绝缘封装用环氧树脂固化物的湿热老化特性分析

绝缘封装用环氧树脂固化物的湿热老化

特性分析

摘要：采用紫外-可见光谱、红外光谱等手段，对不同湿度环境下环氧树脂

固化物的性能变化进行研究。结果表明，环氧树脂固化物的吸收光谱有明显的吸

湿特征峰，且在120℃、相对湿度为90%、吸收峰最大强度为0.12 nm/cm的时候，环氧树脂固化物的吸水速率最快；随着湿热老化时间延长，环氧树脂固化物的吸

水量呈逐渐上升趋势。结合玻璃化温度、储能模量等指标，研究了环氧树脂固化

物在湿热环境下的老化机理。结果表明：随着湿热老化时间延长，环氧树脂固化

物的玻璃化温度降低，储能模量先增大后减小；在湿热环境下，环氧树脂固化物

的玻璃化温度随湿热老化时间延长而升高，储能模量则先增大后减小；随着温度

的升高和湿度的增加，环氧树脂固化物的玻璃化温度与储能模量均呈下降趋势。

关键词：环氧树脂；介电性能；湿热老化

环氧树脂具有优良的电绝缘性能、机械性能及粘接性能，广泛应用于各

种绝缘封装中。环氧树脂在湿热环境下会发生缓慢的吸湿和水解反应，其粘度会

随湿度的增加而增加，导致其流动性降低。因此，研究环氧树脂在湿热环境下的

老化行为对改善环氧树脂的应用性能具有重要意义。然而，由于环氧树脂在潮湿

环境中的吸水性能变化较大，其老化机理也较为复杂，至今尚未有统一的结论。

本文通过研究不同湿度条件下环氧树脂固化物的吸水特性，探讨了环氧树脂固化

物在不同湿度条件下的老化机理，以期为绝缘封装材料在潮湿环境中的应用提供

理论指导，并为绝缘封装材料在湿热环境下的性能提升提供参考。

1.环氧树脂固化物

在环氧树脂的结构中，环氧基是一种活性较高的基团，可以与其它分子进行

反应，从而形成较为复杂的网状结构。这种网状结构使得环氧基具有很强的亲水性，其分子中的羟基与水分子之间存在较强的氢键作用，因此环氧树脂是一种亲

水性极强的材料。在湿热环境中，空气中水分会不断地渗入到环氧树脂固化物中，这种吸湿过程会造成环氧树脂固化物的强度下降。同时，水分还会促进环氧

树脂固化物与空气中的氧气发生反应，生成一些小分子化合物，这些小分子化合

物还会进一步加速环氧基在水中的水解速度，从而使得环氧树脂固化物性能下降。因此为了延长环氧树脂固化物在湿热环境下的使用寿命，必须研究环氧树脂固化

物在不同湿度环境下的老化机理。本文以环氧树脂固化物为研究对象，通过紫外

-可见光谱、红外光谱等手段研究了环氧树脂固化物在湿热环境下的老化机理。

2.实验部分

1)试样制备试样的制备按照 GB/T2311-2009 《环氧树脂固化物-干燥-凝胶-

干燥》标准进行；其中，A为环氧树脂，B为固化剂，C为促进剂。具体操作方法是，将试样在10℃的恒温恒湿条件下自然老化3d后取出，然后再置于90℃的烘

箱中干燥2h，之后再进行A、B、C处理；其中A、C处理时间为3h,C处理时间为

1h。通过TG-DSC实验获得不同湿热时间下的凝胶时间曲线。 2)红外光谱分析红

外光谱的测试采用 Agilent 8400N型傅立叶变换红外光谱仪对环氧树脂的红外光

谱进行测试。通过扫描电子显微镜观察环氧树脂试样的表面形貌，并对环氧树脂

试样进行红外光谱分析。 3)力学性能测试将经过处理后的试样，以5 min/mm的

速率进行拉伸试验。从拉伸断口形貌观察可以看出，环氧树脂试样经过老化后拉

伸强度呈现出下降趋势，且老化3d后下降趋势更为明显。其中拉伸强度最大下

降了38.9%；最小下降了0.22%。 4)羟基含量测试使用HR-400H型全自动红外分

析仪对老化前后环氧树脂固化物中的羟基含量进行测试。通过傅立叶变换红外光

谱仪（FTIR）对老化后环氧树脂固化物中的羟基含量进行测试。通过测定红外光

谱图中相对峰面积来计算出羟基含量。利用电子天平测量不同湿热时间下环氧树

脂固化物中游离基含量。 6)固化物的热重分析通过差示扫描量热仪（DSC）对老

化前后固化物进行热重分析。使用DSC-TG实验获得不同湿热时间下固化物的玻

璃化转变温度（Tg）和热失重速率（Td）。对不同湿热时间下固化物进行傅立叶

变换红外光谱分析，并计算其自由基含量。

3.实验结果及讨论

由于湿热环境与室温环境的结构、组成以及分子运动状态有所不同，因此，

湿热环境下的环氧树脂固化物的性能变化也会有所不同。本文以环氧树脂固化物

作为绝缘封装材料，在湿热环境下进行了力学性能、热性能以及表面形貌等方面

的测试，湿热环境下环氧树脂固化物的吸水率随着湿度的增大而增大。在湿度为90%时，环氧树脂固化物的吸水量最大；随着湿度的增加，吸水速率逐渐增加。

这是由于在相对湿度较低时，分子链相对较为松弛，结构相对简单，此时环氧树

脂固化物中的自由体积含量较高，在湿热环境下能够更快地吸收水分。随着湿度

的进一步增大，环氧树脂固化物中自由体积含量降低，分子链的运动速度加快。（1）在较高温度下，环氧树脂的凝胶时间随着湿热时间的增加逐渐延长，表明

环氧树脂在湿热条件下发生了老化。（2）环氧树脂在不同温度下的凝胶时间曲

线表现为非线性，表明在高温条件下，环氧树脂发生了固化反应。（3）环氧树

脂的凝胶时间随湿热时间的增加而延长，这与固化反应进行所需时间有关。另外，凝胶时间随着温度的升高而缩短，这说明环氧树脂中的环氧基团在高温条件下发

生了断裂。（4）通过红外光谱分析表明，环氧树脂在高温条件下发生了固化反应。在老化过程中，环氧树脂中的官能团含量逐渐增多，表明环氧树脂发生了交

联反应。（5）利用 EIA法对环氧树脂固化后的游离基含量进行测试分析发现，

湿热老化会导致游离基含量逐渐增多。在室温条件下，游离基含量随着湿热时间

的增加而增加。这可能是由于高温会使固化反应加快进行。

4.老化机理分析

环氧树脂固化物在湿热环境下的老化主要包括以下3种机理：其一，环氧树

脂固化物中的化学键断裂，分子链断裂，并在其内部形成大量的微裂纹，微裂纹

使环氧树脂固化物的机械强度下降；其二，环氧树脂固化物中的化学键断裂产生

的小分子进入水分子的空隙中，使环氧树脂固化物的玻璃化温度升高；其三，环

氧树脂固化物中的化学键断裂后生成大量的自由基，这些自由基与水分子反应形

成水合自由基，这些水合自由基随着时间的延长不断增长并越来越多地取代环氧

树脂固化物中原有的环氧结构键，破坏了原有环氧结构中存在的双键、醚键等化

学键，使环氧树脂固化物产生交联结构，从而使环氧树脂固化物的玻璃化温度降低。