無人機測量裝置用密封材料的黏度與性能試驗研究

山 鋒 ,張 亞 ,王宏宇 ,王 磊

(1.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710018;2.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710018;3.陜西測繪地理信息局,陜西 西安 710018;4.北京禹冰水利勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司,北京 100015)

環(huán)氧樹脂和有機硅材料因優(yōu)異的絕緣性、穩(wěn)定性等特點,常作為灌封材料應(yīng)用于電器、航空等領(lǐng)域。以改性空玻璃微珠(f-HGM)以及氮化硼(f-BN)作為填充料,制備了一種硅橡膠復(fù)合材料,并針對材料的介電、導(dǎo)熱以及阻燃性能進行研究。結(jié)果表明,當添加10 phr的f-HGM和15 phr的f-BN時,復(fù)合材料的綜合性能較好[1]。以可膨脹石墨(EG)作為填充料,制備了一種乙烯基硅橡膠材料,并研究其性能。結(jié)果表明,當添加5 phr的EG時,材料的阻燃性能較強[2]。以氮化硼和石墨烯為復(fù)合導(dǎo)熱填料,研究了一種環(huán)氧樹脂復(fù)合材料,并對其性能進行研究。結(jié)果表明,當復(fù)合導(dǎo)熱填料的摻量為5%時,材料的導(dǎo)熱系數(shù)提高329.0%,有著良好的絕緣性能以及阻燃性能[3]。基于此,考慮到環(huán)氧樹脂材料易燃燒、導(dǎo)熱差,但粘接性能優(yōu)異的特點,試驗以環(huán)氧樹脂作為灌封材料,并添加PP無鹵阻燃劑以及導(dǎo)熱填料納米氧化鋁、納米氮化硼進行改性,制備了一種用于無人機測量裝置的密封材料,并研究其性能。

1 試驗部分

1.1 材料與設(shè)備

主要材料:E-51型環(huán)氧樹脂(AR),廊坊納銳防腐材料;納米氧化鋁(工業(yè)純),山東邁騰化工;納米氮化硼(工業(yè)純),深圳市宏元化工;甲基六氫苯酐(AR), 上海高鳴化工;溴化四丁基銨(AR),河南邦潤化工;KH-550硅烷偶聯(lián)劑(AR),河南米蘭達化工產(chǎn)品;PP無鹵阻燃劑(AR),南通澤西新材料。

主要設(shè)備:RD1020型電子天平(深圳市榮達儀器);ZGH-350型高速混合機(常州市貝長機械設(shè)備);DR-106型萬能試驗機(東莞市巨亞檢測儀器);ZNN-D6S型數(shù)字旋轉(zhuǎn)粘度計(上海軒澄儀器);W101-1型真空干燥箱(江西龍中機械設(shè)備);WSBXGJB型高速剪切分散機(成都源立機械);TCDR-300型導(dǎo)熱系數(shù)儀(河北億啟順試驗儀器);GM-UL94型垂直燃燒儀(深圳市廣邁儀器);KNE-1235型氧指數(shù)儀(東莞科耐爾儀器);ST型高阻計(廣東鷺工精密儀器)。

1.2 試驗方法

1.2.1 配合比設(shè)計

為制備無人機測量裝置用的密封材料,本試驗主要采用的原材料為E-51型環(huán)氧樹脂,阻燃劑為PP無鹵阻燃劑,導(dǎo)熱填料為納米氧化鋁以及納米氮化硼。配合比設(shè)計如表1所示。

表1 配合比設(shè)計[4-5]Tab.1 Mix design

1.2.2 阻燃劑和導(dǎo)熱填料的改性

(1)用電子天平稱取適量的PP無鹵阻燃劑、納米氧化鋁和納米氮化硼,放入干燥箱中,在105 ℃恒溫環(huán)境下進行干燥處理4 h;

(2)按照1∶1的比例稱取適量的異丙醇和甲苯,制備混合溶劑,并用該混合溶劑將KH-550硅烷偶聯(lián)劑稀釋至20%,備用;

(3)將阻燃劑和導(dǎo)熱填料分別放入高速混合器中,在1 500 r/min的速度進行攪拌處理,一邊攪拌一邊以噴霧狀加入“步驟(2)”中制備好的混合溶液。然后將溫度升高至110 ℃,繼續(xù)進行攪拌處理20 min;

(4)將高速混合器中的物料放入干燥箱中,在恒溫110 ℃的環(huán)境下進行烘干處理4 h,最后密封貯存,備用。

1.2.3 密封材料的制備

(1)用電子天平稱取適量的E-51型環(huán)氧樹脂,以及“1.2.2”中已改性過的阻燃劑和導(dǎo)熱填料;

(2)將制備密封的原材料一起加入高速剪切分散機中,進行攪拌處理30 min。然后再加入適量的固化劑和促進劑,攪拌混合,并進行超聲處理30 min,獲得密封材料混合料;

(3)將密封材料混合料裝入準備好的模具,放入干燥箱,設(shè)置干燥箱溫度為70 ℃,進行排氣處理1 h;之后升高溫度至110 ℃,進行2 h固化處理。然后提高溫度至150 ℃,繼續(xù)固化處理1 h;

(4)將密封材料自然冷卻、脫模、切割打磨,備用。

1.3 性能測試

(1)黏度。在常溫環(huán)境下,通過黏度計對試樣進行測試,分析密封材料混合料的黏度;

(2)阻燃性。通過垂直燃燒儀和氧指數(shù)儀,對密封材料進行,分析材料的阻燃性能;

(3)熱導(dǎo)率。利用導(dǎo)熱系數(shù)儀對密封材料進行測試,分析其導(dǎo)熱性能。

(4)體積電阻率。通過高阻計對試樣進行體積電阻率測試,分析密封材料的絕緣性能;

(5)力學(xué)性能。通過試驗機對試樣進行測試,分析密封材料的拉伸、彎曲強度。

2 結(jié)果與分析

2.1 黏度

本試驗對不同配方的密封材料黏度進行測試,結(jié)果如圖1所示。

圖1 密封材料黏度

由圖1可知,對于純環(huán)氧樹脂的密封材料,其黏度為1 350 MPa·s。當摻入40 phr阻燃劑時,密封材料的黏度為2 600 MPa·s,明顯提高,增幅為92.6%。當阻燃劑的添加量為40 phr時,摻入120、150 phr納米氧化鋁的密封材料黏度分別為3 250、3 500 MPa·s,差別較小。這表明納米氧化鋁添加量的增多,對材料黏度的作用效果較小。然而,隨著密封材料中納米氮化硼的添加,黏度大幅度提高,當添加40 phr阻燃劑、120 Phr納米氧化鋁和30 Phr納米氮化硼時,密封材料的黏度最高為8 400 MPa·s,對比A0空白試件提高522.0%,對比A3試件提高158.5%。這表明,在密封材料中添加納米氮化硼,可以大幅度提高其黏度,同時,納米氧化鋁與納米氮化硼的協(xié)同作用,可以進一步增加密封材料的黏度。

綜上,當密封材料中添加的PP無鹵阻燃劑為40 phr、納米氧化鋁為120 phr、納米氮化硼為30 phr時,材料黏度為8 400 MPa·s,在施工時的膠體流動性較好,符合灌封要求。

2.2 阻燃性能

對不同配方下的密封材料進行垂直燃燒試驗,并測試其燃燒時間和氧指數(shù),結(jié)果如表2、圖2所示。

圖2 垂直燃燒試驗氧指數(shù)

表2 垂直燃燒試驗燃燒時間Tab.2 Combustion time of vertical combustion test

結(jié)合表2和圖2可知,對于未添加阻燃劑和導(dǎo)熱填料的A0對比試件,其在垂直燃燒試驗中呈現(xiàn)持續(xù)燃燒的現(xiàn)象,氧指數(shù)僅為23%,阻燃性能很差。而在添加PP無鹵阻燃劑之后,其余試件在垂直燃燒試驗中均具備一定的阻燃性能。

而在添加PP無鹵阻燃劑的基礎(chǔ)上,對比A2和A3可知,隨著納米氧化鋁添加量增多,密封材料的阻燃性能降低。這是因為單獨添加導(dǎo)熱填料納米氧化鋁時,大量的納米氧化鋁顆粒會使泡沫炭層結(jié)構(gòu)被破壞,出現(xiàn)大量孔隙。因此,外部氧氣易穿過炭層結(jié)構(gòu),密封材料的阻燃性能下降[6]。

從A4、A5、A6可以看出,在PP無鹵阻燃劑和納米氧化鋁的基礎(chǔ)上,納米氮化硼的添加有效增強了密封材料的阻燃性能。特別是A5、A6試件,其氧指數(shù)分別達到36%、35%,相對A4有所降低,阻燃性能提高。

綜上,納米氧化鋁和納米氮化硼的復(fù)配摻入,以及PP無鹵阻燃劑的添加,可以有效提高密封材料的阻燃效果。

2.3 導(dǎo)熱性能

密封材料熱導(dǎo)率測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 密封材料熱導(dǎo)率

由圖3可知,對于純環(huán)氧樹脂材料,其熱導(dǎo)率僅為0.18 W/(m·K),在此基礎(chǔ)上,加入40 phr阻燃劑后,A1試件的熱導(dǎo)率上升至0.21 W/(m·K),這與A0對比試件相差較小。這表明,PP無鹵阻燃劑的添加對密封材料導(dǎo)熱性能的作用效果較小。從A2、A3可知,隨著密封材料中納米氧化鋁添加量的增多,材料熱導(dǎo)率提升。當添加150 phr納米氧化鋁時,A3試件的熱導(dǎo)率提高明顯,達到0.90 W/(m·K),對比A0提升400.0%。當添加120 phr納米氧化鋁和30 phr納米氮化硼時,密封材料的熱導(dǎo)率最高,為1.33 W/(m·K),對比其余試件均大幅度提高。綜上,當密封材料中添加40 phr阻燃劑、120 phr納米氧化鋁和30 phr納米氮化硼時,材料熱導(dǎo)率高達1.33 W/(m·K),導(dǎo)熱性能較好。

2.4 絕緣性能

試驗針對不同配方的密封材料試件進行體積電阻率測試,分析其絕緣性能,結(jié)果如表3所示。

表3 試件體積電阻率Tab.3 Sample volume resistivity

由表3可知,對于純環(huán)氧樹脂材料,其體積電阻率高達6.5×1015Ω·cm,絕緣性能優(yōu)異。當添加40 phr阻燃劑后,材料的體積電阻率降低,A1的體積電阻率降低至7.6×1014Ω·cm。當繼續(xù)在密封材料中添加納米氧化鋁或納米氮化硼時,材料的體積電阻率呈現(xiàn)不同幅度的下降,但均高于1013Ω·cm。這表明,試驗制備的密封材料,均具備較好的絕緣性能,符合絕緣材料的標準,應(yīng)用到無人機測量裝置中時具備一定的絕緣效果。

2.5 力學(xué)性能

由圖4可知,對于純環(huán)氧樹脂材料,其拉伸、彎曲強度分別是62.3 、98 MPa。當密封材料中添加40 phr阻燃劑時,A1試件的拉伸、彎曲強度相對A0對比試件相差不大。當添加適量導(dǎo)熱填料納米氧化鋁和納米氮化硼時,密封材料的拉伸、彎曲強度呈現(xiàn)大幅度下降,其中,A4、A5和A6試件的拉伸強度分別下降至32.4、44.8和27.5 MPa,對比A0分別降低48.0%、28.1%和55.9%,而彎曲強度分別降為67、81和58 MPa,對比A0分別下降了31.2%、17.3%、40.8%。綜上,導(dǎo)熱填料納米氧化鋁和納米氮化硼的添加,會降低密封材料的強度。

圖4 納米氮化鋁、氮化硼對密封膠材料拉伸、彎曲強度的影響

3 結(jié)語

(1)阻燃劑和導(dǎo)熱填料的添加,可以提高環(huán)氧體系的黏度,但會降低密封材料的絕緣性能以及力學(xué)性能。但各材料體積電阻率均高于1013Ω·cm,符合絕緣材料的標準,且具備一定的力學(xué)性能;

(2)添加PP無鹵阻燃劑,可以有效提高密封材料的阻燃性能;

(3)納米氧化鋁和納米氮化硼的添加,可以提高密封材料的熱導(dǎo)率,增強其導(dǎo)熱性能;

(4)當添加40 phr阻燃劑、120 phr納米氧化鋁、30 phr納米氮化硼時,密封材料的黏度為8 400 MPa·s、熱導(dǎo)率高達1.33 W/(m·K)、體積電阻率為2.5×1013Ω·cm、拉伸強度為44.8 MPa、彎曲強度為81 MPa。此時,材料綜合性能較好,且符合灌封要求,可以作為密封材料用于無人機測量裝置中。