CN110105544B - 一种基于双重修复机制的自修复材料制备方法 - Google Patents

一种基于双重修复机制的自修复材料制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于双重修复机制的自修复材料制备方法,属于聚合物材料制备技术领域。该自修复材料是由以下重量百分比的组分组成:环氧树脂40~80%,二元羧酸类单体10~40%,环氧树脂固化剂:5~50%,催化剂1~5%,自修复促进剂1%~5%;首先合成新型环氧树脂,然后加入自修复促进剂均匀混合后加入环氧树脂固化剂得到预聚物,最后将预聚物进行固化处理制得双重修复机制自修复材料。本发明双重修复机制自修复材料同时含有二硫键和酯键,在高温和自修复促进剂作用下二硫键和酯键都可以发生交换反应,双重修复机制能够有效提高材料的修复效率,特别适用于高可靠性要求电子封装领域该制备方法得到的自修复材料特别适用于高可靠性要求电子封装领域。

Description

一种基于双重修复机制的自修复材料制备方法
技术领域:
本发明属于聚合物材料制备技术领域,具体涉及一种基于双重修复机制的自修复材料制备方法。该方法基于二硫键交换和酯交换反应双重修复机制得到的自修复材料特别适用于高可靠性要求的电子封装领域。
背景技术:
自修复材料在电子元件领域主要用作互连材料,电子元件温度随着功率而变化,材料极易产生裂缝,材料内部的微裂缝如果不能及时检测并修补,不但会影响材料的使用寿命,而且这些微裂缝的扩展将会导致材料的宏观裂缝,并使得材料失去正常功能,造成经济损失。因此,聚合物基复合材料的仿生自愈合——自动地对材料损伤区域进行检测、识别和修复,对于电子元件领域具有极其重要的意义。
动态共价反应的种类有很多,比较常见的有二硫交换反应,烯烃复分解反应,酯交换反应,酰胺交换反应,Diels-Alder双烯加成反应,可逆硼酸酯化反应,三硫代酯反应等等。动态共价键在合适的条件下能够可逆地断裂和形成,且在该过程中副反应很少,将超分子非共价键的可逆性与共价键的稳固性结合在一起,这使得其获得了广泛的应用,尤其是在自修复材料上。二硫交换反应是动态化学中运用最广泛的可逆化学反应之一,二硫交换反应不仅具有公认的制备动态聚合物的极大优势,而且已经相应地得到了验证,另外,芳香族二硫键是通用的且相对容易引入聚合物网络结构,特别是芳香族二硫的交换反应甚至无需加热,是为数不多的、可于室温进行交换的动态反应之一。二硫交换反应交换机理涉及通过其他硫醇盐阴离子进攻二硫键而产生硫醇盐阴离子的亲核置换反应,二硫交换反应的发生需要催化剂,合适的温度或者在室温下用紫外线照射。
酯交换反应是人们最早使用的可逆交换反应之一,基于酯交换反应往往需要高温和催化剂的条件。在外力作用下,处于高温条件下的三维聚合物网络发生酯交换反应,原有的成型酯键会发生断裂和再生成,使得网络整体的拓扑结构发生重排。
本发明选用环氧树脂。首先利用其末端的环氧基与羧酸类物质发生加成反应制得具有酯基的且环氧封端的含β-羟基酯的环氧树脂。再由4,4’-二硫代二苯胺作为环氧树脂固化剂,由于4,4’-二硫代二苯胺中间含有的二硫键,便将二硫键引入到交联网络中。此时,交联网络中同时含有的二硫键和酯键便能在高温作用下同时发生交换反应,从而使断面上的网络结构能进行跨界重组,将断面重新结合在一起,最终修复损伤。
发明内容:
本发明的目的是提供一种基于双重修复机制的自修复材料制备方法。本发明制备的自修复材料针对连接材料在电子元件中应用时发生裂纹,通过引入双重动态共价键对连接电子器件的裂纹修复,增强材料的修复性能,通过改变原料的配比可以有效改善材料的力学性能和修复性能。本发明通过的是通过以下技术方案予以实现的:
本发明提供的一种基于双重修复机制的自修复材料是由以下重量百分比的组分组成:环氧树脂40~80%,二元羧酸类单体10~40%,环氧树脂固化剂:5~50%,催化剂1~5%,自修复促进剂1%~5%;其具体制备步骤如下:
(1)合成含β-羟基酯的环氧树脂:将二元羧酸类单体、环氧树脂和催化剂在105℃油浴搅拌下混合3-5h至反应完全,得到均匀的含β-羟基酯的环氧树脂。
(2)自修复促进剂的加入:将自修复促进剂加入到步骤(1)得到的所述含β-羟基酯的环氧树脂中,并在105℃油浴通过搅拌1-2h混合均匀,制备得到均匀的混合物。
(3)环氧树脂固化剂的加入:将环氧树脂固化剂加入到步骤(2)得到的所述混合物中,并在80-100℃下通过真空搅拌10-30min使混合均匀,制备得到均匀的预聚物。
(4)固化处理:将步骤(3)制得的所述预聚物放入80~100℃的烘箱中固化1-2h,后放入120-180℃的烘箱中固化2-5h,制得双重修复机制的自修复材料。
所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、双酚S型环氧树脂、1,6-己二醇二缩水甘油醚及间苯二酚双缩水甘油醚中的任一种或任二种以上的混合物。
所述二元羧酸类单体为辛二酸、己二酸、壬二酸、3,3-二硫代二丙酸、间苯二甲酸及对苯二甲酸中的任一种或任二种以上的混合物。
所述环氧树脂固化剂为4,4’-二硫代二苯胺、二(邻氨基)苯基二硫中的任一种或任二种以上的混合物。
所述催化剂为四丁基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵中的任一种或二者的混合物。
所述自修复促进剂为无水醋酸锌、TBP(正三丁基磷)、CuCl2(氯化铜)、甲基丙烯酸铜和1,5,7-三氮杂二环[4.4.0]癸-5-烯中的任一种或任二种以上的混合物。
与现有技术相比,本发明具有以下技术效果:
1、本发明制备出含有β-羟基酯的环氧树脂,同时固化剂含有二硫键,在固化含有β-羟基酯的环氧树脂的同时在交联网络中引入二硫键。保证本发明的制备方法简单、高效。
2、本发明制备方法的双重修复机制自修复材料同时含有二硫键和酯键,在高温和自修复促进剂作用下二硫键和酯键都可以发生交换反应,双重修复机制能够有效提高材料的修复效率。
3、本发明制备的双重修复机制自修复材料具有较好的拉伸强度和修复性能,能够有效提高材料的使用寿命。特别适用于高可靠性要求电子封装领域。
具体实施方式:
以下对本发明的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本发明,并非用于限定本发明的范围。
对比例1:在105℃下,按照表1中对比例1制定各组分,将双酚A型环氧树脂、辛二酸和十六烷基三甲基氯化铵在105℃油浴搅拌下混合3h至反应完全,得到均匀的含有β-羟基酯的环氧树脂。然后将正三丁基磷加入到含有β-羟基酯的环氧树脂中,并在105℃油浴通过搅拌1h混合均匀,制备得到均匀的混合物。再将4,4'-二氨基联苯、4,4-二氨基二苯硫醚加入到混合物中,并在80℃下通过真空搅拌30min使混合均匀,制备得到均匀的预聚物。最后将制得的预聚物放入80℃的烘箱中固化1h,后放入150℃的烘箱中固化2h,即可得到本发明对比例材料。
对比例2:在105℃下,按照表1中对比例2制定各组分,将双酚F型环氧树脂、辛二醇和四丁基溴化铵在105℃油浴搅拌下混合3h至反应完全,得到均匀的含有β-羟基酯的环氧树脂。然后将无水醋酸锌加入到含有β-羟基酯的环氧树脂中,并在105℃油浴通过搅拌1h混合均匀,制备得到均匀的混合物。再将4,4’-二硫代二苯胺加入到混合物中,并在80℃下通过真空搅拌30min使混合均匀,制备得到均匀的预聚物。最后将制得的预聚物放入80℃的烘箱中固化1h,后放入150℃的烘箱中固化2h,即可得到本发明对比例材料。
实施例1:在105℃下,按照表1中对实施例1制定各组分,将双酚F型环氧树脂、3,3-二硫代二丙酸和四丁基溴化铵在105℃油浴搅拌下混合3h至反应完全,得到均匀的含有β-羟基酯的环氧树脂。然后将无水醋酸锌加入到含有β-羟基酯的环氧树脂中,并在105℃油浴通过搅拌1h混合均匀,制备得到均匀的混合物。再将4,4’-二硫代二苯胺加入到混合物中,并在80℃下通过真空搅拌30min使混合均匀,制备得到均匀的预聚物。最后将制得的预聚物放入80℃的烘箱中固化1h,后放入150℃的烘箱中固化2h,即可制得本发明的双重修复机制的自修复材料。
实施例2:在105℃下,按照表1中实施例2制定各组分,将双酚S型环氧树脂、己二酸和四丁基溴化铵在105℃油浴搅拌下混合3h至反应完全,得到均匀的含有β-羟基酯的环氧树脂。然后将无水醋酸锌加入到含有β-羟基酯的环氧树脂中,并在105℃油浴通过搅拌1h混合均匀,制备得到均匀的混合物。再将4,4’-二硫代二苯胺加入到混合物中,并在80℃下通过真空搅拌30min使混合均匀,制备得到均匀的预聚物。最后将制得的预聚物放入80℃的烘箱中固化1h,后放入150℃的烘箱中固化2h,即可制得本发明的双重修复机制的自修复材料。
实施例3:在105℃下,按照表1中实施例3制定各组分,将1,6-己二醇二缩水甘油醚、3,3-二硫代二丙酸和四丁基溴化铵在105℃油浴搅拌下混合3h至反应完全,得到均匀的含有β-羟基酯的环氧树脂。然后将无水醋酸锌加入到含有β-羟基酯的环氧树脂中,并在105℃油浴通过搅拌1h混合均匀,制备得到均匀的混合物。再将4,4’-二硫代二苯胺加入到混合物中,并在80℃下通过真空搅拌30min使混合均匀,制备得到均匀的预聚物。最后将制得的预聚物放入80℃的烘箱中固化1h,后放入150℃的烘箱中固化2h,即可制得本发明的双重修复机制的自修复材料。
实施例4:在105℃下,按照表1中实施例4制定各组分,将1,6-己二醇二缩水甘油醚、间苯二酚双缩水甘油醚、壬二酸和四丁基溴化铵在105℃油浴搅拌下混合3h至反应完全,得到均匀的含有β-羟基酯的环氧树脂。然后将无水醋酸锌加入到含有β-羟基酯的环氧树脂中,并在105℃油浴通过搅拌1h混合均匀,制备得到均匀的混合物。再将4,4’-二硫代二苯胺加入到混合物中,并在80℃下通过真空搅拌30min使混合均匀,制备得到均匀的预聚物。最后将制得的预聚物放入80℃的烘箱中固化1h,后放入150℃的烘箱中固化2h,即可制得本发明的双重修复机制的自修复材料。
实施例5:在105℃下,按照表1中实施例5制定各组分,将双酚F型环氧树脂、间苯二甲酸、对苯二甲酸和四丁基溴化铵在105℃油浴搅拌下混合3h至反应完全,得到均匀的含有β-羟基酯的环氧树脂。然后将正三丁基磷、氯化铜加入到含有β-羟基酯的环氧树脂中,并在105℃油浴通过搅拌1h混合均匀,制备得到均匀的混合物。再将二(邻氨基)苯基二硫加入到混合物中,并在80℃下通过真空搅拌30min使混合均匀,制备得到均匀的预聚物。最后将制得的预聚物放入80℃的烘箱中固化1h,后放入150℃的烘箱中固化2h,即可制得本发明的双重修复机制的自修复材料。
实施例6:在105℃下,按照表1中实施例6制定各组分,将1,6-己二醇二缩水甘油醚、间苯二酚双缩水甘油醚、辛二酸和四丁基溴化铵在105℃油浴搅拌下混合3h至反应完全,得到均匀的含有β-羟基酯的环氧树脂。然后将无水醋酸锌、甲基丙烯酸铜加入到含有β-羟基酯的环氧树脂中,并在105℃油浴通过搅拌1h混合均匀,制备得到均匀的混合物。再将二(邻氨基)苯基二硫加入到混合物中,并在80℃下通过真空搅拌30min使混合均匀,制备得到均匀的预聚物。最后将制得的预聚物放入80℃的烘箱中固化1h,后放入150℃的烘箱中固化2h,即可制得本发明的双重修复机制的自修复材料。
表1:本发明各对比例和实施例组分的重量百分含量
Figure BDA0002084269380000051
Figure BDA0002084269380000061
将以上各实施例得到的本发明的修复材料的强度的测试在万能试验机上进行,测试力学性能和修复效率。修复程序按照180℃下修复24h,修复效率定义为(修复后拉伸强度/初始拉伸强度)×100%。
表2:本发明各对比例和实施例得到的自修复材料测试结果
Figure BDA0002084269380000062
从表2中可以看出,本发明通过双重修复机制的自修复材料能大幅度提高自修复材料修复性能,并且具有很好的力学性能,可以满足在电子元件领域的应用。

Claims (4)

1.一种基于双重修复机制的自修复材料制备方法,所述自修复材料是由以下重量百分比的组分组成:环氧树脂40~80%,二元羧酸类单体10~40%,环氧树脂固化剂:5~50%,催化剂1~5%,自修复促进剂1%~5%;所述环氧树脂固化剂为4,4’-二硫代二苯胺、二(邻氨基)苯基二硫中的任一种或任二种以上的混合物;所述自修复促进剂为无水醋酸锌、正三丁基磷、氯化铜、甲基丙烯酸铜及1,5,7-三氮杂二环[4.4.0]癸-5-烯中的任一种或任二种以上的混合物;其特征在于该制备方法的具体步骤如下:
(1)合成含β-羟基酯的环氧树脂:将二元羧酸类单体、环氧树脂和催化剂在105℃油浴搅拌下混合3-5h至反应完全,得到均匀的含β-羟基酯的环氧树脂;
(2)自修复促进剂的加入:将自修复促进剂加入到步骤(1)得到的所述含β-羟基酯的环氧树脂中,并在105℃油浴通过搅拌1-2h混合均匀,制备得到均匀的混合物;
(3)环氧树脂固化剂的加入:将环氧树脂固化剂加入到步骤(2)得到的所述混合物中,并在80-100℃下通过真空搅拌10-30min使混合均匀,制备得到均匀的预聚物;
(4)固化处理:将步骤(3)制得的所述预聚物放入80~100℃的烘箱中固化1-2h,后放入120-180℃的烘箱中固化2-5h,制得双重修复机制的自修复材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于双重修复机制的自修复材料制备方法,其特征在于所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、双酚S型环氧树脂、1,6-己二醇二缩水甘油醚及间苯二酚双缩水甘油醚中的任一种或任二种以上的混合物。
3.根据权利要求1所述的一种基于双重修复机制的自修复材料制备方法,其特征在于所述二元羧酸类单体为辛二酸、己二酸、壬二酸、3,3-二硫代二丙酸、间苯二甲酸及对苯二甲酸中的任一种或任二种以上的混合物。
4.根据权利要求1所述的一种基于双重修复机制的自修复材料制备方法,其特征在于所述催化剂为四丁基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵中的任一种或二者的混合物。
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