物流環境對導電膠耐腐蝕與粘接強度性能影響研究

王 珂

(河南應用技術職業學院,河南 鄭州 450042)

現代膠接技術發展快、應用廣泛,并對高新技術的科技進步和人們的生活改善產生了重大的影響。導電膠是一種提供粘合和機械性能的粘合劑,電導通道形成于基體樹脂中,電導通道保證了它的電導性[1]?；w樹脂的種類有很多種,如環氧樹脂、有機硅、酚醛、聚氨酯樹脂等。然而,由于環境的影響,導電膠的耐腐蝕性發生了變化[2]。耐腐蝕性是指材料對周圍介質腐蝕損傷的抵抗力,而導電膠本身的耐腐蝕性的變化會影響其導電性和粘度。研究分析了物流運輸環境對導電膠耐腐蝕性能的影響,并根據分析結果對物流高溫運輸環境進行了調整。

1 實驗材料制備

1.1 實驗材料

影響實驗中需要使用的材料可以分為樣品制備過程中使用的材料和耐腐蝕性測試過程中使用的材料2個部分。實驗選取上海巨興化有限公司的雙酚型環氧樹脂作為膠體基質,選擇上海巨興化有限公司的TiB陶瓷粉末作為導電粒子為導電膠提供導電性能,采用上海巨興化有限公司的表面活性劑作為導電膠的分散劑,選擇北京瑞立德科技有限公司的固態導電膠作為交聯劑[3]。

準備的實驗原料中包含了基體膠、固化劑、填料以及添加劑等多種類型。

1.2 材料設備

除了原料之外還需要從制備和測試2個方面進行儀器的準備,具體的實驗儀器:250 mL圓底三口燒瓶、250 mL燒杯、100 mL量筒、250 ℃溫度計、500 mL布氏漏斗、3541型電阻儀(日本 Hioki 公司)。

1.3 實驗制備

在燒杯中加入少量環氧樹脂,然后將燒杯放入100 ℃的鼓風干燥箱中30 min,以除去樹脂中的水分。按設計配比取一定量的脫水樹脂,加入少量稀釋劑在瑪瑙砂漿中攪拌,同時加入一定比例的燒硅偶聯劑[4-5]。根據環氧樹脂的質量,按預計算的比例,稱取與TiB陶瓷粉末的比例,加入2種粉末樹脂,第1次加入5～10 min,直到混合物與樹脂混合成膏狀粉末,第2次加入陶瓷粉末,防止因混合不均勻而造成粉末分散,適量加入稀釋劑,同時攪拌15～20 min,按比例加入固化劑和磷酸三丁酯,繼續攪拌至乳化狀態,即可固化導電膠[6]。在測試中,需要對導電膠的導電性和力學性能進行測試。根據不同的測試數據,需要制備2種不同的樣品。根據GJB 548A—1996,選用(7.62×2.54)cm玻片作為載體,以體積電阻率為指標,采用直接測試法測定其導電性能。使用前,用無水乙醇清洗載玻片,并將其放入干燥箱中以備日后使用[7]。使用前,用比例尺畫出兩條相距2.54 mm的平行線,并與載玻片中間的長邊平行。將2條耐高溫膠帶貼在平行線的外側,2條耐高溫膠帶中間的槽為涂有導電膠的導槽。將導電膠涂在導槽上,用一個刀片小心地刮掉多余的導電膠。刮削過程中,刀片與滑塊以勻速從導槽一端向另一端形成30°角,保證導槽內填充導電膠,表面平整無明顯氣泡[8-9]。將涂有導電膠的載片放入干燥箱中,按規定的固化溫度和時間進行固化。冷卻至室溫后,將導電膠兩側的耐高溫膠帶取下,制成導電膠樣品,如圖1所示。

圖1 導電膠制備樣品示意圖

除具有良好的導電性能外,導電膠的粘接強度也同樣十分重要,粘結劑的粘接強度一般用剪切強度來表示,即當試件受到剪應力作用時,單位面積上的最大載荷,把這個參數設定為圖像試驗中需要重點檢測和研究的另一個參數。導電膠力學性能試驗的試樣,如圖2所示。

圖2 力學性能測試的導電膠試樣示意圖

最后計算固化劑的用量并實現導電膠樣品的固化處理。利用上述導電膠樣品的制備流程,在物流運輸環境下進行對比樣品的制備。最終將正常環境中的導電膠制備樣品標記為A-i,其中i的取值為1、2、3和4。另外,物流運輸環境下得出的樣品制備結果標記為B-i。

2 性能測試方法設計

以不同的物流運輸環境下制備的導電膠為基礎,分別從導電性、粘接強度以及材料表征3個方面進行測定,從而觀察出物流運輸環境對其耐腐蝕性的影響情況。

2.1 導電膠導電性能測定方法設計

采用粉末壓片機利用模壓法將導電膠固化制成均勻的薄片狀試樣,在樣品左側邊制作4個對稱的電極,如圖3所示。

圖3 電阻率測試原理

測量電阻率時,依次在一對相鄰的電極通電流,另一對電極之間測電位差,得到電阻,帶入公式得到電阻率ρ計算公式:

(1)

2.2 導電膠粘接強度測試方法設計

用國標規定剪切速率的同軸雙筒旋轉黏度計測定導電膠樣的黏度,方法參照國家標準。將剪切速率設置為1.00、2.50、6.30、16.0、40.0、100、250 s-1以及將這些數字乘以或除以100。因此,可用式(2)計算導電膠結合強度。

η=K·a

(2)

式中:K和a分別表示儀器常數和讀數值[11]。將不同物流運輸環境下制備的導電膠樣本對應的測試數據讀出,并導入到式(2)中,便可以得出對應的導電膠粘接強度性能的量化測試結果。

2.3 導電膠表征分析方法設計

用設備METTLER 821 e/400將所制得的粘結劑加入到固化劑中,并用氮氣氣氛對其進行保護,設定溫度為42 ℃,分別在5、10、15 ℃/min條件下升溫[12]。通過表征試驗,從理論上分析了固化導電膠中各微粒的分布狀況,發現各微粒密度越大,間距越小,就越容易形成導電網絡,即其自身的導電和結合能力越強,否則就說明導電膠存在腐蝕或老化現象。

綜合上述3個方面的性能測試結果,從而反映出物流運輸環境對導電膠耐腐蝕性能影響[13]。對比A-i和B-i導電膠樣品性能測試結果的平均值,導電性越高、粘接強度越強、導電粒子的密度越大證明導電膠的耐腐蝕性越強,反之,則說明導電膠的腐蝕性越弱。

3 結果與分析

3.1 不同物流運輸溫度下導電膠導電性能對比結果分析

在研究物流高溫運輸環境對導電膠耐腐蝕性能影響分析時,對物流運輸環境的溫度進行了實驗控制:根據物流運輸中可能遇到的高溫情況,選擇42 ℃的溫度水平進行實驗,得到2種類型的導電膠樣品的電阻率測試對比曲線。

由圖4可知,正常環境下制備的導電膠樣本的電阻率明顯高于物流運輸環境下導電膠的電阻率。由此可以證明,物流運輸環境對導電膠的導電性能產生了負面影響。另外,從自腐蝕電位和電流密度上可以得出統計數據,如表1所示。

表1 電位和電流密度對比數據表Tab.1 Data table of potential and current density

圖4 不同導電膠樣品的電阻率對比曲線

由表2可知, 導電膠樣品A-1的自腐蝕電位為(-100.54±4.71)V,自腐蝕電流密度為(203.10±5.25)A/mm2。 導電膠樣品A-2的自腐蝕電位為(-117.41±2.83)V,自腐蝕電流密度為(259.76±0.89)A/mm2。導電膠樣品B-1的自腐蝕電位為(-13.47±3.49)V,自腐蝕電流密度為(97.86±7.09)A/mm2。導電膠樣品B-2的自腐蝕電位為(-16.31±4.67)V,自腐蝕電流密度為(124.54±1.72)A/mm2。物流高溫運輸環境下導電膠的自腐蝕電位和電流密度均高于正常環境下的導電膠樣品,即正常導電流通的電流密度降低。

表2 粘接強度測試對比結果Tab.2 Comparison results of the bond strength test

3.2 不同物流運輸暴露時長下導電膠粘接強度對比結果分析

在42 ℃水平下,需要確定導電膠暴露在該溫度環境下的時間長度。選擇1、3、24 h 這3個點進行觀察和測試,得到導電膠粘接強度的對比結果如表2所示。

由表3可知,42 ℃高溫下,暴露1 h后,A-1導電膠樣品的剪切強度12.6 MPa,A-2導電膠樣品的剪切強度17.43 MPa,B-1導電膠樣品的剪切強度11.76 MPa,B-2導電膠樣品的剪切強度5.92 MPa。暴露24 h后,A-1導電膠樣品的剪切強度8.6 MPa,A-2導電膠樣品的剪切強度10.3 MPa,B-1導電膠樣品的剪切強度7.9 MPa,B-2導電膠樣品的剪切強度4.5 MPa。綜合分析可知,A-1和A-2導電膠樣品的粘接強度明顯高于B-1和B-2導電膠,即長時間在物流高溫環境下運輸會降低導電膠的粘接強度性能。

3.3 導電膠表征測試結果分析

分別在常溫25 ℃與42 ℃溫度水平下進行導電膠表征測試實驗,圖5為顯微設備觀察得出的導電膠微觀圖像。

(a)25 ℃

從圖5表示的微觀圖像中可以看出,2種環境下制備的導電膠內部的導電粒子的大小無明顯差異,但從粒子密度中可以看出,物流正常溫度運輸環境下導電膠粒子密度更高,即導電性和穩定性更高;反之,在溫度過高時,粒子密度降低,且粒子出現白斑即裂化嚴重,即導電性和穩定性下降。

綜合上述的量化測試對比結果可以得出:物流高溫運輸環境影響下,導電膠的導電性、粘接強度以及微觀結構都發生了不同程度的變化,且導電性和粘接強度出現明顯的下降趨勢,即物流高溫運輸環境會降低導電膠的耐腐蝕性。

4 結語

耐腐蝕性能是衡量膠粘劑中導電膠的一個主要性能指標,其越高的耐腐蝕能力有利于提高導電膠在各個工況當中的使用壽命。通過從導電膠本身性質出發,研究不同物流高溫運輸環境下導電膠耐腐蝕性能的變化情況,這可為制備高耐腐蝕性能導電膠提供研究思路。通過影響實驗的分析,可以發現物流高溫運輸環境會在一定程度上影響導電膠的耐腐蝕性,因此需要對物流高溫運輸環境進行控制,以保證導電膠的應用性能和使用壽命。