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【干货】关于无机填料的高填充和表面改性,你必须知道的几点

来源:广州宏武材料科技有限公司     发布时间:2019-05-09浏览量:

填料是一种固体材料,它具有通过自身物理特性和表面相互作用,或者没有表面相互作用来改变材料物理和化学性质的能力。填料可用于环氧塑封料、热界面材料、覆铜板、塑料等材料中起到增量、增强和赋予功能等作用。

1)增量:添加廉价的无机填料以降低制品的成本,降低聚合物用量。

2)增强:提高聚合物基复合材料,如塑料、橡胶的力学性能(弹性模量、抗压强度、冲击强度、耐磨性等)。

3)赋予功能:无机填料可赋予聚合物基体自身没有的一些特殊功能,如阻燃性、导电、抗菌等。此时,无机填料的化学组成,光、电、热等性质起到重要的作用。填料作为改进复合材料性能的重要组成,其填充技术也就显得非常重要。常用的无机填料有银粉,银包铜,二氧化硅,氧化铝,氮化硼,等等。


随着电子领域高密度、小型化、高精度、多功能技术的迅速发展,电子元件、封装材料、电路基材等朝着高纯度、高可靠性、高导热、耐高温焊、耐高湿热、高粘结强度及低应力、低膨胀、低吸水、低粘度、低环境污染、易加工等方向发展。要制备这类高性能材料,关键技术是提高填料填充量和使用性能好的树脂。但是加大填料的填充量后带来的主要缺点是粘度增大,流动性大大下降,因此在享受高填充所带来的材料高耐热性、低膨胀收缩率、高可靠的同时要解决高填充流动性问题,对填料也有更高的要求。

那么,填充多少算是“高填充”?其实,高填充是一个相对的概念,在不同的应用场合,由于材料的功能需求不同,集体体系和加工条件不同,“高填充”对应的填充比例门槛是不一样的。不同材料不同应用领域的填充量“高低”表现出不同的个性,但填料的填充过程面对的体系粘度、分散均匀性、填料和基体之间界面等问题却是共性的。

比如,由于复合材料的导电率并非与导电填料的浓度同步升高,只是在一定浓度范围内,才会随到的填料的增加而增大。因此导电填料的用量只能做一定范围内选择,同时要考虑其他一些因素,才能制备抗静电型、屏蔽型、导电型复合材料。它们之间的相互关系很复杂,必须用实验来确定具体的因素。

无机填料要进行表面改性处理。无机填料表面由于各种官能团的存在,使其与填料内部的化学结构差别很大。大多数无机填料具有一定的酸碱性,表面有亲水性基团,并呈极性;而聚合物则呈疏水性、极性。因此两者之间的相容性差,为了改善填料和聚合物基体间的界面结合,必须采用适当的方法对无机填料表面进行改性处理,这对于改善聚合物复合材料的最终性能至关重要。

无机填料表面改性处理方法。表面改性方法主要有物理方法和化学方法。物理法表面改性是增加填料表面凹凸度,从而增加填料的比表面积;化学法表面改性是在填料表面上架接了各种官能基团,使表面具有反应活性,这种改性方法具有简单易行,而得到广泛的应用。

另外,为解决填料高填充带来的不良影响,通常通过如下几种方法:
①加入低粘度特种树脂;
树脂作为复合材料的基材,其自身特性改善对填充过程的影响自然不可忽视。举个例子:环氧树脂具有收缩率低、粘结性好、电气绝缘和耐化学品性能突出等优点得以广泛应用。但环氧树脂也有不足之处:粘度高、流动性差等。为解决这些问题,人们在不影响环氧树脂综合性能的前提下积极研究开发新型结构的环氧树脂。联苯型环氧树脂、双环戊二烯型环氧树脂、邻甲酚醛环氧树脂、液晶环氧树脂等便是高耐热、低吸潮、低粘度环氧树脂的典型代表。

②加入球形填料,并采用大小球复配方式,调整填料的堆积密度;

一般来说填料片状、纤维状的填料对填充体系粘度影响较大,而粒状填料对填料影响较小。而在粒状粉体各种形貌中,球形及类球形粉体的流动性更佳,可以有效减少填料对填充体系粘度影响,从而实现更高的填充量。但在某些应用条件也会有降低流动性的要求,因此会有采用角形填料与球形填料复配的需求。



理论上,往均一球形颗粒产生的空隙中连续不断地填充适当大小的小球,将可获得非常紧密的填充体,但在实际的填充过程中填充结构随颗粒粒度大小、颗粒相互作用大小,以及填充条件而变化,因此很难得到完全紧密的填充体。要获得紧密的填充体,需要适当的大小颗粒混合比和粒度分布。

③对填料进行表面处理;
填料的表面改性一直是颗粒表面特性控制的热门话题。填料的表面改性就是指用物理或化学方法对填料粒子表面进行处理,改变了粒子表面的物化性质和赋予与其他物质相结合的各种官能团。目的是降低粒子的表面能,消除粒子的表面电荷,提高粒子与有机相的亲和力,降低粒子表面极性。

填料通过表面处理,一方面可以减小粒子间的作用力,有效防止粒子间团聚,降低整个体系的粘度, 增加体系的流动性;另一方面可以增强粒子与聚合物基体的相容性, 使填料粒子在聚合物基体中均匀分散。



④采用特殊的分散设备。
使用强而有效的分散技术,将填料分散至尽量小甚至是原始粒径对降低体系粘度以及增加复合材料的流动性有重要的作用。目前已有多种高效的分散技术应用于固态团聚体的分散,如球磨法、辊磨法、高压均质机分散法等。


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