LED 封裝用環(huán)氧樹脂的導熱透明改性
萬正國,賈虎生,梁 建,馬淑芳,閆文慧,王連紅
( 太原理工大學材料科學與工程學院, 山西太原030024)
摘 要:采用沉淀轉(zhuǎn)化法,以鹵水、碳酸鈉為原料,聚乙烯醇( PVA) 為改性劑,制備了分散性較好的納米氧化鎂粒子。以納米MgO 為填料,添加環(huán)氧樹脂AB 膠固化體系中,增強固化物的導熱性能。研究了納米MgO 經(jīng)過偶聯(lián)劑改性后,對原環(huán)氧樹脂固化系的性能的影響。通過測試,表明納米MgO 對固化物的導熱性有增強作用,少量的MgO 填充還影響固化物的透光性能。
關鍵詞:環(huán)氧樹脂; 氧化鎂; 導熱; 透明
中圖分類號: TQ323. 5 文獻標識碼:A
目前,用于生產(chǎn)L ED封裝樹脂的AB 混合膠大部分只能適用于小功率LED 封裝,對現(xiàn)有AB 膠組分進行導熱及透明改性,能滿足大功率L ED 封裝的要求。絕大多數(shù)高分子材料本身屬于絕熱性材料,要得到優(yōu)良導熱性的材料,第一種途徑是制造具有高熱導率的聚合物材料;第二種途徑是通過共混方法對高分子材料進行填充改性,形成復合材料,提高聚合物的導熱性能。第二種途徑比較簡單可行,也較常見。
常用的導熱性填料,通常包括金屬粉末和無機填料。在金屬填充的導熱塑料中,常用的金屬粉末有銀、銅、錫、鋁、鐵等[1 ] 。在無機填料填充的導熱塑料中,常用的無機填料為石墨、陶瓷、碳纖維、炭黑、Al2 O3 、AlN 等[2 ] 。石墨的熱導率最高, 100 ℃時為209 W (m ·K) - 1 , 且與金屬的熱導率最為接近。用石墨來改善高分子材料熱導率的研究較多,但石墨不能用于L ED 封裝用塑料的導熱改性填料,因為它是非電絕緣性材料。
絕緣型的導熱填料主要包括:金屬氧化物如BeO ,MgO ,Al 2O3 ,CaO ,NiO; 金屬氮化物如AlN ,BN 等;碳化物如SiC ,B4 C3 等[ 3 ] 。筆者采用絕緣性的MgO 填料對塑料進行導熱性能改善, 是因為MgO 填料易得,且導熱性能好。
1 實驗部分
1. 1 主要實驗原料
L ED 專用A 膠(BS21202A 型) 、B 膠(BS21202B型) ,長沙藍星化工新材料有限公司生產(chǎn); kH2560 ,曲阜晨光化工有限公司生產(chǎn)脫模劑自制。MgCl 2 ·6 H2 O 溶液,濃度1. 2 mol/ L ;Na2 CO3
溶液,濃度1. 3 mol/ L ;PVA 溶液,濃度0. 5 mol/ L .
1. 2 主要儀器與設備
501 型超級恒溫器,上海市實驗儀器廠; SHB2Ⅱ型循環(huán)水式多用真空泵,鄭州長城科工貿(mào)有限公
司;DF206 型電熱恒溫箱,北京西城區(qū)醫(yī)療器械二廠; GSL1600X 型真空管式爐, 合肥科晶材料技術有限公司; J EOL JSM26700F 型發(fā)射掃描電鏡;Riga ku D/ max 3C X2Ray 衍射儀; L FA 447 型激光散射導熱系數(shù)測定儀,德國耐弛公司;WGT2S 型透光率/ 霧度測定儀,上海華巖儀器設備有限公司。
1. 3 納米氧化鎂顆粒的制備及環(huán)氧樹脂的改性與固化
1. 3. 1 納米氧化鎂顆粒的制備
配制一定摩爾濃度的MgCl2 溶液和Na2 CO3溶液50 mL 。將10 mL PVA 溶液加入到MgCl2 溶液中,超聲波混合均勻后,置于恒溫水浴中,快速攪拌并向其中加入Na2CO3 溶液;陳化、抽慮,依次用PVA 溶液、無水乙醇洗滌[ 4] ;110 ℃恒溫干燥4 h ;700 ℃下用流動Ar 鍛燒4 h , 即可得到白色納米MgO 粉末。工藝流程如圖1 所示。
1. 3. 2 環(huán)氧樹脂的改性與固化
1) 未改性環(huán)氧樹脂的固化。首先將A 膠在50～60 ℃加熱1 h ,然后加入B 膠混合均勻, 固化溫度為110 ℃, 固化時間為4 h ,最后獲得到環(huán)氧樹脂的固化物。
圖1 納米氧化鎂的制備工藝流程
2) 經(jīng)過MgO 改性后環(huán)氧樹脂的固化。MgO是常用的無機填料,其導熱率約3413 W/ (m ·K) ,導熱性能優(yōu)于Al2O3 、SiO2 等。如果MgO 的粒徑達到納米尺寸時,其導熱性將會顯著增加。在環(huán)氧
樹脂固化體系中加入納米氧化鎂之前,首先要用表面處理劑(本實驗用硅烷類偶聯(lián)劑k H2560) 進行化學改性,增強其對樹脂基體的結合[5 ] 。本實驗改性的具體工藝流程如圖2 所示。
圖2 納米MgO 改性環(huán)氧樹脂的固化流程
2. 1 微觀掃描照片(SEM) 及EDS 分析
由SEM照片(圖3) 可以看出, 加入PVA 后,實驗所制備的納米MgO 顆粒無明顯團聚,分散性較好。粒子呈球形,粒度分布在40～50 nm 之間[6 ] 。
圖3 納米氧化鎂的SEM照片
2. 2 微觀結構表征(XRD)
圖4 給出了鹵水2碳酸鈉沉淀轉(zhuǎn)化法制備的納米氧化鎂的X 射線衍射分析圖譜, 由圖可見,其衍射角2θ與粉末衍射標準聯(lián)合委員會8720653 完全一致,為立方晶系結構,并且純度很高。產(chǎn)品的衍射峰相當尖銳,結晶型良好[ ] 。根據(jù)謝樂方程( S ) 計算知,平均粒徑為40～50 nm ,與掃描照片觀測一致。
圖4 納米氧化鎂的X 射線衍射圖
2. 3 導熱性能測試
根據(jù)MgO 含量的不同進行實驗, 每組MgO質(zhì)量分數(shù)分別為: 0 %,0. 1% ,0. 2 % ,0. 3 % ,0. 4 %.
繪出它們的熱導曲線圖(圖5) 。從圖中可以看出,經(jīng)過改性后的環(huán)氧樹脂固化物,隨MgO 含量的增加,導熱性能增加。
圖5 MgO 的含量對熱導率的影響
由熱導率測定儀測得固化物的熱擴散系數(shù),然后根據(jù)公式λ = ραCp 得到熱導率。圖5 為加入不同含量MgO 的環(huán)氧樹脂固化物,在室溫下的熱導率變化,表明固化物的導熱性隨MgO 的含量的增加而增大。
由于晶體的導熱機理是排列整齊的晶粒的熱振動,晶體的熱導率比非晶體大得多。納米MgO 晶體的尺寸效應,其導熱性將比普通MgO 晶體有質(zhì)的變化,因此作為填料對環(huán)氧樹脂進行改性,固化后的產(chǎn)品,導熱性能大大增強。納米MgO 的填料質(zhì)量分數(shù)如果達到50 % ,固化物的導熱率將會更大,但是其他性能將發(fā)生變化(如透光率將大大下降) 。因此,要考慮固化物的綜合性能,選擇加入合適含量的MgO 提高固化物的導熱性。
2. 4 透光性測試
添加成核劑是增大透明樹脂透光率最有效的一種方法[ 8 ] 。圖6 表明了MgO 的含量對透光率的影響。從圖中可以看出,隨著M O 加入量的增大透光率增大;達到最大透光率后,隨M O 的增大, 透光率反而下降。這是因為,加入成核劑太多,降低結晶程度抵消不了結晶度增長的影響, 反而使透光率下降。因此,本實驗MgO 的最佳添加量為環(huán)氧樹脂質(zhì)量(質(zhì)量分數(shù)) 的0. 2 %。
圖6 MgO 的含量對透光率的影響
3 結論
納米MgO 填料的加入提高了環(huán)氧樹脂固化物的導熱性,且隨MgO 的含量增加,固化物的熱導率
相應增加。環(huán)氧樹脂固化物的透光性能受到MgO 的含量影響, MgO 的質(zhì)量分數(shù)為0. 2 %時固化物的透光率最大;繼續(xù)提高MgO 的含量固化物的透光率下降。因此,添加質(zhì)量分數(shù)為0. 2 %的MgO 填料會使固化物的透光性能和導熱性能同時增強。
參考文獻:
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