1、環氧樹脂固化物結構與熱傳導性能的關系摘要：采用保護熱流計法測定了絕緣材料常用的幾種環氧樹脂固化物的導熱系數,探討了固化物結構對導熱系數的影響。結果表明:隨溫度升高,環氧固化物的導熱系數基本上都呈上升趨勢;酚醛類、胺類固化體系的導 熱系數明顯高于酸酐固化體系;含有共軛結構的非晶態聚合物的導熱系數隨溫度升高而提高的速率高于無共軛結構的非晶態聚合物。    關鍵詞：環氧樹脂固化物;導熱系數;熱傳導    中圖分類號：TM215.1;TM201.4文獻標志碼:A文章編號:1009-9239(2009)02-004

2、6-03    1.前言    溫度高于室溫時,任何一臺電機、電器或電子設備的電流回路或多或少總存在一定的直流電阻當有電流通過時勢必會產生一定的熱量。對于外冷卻式的電子電氣設備,熱量須先通過絕緣層才能向 外散發,然而絕緣性能優良的材料通常導熱系數都很低,導致熱量不能及時散發而引起溫度升高,限制了設備的額定功率,縮短了使用壽命,嚴重時甚至燒毀設備。為了降低溫升、提高電氣設備的使用壽命和可靠性,通常采用增大設備體積以改善散熱條件,從而加大了制造成本。如果能提高絕緣材料 的導熱系數,電氣設備的散熱問題

3、將得到很大的改善,同時還可以降低制造成本?？梢娞岣呓^緣材料的熱傳導性能對于提升電子電氣設備的制造水平具有重要意義,也是絕緣材料的重要發展方向之一。    一般而言,提高絕緣材料的導熱系數主要有兩種途徑1:一是合成具有高度結晶性或取向度的聚 合物,增強聲子在聚合物中的傳輸;二是在聚合物材 料中填充高導熱無機填料,從而獲得高導熱復合材料。具有高度結晶性或取向度的聚合物通常熔點較高、粘度較大、且流動性不好,通常都需要采用特殊 的成型加工方法,故除了液晶薄膜、聚芳酰胺纖維以 及共聚酯模塑料外,目前還沒有在其它絕緣材料中獲得

4、應用。工業上目前主要還是依靠添加無機粉體 來提高絕緣材料的導熱系數2-3。    按照宏觀熱傳導的唯象理論,如果忽略復合界 面熱阻的影響,連續相的導熱系數與多相復合材料 的導熱系數呈倍率關系4,即可以簡化為以下函數關系:    =0·F(0,V0,V)    式中,為復合材料的導熱系數;0為連續相的導 熱系數;為分散相的導熱系數;V0為連續相的體積分數;V為分散相的體積分數。    因此

5、,研制填充型高導熱絕緣材料,首先應該盡可能提高連續相基體樹脂的導熱系數,以達到盡量減小粉體用量、獲得優良綜合性能的目的。因此, 有必要詳細研究各種基體樹脂的熱傳導性能。    環氧樹脂素有“萬能膠”之稱,大量用于制造各 種類型的電絕緣材料,例如云母帶粘合劑、干式變壓器澆鑄料、絕緣浸漬漆等量大面廣的絕緣材料都大量采用了環氧樹脂。然而,不同環氧樹脂固化物 的熱傳導性能尚未見文獻報道,本文對絕緣材料常用的環氧樹脂固化體系的熱傳導性能進行了研究, 測定了各種固化物的導熱系數,探討了固化物結構對導熱系數的影響,旨在為研制填充

6、型高導熱絕緣材料奠定基礎。    2.實驗    2.1原材料    CYD-128、E44、E12環氧樹脂:岳陽石化環氧樹脂廠;雙馬來酰亞胺:湖北省洪湖雙馬樹脂廠;桐油、650低分子量聚酰胺:市售工業品;順丁烯二酸 酐、苯酚、間苯二酚、鄰苯二酚、雙酚A、甲醛、4,4- 二氨基二苯基砜(DDS):化學純。    2.2 性能測定    密度:按GB/T 10

7、33-1986塑料密度和相對 密度試驗方法(方法A),采用BP221S德國賽多利斯密度天平測試,取3個試樣的算術平均值作為試 驗結果。導熱系數:按美國ASTM標準5檢測,采用美 國Anter公司UNITHERMTMMODEL 2022導熱 儀測試,取2個試樣、每個試樣重復試驗2次的算術 平均值作為試驗結果。    3.結果與討論    絕緣材料采用的固化劑主要有酸酐、酚醛及胺 類等類型,前兩種固化劑在主絕緣、浸漬樹脂、層壓 材料、澆鑄材

8、料應用較多,采用的品種很多。胺類固 化劑主要用于電站、電纜等現場施工、粘合劑、微電 子組件的澆注或灌封,品種也很多。本文選擇其中 比較有代表性的品種,測定了這些固化物的導熱系 數。試驗結果表明,酸酐類固化體系的導熱系數普 遍低于酚醛類和胺類固化體系的導熱系數(見表 1),且隨溫度上升的趨勢也比較緩慢(見圖1)。                   

9、    按照近代固體物理學的基本理論,固體材料內部的傳熱載體有電子、聲子和光子等3種6,對于光 學不透明的材料,熱載體只有電子和聲子。聚合物 中的自由電子主要由金屬雜質產生,極性基團以及共軛結構受熱激發時也能產生電子。聲子取決于聚 合物分子結構和聚集態結構的有序度或結晶度。一般而言,隨溫度升高聚合物的無序性增加,即容易發 生解取向,聲子對熱傳導的貢獻應減小,導熱系數應呈下降趨勢。然而實驗結果表明,普通環氧固化物的導熱系數隨溫度升高大體上都呈上升趨勢,表明 一般環氧固化物結構的有序性很低,溫度對導熱系

10、60;數的影響主要取決于電子對熱傳導的貢獻。酸酐與環氧反應后主要生成酯鍵交聯網絡,羥基總量并沒 有增加,固化物分子的極性較弱,分子間作用力較小,有序性較低,故其密度及導熱系數都較小(見表 1)。溫度超過100、不大于155時,溫度升高時固化物的導熱系數幾乎不變,表明弱極性固化物在此溫區不會由于熱激發而產生電子或離子熱載體。酚類、胺類固化劑中含有大量活潑氫,這些活潑 氫與環氧發生交聯反應時,生成等摩爾的羥基,固 化物分子的極性較強,分子間作用力較大,容易形 成一定程度的有序性結構,故其密度及室溫下導熱系數比酸酐固化體系大。隨溫度升高,酚類及胺類固化體系的導熱系數呈單調上升,表明固化物中羥 基等強極性基團在熱的作用下產生了一定量的電 子或離子熱載體,這種情形與熱激電導現象相似, 溫度越高極性聚合物受熱激發而產生電子或離子 熱載體越多,導熱系數越高。芳香胺(見圖1中DDS固化劑)與脂肪胺(見圖1中低分子量聚酰胺固化 劑)相比,芳香胺固化體系的導熱系數明顯高于脂肪胺,導熱系數隨溫度上升的趨勢也高于脂肪胺,表明芳香胺具有的共軛結構受熱激發也可能會產生 一定的電子或離子熱載體。    4.結論