物流环境对导电胶耐腐蚀与粘接强度性能影响研究

王 珂

(河南应用技术职业学院,河南 郑州 450042)

现代胶接技术发展快、应用广泛,并对高新技术的科技进步和人们的生活改善产生了重大的影响。导电胶是一种提供粘合和机械性能的粘合剂,电导通道形成于基体树脂中,电导通道保证了它的电导性[1]。基体树脂的种类有很多种,如环氧树脂、有机硅、酚醛、聚氨酯树脂等。然而,由于环境的影响,导电胶的耐腐蚀性发生了变化[2]。耐腐蚀性是指材料对周围介质腐蚀损伤的抵抗力,而导电胶本身的耐腐蚀性的变化会影响其导电性和粘度。研究分析了物流运输环境对导电胶耐腐蚀性能的影响,并根据分析结果对物流高温运输环境进行了调整。

1 实验材料制备

1.1 实验材料

影响实验中需要使用的材料可以分为样品制备过程中使用的材料和耐腐蚀性测试过程中使用的材料2个部分。实验选取上海巨兴化有限公司的双酚型环氧树脂作为胶体基质,选择上海巨兴化有限公司的TiB陶瓷粉末作为导电粒子为导电胶提供导电性能,采用上海巨兴化有限公司的表面活性剂作为导电胶的分散剂,选择北京瑞立德科技有限公司的固态导电胶作为交联剂[3]。

准备的实验原料中包含了基体胶、固化剂、填料以及添加剂等多种类型。

1.2 材料设备

除了原料之外还需要从制备和测试2个方面进行仪器的准备,具体的实验仪器:250 mL圆底三口烧瓶、250 mL烧杯、100 mL量筒、250 ℃温度计、500 mL布氏漏斗、3541型电阻仪(日本 Hioki 公司)。

1.3 实验制备

在烧杯中加入少量环氧树脂,然后将烧杯放入100 ℃的鼓风干燥箱中30 min,以除去树脂中的水分。按设计配比取一定量的脱水树脂,加入少量稀释剂在玛瑙砂浆中搅拌,同时加入一定比例的烧硅偶联剂[4-5]。根据环氧树脂的质量,按预计算的比例,称取与TiB陶瓷粉末的比例,加入2种粉末树脂,第1次加入5～10 min,直到混合物与树脂混合成膏状粉末,第2次加入陶瓷粉末,防止因混合不均匀而造成粉末分散,适量加入稀释剂,同时搅拌15～20 min,按比例加入固化剂和磷酸三丁酯,继续搅拌至乳化状态,即可固化导电胶[6]。在测试中,需要对导电胶的导电性和力学性能进行测试。根据不同的测试数据,需要制备2种不同的样品。根据GJB 548A—1996,选用(7.62×2.54)cm玻片作为载体,以体积电阻率为指标,采用直接测试法测定其导电性能。使用前,用无水乙醇清洗载玻片,并将其放入干燥箱中以备日后使用[7]。使用前,用比例尺画出两条相距2.54 mm的平行线,并与载玻片中间的长边平行。将2条耐高温胶带贴在平行线的外侧,2条耐高温胶带中间的槽为涂有导电胶的导槽。将导电胶涂在导槽上,用一个刀片小心地刮掉多余的导电胶。刮削过程中,刀片与滑块以匀速从导槽一端向另一端形成30°角,保证导槽内填充导电胶,表面平整无明显气泡[8-9]。将涂有导电胶的载片放入干燥箱中,按规定的固化温度和时间进行固化。冷却至室温后,将导电胶两侧的耐高温胶带取下,制成导电胶样品,如图1所示。

图1 导电胶制备样品示意图

除具有良好的导电性能外,导电胶的粘接强度也同样十分重要,粘结剂的粘接强度一般用剪切强度来表示,即当试件受到剪应力作用时,单位面积上的最大载荷,把这个参数设定为图像试验中需要重点检测和研究的另一个参数。导电胶力学性能试验的试样,如图2所示。

图2 力学性能测试的导电胶试样示意图

最后计算固化剂的用量并实现导电胶样品的固化处理。利用上述导电胶样品的制备流程,在物流运输环境下进行对比样品的制备。最终将正常环境中的导电胶制备样品标记为A-i,其中i的取值为1、2、3和4。另外,物流运输环境下得出的样品制备结果标记为B-i。

2 性能测试方法设计

以不同的物流运输环境下制备的导电胶为基础,分别从导电性、粘接强度以及材料表征3个方面进行测定,从而观察出物流运输环境对其耐腐蚀性的影响情况。

2.1 导电胶导电性能测定方法设计

采用粉末压片机利用模压法将导电胶固化制成均匀的薄片状试样,在样品左侧边制作4个对称的电极,如图3所示。

图3 电阻率测试原理

测量电阻率时,依次在一对相邻的电极通电流,另一对电极之间测电位差,得到电阻,带入公式得到电阻率ρ计算公式:

(1)

2.2 导电胶粘接强度测试方法设计

用国标规定剪切速率的同轴双筒旋转黏度计测定导电胶样的黏度,方法参照国家标准。将剪切速率设置为1.00、2.50、6.30、16.0、40.0、100、250 s-1以及将这些数字乘以或除以100。因此,可用式(2)计算导电胶结合强度。

η=K·a

(2)

式中:K和a分别表示仪器常数和读数值[11]。将不同物流运输环境下制备的导电胶样本对应的测试数据读出,并导入到式(2)中,便可以得出对应的导电胶粘接强度性能的量化测试结果。

2.3 导电胶表征分析方法设计

用设备METTLER 821 e/400将所制得的粘结剂加入到固化剂中,并用氮气气氛对其进行保护,设定温度为42 ℃,分别在5、10、15 ℃/min条件下升温[12]。通过表征试验,从理论上分析了固化导电胶中各微粒的分布状况,发现各微粒密度越大,间距越小,就越容易形成导电网络,即其自身的导电和结合能力越强,否则就说明导电胶存在腐蚀或老化现象。

综合上述3个方面的性能测试结果,从而反映出物流运输环境对导电胶耐腐蚀性能影响[13]。对比A-i和B-i导电胶样品性能测试结果的平均值,导电性越高、粘接强度越强、导电粒子的密度越大证明导电胶的耐腐蚀性越强,反之,则说明导电胶的腐蚀性越弱。

3 结果与分析

3.1 不同物流运输温度下导电胶导电性能对比结果分析

在研究物流高温运输环境对导电胶耐腐蚀性能影响分析时,对物流运输环境的温度进行了实验控制:根据物流运输中可能遇到的高温情况,选择42 ℃的温度水平进行实验,得到2种类型的导电胶样品的电阻率测试对比曲线。

由图4可知,正常环境下制备的导电胶样本的电阻率明显高于物流运输环境下导电胶的电阻率。由此可以证明,物流运输环境对导电胶的导电性能产生了负面影响。另外,从自腐蚀电位和电流密度上可以得出统计数据,如表1所示。

表1 电位和电流密度对比数据表Tab.1 Data table of potential and current density

图4 不同导电胶样品的电阻率对比曲线

由表2可知, 导电胶样品A-1的自腐蚀电位为(-100.54±4.71)V,自腐蚀电流密度为(203.10±5.25)A/mm2。 导电胶样品A-2的自腐蚀电位为(-117.41±2.83)V,自腐蚀电流密度为(259.76±0.89)A/mm2。导电胶样品B-1的自腐蚀电位为(-13.47±3.49)V,自腐蚀电流密度为(97.86±7.09)A/mm2。导电胶样品B-2的自腐蚀电位为(-16.31±4.67)V,自腐蚀电流密度为(124.54±1.72)A/mm2。物流高温运输环境下导电胶的自腐蚀电位和电流密度均高于正常环境下的导电胶样品,即正常导电流通的电流密度降低。

表2 粘接强度测试对比结果Tab.2 Comparison results of the bond strength test

3.2 不同物流运输暴露时长下导电胶粘接强度对比结果分析

在42 ℃水平下,需要确定导电胶暴露在该温度环境下的时间长度。选择1、3、24 h 这3个点进行观察和测试,得到导电胶粘接强度的对比结果如表2所示。

由表3可知,42 ℃高温下,暴露1 h后,A-1导电胶样品的剪切强度12.6 MPa,A-2导电胶样品的剪切强度17.43 MPa,B-1导电胶样品的剪切强度11.76 MPa,B-2导电胶样品的剪切强度5.92 MPa。暴露24 h后,A-1导电胶样品的剪切强度8.6 MPa,A-2导电胶样品的剪切强度10.3 MPa,B-1导电胶样品的剪切强度7.9 MPa,B-2导电胶样品的剪切强度4.5 MPa。综合分析可知,A-1和A-2导电胶样品的粘接强度明显高于B-1和B-2导电胶,即长时间在物流高温环境下运输会降低导电胶的粘接强度性能。

3.3 导电胶表征测试结果分析

分别在常温25 ℃与42 ℃温度水平下进行导电胶表征测试实验,图5为显微设备观察得出的导电胶微观图像。

(a)25 ℃

从图5表示的微观图像中可以看出,2种环境下制备的导电胶内部的导电粒子的大小无明显差异,但从粒子密度中可以看出,物流正常温度运输环境下导电胶粒子密度更高,即导电性和稳定性更高;反之,在温度过高时,粒子密度降低,且粒子出现白斑即裂化严重,即导电性和稳定性下降。

综合上述的量化测试对比结果可以得出:物流高温运输环境影响下,导电胶的导电性、粘接强度以及微观结构都发生了不同程度的变化,且导电性和粘接强度出现明显的下降趋势,即物流高温运输环境会降低导电胶的耐腐蚀性。

4 结语

耐腐蚀性能是衡量胶粘剂中导电胶的一个主要性能指标,其越高的耐腐蚀能力有利于提高导电胶在各个工况当中的使用寿命。通过从导电胶本身性质出发,研究不同物流高温运输环境下导电胶耐腐蚀性能的变化情况,这可为制备高耐腐蚀性能导电胶提供研究思路。通过影响实验的分析,可以发现物流高温运输环境会在一定程度上影响导电胶的耐腐蚀性,因此需要对物流高温运输环境进行控制,以保证导电胶的应用性能和使用寿命。