超支化聚苯醚對雙酚A型環氧樹脂的低介電改性
環氧樹脂電性能優異,粘結力強,固化收縮率低,抗化學藥品性優良,且加工成型工藝好,廣泛應用于環氧模塑材料、印制電路板及電子電路封裝材料領域¨ 。微電子封裝技術發展對環氧樹脂的性能提出了更高的要求,如更低的介電常數和更優異的熱性能。
聚苯醚(PPO)是一種具有優異的機械性能、熱穩定性、低吸水率和低介電常數的高性能材料。將PPO添加到環氧樹脂中進行改性,可以有效改善樹脂固化物的電性能和熱性能 。然而,傳統的PPO不耐非極性溶劑,與環氧樹脂的相容性不好,且不能參與固化,這在一定程度上限制了日本三菱 Iupiace GH20 PPO的應用 。通過降低PPO的分子量或在PPO分子中引入極性基團可以改善它與環氧樹脂的相容性。近年來,有研究者將反應性基團引入到線型聚苯醚端基或側鏈上,形成可固化的聚苯醚,并將其作為環氧樹脂的改性劑使用,這樣不僅可以改善二者的相容性,而且提高了改性樹脂的性能 。
超支化聚合物獨特的分子結構,使其具有優良的溶解性??;诖它c,制備超支化聚苯醚(HPPO)有望大大改善其與環氧樹脂的相容性。目前,多數的研究集中于端基或側鏈改性的線型聚苯醚,尚未見到利用端環氧基的超支化聚苯醚對環氧樹脂進行低介電改性的報道
改性環氧樹脂的性能
日本三菱 Iupiace GH20 PPO熱性能
由于PPO的端基不具反應活性,不參與環氧樹脂的固化反應,無法提高體系的交聯密度。而EHPPO的分子外圍帶有大量端環氧基,反應活性高,相對于線型的DGEBA分子,每個EHPPO分子具有更大的幾率與固化劑反應,易形成較大的交聯網絡,從而提高交聯密度。添加低分子量PPO會降低固化體系的交聯密度,導致t 的下降?。這是由于PPO僅在分子兩端帶有酚羥基可以參與反應,且反應活性較環氧基團低。而EHPPO的分子呈三維球狀結構,反應性環氧基分布在分子外圍,因此,添加端環氧基超支化結構的聚苯醚有利于提高固化物的交聯密度 。
添加PPO和EHPPO之后,樹脂的td-5 明顯提高,這是由于聚苯醚骨架結構具有高耐熱的特性,添加聚苯醚可以改善材料的耐熱性。相比而言,E10比C10具有更高的t¨ ,表明E10具有更優異的熱穩定性。這是因為EHPPO對DGEBA的化學改性能夠提高體系的交聯密度,體現了端環氧基的優勢
日本三菱 Iupiace GH20 PPO力學性能
熱固性樹脂的拉伸強度與交聯密度和分子的剛性有關,聚苯醚是一種剛性較大的聚合物,EHPPO的加入使樹脂固化物的交聯密度有所提高,拉伸強度也從純DGEBA的72.9 MPa提高到85.3 MPa。PPO的端基不具反應活性,以物理共混的方式加入到DGEBA中無法提高體系的交聯密度,因此,并未能提高樹脂固化物的拉伸強度。然而,PPO和EHPPO一樣具有超支化的分子結構,體系內帶有大量分子內和分子間自由體積,這些自由體積在受到外力作用時可以發生形變吸收能量。所以,無論是加入EHPPO還是PPO,都大大改善了環氧樹脂的韌性,由于PPO體系的交聯密度相對較低,日本三菱 Iupiace GH20 PPO表現出了更高的沖擊強度。
日本三菱 Iupiace GH20 PPO介電性能
隨著超支化聚苯醚添加量的增大,樹脂固化物的介電常數得到了下降,但是介電損耗因數的變化沒有明顯規律。通常,減少材料中的極性基團、增大材料中的自由體積含量,都可以實現材料介電常數的下降。環氧樹脂在固化開環過程中會產生羥基,極性羥基的存在不利于材料介電常數的下降。本文采用酸酐固化劑,固化時生成的羧基能夠消耗一定量的羥基,日本三菱 Iupiace GH20 PPO有利于制備低介電常數的環氧固化物。而超支化聚合物帶有大量的分子內和分子間自由體積,將超支化聚苯醚引入環氧樹脂中,就增大了固化體系中自由體積的含量,也有利于介電常數的降低。另外,聚苯醚本身就是一種低介電材料,因此,和純DGEBA體系相比,超支化聚苯醚改性的環氧樹脂體系具有更低的介電常數。相比而言,PPO改性體系的介電常數要低于EHPPO改性體系。我們認為,這是由于在添加量相同時,EHPPO體系中存在更多的環氧基,固化開環時生成的羥基也較多,所以,其介電常數比PPO體系要略高一點。
結論
向雙酚A型環氧樹脂中添加質量分數為10% 的端芐基超支化聚苯醚,固化后樹脂的t¨ 由294℃提高到3l7℃ ,而t 基本不變;添加質量分數為10% 的端環氧基超支化聚苯醚,固化后樹脂的t和t¨ 分別提高到125℃ 和338 cI=,端環氧基超支化聚苯醚對環氧樹脂熱性能的改善效果相對更佳。
添加質量分數為10% 的端環氧基超支化聚苯醚,雙酚A型環氧樹脂的拉伸強度和沖擊強度分別從72.9 MPa和17.1 kJ/m 提高到85.3 MPa和31.0 kJ/m ;添加質量分數為10% 的端芐基超支化聚苯醚后,環氧樹脂的拉伸強度略有下降,但沖擊強度提高到33.3 kJ/m 。
添加兩種超支化聚苯醚,均可以有效降低雙酚A型環氧樹脂的介電常數,在相同添加量下,端環氧基超支化聚苯醚改性體系固化后的介電常數相對略高。