环氧树脂电子封装材料的阻燃改性

周北明

（重庆工业职业技术学院， 重庆 401120）

环氧树脂电子封装材料的阻燃改性

周北明

（重庆工业职业技术学院， 重庆 401120）

在环氧树脂（EP）中添加氢氧化镁和氧化铝两种阻燃剂，研究了不同的阻燃剂对EP的阻燃性的影响。结果表明，当氢氧化镁的体积分数为15%时，EP复合材料的极限氧指数为35%，已达到极难燃塑料要求。当氢氧化镁的体积分数为15%时，EP复合材料的燃烧等级已达到UL 94 V-1级。当氢氧化镁和氧化铝添加的体积分数相同时，添加氢氧化镁的EP复合材料的LOI明显高于添加氧化铝的EP复合材料。纯EP的质量保持率为20%，加入氧化铝的EP复合材料的质量保持率为30%左右，加入氢氧化镁的EP复合材料的质量保持率为40%左右，氢氧化镁使EP的阻燃性能得到很大改善。

环氧树脂； 极限氧指数；阻燃性能；氢氧化镁；氧化铝

环氧树脂（EP）由于其具有良好的绝缘性，较高的结构强度、良好的密封性能广泛应用于高低压电器、电子元器件的灌封等领域［1-2］。但是，它属于有机高分子材料，阻燃性能较差，其极限氧指数（LOI）仅为19.8%［3］，而电子封装领域要求高阻燃性能的材料，对其进行阻燃改性是必然的。陈志军［4］对生物质苎麻进行阻燃改性，再与EP进行复合，从而得到了阻燃性能较好的EP复合材料。一些文献［5-8］制备了含磷前驱体，再与EP复合，使得EP的阻燃性能得到改善。由于其制备前驱体工艺复杂，不易于工业化从而受到局限。国外研究者对EP作为电子封装材料进行改性，采用的材料有新型的石墨烯材料、碳化硅等，将它们进行填充后，密封材料的性能得到明显改善［9-15］。笔者采用无机物填充EP进行阻燃改性，阻燃性能改善明显，而且工艺简单，易于工业化生产。

1　实验部分

1.1原材料

双酚A EP （E-55）：透明液体、环氧值0.48～0.54，无锡树脂厂；

氧化铝：颜色为半透明粉末，中国铝业河南分公司；

氢氧化镁：白色粉末，密度为2.41 g/cm3，合肥中科阻燃新材料有限公司；

593固化剂：胺值（KOH） 0.96～1.05 mg/g，武汉远成共创化工厂。

1.2仪器及设备

真空干燥箱：DZF-6020B型，北京恒泰丰科试验设备有限公司；

真空干燥箱：DZF-6020B型，北京恒泰丰科试验设备有限公司；

极限氧指数（LOI）测试仪：JF-3型，北京中航时代仪器设备有限公司；

垂直燃烧实验机：天海/UL-94型，浙江省天海质检仪器设备有限公司；

热重（TG）分析仪：CRY-2P型，上海精密科学仪器有限公司；

1.3试样制备

称取一定量的氢氧化镁和氧化铝放置于真空干燥箱中，于70℃真空条件下干燥120 min。在偶联剂添加一定体积分数的阻燃剂（15%，25%，35%，45%，55%，65%）并在无水乙醇中充分混合，放置真空干燥箱中干燥，直至完全干燥后取出，过74 μm筛，即为偶联阻燃剂。

将上述得到偶联阻燃剂和EP分别按照一定的比例在烧杯中混合（其中偶联阻燃剂的质量分数分别为10%，15%，20%）搅拌均匀后加人10%的增韧剂，继续搅拌，加人2%的固化剂和促进剂，在60℃水浴下磁力搅拌均匀，然后将其倒人模具，自然冷却至室温，最后，将其放置真空干燥箱中，120℃保温3 h，待冷却后得到EP复合材料。

1.4性能测试与表征

LOI测试：将EP/氢氧化镁复合材料、EP/氧化铝复合材料分别制成标准试样，垂直放置于透明玻璃筒中，通人氮气、氧气混合气流，用点火器点燃样品上端，燃烧，记录3 min或者50 mm处样品熄灭时氧的体积分数，测5次，取平均值。

垂直燃烧实验：测试温度范围500～1 000℃。

TG分析：将待测试的EP，EP/氢氧化镁复合材料和EP/氧化铝复合材料样品10～15 mg制成微小颗粒状，放人坩埚中，在氮气气氛下升温，氮气的流速为15 mL/min，升温速率为10℃/min，一直加热到600℃。

2　结果与讨论

2.1固化剂用量的研究

胺类固化剂是通过胺基上的一个氢原子与EP中一个氧基团匹配的，593固化剂的最佳理论含量为23.78%［15］。图1是添加不同质量分数的固化剂的EP/氢氧化镁复合材料样品照片。

由图1可知，当固化剂用量为10%时，样品中存在着很多气孔且较大，当固化剂的质量分数为15%时，样品中依然存在着较多的气孔，但是气孔较小；在相同的固化时间，当固化剂质量分数为20%时，样品中有很少的气孔，孔径也很小，与理论含量值相吻合。

图1　添加不同质量分数的固化剂的EP/氢氧化镁复合材料照片

2.2添加不同阻燃剂对EP复合材料LOI的影响

图2为不同阻燃剂的EP复合材料的LOI与阻燃剂体积分数的关系曲线。由图2可知，随着阻燃剂在EP复合材料中的体积分数的增加，复合材料的LOI随之增大；当氢氧化镁和氧化铝在EP中的体积分数相同时，添加氢氧化镁的EP复合材料的LOI明显高于添加氧化铝的复合材料。当氢氧化镁的体积分数为15%时，LOI为35%，已达到极难燃塑料的要求。当阻燃剂在EP中的体积分数为35%时，添加氢氧化镁的EP复合材料的LOI为46%，而同体积分数的氧化铝的复合材料LOI仅为23%。当氢氧化镁的体积分数高于55%时，EP复合材料的LOI已经超过LOI测试仪的量程（最大量程为80%）。由此推断，氢氧化镁的阻燃性能明显优于氧化铝。

图2　添加不同阻燃剂对EP 复合材料LOI的影响

2.3 添加不同阻燃剂对EP复合材料燃烧等级的影响

表1为添加不同阻燃剂的EP复合材料的燃烧等级及发烟量情况。由表1可知，当氢氧化镁的体积分数为15%时，EP/氢氧化镁复合材料的燃烧等级已经为94V-1；当体积分数为25%时，发烟量明显降低。而氧化铝的体积分数为55%时，EP/氧化铝复合材料燃烧等级才为94V-1。燃烧等级实验结果与LOI结果一致，氢氧化镁的阻燃性能明显优于氧化铝。这主要是因为，氢氧化镁在燃烧过程中于320℃左右发生热分解，此反应是吸热过程，将吸走大部分热量从而降低复合材料的燃烧温度，与此同时，该反应会生成大量的水蒸气，水蒸气不仅可以起到冷却的作用还可以起到稀释烟气的作用，从而降低烟密度。除此之外，氢氧化镁失水生成氧化镁，它的比表面积很大，可以吸附烟气。氢氧化镁是通过脱水、吸热、吸附烟气改善EP复合材料的阻燃性能。而氧化铝作为阻燃剂，它具有很好的热稳定性及一定的比表面积，主要通过物理隔离达到阻燃的目的，通过吸附烟气降低烟气［7］。

表1　添加不同阻燃剂的EP复合燃烧性能比较

2.4添加不同阻燃剂对EP复合材料热稳定性的影响

图3为添加不同阻燃剂的EP复合材料的TG曲线。从图3可以看出，EP/氢氧化镁复合材料在450℃左右开始分解，比EP/氧化铝复合材料的分解温度高100℃，比纯EP的分解温度高约120℃。在500℃附近趋于平缓，且分解温度范围较窄，推测原因为，氢氧化镁分解反应为吸热反应，且分解出大量水蒸气，迅速降低EP复合材料的温度，故分解温度较窄。纯EP的质量保持率为20%，EP/氧化铝复合材料的的质量保持率率为30%左右，EP/氢氧化镁复合材料的质量保持率为40%左右，由于质量保持率可作为评价材料阻燃性能的标准之一，与上述实验数据相吻合，氢氧化镁的阻燃性能要优于氧化铝的阻燃性能，这也证明了氢氧化镁具有良好的热稳定性。

图3　添加不同阻燃剂的EP复合材料的TG曲线

3　结论

（1）当固化剂质量分数为20%时，EP复合材料固化效果最佳。

（2）在EP中添加氢氧化镁，阻燃效果得到很大改善。当氢氧化镁和氧化铝在EP中的体积分数相同时，添加氢氧化镁的EP复合材料的LOI明显高于添加氧化铝的复合材料。

（3）当氢氧化镁的体积分数高于55%时，LOI已经超过LOI测试仪的量程（最大量程为80%）当氢氧化镁的体积分数为15%时，EP复合材料的燃烧等级已经达到UL 94 V-1；当体积分数为25%时，发烟量明显降低。而氧化铝的体积分数为55%时，EP复合材料燃烧等级才为UL 94 V-1。

（4）纯EP的质量保持率为20%，EP/氧化铝复合材料的质量保持率为30%左右，EP/氢氧化镁复合材料的质量保持率为40%左右，EP/氢氧化镁复合材料阻燃性能要优于EP/氧化铝复合材料的阻燃性能。

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Modification of Flame Retardant Epoxy Resin as Electronic Encapsulating Material

Zhou Beiming
（Chongqing Industry Polytechnic College， Chongqing 401120， China）

Alumina and magnesium hydroxide were added in epoxy resin. The effects of different flame retardant adding to epoxy resin （EP） were studied. The results show that when the volume fraction of magnesium hydroxide is 15%， the limited oxygen index （LOI） of EP composites is 35% and EP composites combustion level is already UL 94 V-1，that reaches the requirements of high fire resistant plastic. When the volume fraction of magnesium hydroxide and alumina in epoxy resin is same，the LOI of magnesium hydroxide epoxy composites is significantly higher than that of alumina composite. The weight maintenance rate of pure epoxy，alumina composite and magnesium hydroxide epoxy composites respectively is 20%， 30%， 40%. The retardant performance of magnesium hydroxide epoxy composites is greatly improved.

epoxy resin； limited oxygen index；fire resistance；magnesium hydroxide；alumina

TQ323.5

A

1001-3539（2016）10-0130-04

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.10.028

联系人：周北明，硕士，讲师，主要从事电力电子与电气传动方面的研究

2016-07-16