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聚合物/介孔硅功能复合材料的制备及性能研究

林晶晶  
【摘要】: 聚合物基复合材料具有密度小、电气绝缘性能好、介电性能优异、原材料便宜且易加工等特点,在电子封装领域中应用的比例越来越大。超大规模集成电路要求封装材料具有更低的介电常数与介电损耗,开发具有低介电常数的聚合物及聚合物基复合材料成为目前的研究热点。同时,聚合物基封装材料也要有良好的阻燃性能,随着人们对环保和健康的日益重视,开发环境友好的阻燃聚合物基封装材料也有重要的经济和社会效益。 本论文分别制备了环氧树脂/介孔二氧化硅功能复合材料,及聚酰亚胺/介孔二氧化硅低介电材料,并表征了其性能。主要研究工作如下: 1、通过溶胶—凝胶法,以非离子嵌段聚合物P123、F127和P104为模板剂合成了一系列有序硅基介孔材料,这些硅基介孔材料具有二维六方紧密、三维体心立方、三维面心立方和三维蠕虫状介观结构,孔径为5.4~9.5nm,孔体积为0.68~1.21cm~2/g,这种独特的孔道结构和较大的孔体积,预示着介孔SiO_2材料能存储大量空气,在低介电材料领域有潜在的应用价值; 2、首次将具有不同介观结构的介孔二氧化硅与聚酰亚胺、环氧树脂等综合性能优异的聚合物复合,利用介孔材料的独特孔道结构将介电常数为1的空气引入聚合物基体中,研究证明介孔二氧化硅确实能有效地降低介电常数,以孔体积为0.68 cm~2/g,具有三维体心立方介观结构介孔二氧化硅SBA-16对降低聚酰亚胺的介电常数有显著效果,可由原来的3.34降至2.61,下降了21.86%,SBA-16与溴化环氧树脂复合体系的介电常数由原来的4.09下降到3.90。这开辟了一条简单有效的制备聚合物基低介电常数复合材料的途径; 3、首次系统地考察了介孔二氧化硅的介观结构、外貌形态及其在基体中分散程度等因素对聚合物/介孔二氧化硅复合材料介电常数的影响,并对比了聚酰亚胺和环氧树脂两种不同性质的聚合物基体对复合材料介电常数的影响。通过理论分析和模拟计算,首次全面分析了介孔二氧化硅降低材料的介电常数的原因:在聚合物基体中掺杂介孔SiO_2材料而引入了介电常数为1的空气降低了复合材料的介电常数,这些空气来源于介孔SiO_2孔道内储存的空气、介孔SiO_2与树脂界面间隙存在的空气以及引入大尺寸分散相产生的自由体积。同时,介孔SiO_2的外部形貌及其在基体中的分散程度影响着复合材料中界面间隙的空气体积及自由体积,对聚合物/介孔二氧化硅复合体系的介电常数产生影响; 4、通过二氯代磷酸苯酯与1,3-间二苯酚中亲核的氯与亲电的氢反应合成了一种含磷中间体——二(3—酚基)磷酸苯酯(BHPP)。通过分子设计,用双酚A缩水甘油醚(DGEBA)、BHPP、双酚A反应合成了含磷量分别为1 wt%和2 wt%的含磷环氧树脂EP-P1和EP-P2。以双氰胺(DICY)、苯酚三聚氰胺、酚醛树脂为固化剂制备了一系列含磷环氧树脂的固化体系,差示扫描量热法(DSC)和热失重(TGA)分析表明,这些热固性树脂具有优异的热性能和热稳定性。极限氧指数和垂直燃烧实验表明,具有磷—氮协同阻燃作用的EP-P2/DICY固化体系有优异的阻燃性能。研究表明,介孔SiO_2可以降低含磷环氧树脂的介电常数,但其分子结构中含有极性较大的基团,复合材料的介电常数下降不明显。


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