环氧树脂团状模塑料的制备及性能研究

       团状模塑料(BMC)制品具有很高的机械强度,良好的电绝缘性、抗漏电性、耐化学腐蚀性等性能,因此广泛应用于电气部件、汽车部件和电子塑封等领域。现有的通用型BMC制品的弯曲强度为100MPa,拉伸强度为35 MPa左右,绝缘电阻为1012~1014Ω,耐电弧性为120 s,介电常数为6·5。但是随着高科技的发展,人们对BMC制品的性能,特别是力学性能,电性能和耐热性能的要求越来越高,使得BMC制品在电气、建筑和航天军工领域的应用受到极大的限制。因此国内外研究学者主要通过改变填料[3]、短切玻纤用量、种类或采用混杂玻纤、添加弹性体组分等途径来提高BMC制品的力学性能,但是在模量、耐热、耐腐蚀性、电性能都有不同程度的降低。
      而环氧树脂作为一种高性能树脂,具有耐温性、耐腐蚀性好、力学强度高、绝缘效果好、收缩率和吸水率低等诸多优点[8-9]。如果能运用环氧树脂独特的优点,用环氧树脂代替不饱和树脂,制备出环氧团状模塑料,可以在提高BMC制品的力学性能的同时,提高其电性能。
    本文主要是以环氧树脂为基体,通过设计玻璃纤维/填料/环氧树脂三元复合材料组分的配方及性能,研究了不同玻纤/填料质量比对BMC制品力学性能、电性能、吸水率的影响,继而进一步考察不同质量比对其性能的影响规律,并讨论其原因。
    1　实验部分
    1·1　原材料和仪器设备
    双酚A型环氧树脂: CYD-128,工业品,岳阳石化环氧树脂厂;固化剂: 4, 4′-二氨基二环己基甲烷(HMDA),工业品,上海山吉化工公司;增强材料:短切玻璃纤维,无碱,长度4·5 mm,南京玻璃纤维研究院;填料:超细滑石粉, 1 250目,桂林桂广滑石开发有限公司。
    耐电弧测试仪: NDHU-2,桂林市漓源电子仪器有限公司;捏合机: BWDO-23,常州新区光磊传动件有限公司;液压机: YNY32-100,武汉毅能锻压机械有限责任公司;微机控制电子万能试验机: RGM30A,深圳瑞格尔仪器有限公司。高频Q表测试仪QBG-3,上海无线电仪器厂。
    1·2　试样的制备
    1·2·1　BMC的制备路线
            
    1·2·2　实验配方
    为了研究不同的玻璃纤维/滑石粉质量比对BMC力学性能、电性能的以及吸水率的影响,实验固定环氧树脂的质量分数(50% )、模压料的制备方式、模压工艺参数,在模压料具有可操作性的情况下,改变玻璃纤维/滑石粉的质量比,其配方如表1。
           
    1·2·3　BMC的压制成型
    经过多次试验,该实验中环氧BMC的模压工艺参数确定为:成型温度为90℃;成型压力为5MPa;保压时间为30 min。
    1·3　测试方法
    将压制成的环氧BMC制品,按照标准加工成试件,测试其各项性能。拉伸强度:按照GB/T 2567—2005进行测试;弯曲强度:按照GB/T 2567—2005进行测试;耐电弧性按照GB 1411—1978进行测试;介电性能按照GB 1409—2006进行测试;体积电阻率按照GB 1410—2006进行测试;吸水率按照GB/T1462—2005进行测试。
    2　结果与讨论
    2·1　玻纤/填料质量比对BMC力学性能的影响
    玻璃纤维是BMC的增强体,它的含量对在BMC制品的力学性能有决定性的影响。玻纤/填料质量比小,玻纤含量少而填料的含量却高,填料的增强效果比玻纤差,但玻纤不能达到理想分散时,在材料内部易产生缺乏玻纤的区域,成为应力集中点,使得BMC的力学性能降低;当玻纤填料质量比较大时,玻纤容易贯穿整个材料,就可以克服上述缺陷。图1、2是纤维/填料质量比对制品弯曲强度和拉伸强度的影响。
             
    从图1、图2可以看出,环氧BMC的力学性能随纤维/填料质量比的增加呈先上升后下降的趋势。当玻纤/填料质量比为35/15时,弯曲强度和拉伸强度都达到最大值。加入少量的短切纤维(20/30)时,力学强度很低,这主要是当玻纤/填料质量比小时,玻纤含量低而填料含量高,填料的增强效果比玻纤差,而短纤维不能很好地分散,使得材料内部可能会产生缺乏纤维区域使得应力集中,力学强度下降;当短纤维用量大于一定值时,随着短纤维用量增大,界面应力分散,较多的短纤维形成密度较大的“纤维带”,能有效地限制基质形变,阻碍裂纹发展,并成为主要的力学承载体,力学强度随玻纤含量升高而升高[10-11]。但是玻纤用量过多时, BMC的拉伸、弯曲性能也会变差,这是由于基体树脂难以浸透纤维,而过多的玻璃纤维也会成束堆积,使得复合材料局部不均,形成应力缺陷,导致制品的力学强度下降。
    2·2　玻纤/填料质量比对BMC电性能的影响
    在BMC工艺中,滑石粉和玻璃纤维本身是绝缘体,具有较好的电绝缘性。但是在BMC制备过程中,由于树脂的浸润性不好以及纤维与树脂粘接性不好等问题存在,研究不同玻纤/填料质量比对电性能的影响很有必要。
           
    表2为环氧BMC的电性能与玻纤/填料质量比的变化关系。由表中数据可以看出,环氧BMC的介电性能随纤维/填料质量比的增加呈先下降后增加,而体积电阻率随纤维/填料质量比的增加呈先增加后下降的趋势。但介电性能和电阻率的数值波动都不大。介电常数除了与树脂、纤维和填料各自的介电常数和相对含量有关外,同时同它们相互之间的界面也有很大的关系[12]。从表中数据可以看出,介电性能的数值波动不大。只有纤维/填料质量比为40/10时,介电常数上升较快,这主要是:在纤维含量较少时,纤维均能被很好地浸润,所以虽然纤维含量有所增加,但BMC的介电性能变化的幅度却不大。而同时玻璃纤维和滑石粉本身的电阻率很高,是良好的绝缘体,所以随着纤维含量的增加,环氧BMC板材的电阻会略有增加。但当纤维质量分数达到40%时,树脂无法完全浸润纤维,板材中的纤维和气体在制品中形成大量裂纹和气泡,导致介电常数和介电损耗都上升,而体积电阻率会下降,电性能变差。
    耐电弧性表示绝缘材料对电弧作用的抵抗能力。通常以绝缘材料在电弧作用下,其表面产生“炭痕”(烧焦)所经历的时间(秒),作为耐电弧性强度的指标[13]。由表中可以看出,在所研究的纤维/填料质量比的范围内,耐电弧性只有数秒的变化,耐电弧提高的时间很短。但是不加滑石粉的纤维/环氧树脂复合材料的耐电弧时间为120 s。因此,滑石粉的加入,对环氧BMC的耐电弧性能的提高有一定的改善。这主要是滑石粉在高电压、强电场和高温条件下不分解,有良好的耐电弧强度[14]。
    2·3　填料质量比对BMC吸水率的影响
    吸水率是反映材料性能的一个重要指标。通过吸水率可以得出环氧BMC板材内部的密实程度,气孔的多少,以此来判定板材的性能[15]。通过测试不同玻纤/填料质量比的BMC制品的吸水率,可以得出耐水性好,缺陷少的最佳配方。 
            
    吸水性除了与材料本身如树脂有关以外,它与模压工艺以及BMC的配比也有很大的关系,当滑石粉填充到环氧树脂、玻璃纤维等的空隙中,经过模压后,制品结构致密,大大降低了制品的吸水率。由数据可以看出,配方1、2、3、4的吸水率都是低于1·0%,说明其耐水性能比较好。但是当玻纤/填料质量比为40/10时,其吸水率已经超过了1%,主要是泡孔或者裂纹和缺陷之类的出现,使得吸水率上升。
    2·4　不同玻纤/填料质量比的BMC制品的断面微观形貌
            
    图3是用扫描电镜观察到的BMC制品的断面形貌图。由图可知,玻纤/填料质量比为40/10的制品,纤维与树脂分离严重,有树脂堆积,纤维含量集中,当玻纤不能达到理想分散时,在材料内部易产生缺乏玻纤的区域,成为应力集中点,使得BMC的力学性能降低。而玻纤/填料质量比为35/15的BMC制品中纤维分布均匀,含量高,与树脂粘接良好,制品缺陷少,力学性能和电性能都很理想。
    3　结论
    1)纤维和填料的含量对环氧BMC的力学性能、体积电阻率、介电特性、耐电弧性以及吸水率等具有显著的影响。综合考虑,当纤维/填料的质量比为35/15时,环氧BMC能获得较好的力学性能和电性能以及低于1%的吸水率。
    2)研究结果表明:相比现有的通用型BMC制品的力学性能和电性能,运用环氧树脂独特的优点,是可以制备出性能较优良的环氧BMC,以解决不饱和聚酯树脂BMC制品存在的力学强度低、电性能不理想的缺点的。