丙烯酸三元共聚分散劑在環(huán)氧澆注工藝中的應(yīng)用

王楨楠,盛文杰

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所,上海200233)

0 引 言

環(huán)氧澆注工藝是電機(jī)制造過程中常用的絕緣方法,適用于幾何尺寸小、結(jié)構(gòu)特殊緊湊、使用條件嚴(yán)格的微型特種電機(jī),其所形成的澆注絕緣結(jié)構(gòu)具有緊湊、堅(jiān)固、整體密封、防潮、防腐蝕、抗震、耐熱、耐寒及絕緣性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)。環(huán)氧澆注材料通常有環(huán)氧樹脂本體、固化劑、增韌劑、填充劑等組成。二氧化硅作為常用的填充劑可以相對(duì)降低樹脂用量,降低成本,改善固化物的物理和機(jī)械性能,包括:

(1)降低固化物的收縮率和熱膨脹系數(shù),避免澆注件發(fā)生開裂。

(2)提高耐熱性,改善導(dǎo)熱性。

(3)提高機(jī)械強(qiáng)度(如:硬度、抗壓強(qiáng)度)和耐磨性能。

但是在實(shí)際的生產(chǎn)工藝過程中,填充劑顆粒受到重力的影響,極其容易沉降。不規(guī)則的沉降導(dǎo)致固化產(chǎn)物整體的收縮率和膨脹系數(shù)不一致,在高低溫環(huán)境的沖擊下,澆注體發(fā)生開裂,降低電機(jī)整體的電絕緣性能。對(duì)于分裝式力矩電動(dòng)機(jī),因?yàn)樘盍铣两?引起開裂導(dǎo)致絕緣不良的情況尤為嚴(yán)重。通常的解決方法是提高填料加入量、使用高速旋轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行輔助固化或是使用硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行填料預(yù)處理來抑制沉降。提高填料加入量會(huì)使?jié)沧Ⅲw系粘度上升,不利于后續(xù)的澆注操作;而高速旋轉(zhuǎn)裝置的經(jīng)濟(jì)投入較大,對(duì)于大型電機(jī)澆注時(shí)存在危險(xiǎn),且無法進(jìn)行大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn);而偶聯(lián)劑的抗沉降效果也不甚明顯。所以,如何解決填料的沉降已經(jīng)成為環(huán)氧澆注工藝的瓶頸問題[1]。

分散劑是一種在分子結(jié)構(gòu)內(nèi)部同時(shí)具有親油基團(tuán)和親水基團(tuán),可以均勻地分散難溶或者不溶于液體固體顆粒,同時(shí)又可以有效防止這些顆料發(fā)生沉降或團(tuán)聚,從而形成穩(wěn)定懸浮體系的一類助劑,常用于涂料和農(nóng)藥行業(yè)。分散劑的種類較多,其作用機(jī)理主要分為雙電層效應(yīng)和空間位阻效應(yīng)。雙電層效應(yīng)主要利用等電點(diǎn)電荷無排斥現(xiàn)象,體系無法發(fā)生沉淀或團(tuán)聚現(xiàn)象;空間位阻效應(yīng)利用位阻使料子接近時(shí)發(fā)生滑動(dòng)或錯(cuò)開。丙烯酸三元共聚分散劑屬高分子型分散劑,同時(shí)具有雙電層效應(yīng)和空間位阻效應(yīng),其分散效果較其它型分散劑來得更好,本文采用它在E-51雙酚A型環(huán)氧樹脂中分散SiO2顆粒,來抑制SiO2的沉降。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料及儀器

原料:丙烯酸三元共聚分散劑;二氧化硅(600目);E-51雙酚A型環(huán)氧樹脂;LHY-918C酸酐型固化劑;丙酮CP純。

實(shí)驗(yàn)所需儀器設(shè)備:S10-2高轉(zhuǎn)速磁力攪拌攪拌機(jī),722型分光光度計(jì),TGL-16臺(tái)式高速離心機(jī),JCM-5000型掃描電子電鏡。

1.2 SiO2顆粒粒子對(duì)分散劑的吸附量的測定

配制濃度不同的分散劑溶液,測試在分散劑溶液在分光光度計(jì)上的吸光度,并依據(jù)吸光度來繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線。配制分散劑濃度不同的含有SiO210 phr的100 mL雙酚A環(huán)氧樹脂懸浮液。懸浮液體系在60℃水浴超聲波中恒溫振蕩分散1 h,而后用吸管吸取一部分懸浮液并在臺(tái)式離心機(jī)上以10 000 r/m in的速度高速離心30 min,再次用吸管吸取上層清液并用溶劑稀釋到一定程度后在分光光度計(jì)上做吸光度測試,求出雙酚A環(huán)氧樹脂懸浮液中多余分散劑的質(zhì)量,從而得到SiO2固體顆粒對(duì)分散劑的吸附量。

1.3 分散劑的加入量對(duì)SiO2顆粒粒子懸浮率的測定

在100m L的燒杯中加入丙烯酸三元共聚分散劑,加入約50mLE-51雙酚A型環(huán)氧樹脂,最后加入10 phr SiO2顆粒填料,將整個(gè)體系加熱至60℃,用高速攪拌機(jī)攪拌10min以上(轉(zhuǎn)速設(shè)定在1 000～1 200 r/min之間),攪拌完畢后,將整個(gè)體系移入50mL的量筒中,并將筒口密封。將密封后量筒放置在90℃水浴中進(jìn)行加熱。加熱60min后,用吸管吸去上層45m L雙酚A型環(huán)氧樹脂懸浮液,并將剩余5m L雙酚A型環(huán)氧樹脂懸浮液用大量丙酮進(jìn)行沖洗,減壓過濾出不溶物。不溶物用丙酮繼續(xù)漂洗,并將經(jīng)過漂洗的不溶物全部轉(zhuǎn)移至已稱重的潔凈培養(yǎng)皿中,將不溶物和培養(yǎng)皿一起放入100℃烘箱中干燥。干燥后整體再次稱重,前后兩次稱量差值為m,從而計(jì)算出SiO2顆粒粒子的懸浮率。

懸浮率的測定公式:

式中:m為雙酚A型環(huán)氧樹脂中加入SiO2顆粒和丙烯酸三元共聚分散劑的總質(zhì)量;m′為量筒底部所含有SiO2顆粒和丙烯酸三元共聚分散劑的質(zhì)量。

1.4 分散劑的加入量對(duì)SiO2顆粒粒子沉降速度的測定

配制加入分散劑量不同的含10.0 phr SiO2的100m L雙酚A型環(huán)氧樹脂懸浮液,移入量筒中,并將量筒口部密封。在60℃水浴超聲波中振蕩分散1 h,然后放置于100℃烘箱中進(jìn)行沉降速度測試,當(dāng)懸浮液體系發(fā)生沉淀現(xiàn)象時(shí),在懸浮液體系中清液和濁液會(huì)出現(xiàn)一個(gè)明顯的界面,我們將量筒中上層清液的所占體積作為沉降速率快慢測定的標(biāo)志。

2 結(jié)果和討論

2.1 SiO2顆粒粒子對(duì)分散劑的吸附量的測定

我們配制了濃度為0.01 g/L、0.05 g/L、0.10 g/L、0.15 g/L、0.20 g/L、0.25 g/L、0.30 g/L、0.35 g/L、0.40 g/L、0.45 g/L、0.50 g/L、0.55 g/L、0.60 g/L的丙烯酸三元共聚分散劑/雙酚A型環(huán)氧樹脂溶液。然后我們先將0.10 g/L的分散劑/樹脂溶液放置在分光光度計(jì)中進(jìn)行全波段掃描測試,可以得到其最大吸收峰在230 nm處。然后依次測定各濃度丙烯酸三元共聚分散劑/雙酚A型環(huán)氧樹脂溶液在230 nm處的吸光度,依據(jù)吸光度的不同繪制曲線。擬合后得到回歸曲線:

往配制好100mL濃度不同分散劑/環(huán)氧樹脂溶液中加入10 phr SiO2,依據(jù)擬合所得的回歸曲線,求出雙酚A型環(huán)氧樹脂懸浮液中多余分散劑的質(zhì)量,從而得到SiO2固體顆粒對(duì)分散劑的吸附量。其吸附量數(shù)據(jù)如圖1所示。

由圖1我們可以發(fā)現(xiàn),在雙酚A型環(huán)氧樹脂中,SiO2顆粒對(duì)分散劑的吸附隨著丙烯酸三元共聚物不斷地加入而線性增加。當(dāng)丙烯酸三元共聚分散劑加入量達(dá)到0.393 g/L時(shí),吸附量趨于平衡,即0.393 g/L為SiO2對(duì)丙烯酸三元共聚分散劑的飽和吸附量,即丙烯酸三元共聚分散劑可加入量的上限。為了便于今后的試驗(yàn)操作,我們?nèi)?.40 g/L為加入量上限。

圖1 對(duì)SiO2吸附量對(duì)分散劑加入量的影響

2.2 分散劑的加入量對(duì)SiO2顆粒粒子懸浮率的測定

圖2 分散劑的加入量對(duì)SiO2懸浮率的影響

我們用不同濃度的丙烯酸三元共聚分散劑來分散10 phr的SiO2固體顆粒,所得的結(jié)果如圖2所示。

從圖2中我們發(fā)現(xiàn),丙烯酸三元共聚分散劑具有高效的分散抗沉降的性能。在加入0～0.80 g丙烯酸三元共聚分散劑進(jìn)行分散階段,SiO2顆粒的懸浮率隨著分散劑用量的增加而增加。當(dāng)在丙烯酸三元共聚分散劑加入量為0.08 g時(shí),SiO2顆粒的懸浮率已經(jīng)達(dá)到91.32%,然后隨著丙烯酸三元共聚分散劑用量的增加,SiO2懸浮率呈現(xiàn)平緩趨勢。分散劑用量達(dá)到0.40 g/L上限時(shí),SiO2顆粒的懸浮率為97.53%。

2.3 分散劑的加入量對(duì)SiO2顆粒粒子沉降速度的測定

通過前文所論述的方法,我們進(jìn)行了沉降速度試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 分散劑的加入量對(duì)SiO2沉降速度的影響

在懸浮液體系中的上層純樹脂的體積隨丙烯酸三元共聚分散劑加入量的增加而減少。其中,不加入分散劑時(shí),SiO2顆粒在1～1.5 h內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生明顯的界面,4 h左右全部沉降;當(dāng)懸浮液體系中含有0.05g丙烯酸三元共聚分散劑時(shí),SiO2顆粒會(huì)在6 h內(nèi)全部沉降;當(dāng)加入量上升至0.10 g時(shí),72 h后上層純樹脂的體積為30.2m L,SiO2顆粒不會(huì)全部沉降;當(dāng)加入量提升至0.20 g分散劑時(shí),72 h后上層純樹脂的體積為10m L,SiO2顆粒不會(huì)全部沉降;當(dāng)加入至上限0.40 g的丙烯酸三元共聚分散劑時(shí),72 h后上層純樹脂的體積只為5.5 m L,SiO2顆粒不會(huì)全部沉降。

通過對(duì)SiO2懸浮液顆粒進(jìn)行取樣和電子電鏡掃描,我們可以發(fā)現(xiàn),在加分散劑后,SiO2懸浮液顆粒受到雙電層形成的靜電斥力和吸附層形成的空間位阻效應(yīng)的共同作用,SiO2顆粒粒子分散均勻,且沒有明顯的SiO2顆粒粒子團(tuán);而不加入分散劑的懸浮液中,SiO2顆粒粒子大部分都聚集在一起,呈現(xiàn)大團(tuán)絮狀結(jié)構(gòu),有明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象,如圖4所示。

從沉降試驗(yàn)數(shù)據(jù)和電子掃描電鏡結(jié)果可以說明:隨著丙烯酸三元共聚分散劑量的增加,SiO2顆粒粒子表面吸附的分散劑也越多,在SiO2顆粒表面的雙電層斥力也增加,吸附層也不斷加厚,有效地阻止了顆粒之間相互吸附,粒子和粒子之間的吸附/聚集而最后形成大顆粒而分層/沉降現(xiàn)象得到抑制,導(dǎo)致SiO2顆粒的團(tuán)聚速度降低,沉降速度減緩,最終有效地抑制雙酚A型環(huán)氧樹脂/SiO2懸濁液體系沉降分層。

圖4 SiO2顆粒的掃描電鏡圖

3 結(jié) 語

以丙烯酸類三元聚合物分散雙酚A型環(huán)氧樹脂中的SiO2顆粒,可以大大提高SiO2顆粒懸浮率,經(jīng)過測試該類丙烯酸類三元聚合分散劑的飽和用量為0.40 g/L,當(dāng)用量超過0.40 g/L時(shí),SiO2吸附量趨于平衡,沒有明顯增加現(xiàn)象。在100℃環(huán)境SiO2沉降試驗(yàn)中,靜置72 h后上層純環(huán)氧樹脂的體積只為5.5%,明顯抑制了環(huán)氧灌封澆注體系中SiO2的沉降現(xiàn)象。

[1] 焦桐順.微電機(jī)原理及工藝[M].北京:電子工藝出版社,1984.

[2] 王德中.環(huán)氧樹脂生產(chǎn)與應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2001.

[3] 歐秀娟,杜海燕.納米TiO2粉體的分散性研究[J].硅酸鹽通報(bào),2006,25(2):74-77.

[4] 任天瑞,陳軍,吁松瑞.一種三元共聚物分散劑及其制備工藝和應(yīng)用.中國,200810201806.1[P].2008-10-20.