團(tuán)狀模塑料(BMC)制品具有很高的機(jī)械強(qiáng)度,良好的電絕緣性、抗漏電性、耐化學(xué)腐蝕性等性能,因此廣泛應(yīng)用于電氣部件、汽車部件和電子塑封等領(lǐng)域。現(xiàn)有的通用型BMC制品的彎曲強(qiáng)度為100MPa,拉伸強(qiáng)度為35 MPa左右,絕緣電阻為1012~1014Ω,耐電弧性為120 s,介電常數(shù)為6·5。但是隨著高科技的發(fā)展,人們對(duì)BMC制品的性能,特別是力學(xué)性能,電性能和耐熱性能的要求越來越高,使得BMC制品在電氣、建筑和航天軍工領(lǐng)域的應(yīng)用受到極大的限制。因此國內(nèi)外研究學(xué)者主要通過改變填料[3]、短切玻纖用量、種類或采用混雜玻纖、添加彈性體組分等途徑來提高BMC制品的力學(xué)性能,但是在模量、耐熱、耐腐蝕性、電性能都有不同程度的降低。
      而環(huán)氧樹脂作為一種高性能樹脂,具有耐溫性、耐腐蝕性好、力學(xué)強(qiáng)度高、絕緣效果好、收縮率和吸水率低等諸多優(yōu)點(diǎn)[8-9]。如果能運(yùn)用環(huán)氧樹脂獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),用環(huán)氧樹脂代替不飽和樹脂,制備出環(huán)氧團(tuán)狀模塑料,可以在提高BMC制品的力學(xué)性能的同時(shí),提高其電性能。
    本文主要是以環(huán)氧樹脂為基體,通過設(shè)計(jì)玻璃纖維/填料/環(huán)氧樹脂三元復(fù)合材料組分的配方及性能,研究了不同玻纖/填料質(zhì)量比對(duì)BMC制品力學(xué)性能、電性能、吸水率的影響,繼而進(jìn)一步考察不同質(zhì)量比對(duì)其性能的影響規(guī)律,并討論其原因。
    1　實(shí)驗(yàn)部分
    1·1　原材料和儀器設(shè)備
    雙酚A型環(huán)氧樹脂: CYD-128,工業(yè)品,岳陽石化環(huán)氧樹脂廠;固化劑: 4, 4′-二氨基二環(huán)己基甲烷(HMDA),工業(yè)品,上海山吉化工公司;增強(qiáng)材料:短切玻璃纖維,無堿,長度4·5 mm,南京玻璃纖維研究院;填料:超細(xì)滑石粉, 1 250目,桂林桂廣滑石開發(fā)有限公司。
    耐電弧測(cè)試儀: NDHU-2,桂林市漓源電子儀器有限公司;捏合機(jī): BWDO-23,常州新區(qū)光磊傳動(dòng)件有限公司;液壓機(jī): YNY32-100,武漢毅能鍛壓機(jī)械有限責(zé)任公司;微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī): RGM30A,深圳瑞格爾儀器有限公司。高頻Q表測(cè)試儀QBG-3,上海無線電儀器廠。
    1·2　試樣的制備
    1·2·1　BMC的制備路線
            
    1·2·2　實(shí)驗(yàn)配方
    為了研究不同的玻璃纖維/滑石粉質(zhì)量比對(duì)BMC力學(xué)性能、電性能的以及吸水率的影響,實(shí)驗(yàn)固定環(huán)氧樹脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(50% )、模壓料的制備方式、模壓工藝參數(shù),在模壓料具有可操作性的情況下,改變玻璃纖維/滑石粉的質(zhì)量比,其配方如表1。
           
    1·2·3　BMC的壓制成型
    經(jīng)過多次試驗(yàn),該實(shí)驗(yàn)中環(huán)氧BMC的模壓工藝參數(shù)確定為:成型溫度為90℃;成型壓力為5MPa;保壓時(shí)間為30 min。
    1·3　測(cè)試方法
    將壓制成的環(huán)氧BMC制品,按照標(biāo)準(zhǔn)加工成試件,測(cè)試其各項(xiàng)性能。拉伸強(qiáng)度:按照GB/T 2567—2005進(jìn)行測(cè)試;彎曲強(qiáng)度:按照GB/T 2567—2005進(jìn)行測(cè)試;耐電弧性按照GB 1411—1978進(jìn)行測(cè)試;介電性能按照GB 1409—2006進(jìn)行測(cè)試;體積電阻率按照GB 1410—2006進(jìn)行測(cè)試;吸水率按照GB/T1462—2005進(jìn)行測(cè)試。
    2　結(jié)果與討論
    2·1　玻纖/填料質(zhì)量比對(duì)BMC力學(xué)性能的影響
    玻璃纖維是BMC的增強(qiáng)體,它的含量對(duì)在BMC制品的力學(xué)性能有決定性的影響。玻纖/填料質(zhì)量比小,玻纖含量少而填料的含量卻高,填料的增強(qiáng)效果比玻纖差,但玻纖不能達(dá)到理想分散時(shí),在材料內(nèi)部易產(chǎn)生缺乏玻纖的區(qū)域,成為應(yīng)力集中點(diǎn),使得BMC的力學(xué)性能降低;當(dāng)玻纖填料質(zhì)量比較大時(shí),玻纖容易貫穿整個(gè)材料,就可以克服上述缺陷。圖1、2是纖維/填料質(zhì)量比對(duì)制品彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度的影響。
             
    從圖1、圖2可以看出,環(huán)氧BMC的力學(xué)性能隨纖維/填料質(zhì)量比的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)玻纖/填料質(zhì)量比為35/15時(shí),彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度都達(dá)到最大值。加入少量的短切纖維(20/30)時(shí),力學(xué)強(qiáng)度很低,這主要是當(dāng)玻纖/填料質(zhì)量比小時(shí),玻纖含量低而填料含量高,填料的增強(qiáng)效果比玻纖差,而短纖維不能很好地分散,使得材料內(nèi)部可能會(huì)產(chǎn)生缺乏纖維區(qū)域使得應(yīng)力集中,力學(xué)強(qiáng)度下降;當(dāng)短纖維用量大于一定值時(shí),隨著短纖維用量增大,界面應(yīng)力分散,較多的短纖維形成密度較大的“纖維帶”,能有效地限制基質(zhì)形變,阻礙裂紋發(fā)展,并成為主要的力學(xué)承載體,力學(xué)強(qiáng)度隨玻纖含量升高而升高[10-11]。但是玻纖用量過多時(shí), BMC的拉伸、彎曲性能也會(huì)變差,這是由于基體樹脂難以浸透纖維,而過多的玻璃纖維也會(huì)成束堆積,使得復(fù)合材料局部不均,形成應(yīng)力缺陷,導(dǎo)致制品的力學(xué)強(qiáng)度下降。
    2·2　玻纖/填料質(zhì)量比對(duì)BMC電性能的影響
    在BMC工藝中,滑石粉和玻璃纖維本身是絕緣體,具有較好的電絕緣性。但是在BMC制備過程中,由于樹脂的浸潤性不好以及纖維與樹脂粘接性不好等問題存在,研究不同玻纖/填料質(zhì)量比對(duì)電性能的影響很有必要。
           
    表2為環(huán)氧BMC的電性能與玻纖/填料質(zhì)量比的變化關(guān)系。由表中數(shù)據(jù)可以看出,環(huán)氧BMC的介電性能隨纖維/填料質(zhì)量比的增加呈先下降后增加,而體積電阻率隨纖維/填料質(zhì)量比的增加呈先增加后下降的趨勢(shì)。但介電性能和電阻率的數(shù)值波動(dòng)都不大。介電常數(shù)除了與樹脂、纖維和填料各自的介電常數(shù)和相對(duì)含量有關(guān)外,同時(shí)同它們相互之間的界面也有很大的關(guān)系[12]。從表中數(shù)據(jù)可以看出,介電性能的數(shù)值波動(dòng)不大。只有纖維/填料質(zhì)量比為40/10時(shí),介電常數(shù)上升較快,這主要是:在纖維含量較少時(shí),纖維均能被很好地浸潤,所以雖然纖維含量有所增加,但BMC的介電性能變化的幅度卻不大。而同時(shí)玻璃纖維和滑石粉本身的電阻率很高,是良好的絕緣體,所以隨著纖維含量的增加,環(huán)氧BMC板材的電阻會(huì)略有增加。但當(dāng)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到40%時(shí),樹脂無法完全浸潤纖維,板材中的纖維和氣體在制品中形成大量裂紋和氣泡,導(dǎo)致介電常數(shù)和介電損耗都上升,而體積電阻率會(huì)下降,電性能變差。
    耐電弧性表示絕緣材料對(duì)電弧作用的抵抗能力。通常以絕緣材料在電弧作用下,其表面產(chǎn)生“炭痕”(燒焦)所經(jīng)歷的時(shí)間(秒),作為耐電弧性強(qiáng)度的指標(biāo)[13]。由表中可以看出,在所研究的纖維/填料質(zhì)量比的范圍內(nèi),耐電弧性只有數(shù)秒的變化,耐電弧提高的時(shí)間很短。但是不加滑石粉的纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的耐電弧時(shí)間為120 s。因此,滑石粉的加入,對(duì)環(huán)氧BMC的耐電弧性能的提高有一定的改善。這主要是滑石粉在高電壓、強(qiáng)電場(chǎng)和高溫條件下不分解,有良好的耐電弧強(qiáng)度[14]。
    2·3　填料質(zhì)量比對(duì)BMC吸水率的影響
    吸水率是反映材料性能的一個(gè)重要指標(biāo)。通過吸水率可以得出環(huán)氧BMC板材內(nèi)部的密實(shí)程度,氣孔的多少,以此來判定板材的性能[15]。通過測(cè)試不同玻纖/填料質(zhì)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。 
            
    吸水性除了與材料本身如樹脂有關(guān)以外,它與模壓工藝以及BMC的配比也有很大的關(guān)系,當(dāng)滑石粉填充到環(huán)氧樹脂、玻璃纖維等的空隙中,經(jīng)過模壓后,制品結(jié)構(gòu)致密,大大降低了制品的吸水率。由數(shù)據(jù)可以看出,配方1、2、3、4的吸水率都是低于1·0%,說明其耐水性能比較好。但是當(dāng)玻纖/填料質(zhì)量比為40/10時(shí),其吸水率已經(jīng)超過了1%,主要是泡孔或者裂紋和缺陷之類的出現(xiàn),使得吸水率上升。
    2·4　不同玻纖/填料質(zhì)量比的BMC制品的斷面微觀形貌
            
    圖3是用掃描電鏡觀察到的BMC制品的斷面形貌圖。由圖可知,玻纖/填料質(zhì)量比為40/10的制品,纖維與樹脂分離嚴(yán)重,有樹脂堆積,纖維含量集中,當(dāng)玻纖不能達(dá)到理想分散時(shí),在材料內(nèi)部易產(chǎn)生缺乏玻纖的區(qū)域,成為應(yīng)力集中點(diǎn),使得BMC的力學(xué)性能降低。而玻纖/填料質(zhì)量比為35/15的BMC制品中纖維分布均勻,含量高,與樹脂粘接良好,制品缺陷少,力學(xué)性能和電性能都很理想。
    3　結(jié)論
    1)纖維和填料的含量對(duì)環(huán)氧BMC的力學(xué)性能、體積電阻率、介電特性、耐電弧性以及吸水率等具有顯著的影響。綜合考慮,當(dāng)纖維/填料的質(zhì)量比為35/15時(shí),環(huán)氧BMC能獲得較好的力學(xué)性能和電性能以及低于1%的吸水率。
    2)研究結(jié)果表明:相比現(xiàn)有的通用型BMC制品的力學(xué)性能和電性能,運(yùn)用環(huán)氧樹脂獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),是可以制備出性能較優(yōu)良的環(huán)氧BMC,以解決不飽和聚酯樹脂BMC制品存在的力學(xué)強(qiáng)度低、電性能不理想的缺點(diǎn)的。