高導熱無溶劑絕緣漆的開發及性能研究

狄寧宇，張 飛，程 微，許 坤，虞希高，張鳳清

（浙江博菲電氣股份有限公司，浙江 海寧 314400）

0 引言

隨著微電子集成技術和高密度組裝技術的高速發展，電子和電器產品朝著輕、薄、短、小的方向發展，功率密度越來越高，導致電子和電氣設備的發熱量和溫升劇增，超過了散熱組件的負載能力。電氣設備和電子元器件等通過浸漬絕緣漆固化后形成一個致密的整體，并在表面形成連續的平整漆膜[1]，但絕緣漆的導熱系數通常只有0.2 W/(m·K)，不能滿足電子元器件快速散熱的要求[2-3]。因此，必須開發一款性能穩定的高導熱無溶劑絕緣漆，以保障電子和電氣設備的可靠運行[4-6]。

目前提高有機聚合物導熱系數的方法主要分為本征導熱[7]和填充導熱[8-9]兩種途徑。本征導熱是通過改善聚合物分子鏈段的有序規整度來提高導熱系數，其主要依靠分子內的大π鍵通過電子導熱機制實現。這類材料在具備導熱性的同時也具備導電性[7]，達不到絕緣性能的要求，且這類聚合物黏度大、流動性差，不適合應用于絕緣漆領域。填充導熱則是通過在基體樹脂中加入導熱填料來制備復合材料，其導熱性能主要取決于填料特性及基體和填料間的協同作用。當填料達到一定用量時，填料之間可通過相互搭接形成“導熱網鏈”，熱量可以沿著導熱通路快速導出[8]。填充導熱具有成本低、工藝簡單、適用性廣等諸多優勢，已成為最主要的導熱改性方式。但是填充導熱對于絕緣漆而言，存在填充量低、黏度高、易沉降、導熱系數難以大幅提高等問題[9]，限制了其應用范圍。

本研究通過對填料粒徑篩選、表面改性、含量篩選等方法，研究填料的沉降性能及其對絕緣漆導熱系數、黏度的影響，優選出最佳填料含量的絕緣漆并進行性能測試，以期制備得到滿足使用工藝要求的高導熱絕緣漆。

1 實驗

1.1 原材料

BF-662環氧改性不飽和聚酯樹脂，工業品，自制；對苯二酚、異辛酸鈷、異辛酸鋅、過氧化苯甲酰叔丁酯，分析純，上海麥克林生化科技有限公司；苯乙烯、硅烷偶聯劑KH570，純度為98%，北京伊諾凱科技有限公司；硅微粉（SiO2），填料純度>99.8%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 主要儀器與設備

3#蔡恩杯、溫度計、JSF-750型分散多用機（上海普舜機電科技有限公司）、BT-9300S型激光粒徑分布儀（丹東百特儀器有限公司）、QS86型耐壓設備（上海楊高電器有限公司）、ZC36高阻計（上海第六電表廠）、TC3000E型導熱系數測試儀（西安夏溪電子科技有限公司）、恒溫烘箱。

1.3 填料的選擇

導熱填料主要有氮化物、氧化物、碳化物、混雜填料[10]。氮化物、碳化物的電導率性能好，但價格過于昂貴，不適合用于制造絕緣漆。氧化物主要包括二氧化硅（SiO2）、氧化鎂（MgO）、氧化鋁（Al2O3）等，SiO2不僅具有較好的導熱性能，成本也相對低廉，故本研究選擇硅微粉（SiO2）作為導熱填料。

1.4 無溶劑導熱絕緣漆的制備

1.4.1 填料預處理

將SiO2填料真空干燥2 h。稱取一定量干燥粉體填料，按比例加入KH570偶聯劑以及適量的溶劑、去離子水，攪拌后超聲分散1 h。然后放入恒溫水浴加熱至100℃使溶劑和去離子水蒸發，最后放入120～150℃烘箱中烘焙5 h。

1.4.2 導熱絕緣漆的制備

稱取200 g絕緣漆，分別添加相同質量的填料，在2 500 r/min下高速分散1 h至細度≤15 μm。然后放入真空器皿內，將絕緣漆進行抽真空脫泡。將脫泡好的絕緣漆在40℃恒溫條件下放置10天，觀察絕緣漆的沉降。

1.5 測試方法

外觀、黏度和表面干燥性能分別按照GB/T 1981.2—2009《電氣絕緣用漆第2部分：實驗方法》中的第5.1.1條、第5.4條和第6.4.1條方法進行測試；凝膠時間：按照GB/T 15022.2—2007《電氣絕緣用樹脂基活性復合物第2部分：試驗方法》中第4.14.1條進行測試；粘結強度：按照GB/T 1981.2—2009中第6.2.3條方法B進行測試；電氣強度：按照GB/T 1408.1—2006《絕緣材料電氣強度試驗方法第1部分：工頻下試驗》進行測試；體積電阻率：按照GB/T 1410—2006《材料體積電阻率和表面電阻率試驗方法》進行測試；儲存穩定性：取180 g配制好的絕緣漆，加入固化劑，攪拌均勻后倒入玻璃瓶內，密閉并放入40℃的烘箱中，記錄凝膠的時間；導熱系數：按照ASTM C518-2010《用熱流計法測定穩態熱傳遞特征的試驗方法》進行測試。

2 結果與討論

2.1 未改性填料顆粒直徑對絕緣漆沉降的影響

分別添加500、1 000、1 500、2 000目的填料后，絕緣漆的沉降效果明顯不同。圖1為未改性填料顆粒直徑對絕緣漆沉降高度的影響。從圖1可以看出，4種不同目數的填料沉降都較嚴重，雖然填料目數越大，在體系中的穩定性也越好，但因為無機粒子和有機樹脂基體界面相容性很差，使得粒子在基體樹脂中很容易團聚，難以有效分散。其中，當填料的目數大于1 500目時，體系黏度隨著填料加入量的上升而急劇增大，導致絕緣漆的滲透能力大幅降低；當填料粒徑為500目時，填料的高度低于液面高度的一半，體系沉降嚴重，絕緣漆不符合工藝要求，因此選擇目數為1 000和1 500的填料進行改性實驗。

圖1 未改性填料顆粒直徑對絕緣漆沉降的影響Fig.1 Effect of unmodified filler with different particle sizes on the settlement of insulating varnish

2.2 改性填料顆粒直徑對絕緣漆沉降的影響

選擇1 000目和1 500目的填料，經偶聯劑KH570改性處理后對絕緣漆沉降高度的影響如圖2所示。從圖2可以看出，添加改性填料后的絕緣漆沉降速度顯著降低，這主要是由于偶聯劑KH570一端的Si-OR可以與無機填料表面的親水羥基反應，使得另一端的憎水基團接枝到無機填料表面，大幅增強了填料表面的憎水性。說明使用偶聯劑KH570對填料改性可以提高填料與有機樹脂基體的界面相容性，從而大幅降低填料的沉降速度。此外，添加1 500目填料的絕緣漆沉降情況優于添加1 000目填料的絕緣漆。

圖2 改性填料顆粒直徑對絕緣漆沉降的影響Fig.2 Effect of modified filler with different particle sizes on the settlement of insulating varnish

2.3 填料含量對絕緣漆導熱系數、黏度的影響

在絕緣漆中分別添加10%、20%、30%、40%和50%處理過的SiO2填料，在2 500 r/min下高速分散1 h并真空脫泡，測試絕緣漆的導熱系數，結果如圖3所示。從圖3可以看出，未添加填料時，由于高分子鏈的巨大分子量和無規則纏結，導致其規整度不高，難以形成規則的導熱網鏈，絕緣漆的導熱系數只有0.180 W/(m·K)。隨著填料含量的不斷增加，填料顆粒形成了較好的導熱網鏈，縮短了熱量的傳播路徑，使得導熱系數增大[2,11]。當導熱無機填料含量為50%時，導熱系數達到了0.598 W/(m·K)。

圖3 填料含量對絕緣漆導熱系數的影響Fig.3 Effect of filler contents on the thermal conductivity of insulating varnish

同時，使用3#蔡恩杯在（23±2）℃對不同填料含量的絕緣漆進行黏度測試，結果如圖4所示。

圖4 填料含量對絕緣漆黏度的影響Fig.4 Effect of filler contents on the viscosity of insulating varnish

從圖4可以看出，隨著填料含量的增加，絕緣漆的黏度隨之增大，且增大趨勢不斷加快。當填料含量為50%時，雖然絕緣漆的導熱系數很高，但體系黏度達到了120 s，超過了工藝所要求的50～100 s。當填料含量為40%時，絕緣漆的黏度為72 s，具有很好的浸漆工藝性，同時絕緣漆的導熱系數達到了0.460 W/(m·K)，符合工藝要求，最終選定40%作為最佳填料含量。

2.4 絕緣漆性能表征

根據上述結論，通過在環氧改性不飽和聚酯中添加40%改性SiO2填料制備了高導熱無溶劑絕緣漆，其性能測試結果如表1所示。從表1可以看出，絕緣漆的各項性能按標準測試，均達到要求。

表1 高導熱無溶劑絕緣漆性能測試結果Tab.1 The properties test results of high thermal conductive solvent-free insulating varnish

3 結論

通過在環氧改性的不飽和聚酯樹脂中添加導熱無機填料可提高絕緣漆的導熱系數。填料顆粒直徑越大，絕緣漆的沉降速度越慢，使用偶聯劑KH570對填料進行表面改性可顯著降低填料的沉淀速度。隨著填料含量的增加，絕緣漆的導熱性能、黏度均隨之上升。在保證較低的黏度（50～100 s）、良好的浸漆工藝性條件下，添加40%表面改性填料的絕緣漆，其導熱系數可達到0.460 W/(m·K)，同時其表面干燥性能、凝膠時間、厚層固化、電氣強度、體積電阻率、絕緣漆穩定性等性能均滿足指標要求，說明該高導熱無溶劑絕緣漆具有較好的實際應用價值。