聚烯烃树脂及其与二氧化硅复合材料的制备与性能研究

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5G通讯技术具有传输速率高、时延低和传输容量大等特点,它的到来开启了“万物互联”的时代。作为5G通讯技术关键元器件的高频基板是影响其性能的关键。为了保证信号传输的稳定性和避免信号衰减,要求高频基板的介电常数和介电损耗低,并且在一定频率范围内趋于稳定。聚烯烃树脂具有较低的介电常数和介电损耗,有望取代聚四氟乙烯和环氧树脂等材料,应用于高频基板材料领域。目前,市面上有关聚烯烃树脂类的高频基板材料以美国罗杰斯(Rogers)公司的RO4000?系列为主,我国对该材料的需求完全依赖进口,相关研究也还处于起步阶段,因此,聚烯烃基复合介质材料的研究具有重要科学意义和潜在应用价值。本课题选取聚烯烃树脂中的聚丁二烯(PB)、苯乙烯-丁二烯共聚物(SBS)和三元乙丙橡胶(EPDM)作为基体树脂,以二氧化硅(SiO2)作为填料,广泛探究了树脂组成、交联反应和界面作用对聚烯烃树脂及其与SiO2复合材料性能的影响。(1)PB/SBS/EPDM三元复合树脂性能的研究。首先探究了树脂组成对三元复合材料力学性能的影响规律。研究结果表明,PB含量100份、EPDM含量15份和SBS含量30份组成的复合树脂的力学性能最佳,其拉伸强度为8.72 MPa。其次,探究了PB中乙烯基含量对交联反应及固化物性能的影响。研究发现,随着PB中乙烯基含量的提高,其交联反应活性也越高。此外,三元复合树脂的交联度、介电性能和体积电阻率也随着PB大分子中乙烯基含量的增加而提高。在树脂组成相同的情况下,PB90对应的复合树脂的介电常数为2.68(10 GHz)、介电损耗为0.0071(10 GHz)、体积电阻率为11.68×1013Ωcm。因此,后续相关研究中均选用90%乙烯基的PB作为交联树脂组分。(2)过氧化物引发剂对三元复合树脂材料性能的影响。引发剂对交联反应以及固化物的结构和性能具有显著影响,因此在接下来的工作中探究了过氧化物的种类和含量对PB/SBS/EPDM复合材料性能的影响。选用过氧化二异丙苯(DCP)和双叔丁基过氧异丙基苯(BIPB)作为过氧化物引发剂。与未使用引发剂的三元复合材料相比,DCP固化体系和BIPB固化体系具有更高的反应活性,并且在引发剂含量相同的情况下,BIPB的效果更明显。热交联反应发生后,PB/SBS/EPDM复合材料形成高度交联的网络结构,该结构可以显著改善复合材料的介电性能。优化结果表明BIPB含量为4重量份(pbw)时,三元复合树脂具有最优的综合性能,其10 GHz时的介电常数为2.37,介电损耗为0.0056。(3)半固化片表面改性和PB含量对覆铜板T-粘接强度和介电性能的影响研究。将PB/SBS/EPDM(质量比为6:2:1)半固化片浸泡在高锰酸盐溶液30 min后经热压制成覆铜板(P6-ox-30),高锰酸盐溶液能增强聚烯烃基体与铜箔的界面作用,因此P6-ox-30样品的T-粘接强度是未改性样品的4倍左右。此外,表面改性对覆铜板介电性能的影响并不明显。半固化片表面改性在改善T-粘接强度的同时还能保证介电性能的优异性。当PB/SBS/EPDM的质量比为8:2:1时,覆铜板的T-粘接强度、介电常数和介电损耗有所降低。结果表明,P6-ox-30样品性能最佳,其介电常数和介电损耗在10 GHz时分别为2.35和5.38×10-3、T-粘接强度为20-25N/25mm。(4)SiO2表面改性及其填充量对聚烯烃/SiO2覆铜板介电性能的影响研究。分别用γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷(MPS,s-SiO2)和PB(v-SiO2)对SiO2进行表面改性,在此基础上探究了改性SiO2填充量对复合材料介电性能的影响。研究结果表明,与s-SiO2/聚烯烃覆铜板相比,v-SiO2/聚烯烃覆铜板的界面作用更强,界面极化更小,从而降低介电常数和介电损耗。并且当SiO2含量为50 wt%时,PB处理的SiO2/聚烯烃覆铜板材料在10 GHz的介电常数和介电损耗分别为3.42和3.55×10-3,同时,该覆铜板在3 GHz至18 GHz范围内显示出良好的介电稳定性。(5)核壳结构EPDM@SiO2对聚烯烃/SiO2覆铜板性能的影响研究。首先设计合成了具有核壳结构的EPDM@SiO2,然后以此为填充料探究了壳层厚度对聚烯烃/SiO2覆铜板介电性能及导热性能的影响。研究结果表明,EPDM壳层具有优良的电绝缘性,可以阻碍电荷迁移,降低介电常数和介电损耗。此外,EPDM壳层可以改善SiO2在聚烯烃基体中的分散性和相容性,从而提高导热系数。与EPDM壳层厚度为0、6和9 nm的覆铜板材料相比,13 nm厚度的覆铜板材料具有最优的介电性能、介电稳定性和导热系数。
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