的燃燒等級已達到UL 94 V-1級。當氫氧化鎂和氧化鋁添加的體積分數(shù)相同時，添加氫氧化鎂的EP復合材料的LOI明顯高于添加氧化鋁的EP復合材料。純EP的質量保持率為20%，加入氧化鋁的EP復合材料的質量保持率為30%左右，加入氫氧化鎂的EP復合材料的質量保持率為40%左右，氫氧化鎂使EP的阻燃性能得到很大改善。

環(huán)氧樹脂； 極限氧指數(shù)；阻燃性能；氫氧化鎂；氧化鋁

環(huán)氧樹脂（EP）由于其具有良好的絕緣性，較高的結構強度、良好的密封性能廣泛應用于高低壓電器、電子元器件的灌封等領域［1-2］。但是，它屬于有機高分子材料，阻燃性能較差，其極限氧指數(shù)（LOI）僅為19.8%［3］，而電子封裝領域要求高阻燃性能的材料，對其進行阻燃改性是必然的。陳志軍［4］對生物質苧麻進行阻燃改性，再與EP進行復合，從而得到了阻燃性能較好的EP復合材料。一些文獻［5-8］制備了含磷前驅體，再與EP復合，使得EP的阻燃性能得到改善。由于其制備前驅體工藝復雜，不易于工業(yè)化從而受到局限。國外研究者對EP作為電子封裝材料進行改性，采用的材料有新型的石墨烯材料、碳化硅等，將它們進行填充后，密封材料的性能得到明顯改善［9-15］。筆者采用無機物填充EP進行阻燃改性，阻燃性能改善明顯，而且工藝簡單，易于工業(yè)化生產(chǎn)。

1　實驗部分

1.1原材料

雙酚A EP （E-55）：透明液體、環(huán)氧值0.48～0.54，無錫樹脂廠；

氧化鋁：顏色為半透明粉末，中國鋁業(yè)河南分公司；

氫氧化鎂：白色粉末，密度為2.41 g/cm3，合肥中科阻燃新材料有限公司；

593固化劑：胺值（KOH） 0.96～1.05 mg/g，武漢遠成共創(chuàng)化工廠。

1.2儀器及設備

真空干燥箱：DZF-6020B型，北京恒泰豐科試驗設備有限公司；

真空干燥箱：DZF-6020B型，北京恒泰豐科試驗設備有限公司；

極限氧指數(shù)（LOI）測試儀：JF-3型，北京中航時代儀器設備有限公司；

垂直燃燒實驗機：天海/UL-94型，浙江省天海質檢儀器設備有限公司；

熱重（TG）分析儀：CRY-2P型，上海精密科學儀器有限公司；

1.3試樣制備

稱取一定量的氫氧化鎂和氧化鋁放置于真空干燥箱中，于70℃真空條件下干燥120 min。在偶聯(lián)劑添加一定體積分數(shù)的阻燃劑（15%，25%，35%，45%，55%，65%）并在無水乙醇中充分混合，放置真空干燥箱中干燥，直至完全干燥后取出，過74 μm篩，即為偶聯(lián)阻燃劑。

將上述得到偶聯(lián)阻燃劑和EP分別按照一定的比例在燒杯中混合（其中偶聯(lián)阻燃劑的質量分數(shù)分別為10%，15%，20%）攪拌均勻后加人10%的增韌劑，繼續(xù)攪拌，加人2%的固化劑和促進劑，在60℃水浴下磁力攪拌均勻，然后將其倒人模具，自然冷卻至室溫，最后，將其放置真空干燥箱中，120℃保溫3 h，待冷卻后得到EP復合材料。

1.4性能測試與表征

LOI測試：將EP/氫氧化鎂復合材料、EP/氧化鋁復合材料分別制成標準試樣，垂直放置于透明玻璃筒中，通人氮氣、氧氣混合氣流，用點火器點燃樣品上端，燃燒，記錄3 min或者50 mm處樣品熄滅時氧的體積分數(shù)，測5次，取平均值。

垂直燃燒實驗：測試溫度范圍500～1 000℃。

TG分析：將待測試的EP，EP/氫氧化鎂復合材料和EP/氧化鋁復合材料樣品10～15 mg制成微小顆粒狀，放人坩堝中，在氮氣氣氛下升溫，氮氣的流速為15 mL/min，升溫速率為10℃/min，一直加熱到600℃。

2　結果與討論

2.1固化劑用量的研究

胺類固化劑是通過胺基上的一個氫原子與EP中一個氧基團匹配的，593固化劑的最佳理論含量為23.78%［15］。圖1是添加不同質量分數(shù)的固化劑的EP/氫氧化鎂復合材料樣品照片。

由圖1可知，當固化劑用量為10%時，樣品中存在著很多氣孔且較大，當固化劑的質量分數(shù)為15%時，樣品中依然存在著較多的氣孔，但是氣孔較小；在相同的固化時間，當固化劑質量分數(shù)為20%時，樣品中有很少的氣孔，孔徑也很小，與理論含量值相吻合。

圖1　添加不同質量分數(shù)的固化劑的EP/氫氧化鎂復合材料照片

2.2添加不同阻燃劑對EP復合材料LOI的影響

圖2為不同阻燃劑的EP復合材料的LOI與阻燃劑體積分數(shù)的關系曲線。由圖2可知，隨著阻燃劑在EP復合材料中的體積分數(shù)的增加，復合材料的LOI隨之增大；當氫氧化鎂和氧化鋁在EP中的體積分數(shù)相同時，添加氫氧化鎂的EP復合材料的LOI明顯高于添加氧化鋁的復合材料。當氫氧化鎂的體積分數(shù)為15%時，LOI為35%，已達到極難燃塑料的要求。當阻燃劑在EP中的體積分數(shù)為35%時，添加氫氧化鎂的EP復合材料的LOI為46%，而同體積分數(shù)的氧化鋁的復合材料LOI僅為23%。當氫氧化鎂的體積分數(shù)高于55%時，EP復合材料的LOI已經(jīng)超過LOI測試儀的量程（最大量程為80%）。由此推斷，氫氧化鎂的阻燃性能明顯優(yōu)于氧化鋁。

圖2　添加不同阻燃劑對EP 復合材料LOI的影響

2.3 添加不同阻燃劑對EP復合材料燃燒等級的影響

表1為添加不同阻燃劑的EP復合材料的燃燒等級及發(fā)煙量情況。由表1可知，當氫氧化鎂的體積分數(shù)為15%時，EP/氫氧化鎂復合材料的燃燒等級已經(jīng)為94V-1；當體積分數(shù)為25%時，發(fā)煙量明顯降低。而氧化鋁的體積分數(shù)為55%時，EP/氧化鋁復合材料燃燒等級才為94V-1。燃燒等級實驗結果與LOI結果一致，氫氧化鎂的阻燃性能明顯優(yōu)于氧化鋁。這主要是因為，氫氧化鎂在燃燒過程中于320℃左右發(fā)生熱分解，此反應是吸熱過程，將吸走大部分熱量從而降低復合材料的燃燒溫度，與此同時，該反應會生成大量的水蒸氣，水蒸氣不僅可以起到冷卻的作用還可以起到稀釋煙氣的作用，從而降低煙密度。除此之外，氫氧化鎂失水生成氧化鎂，它的比表面積很大，可以吸附煙氣。氫氧化鎂是通過脫水、吸熱、吸附煙氣改善EP復合材料的阻燃性能。而氧化鋁作為阻燃劑，它具有很好的熱穩(wěn)定性及一定的比表面積，主要通過物理隔離達到阻燃的目的，通過吸附煙氣降低煙氣［7］。

表1　添加不同阻燃劑的EP復合燃燒性能比較

2.4添加不同阻燃劑對EP復合材料熱穩(wěn)定性的影響

圖3為添加不同阻燃劑的EP復合材料的TG曲線。從圖3可以看出，EP/氫氧化鎂復合材料在450℃左右開始分解，比EP/氧化鋁復合材料的分解溫度高100℃，比純EP的分解溫度高約120℃。在500℃附近趨于平緩，且分解溫度范圍較窄，推測原因為，氫氧化鎂分解反應為吸熱反應，且分解出大量水蒸氣，迅速降低EP復合材料的溫度，故分解溫度較窄。純EP的質量保持率為20%，EP/氧化鋁復合材料的的質量保持率率為30%左右，EP/氫氧化鎂復合材料的質量保持率為40%左右，由于質量保持率可作為評價材料阻燃性能的標準之一，與上述實驗數(shù)據(jù)相吻合，氫氧化鎂的阻燃性能要優(yōu)于氧化鋁的阻燃性能，這也證明了氫氧化鎂具有良好的熱穩(wěn)定性。

圖3　添加不同阻燃劑的EP復合材料的TG曲線

3　結論

（1）當固化劑質量分數(shù)為20%時，EP復合材料固化效果最佳。

（2）在EP中添加氫氧化鎂，阻燃效果得到很大改善。當氫氧化鎂和氧化鋁在EP中的體積分數(shù)相同時，添加氫氧化鎂的EP復合材料的LOI明顯高于添加氧化鋁的復合材料。

（3）當氫氧化鎂的體積分數(shù)高于55%時，LOI已經(jīng)超過LOI測試儀的量程（最大量程為80%）當氫氧化鎂的體積分數(shù)為15%時，EP復合材料的燃燒等級已經(jīng)達到UL 94 V-1；當體積分數(shù)為25%時，發(fā)煙量明顯降低。而氧化鋁的體積分數(shù)為55%時，EP復合材料燃燒等級才為UL 94 V-1。

（4）純EP的質量保持率為20%，EP/氧化鋁復合材料的質量保持率為30%左右，EP/氫氧化鎂復合材料的質量保持率為40%左右，EP/氫氧化鎂復合材料阻燃性能要優(yōu)于EP/氧化鋁復合材料的阻燃性能。

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Modification of Flame Retardant Epoxy Resin as Electronic Encapsulating Material

Zhou Beiming
（Chongqing Industry Polytechnic College， Chongqing 401120， China）

Alumina and magnesium hydroxide were added in epoxy resin. The effects of different flame retardant adding to epoxy resin （EP） were studied. The results show that when the volume fraction of magnesium hydroxide is 15%， the limited oxygen index （LOI） of EP composites is 35% and EP composites combustion level is already UL 94 V-1，that reaches the requirements of high fire resistant plastic. When the volume fraction of magnesium hydroxide and alumina in epoxy resin is same，the LOI of magnesium hydroxide epoxy composites is significantly higher than that of alumina composite. The weight maintenance rate of pure epoxy，alumina composite and magnesium hydroxide epoxy composites respectively is 20%， 30%， 40%. The retardant performance of magnesium hydroxide epoxy composites is greatly improved.

epoxy resin； limited oxygen index；fire resistance；magnesium hydroxide；alumina

TQ323.5

A

1001-3539（2016）10-0130-04

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.10.028

聯(lián)系人：周北明，碩士，講師，主要從事電力電子與電氣傳動方面的研究

2016-07-16