環(huán)氧樹脂固化物結(jié)構(gòu)與熱傳導(dǎo)性能的關(guān)系

1、環(huán)氧樹脂固化物結(jié)構(gòu)與熱傳導(dǎo)性能的關(guān)系摘要：采用保護(hù)熱流計(jì)法測定了絕緣材料常用的幾種環(huán)氧樹脂固化物的導(dǎo)熱系數(shù),探討了固化物結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響。結(jié)果表明:隨溫度升高,環(huán)氧固化物的導(dǎo)熱系數(shù)基本上都呈上升趨勢;酚醛類、胺類固化體系的導(dǎo) 熱系數(shù)明顯高于酸酐固化體系;含有共軛結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)聚合物的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而提高的速率高于無共軛結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)聚合物。    關(guān)鍵詞：環(huán)氧樹脂固化物;導(dǎo)熱系數(shù);熱傳導(dǎo)    中圖分類號(hào)：TM215.1;TM201.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1009-9239(2009)02-004

2、6-03    1.前言    溫度高于室溫時(shí),任何一臺(tái)電機(jī)、電器或電子設(shè)備的電流回路或多或少總存在一定的直流電阻當(dāng)有電流通過時(shí)勢必會(huì)產(chǎn)生一定的熱量。對(duì)于外冷卻式的電子電氣設(shè)備,熱量須先通過絕緣層才能向 外散發(fā),然而絕緣性能優(yōu)良的材料通常導(dǎo)熱系數(shù)都很低,導(dǎo)致熱量不能及時(shí)散發(fā)而引起溫度升高,限制了設(shè)備的額定功率,縮短了使用壽命,嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀設(shè)備。為了降低溫升、提高電氣設(shè)備的使用壽命和可靠性,通常采用增大設(shè)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(dǎo)熱系數(shù),電氣設(shè)備的散熱問題

3、將得到很大的改善,同時(shí)還可以降低制造成本?？梢娞岣呓^緣材料的熱傳導(dǎo)性能對(duì)于提升電子電氣設(shè)備的制造水平具有重要意義,也是絕緣材料的重要發(fā)展方向之一。    一般而言,提高絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)主要有兩種途徑1:一是合成具有高度結(jié)晶性或取向度的聚 合物,增強(qiáng)聲子在聚合物中的傳輸;二是在聚合物材 料中填充高導(dǎo)熱無機(jī)填料,從而獲得高導(dǎo)熱復(fù)合材料。具有高度結(jié)晶性或取向度的聚合物通常熔點(diǎn)較高、粘度較大、且流動(dòng)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(yīng)用。工業(yè)上目前主要還是依靠添加無機(jī)粉體 來提高絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)2-3。    按照宏觀熱傳導(dǎo)的唯象理論,如果忽略復(fù)合界 面熱阻的影響,連續(xù)相的導(dǎo)熱系數(shù)與多相復(fù)合材料 的導(dǎo)熱系數(shù)呈倍率關(guān)系4,即可以簡化為以下函數(shù)關(guān)系:    =0·F(0,V0,V)    式中,為復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù);0為連續(xù)相的導(dǎo) 熱系數(shù);為分散相的導(dǎo)熱系數(shù);V0為連續(xù)相的體積分?jǐn)?shù);V為分散相的體積分?jǐn)?shù)。    因此

5、,研制填充型高導(dǎo)熱絕緣材料,首先應(yīng)該盡可能提高連續(xù)相基體樹脂的導(dǎo)熱系數(shù),以達(dá)到盡量減小粉體用量、獲得優(yōu)良綜合性能的目的。因此, 有必要詳細(xì)研究各種基體樹脂的熱傳導(dǎo)性能。    環(huán)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(huán)氧樹脂。然而,不同環(huán)氧樹脂固化物 的熱傳導(dǎo)性能尚未見文獻(xiàn)報(bào)道,本文對(duì)絕緣材料常用的環(huán)氧樹脂固化體系的熱傳導(dǎo)性能進(jìn)行了研究, 測定了各種固化物的導(dǎo)熱系數(shù),探討了固化物結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響,旨在為研制填充

6、型高導(dǎo)熱絕緣材料奠定基礎(chǔ)。    2.實(shí)驗(yàn)    2.1原材料    CYD-128、E44、E12環(huán)氧樹脂:岳陽石化環(huán)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(yè)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(xué)純。    2.2 性能測定    密度:按GB/T 10

7、33-1986塑料密度和相對(duì) 密度試驗(yàn)方法(方法A),采用BP221S德國賽多利斯密度天平測試,取3個(gè)試樣的算術(shù)平均值作為試 驗(yàn)結(jié)果。導(dǎo)熱系數(shù):按美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)5檢測,采用美 國Anter公司UNITHERMTMMODEL 2022導(dǎo)熱 儀測試,取2個(gè)試樣、每個(gè)試樣重復(fù)試驗(yàn)2次的算術(shù) 平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。    3.結(jié)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(yīng)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(xiàn)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(dǎo)熱系 數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明,酸酐類固化體系的導(dǎo)熱系數(shù)普 遍低于酚醛類和胺類固化體系的導(dǎo)熱系數(shù)(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(xué)的基本理論,固體材料內(nèi)部的傳熱載體有電子、聲子和光子等3種6,對(duì)于光 學(xué)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(zhì)產(chǎn)生,極性基團(tuán)以及共軛結(jié)構(gòu)受熱激發(fā)時(shí)也能產(chǎn)生電子。聲子取決于聚 合物分子結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的有序度或結(jié)晶度。一般而言,隨溫度升高聚合物的無序性增加,即容易發(fā) 生解取向,聲子對(duì)熱傳導(dǎo)的貢獻(xiàn)應(yīng)減小,導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)呈下降趨勢。然而實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,普通環(huán)氧固化物的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高大體上都呈上升趨勢,表明 一般環(huán)氧固化物結(jié)構(gòu)的有序性很低,溫度對(duì)導(dǎo)熱系

10、60;數(shù)的影響主要取決于電子對(duì)熱傳導(dǎo)的貢獻(xiàn)。酸酐與環(huán)氧反應(yīng)后主要生成酯鍵交聯(lián)網(wǎng)絡(luò),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(dǎo)熱系數(shù)都較小(見表 1)。溫度超過100、不大于155時(shí),溫度升高時(shí)固化物的導(dǎo)熱系數(shù)幾乎不變,表明弱極性固化物在此溫區(qū)不會(huì)由于熱激發(fā)而產(chǎn)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(huán)氧發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)時(shí),生成等摩爾的羥基,固 化物分子的極性較強(qiáng),分子間作用力較大,容易形 成一定程度的有序性結(jié)構(gòu),故其密度及室溫下導(dǎo)熱系數(shù)比酸酐固化體系大。隨溫度升高,酚類及胺類固化體系的導(dǎo)熱系數(shù)呈單調(diào)上升,表明固化物中羥 基等強(qiáng)極性基團(tuán)在熱的作用下產(chǎn)生了一定量的電 子或離子熱載體,這種情形與熱激電導(dǎo)現(xiàn)象相似, 溫度越高極性聚合物受熱激發(fā)而產(chǎn)生電子或離子 熱載體越多,導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)明顯高于脂肪胺,導(dǎo)熱系數(shù)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(jié)構(gòu)受熱激發(fā)也可能會(huì)產(chǎn)生 一定的電子或離子熱載體。    4.結(jié)論