基于環氧BMC高分子復合材料的性能改善

包幸琪 傅取 陳頻 王昕* 夏宏偉

（1.金陵科技學院材料工程學院 江蘇南京 211169；2.無錫新宏泰電器科技股份有限公司江蘇無錫 214000）

BMC（Bulk Molding Compound）即團狀模塑料，是由不飽和聚酯、有機添加劑、填料、增稠劑和玻璃纖維等混合而成，因其具有較好的電性能、機械性能、耐熱性、耐化學腐蝕性，且材料成本低、工藝生產和成型的適應性強，而被廣泛使用［1-2］。傳統BMC 模塑料固化過程中體積收縮率達到7%以上，收縮率較大，制備出的制品力學性能和電性能都表現得較為普通，需要對傳統BMC模塑料進行改性以提高其性能［3］。

環氧樹脂本身具有良好的力學性能，其固化后的制品具有較好的拉伸強度、彎曲強度及抗沖擊強度，電絕緣性能高，密封性能好，具有良好的化學性能，同時能與各種材料發生黏接，其靈活的工藝性使其在材料成型加工中充當較好的共混材料［4-6］，能應用于多種成型工藝中，如模壓成型和注射成型等［7-8］。但環氧樹脂比不飽和聚酯樹脂價格要高很多。基于此，本文主要論述利用在BMC 基料中加入環氧樹脂及固化劑的方法制備性能優越的環氧BMC高分子復合材料。

1 實驗部分

1.1 BMC原料

實驗所用BMC 團料由53%的氫氧化鋁（ATH）、16%的玻纖、14%的不飽和聚酯樹脂（UP）、9%的低收縮添加劑（LSA）和4%的環氧樹脂等原料構成。

1.2 BMC成型方法

按配方稱取不飽和聚酯、酸鈣、硅油等，放入混煉機之中，加入填料，混煉10min 左右，加入準備好的增稠劑和促進劑等助劑。待熱壓機預熱至模壓溫度，在模具上面涂好脫模劑，將BMC 原料填充在模具之中，并把模具放置在熱壓機上。搖動壓桿至預壓壓力，預壓10MPa，時間為3min，完成后，繼續加壓至模壓壓力10MPa，保壓10min。關閉熱壓機，放冷卻水降溫，降到規定溫度時，取出模具，取出成型的樣條，并對樣條進行修剪。

1.3 成型工藝參數的確定

BMC復合材料一般使用模壓成型法，影響BMC材料質量的因素很多，工藝參數的設定是關鍵，實驗確定模壓壓強、模壓溫度、保壓時間3個重要參數值。

1.4 環氧樹脂固化劑選擇與BMC性能研究

為了使環氧樹脂和不飽和聚酯樹脂能夠在相同或相近的溫度和時間同時固化交聯，先進行了固化劑篩選實驗。選用3 種固化劑：593、4，4＇-亞甲基雙（環己胺）和甲基四氫鄰苯二甲酸酐。甲基四氫鄰苯二甲酸酐配備了兩種促進劑：2，4，6 三（二甲氨基甲基）苯酚和2-甲基-4-乙基咪唑。

每種固化劑與環氧樹脂分別按1∶3、1∶4、1∶5、1∶8和1∶16等比例混合放入烘箱，溫度設置在30℃、40℃、60℃和150℃下，記錄固化時間。篩選固化性能良好的固化劑，與環氧樹脂、BMC 團料混合模壓成型，測試樣條力學性能和電學性能。

1.5 性能測試

1.5.1 抗沖擊性能

使用擺錘式懸臂梁沖擊試驗機，按照GB/T 1043對制備的樣條進行抗沖擊性能測試。

1.5.2 拉伸性能

使用WD-20D 型萬能電子試驗機，按照GB/T 1447-2005對制備的樣條進行拉伸性能測試。將樣條用夾子固定好放在試驗機上，速度設置為5mm/min后，開始實驗，樣條斷裂，讀出數據。

1.5.3 彎曲性能

使用WD-20D 型萬能測試機，按照GB/T 1449-2005 對制備的樣條進行三點彎曲性能測試。將樣品放在支架上，壓頭對樣品施加壓力，樣條斷裂后，讀取數據。

1.5.4 耐電弧性能

使用ARC-15耐電弧試驗儀對制備的樣板進行耐電弧時間測試，按照GB/T 1411-2002 進行測試。將樣板夾在樣品臺，調試電壓端觸角角度和距離，開機后，當產生火花時，記錄數據。

1.5.5 電氣強度性能

使用HT100擊穿儀（配恒溫油槽）對制備的樣板進行擊穿性能測試，按照GB/T 1408-1999，IEC 60243-1：1998 進行測試。將樣板放入油槽中，調好電極角度，開機后，等待樣板被擊穿。

2 實驗結果與討論

2.1 BMC模壓成型工藝參數

表1 是BMC 在模壓溫度170℃、保壓時間10min、不同壓強下樣條性能數據。當模壓溫度、保壓時間固定時，壓力逐漸升高，其力學性能達到峰值后開始降低。當模壓壓力為10MPa時，力學性能最佳。

表1 不同壓強下B MC 樣條力學性能

表2 是BMC 在模壓壓力10MPa、保壓時間10min、不同溫度下樣條性能數據。當模壓壓力、保壓時間固定時，模壓溫度逐漸升高，其力學性能達到峰值后開始降低。當模壓溫度為170℃時，力學性能最佳。

表2 不同溫度下BMC樣條力學性能

表3 是BMC 在模壓壓力10MPa、模壓溫度170℃、不同保壓時間下樣條性能數據，當模壓壓力、模壓溫度固定時，隨著時間的增大，沖擊強度、拉伸強度、彎曲強度先增加后降低。當保壓時間為10min 時，力學性能最佳。

表3 不同保壓時間下B MC 樣條力學性能

實驗確定模壓工藝參數：模壓溫度170℃，模壓壓力10MPa，保壓時間10min。

2.2 環氧樹脂固化劑選擇

實驗發現：常溫時，環氧樹脂加入固化劑593所需固化時間比加入固化劑4，4＇-亞甲基雙（環己胺）長，在高溫時，兩者所需時間相近；使用甲基四氫鄰苯二甲酸酐固化劑，不論用何種促進劑，在常溫時，固化效果都不好，但在高溫時加入2-甲基-4-乙基咪唑作促進劑固化效果更好。

在實際生產過程中，BMC 模壓料需要在常溫狀態下放入倉庫保存，而在模壓成型時，則需要模壓料能快速固化。考慮經濟成本，綜合考慮選用固化劑593 和甲基四氫鄰苯二甲酸酐（2-甲基-4-乙基咪唑）兩種固化劑，固化劑593 和甲基四氫鄰苯二甲酸酐和與E51添加比為1∶4和1∶5。

3 環氧樹脂對BMC性能影響分析

圖1（a）、圖1（b）是添加環氧樹脂前后BMC樣條的掃描電鏡圖。圖1（b）形貌顯示添加環氧樹脂后結構變得更緊湊，增強了填料的接觸，有助于提高樣條力學性能和電性能。

圖1 添加環氧樹脂B MC 樣條掃描電鏡圖

表4是添加環氧樹脂和固化劑后BMC樣條的力學性能和電學性能。添加環氧樹脂后，樣條的沖擊強度、拉伸強度、彎曲強度均有所增加。添加固化劑593 樣條的拉伸強度和彎曲強度有明顯提升，使用甲基四氫鄰苯二甲酸酐固化劑電性能更佳。

表4 不同環氧B MC 樣條的性能

4 結語

不飽和聚酯BMC中加入環氧樹脂，并選擇適當的固化劑和促進劑，可制備性能改善的環氧BMC高分子復合材料。實驗確定合適的模壓成型工藝條件：模壓溫度170℃，模壓壓力10MPa，保壓時間10min。實驗表明環氧樹脂/固化劑593及甲基四氫鄰苯二甲酸酐分別按4∶1和5∶1配比，固化性能良好。

BMC 樣條性能測試結果表明：BMC 添加環氧樹脂和固化劑593 后樣條的力學性能提高，沖擊強度43.75kJ/m2，拉伸強度 114.92MPa，彎曲強度144.94MPa，力學性能各項均比傳統BMC樣條高；BMC添加環氧樹脂和甲基四氫鄰苯二甲酸酐（2-甲基-4-乙基咪唑）時所得樣條電性能好，電氣強度22.77kV/mm，耐電弧時間187s，相較于傳統BMC樣條電氣強度提升了20%。實驗表明，BMC 添加環氧樹脂復合材料力學性能和電學性能都得到了改善。