環氧樹脂的等溫固化動力學及其在覆銅板中的應用

黃堅龍 王碧武

（廣東生益科技股份有限公司國家電子電路基材工程技術研究中心，廣東 東莞 523039）

雷 煒

（廣東生益科技股份有限公司技術中心，廣東 東莞 523039）

0 引言

環氧樹脂是一種低聚物，其分子中含有兩個或兩個以上的環氧基，可與固化劑反應交聯，生成三維網狀固化物。固化后的環氧樹脂機械強度高、力學性能好，粘結力強，可與金屬粘合、也可與玻璃粘合，收縮率低、尺寸穩定性好，耐腐蝕性和電絕緣性優良，成型加工方便。環氧樹脂的應用領域極其廣泛，包括電子電器、化工、軍工、航空航天等[1]。為探究環氧樹脂的固化反應機理，確定最佳固化溫度，已有許多學者對環氧樹脂的固化動力學進行了研究，不過關于環氧樹脂固化模型在覆銅板加工過程中的應用卻鮮有報道。本文通過差示掃描量熱法確定體系的固化放熱曲線，再由放熱曲線推導出該體系的固化度曲線及等溫固化反應模型，從固化度曲線上可以確定固化度和反應時間的關系，經驗證，該曲線可以預測體系在恒溫下達到某一固化度所需時間，從而為預浸料的烘烤溫度和烘烤時間提供參考，對固化條件的選擇具有一定的指導作用。

1 實驗

1.1 原料

雙酚A環氧樹脂DER530A80，工業品，美國陶氏；雙氰胺（Dicy），工業品，寧夏大榮；二甲基咪唑（2-MI），德國巴斯夫；N,N-二甲基甲酰胺（DMF），揚子石化巴斯夫有限責任公司；1080玻纖布，臺嘉玻璃纖維有限公司。

1.2 試樣的制備和實驗方法

1.2.1 等溫固化動力學實驗

使用適量DMF溶解Dicy以及2-MI，溶解完全后添加到環氧樹脂中，其中，環氧樹脂：Dicy：2-MI = 100:2:0.05，固體含量控制在65～75%，攪拌均勻即制得膠液。

本實驗采用美國TA公司型號Q20的差示掃描量熱儀，對樹脂體系進行等溫DSC掃描，實驗過程如下：（1）用一次性注射器吸取少量試樣置于鋁坩堝中，樣品質量在10 mg左右；（2）在坩堝蓋上打一小孔用于排氣，蓋好坩堝蓋并壓實，制得試樣；（3）待儀器預熱完成后，將試樣置于樣品池中；（4）設置體系的溫度從30 ℃分別升高到指定溫度160 ℃、170 ℃、180 ℃和190 ℃，升溫速率為120 ℃/min，在指定溫度下恒溫60 min，再由指定溫度升溫至220 ℃，升溫速率為10 ℃/min。測試前，對差示掃描量熱儀進行能量和溫度校正，所有測試均選用氮氣氣氛，氮氣的流量為50 mL/min。

1.2.2 驗證實驗

使用前述的膠液均勻浸潤1080玻纖布，室溫下放置48 h，制得預浸料，并從中裁切一部分作為預浸料試樣，編號000。使用廣州愛斯佩克環境儀器有限公司型號PHH301的熱風烘箱對預浸料進行烘烤，烘烤溫度恒定為160 ℃，烘烤時間分別為300 s、400 s、500 s、600 s、700 s、800 s、900 s，制得烘烤后的試樣，分別編號為1603、1604、1605、1606、1607、1608、1609。

采用美國TA公司型號Q20的差示掃描量熱儀，將預浸料試樣和烘烤后的試樣分別進行DSC掃描，實驗過程如下：（1）用鑷子裁刀等工具剪取少量試樣置于鋁坩堝中，樣品質量在10 mg左右；（2）在坩堝蓋上打一小孔用于排氣，蓋好坩堝蓋并壓實，制得試樣；（3）待儀器預熱完成后，將試樣置于樣品池中；（4）設置體系的溫度從30℃分別升高到285 ℃，升溫速率為5 ℃/min。測試前，對差示掃描量熱儀進行能量和溫度校正，所有測試均選用氮氣氣氛，氮氣的流量為50 mL/min。

2 結果與討論

2.1 等溫固化曲線和固化放熱量

等溫固化曲線和固化放熱量如圖1所示。圖1為不同溫度下的固化曲線，由圖可見，恒溫溫度越高，固化峰越窄，峰值越大；溫度越低，固化峰越寬，峰值出現的時間越晚?？偟膩碚f，隨著溫度的提高，固化峰前移。在升溫至220 ℃的過程中，未見放熱峰，可以認為恒溫段固化反應已經進行完全。不同溫度下的固化放熱量不同，溫度越高，放熱量越大。這是因為體系中含有溶劑，在相同升溫速率下，恒溫溫度越高，達到恒溫段所需時間越長，因此溶劑有更多的時間揮發，對體系的放熱量影響更小。反之，恒溫溫度越低，達到的時間更短，溶劑還未揮發完全，會吸收一部分固化放出的熱量，導致放熱量減?。ㄒ姳?）。

圖1 不同溫度下的等溫固化曲線

表1 固化放熱量

應用Origin數學計算軟件將DSC曲線中的熱流率對時間t積分，得到t時刻下反應的放熱量，再將t時刻下的放熱量比上總的反應熱，得到固化度對時間曲線。

圖2 不同溫度下的α-t曲線

2.2 等溫固化動力學模型及分析

應用等溫DSC法對固化反應進行熱分析時，需要進行以下幾點假設。

（1）固化反應的基本速率方程[2]見式（1）：

式中：α為固化度；t為固化時間；k（T）為反應速率常數，與溫度成函數關系，k（T）= Aexp[-Ea/(RT)]；f（α）表示反應模型；A為指前因子；Ea為反應活化能。

（2）固化反應速率與熱流率成正比見式（2）：

兩邊同時積分，得到固化度為見式（3）：

式中：Hu表示總的放熱量；dH/dt為熱流率，即單位時間內輸入到試樣或參比物的能量。以熱流率對時間積分，即可得到某一時間范圍內總的放熱量。

常用的固化反應模型有n級模型、自催化模型和Kamal模型。n級模型的固化速率極值出現在反應剛開始的時候；自催化模型存在誘導期，固化速率極值出現在反應開始后的一段時間[3]，且等溫DSC曲線上存在峰值；Kamal模型中，k2為t=0時的反應速率常數，k3為t＞0時的反應速率常數[4]。（見表2）。

表2 常用的固化反應模型

表3 環氧固化體系的自催化模型動力學參數

將環氧固化體系在160 ℃、170 ℃、180 ℃以及190 ℃下的等溫DSC固化曲線基線調零，由dα/dt= （dH/dt）/Hu可知，曲線縱坐標除以總的反應熱Hu即可得到dα/dt，結合前面已經求出的各個時刻下的固化度，即可做出dα/dt-α曲線。代曉青[3]、柯紅軍[5]等指出環氧樹脂的等溫固化動力學可以采用自催化模型表示，筆者采用自催化模型對實驗數據進行擬合，擬合曲線如圖3見表3。

表3為自催化模型的動力學參數，其中RSS為實驗數據與擬合曲線的殘差平方和，殘差平方和越小，數據擬合程度越好。Adjusted R2為校正決定系數，其值越接近于1，表明擬合效果越好。從圖3可以看出，自催化模型和實驗數據曲線在反應初期的擬合度好，隨著固化度的增大，模型曲線逐漸偏離實驗數據。這是因為反應初期，分子運動快，反應由化學活性控制，隨著反應的進行，體系的分子量增大，形成一個空間阻礙作用，使得未反應的分子、官能團難以相遇，反應轉變為擴散控制[6]。為描述擴散控制對反應的影響，在自催化模型中引入擴散因子g(α)[7][8]。見式（4）：

其中C為擴散系數，αc為臨界反應程度。

引入擴散因子后的自催化模型為見式（5）：

采用如上引入擴散因子后的自催化模型對實驗數據進行擬合，擬合曲線如圖4見表4參數。

圖4 實驗曲線與擴散控制的自催化模型曲線對比

表4 擴散控制的自催化模型動力學參數

圖5 lnk1與1/T的關系曲線

從圖4可以看出，引入擴散因子后擬合曲線與實驗曲線基本重合，從動力學參數上看，擬合后的殘差平方和十分接近于0，Adjusted R2均在0.998以上，表明擬合曲線對實驗數據的重合度高，可以采用擴散控制的自催化模型描述該體系的恒溫固化反應。前述k（T）= Aexp[-Ea/(RT)]，于是lnk =lnA-Ea/RT。將表4所列的k1取自然對數，然后以lnk1對1/T作圖，得到圖5。對圖5所示的四個數據點進行線性擬合，得到相關系數為0.9752，說明lnk1與1/T線性相關性良好（如圖5）。

線性擬合后，直線的斜率-9844.096 =-Ea/R，截距17.439=lnA，解得反應活化能Ea=81.843 kJ/mol，指前因子A=3.747×107 s-1。則反應速率常數k1=3.747×107exp（-9844.096/T）。如圖6所示，以m、n、C、αc分別對溫度T作圖，線性擬合后得到各自與溫度的相關關系，最后將其代入固化模型中，得到該體系的等溫固化反應模型為如圖6。

2.3 固化動力學模型在覆銅板生產過程中的應用

圖6 m、n、C、αc與T的關系曲線

表5 不同試樣的放熱量及固化度對比

圖7 不同試樣的DSC曲線

在覆銅板生產過程中，需要對預浸料進行烘烤，以達到某一所需的固化程度，烘烤時間越長，樹脂固化程度越高。目前，預浸料的烘烤時間僅根據生產經驗，沒有明確的方法可循，而等溫固化度曲線可以為烘烤時間提供參考。前述已由DSC反應曲線得到體系在160 ℃恒溫下固化度與時間的關系，此固化度為理論固化度。將預浸料置于160 ℃下恒溫烘烤不同時間，并測試試樣固化度，作為實測固化度如圖7見表5對比數據。

從試樣的DSC曲線上得出體系的放熱量，再由放熱量求得固化度。從表5可以看出，實測固化度較理論固化度偏小，這主要是實驗過程的人為誤差和系統誤差造成的。本實驗所用熱風烘箱，溫度波動較大，在打開烘箱門的過程中烘箱內溫度下降，導致實際恒溫時間偏短，實測固化度偏低。總的來說，實測固化度與理論固化度重合度較好，表明可以由等溫固化度曲線預測體系達到某一固化度所需烘烤時間，為半固化片的生產提供指導作用。

3 結論

（1）通過差示掃描量熱儀對雙酚A環氧樹脂/Dicy體系進行等溫DSC掃描，引入擴散因子，得出雙酚A環氧/Dicy體系的固化反應符合擴散控制的自催化反應模型，及模型方程。

（2）由DSC反應曲線得出體系固化度對時間的關系曲線，實驗表明，該等溫固化曲線可以預測體系達到某一固化度所需的恒溫烘烤時間，為半固化片固化條件的選擇提供一定的參考作用。