高端应用型无卤阻燃导热有机硅灌封胶的制备研究及产业化分析

邵向东,吉兰平,席先锋,王鑫鑫,徐齐

摘要：有机硅灌封胶具有诸多优势，能够提升电子产品的使用性能，稳定电子元件参数。在信息技术崛起和发展的背景下，由于电子元件、逻辑电路向着小型化、密集化的方向发展，电子产品单位面积热量有所增加，便对于有机硅灌封胶的导热、阻燃性能提出了更高的要求。鉴于此，本文围绕有机硅灌封胶研发的实际情况，概述了灌封胶的概念与特性等，重点从两个角度出发，研究了高端应用型无卤阻燃导热有机硅灌封胶的制备，分析了该类型灌封胶产业化问题的三个方面。

关键词：高端应用型；无卤阻燃导热；有机硅灌封胶；制备研究；产业化

引言：伴随微电子集成技术的发展，为了确保电子元件的可靠性、稳定性，通常要对电子设备开展灌封保护处理。但典型的灌封材料导热率仅为大约0.2W/m·K，且导热性能不佳，阻燃性能较差，被点燃后容易完全燃烧，说明要制备出新型有机硅灌封胶，推动新型灌封胶材料的产业化发展。

1灌封胶的概述

灌封胶或称电子胶，是一种在电子工业中具有广泛应用的材料，具有密封、粘接、灌封、涂覆保护电子元件的功效，是一种不可或缺的绝缘材料。灌封胶主要可以划分为三种类型，即有机硅胶、环氧胶、聚氨酯胶，其中，有机硅灌封胶属于以有机聚硅氧烷为基础，添加催化剂、交联剂、填料等形成的灌封材料，具有较强的适用性，温度范围广泛，化学与热稳定性优良、带有一定的耐水性，还具备电绝缘性、耐紫外线性、耐气候性、绿色环保、易于成型等优势，使得有机硅灌封胶在诸多行业领域内应用频率较高。按照灌封胶组成上的差异，有机硅灌封胶可划分为单组分、双组分两种。单组分灌封胶可以直接使用，无需脱泡处理，操作相对便捷，而双组分灌封胶则要将液体基础胶和交联剂、催化剂混合，通常用于密闭减震材料、绝缘封装材料等。按照固化机理的不同，有机硅灌封胶则可以划分为缩合型、加成型两种。与缩合型相比，加成型灌封胶在固化时不存在附属产物，且粘附力高、收缩率小，能够在室温条件下固化，还可以加热快速固化等，在高性能电子灌封领域内受到了欢迎[1]。表1为缩合型与加成型有机硅灌封胶部分特性比较表。

表1：缩合型与加成型有机硅灌封胶部分特性比较表

性能	缩合型	加成型
基础聚合物	端羟基聚二有机基硅氧烷	含有2个或2个以上乙烯基的聚二有机基硅氧烷
催化剂	钛、铂、锡的化合物	铂类化合物
交联剂	可以水解为含有可反应羟基的化合物或低聚物	含有3个以上硅烃基的有基硅氧烷低聚物
抑制剂	无	可以让催化剂中毒、造成硫化不良的所有物质
适用期	和催化剂用量有关，通常较短	较长且易于控制
硫化速度	和催化剂用量有关，温度影响小，湿度影响大	温度影响大，湿度无影响，高温下可迅速硫化
硫化副产物	水、氢、醇等	理论上不存在
电绝缘性	硫化初期下降，之后恢复正常	无副产物，不对电绝缘性有影响
线收缩率	不超过1	不超过0.2
耐热性	在密闭环境中不佳	较好
光学性能	不可应用在光学制品中	透光率超过90%

现阶段，关于应用型无卤阻燃导热有机硅灌封胶的研究和产品相对较少，填充较多的导热填料和阻燃剂尽管能够明显提升灌封胶的阻燃、导热性能，但容易造成灌封胶粘度过大，阻碍了正常的灌封操作；而加入粘接促进剂虽然能够优化灌封胶的粘接性能，但容易对灌封胶的固化、力学性能带来负面影响，且大多数粘接促进剂制备上难度较大，还需要使用有机溶剂。说明目前在提高有机硅灌封胶的导热、阻燃性的基础上，还可以维持其他性能是现阶段的研究热点问题。导热性能上，不同粒径的导热填料并用、填料表面处理、混杂填料是提高灌封胶导热性的关键方法；阻燃性能上，因无卤阻燃特征的缘故，差异性阻燃剂的复配和协同阻燃等，均为提高灌封胶阻燃性的主要思路。决定了当前亟需加强自主创新，开发出具有优良阻燃性、导热性、流动性，以及较高性价比的有机硅灌封胶，确保我国灌封胶产业市场竞争力的提高[2]。

2高端应用型无卤阻燃导热有机硅灌封胶的制备研究

2.1有机硅加成型导热灌封胶性能与影响因素

用获得难度较低的导热填料氧化铝代替传统材料硅微粉，能够制备出导热性能优良的有机硅灌封胶。

①氧化铝粒径对灌封胶性能的影响：在氧化铝粒径分别为1.5μm、6μm、16μm、30μm、40μm的情况下，研究对灌封胶性能影响后可知，当粉体填充量到达特定值后，粒径较小，导热离子间距有所下降，此时更容易发生协同作用，使得导热率显著上升。在粒径增加的条件下，粘度、拉伸强度可随之下降，但断裂伸长率则先增加后下降，邵氏A硬度无明显变化规律，但变化幅度较小。考虑到灌封胶的力学与使用性能，粒径可选择6μm或16μm。

②氧化铝用量对灌封胶性能的影响：在氧化铝用量分别为0phr、50phr、100phr、150phr、200phr、250phr的情况下，研究对灌封胶性能影响后可知，伴随氧化铝用量的增加，灌封胶的热导率、粘度、拉伸强度、邵氏A硬度均有所上升，但断裂伸长率先上升后下降。为了顾及灌封胶的热导率、粘度、物理机械性能，导热填料加入量需要控制在150phr～200phr。

③偶联剂改性对灌封胶性能的影响：在无偶联剂和选择KH-560、KH-570、铝酸酯作为偶联剂的情况下，研究对灌封胶性能影响后可知，KH-570改良剂的效果较为理想，成效较好的用量为氮化硼的0.6%。

2.2无卤阻燃导热有机硅灌封胶性能与影响因素

在制备导热有机硅灌封胶的条件下，加入氢氧化铝为主要阻燃剂，协同阻燃剂选用少量的氢氧化镁，可以制备出拥有较强阻燃性能的无卤阻燃导热有机硅灌封胶[3]。

①氢氧化铝粒径对灌封胶性能的影响：在氢氧化铝粒径分别为2.2μm、6.8μm、22.4μm、30.9μm的情况下，研究对灌封胶性能的影响后可知，在相同用量条件下，在氢氧化铝粒径较小时，极限氧指数与阻燃等级较高，证明阻燃性能优良。原因在于此时氢氧化铝的表面积较大，同有机硅聚合物接触越多，则在灌封胶燃烧时更容易受热分解产生阻隔性氧化物与水蒸气，灌封胶燃烧时产生的炭层更加致密，有助于氧气扩散与热量阻隔，从根本上提高了阻燃效果。且粒径较小时，灌封胶的拉伸强度越高，断裂伸长率越大，硬度越高，与小粒径填料存在的补强效应特性密切相关。但粒径较小不利于维持灌封胶的粘度，应该综合考虑到灌封胶的各项性能，可以优选粒径为6.8μm的氢氧化铝作为阻燃剂。

②氢氧化铝用量对灌封胶性能的影响：在氢氧化铝用量分别为0phr、25phr、50phr、75phr、90phr、115phr的情况下，研究对灌封胶性能的影响后可知，配方中氧化铝和氢氧化铝的组分质量比为5:3较为合适，可以兼顾灌封胶的导热率、粘度、阻燃性、物理机械性能。灌封胶硬度的上升，主要由于氢氧化铝同有机硅聚合物间相互吸附、缠结形成相互作用力较强有关，等同于提升了灌封胶的交联密度。

③氢氧化铝与改性氢氧化镁用量对灌封胶性能的影响：在氢氧化铝和改性氢氧化镁用量比分别为1:4、1:2、1:1、2:1、4:1，且控制氧化铝与氢氧化铝的粒径为6.8μm、氢氧化镁的粒径为1.6μm，固定氧化铝用量为120份，三者总用量为200份的情况下，研究对灌封胶性能的影响后可知，氢氧化铝与改性氢氧化镁的理想份数均为30份。证明在阻燃协同效应提高灌封胶阻燃性的同时，能够让灌封胶的机械性能、导热率得以同步上升。

3高端应用型无卤阻燃导热有机硅灌封胶的产业化分析

3.1技术经济指标

25℃的粘度为500mPa·s～5000Pa·s，邵氏硬度为45～80，导热率至少为1.5W·m-1·K-1，介电强度至少为20MV/m，体积电阻率至少为1.3*1014Ω·cm，拉伸强度至少为4MPa，断裂伸长率至少为100%，撕裂强度至少为36kN/m，极限氧指数至少为40%。在热空气老化性能测试中，于200℃环境中持续1d后，需要让拉伸强度、粘接强度仍然超过80%。

3.2社会效益

通过合成具有增粘作用的新型交联剂与粘接促进剂，选择最适宜的基础聚合物、无卤阻燃剂、导热填料等，再筛选出性能优良的改性方法，便能够制备出导热性能、无卤阻燃性能、粘接性能卓越的高端应用加成型有机硅灌封胶。在后期若能配合开展产品示范生产、多场景应用等工作，便可以解决当前行业内的主要难题。

    高端应用型无卤阻燃导热有机硅灌封胶材料的开发长期处于被国外垄断的状态，尽管行业内部意识到了转变该格局的紧迫性，想要攻坚克难，但现阶段市场中仍然未出现有关技术与配套的高效设备解决行业难题。若能创新研发出高端应用型无卤阻燃导热有机硅灌封胶，完成国产化大规模的制备与销售任务，将有利于解决该问题，提高相关企业的核心竞争力，带来优良的经济收益。推动该材料的开发和产业化进程速度，能够达到经济、高效、节能、环保的目的，促进研发地工业发展进程，使研发的新工艺、新技术在相关行业内引起技术变革，转变部分企业的科研态度，达成“小投入、大收益”的目标，拥有广阔的发展与市场前景，对于实现“绿色高端、世界领先”的产业定位目标具有积极作用。

3.3技术应用

在高端应用型无卤阻燃导热有机硅灌封胶材料完成开发后，可以成功应用至LED、动力电池、汽车、光伏组件等产品中。该技术整体上的实验室工艺路线与配置目前已经相对成熟，在企业与高校联合团队的努力下，将取得更大的辉煌。该产品的开发能够让企业在行业内具备较强的核心竞争力，将为有关行业带来较高经济利润的同时，迎合了我国实施的“可持续发展”战略，降低了绿色环保的压力，打破国外在该技术垄断上的格局，完成大范围进口替代的任务，是具有较强产业化前景的项目。

结束语：

    综上所述，伴随我国市场、政策等朝着绿色环保、节能降耗、高寿命低成本方向发展，对于微电子、动力电池、LED等领域内有机硅导热灌封胶性能要求有所升高。为了推动相关行业的长久发展，制备出高端应用型无卤阻燃导热有机硅灌封胶是一项可行之计，能够紧随国际最新发展趋势，让灌封胶的流动性、阻燃性、导热性同步得到提升，带动新型有机硅灌封胶材料的产业化发展。

参考文献：

    [1]刘廷铸,胡国新,赵志垒,黄永军.改性硅微粉对加成型有机硅灌封胶性能的影响[J].有机硅材料,2022,36(05):52-56.

[2]庞文键,李福中,付子恩,徐健明.填料对电机用轻量化导热灌封胶性能的影响[J].有机硅材料,2022,36(01):5-10.

[3]张大丽,刘宗旺,邹家桂,孙兆洋.无卤阻燃柔性聚氨酯灌封胶配方研究和工艺优化[J].绝缘材料,2018,51(08):16-20.