高折射率有机硅树脂体系设计、制备及性能研究

摘要

有机硅材料因其优异性能（包括耐高低温性、耐候性疏水性和电器绝缘性）而被广泛的应用在航天航空、建筑和电子电器电子等领域。近年来，随着新兴产业发展和电子行业封装技术的进步，对有机硅封装材料的性能提出了新的要求，其中提高折射率就是其中一个重要的方面，本论文立足于不同结构高折射率硅树脂制备，研究不同分子结构对硅氢反应影响，同时引入一些新的固化方式（如巯基-双键点击反应，UV/热双固化反应），一方面扩展传统硅树脂固化方式，另一方面可以改善有机硅材料性能缺陷。本文具体工作如下:
　　1.采用水解缩合的方法制备三种不同分子结构的硅树脂，用红外光谱、核磁共振等对其结构进行表征。研究了硅树脂中不同侧基基团对折射率和粘流活化能影响，侧基甲基被苯基取代，可以使得折射率从1.41增加到1.55，粘流活化能从32增加到78kJmol-1。采用非等温DSC分析手段，研究了不同分子结构乙烯基聚硅氧烷对硅氢反应活性影响。同时结合Kissinger、FWO、和Arrhenius方程，计算出不同体系的反应活化能、频率因子和反应速率常数。结果表明，硅氢反应过程中，反应物活性受到空间位阻、吸推电子效应和共轭效应共同影响。采用DMA、TMA、XRD和TG等手段研究结构对固化物性能影响，随着硅树脂中侧基体积增大，固化物的玻璃化温度增加，交联密度和热膨胀系数降低，分子链间距离增加，耐热性提高。
　　2.采用非等温DSC和实时红外相结合方法，研究不同交联剂结构对硅氢加成反应活性影响。结合了Vyazovkin和Arrhenius方程，计算出非等温条件下活化能与转化率间关系;采用朗伯比尔定律，计算出等温条件下Si-H基团转化率随时间变化关系。实验数据表明支化端氢TPHS(Ea=62 kJ mol-1，α=0.8)比线性侧氢LPHS(Ea=78kJ mol-1,α=0.6)具有更低反应活化能、更高转化率。采用DMA、TMA、XRD、TG、UV-vis和阻抗分析仪等手段对固化物性能进行研究。结果表明: TPHS固化体系具有更好透光率，低介电常数和稳定介电损耗，更高的玻璃化转变温度和交联密度，但TPHS的耐热性不如LPHS体系。
　　3.采用非水解溶胶凝胶法制备一系列高折射率透明钛杂化硅树脂，用红外、核磁、拉曼光谱、MALDI-TOF、小角X射线散射(SAXS)等手段对其缩合反应、分子结构、分子量和分子尺寸表征。钛元素以Si-O-Ti化学键形式引入到有机硅主链中，不同钛含量的固化物在可见光区域显示较高透光率(＞85％)。随着钛酸酯(TPT)含量增加，杂化树脂的折射率呈线性变化（由1.57变化到1.62），杂化树脂的分子量和分子尺寸也得到提高，硅树脂的缩合度由91％增加到96％;固化物表面接触角降低（从101°降到96°），表面粗糙度变化不明显，介电常数出现明显增加(～3.9/1MHz)，玻璃化温度也得到提高(从42.5℃到54℃)，耐热性先降低后增加。
　　4.采用实时红外跟踪手段，研究不同类型双键结构硅树脂对巯基/双键反应活性影响。以朗伯比尔定律为基础，计算出不同固化体系中巯基转化率与UV辐射时间关系。结果表明硅树脂中双键上电子云密度增加，可以提高反应活性和固化物中凝胶含量。采用UV-vis、DMA、XRD和TGA等手段对不同硅树脂固化物性能进行研究，结果表明:所有固化物在可见光区域无色透明，透光率均大于80％，并且具有较大介电常数(＞4);P4/L1固化物具有较大的玻璃化温度、交联密度和热膨胀系数、较短分子链间距离，但P2/L1体系耐热性较好。
　　5.制备以一种分子结构上带有环氧基和乙烯基硅树脂，并对其结构进行表征。该树脂在光潜碱引发剂作用下经历巯基/双键UV预固化反应和光潜碱分解得到叔胺促进环氧基与酸酐间后固化反应。采用红外跟踪、DMA、TG等手段，考察了UV交联剂结构对巯基转化率和性能影响。P6/L1体系在转化率、凝胶含量、交联密度和耐热性均高于P6/L2体系，而在玻璃化温度、分子链间距离和透光率等方面差异比较小，而P6/L2体系在介电性能和力学性能方面优于P6/L1。通过环氧与酸酐间后固化反应，使得固化物性能得到改善，固化物凝胶含量由85％增加到95％，玻璃化温度由-17℃增加到75℃，交联密度大约是UV预固化物10倍，拉伸强度由0.3 MPa提高到20 MPa左右，但是经过固化处理后，固化物的透光率和热分解温度降低，同时也极大破坏内部长程有序性。