CN113754295B - 一种低介电改性玻璃纤维及其制备方法和应用 - Google Patents

一种低介电改性玻璃纤维及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低介电改性玻璃纤维及其制备方法和应用。该低介电改性玻璃纤维包括SiO2、Al2O3、B2O3、R2O、MgO/CaO、TiO2、ZnO和功能氧化物等组分。本发明提供的低介电改性玻璃纤维通过添加特定组成的功能氧化物，并调控其与SiO2的用量关系，可显著降低介电常数，可广泛应用于印刷电路板中。

Description

一种低介电改性玻璃纤维及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种低介电改性玻璃纤维及其制备方法和应用。
背景技术
低介电玻璃纤维是印刷电路板的核心材料，在提高大规模集成电路板的电绝缘性能，降低其发热量和功耗方面起着至关重要的作用，是航空航天、高阶通讯等领域不可或缺的工程材料。近年来，通讯需求日益增强，逐渐走向了5G网络时代，要求覆铜板具有更低的介电常数和介电损耗，从而加快信号的传递速度，减少串扰问题，降低能量损耗，因此，对于进一步降低玻璃纤维的介电常数尤为重要。
目前，降低介电常数的做法为提高SiO2、Al2O3、MgO/CaO的含量，降低硼元素含量，或添加特定的组分来降低介电常数，例如专利CN105439453A通过调控各组分的用量及添加特定量的ZrO来降低介电常数。但其得到的玻璃纤维的介电常数在4.28～5.05(1MHz)之间，仍具有一定的提升空间，限制了其在高介电性能要求的电子信息产品中的应用。
因此，有必要开发一种具有更低介电常数的玻璃纤维以扩展其应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术玻璃纤维介电常数高的缺陷或不足，提供一种低介电改性玻璃纤维。本发明提供的低介电改性玻璃纤维通过添加特定组成的功能氧化物，并调控其与SiO2的用量关系，可显著降低介电常数，可广泛应用于印刷电路板中。
本发明的另一目的在于提供上述低介电改性玻璃纤维的制备方法。
本发明的另一目的在于提供上述低介电改性玻璃纤维在制备印刷电路板中的应用。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种低介电改性玻璃纤维，包括如下重量份数的组分：
SiO2 51～61份；
Al2O3 11～21份；
B2O3 15～30份；
R2O 0～1份；
MgO/CaO 0～10份；
TiO2 0.1～0.5份；
ZnO 1～4份；
功能氧化物 1.02～1.525份；
所述功能氧化物为CeO2、La2O3、Nd2O3和Y2O3的混合物，CeO2、La2O3、Nd2O3和Y2O3的重量比比为1:0.5～2:0.5～2:0.5～2。
本发明的发明人研究发现，向玻璃纤维中添加特定的功能氧化物，并调控其用量可有效降低玻璃纤维的介电常数，其原因可能如下：添加少量稀土元素离子在玻璃网络间隙中，对周围阴离子基团起到聚积作用，玻璃网格变致密。若含量过高，则引入过多游离氧使玻璃结构发生解聚。不同稀土氧化物种类对玻璃结构和性能的影响均有不同，在不同掺杂种类和掺杂量的时候，对玻璃纤维介电常数的影响也可能是正面或负面的，本发明通过大量实验筛选并对数据进行总结，发现采用特定几种功能稀土氧化物并控制其比例和添加量时，可实现合适的正面的聚积作用，有效降低介电常数。
本发明提供的低介电改性玻璃纤维具有较低的介电常数，可广泛应用于印刷电路板中。
应当说明的是，MgO/CaO代表MgO、CaO中的一种或两种均可。
优选地，所述R2O为Li2O、Na2O或K2O中的一种或几种。
优选地，所述R2O的重量份数为0.1～0.8份。
优选地，所述MgO/CaO的重量份数为2～8份。
优选地，所述功能氧化物和SiO2的重量比为1:40～50。
优选地，所述功能氧化物中CeO2、La2O3、Nd2O3和Y2O3的重量比为1:0.8～1:0.8～1:0.8～1。
优选地，所述低介电改性玻璃纤维还包括其它添加剂0～2份，进一步优选为0.2～1.2份。
更为优选地，所述其它添加剂为Na2SO4或CaSO4中的一种或两种。Na2SO4、CaSO4可促进玻璃澄清。
进一步优选地，所述添加剂为Na2SO4。
优选地，所述低介电改性玻璃纤维中各组分的粒径分布D90为50～200μm。
上述低介电改性玻璃纤维的制备方法，包括如下步骤：将SiO2、Al2O3、B2O3、R2O、MgO/CaO、TiO2、ZnO、功能氧化物和其它添加剂(如有)混合，熔融，澄清，均化，成型，切丝即得所述低介电改性玻璃纤维。
优选地，所述熔融处理在窑池中进行，熔融处理的温度为1450～1600℃，时间为0.5～1小时。
更为优选地，熔融处理的温度为1450～1550℃，时间为0.5～0.8小时。
优选地，所述澄清处理的温度为1450～1600℃，时间为0.5～1小时。
优选地，所述均化处理的温度为1450～1600℃，时间为0.5～1小时。
优选地，所述成型处理的过程为：将均化处理后的熔融流体通过4000孔铂金漏板流出，高速拉丝机带动，成型为玻璃纤维；拉丝的温度为1100～1250℃。
优选地，所述拉丝的过程为：利用短切机切丝，长度为5～15mm。
上述低介电改性玻璃纤维在制备印刷电路板中的应用也在本发明的保护范围内。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的低介电改性玻璃纤维通过添加特定组成的功能氧化物，并调控其与SiO2的用量关系，可显著降低介电常数，可广泛应用于印刷电路板中。
具体实施方式
下面结合实施例进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下例实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照本领域常规条件或按照制造厂商建议的条件；所使用的原料、试剂等，如无特殊说明，均为可从常规市场等商业途径得到的原料和试剂。本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
本发明各实施例及对比例选用的部分试剂说明如下：
SiO2，二氧化硅，山东国化化学有限公司，粒径分布D90＝60μm。
Al2O3，CR10，中铝山东有限公司，粒径分布D90＝60μm。
Li2O，L122329，上海阿拉丁生化科技股份有限公司，粒径分布D90＝50μm。
B2O3，B108404，上海阿拉丁生化科技股份有限公司，粒径分布D90＝50μm。
MgO，氧化镁，邢台市镁神化工有限公司，粒径分布D90＝100μm。
CaO，氧化钙，常熟市佳友粉体有限公司，粒径分布D90＝150μm。
TiO2，SR-240，山东东佳集团股份有限公司，粒径分布D90＝55μm。
ZnO，Z112847，上海阿拉丁生化科技股份有限公司，粒径分布D90＝60μm。
CeO2 1#，氧化铈，山东德盛新材料有限公司，粒径分布D90＝100μm。
CeO2 2#，氧化铈，北京华威锐科化工有限公司，粒径分布D90＝250μm。
La2O31#，氧化镧，山东德盛新材料有限公司，粒径分布D90＝150μm。
La2O32#，氧化镧，山东德盛新材料有限公司，粒径分布D90＝350μm。
Nd2O31#，氧化钕，山东德盛新材料有限公司，粒径分布D90＝150μm。
Nd2O32#，氧化钕，山东德盛新材料有限公司，粒径分布D90＝450μm。
Y2O31#，氧化钇，淄博稀研纳米材料有限公司，粒径分布D90＝50μm。
Y2O32#，氧化钇，淄博稀研纳米材料有限公司，粒径分布D90＝450μm。
Na2SO4，硫酸钠，北京华威锐科化工有限公司，粒径分布D90＝180μm。
功能氧化物A1：CeO2 1#、La2O31#、Nd2O31#和Y2O31#按照重量比为1:0.8:0.8:0.8混合得到。
功能氧化物A2：CeO2 1#、La2O31#、Nd2O31#和Y2O31#按照重量比为1:1:1:1混合得到。
功能氧化物A3：CeO2 1#、La2O31#、Nd2O31#和Y2O31#按照重量比为1:0.5:2:0.5混合得到。
功能氧化物A4：CeO22#、La2O32#、Nd2O32#和Y2O32#按照重量比为1:2:0.5:2混合得到。
功能氧化物B1：CeO2 1#、La2O31#、Nd2O31#按照重量比为1:0.8:0.8混合得到。
功能氧化物B2：CeO2 1#、La2O31#和Y2O31#按照重量比为1:0.8:0.8混合得到。
功能氧化物B3：CeO2 1#、Nd2O31#和Y2O31#按照重量比为1:0.8:0.8混合得到。
功能氧化物B4：La2O31#、Nd2O31#和Y2O31#按照重量比为0.8:0.8:0.8混合得到。
功能氧化物B5：CeO2 1#、La2O31#、Nd2O31#和Y2O31#按照重量比为1:0.3:2.2:0.3混合得到。
本发明各实施例和对比例提供的玻璃纤维通过如下过程制备得到：将各组分加入混合仓中，充分混合；送入池窑中于1480℃下高温加热，使玻璃纤维原材料融化；继续保持该温度，熔体经过澄清、均化处理，处理时长均为0.5小时；通过4000孔铂金漏板流出，高速拉丝机带动，成型为玻璃纤维；经短切机切丝，长度为7mm。
本发明各实施例及对比例的改性玻璃纤维的介电常数是按照ASTM D150-2011，使用KeysightE4990A精密阻抗测试仪在1MHz的条件下测得。
实施例1～10
本实施例提供一系列低介电改性玻璃纤维，其配方如表1。
表1实施例1～10的配方(份)
Figure BDA0003190440940000051
对比例1～8
本对比例提供一系列的玻璃纤维，其配方如表2。
表2对比例1～8的配方(份)
Figure BDA0003190440940000061
由上述测试结果可知，相对于对比例1中未改性的玻璃纤维，实施例1～10中的改性玻璃纤维具有较低的介电常数，其中以实施例1的介电常数最低。对比例2～5中缺少特定某一特定组分，得到的功能氧化物对玻璃纤维的介电性能改善有限，均具有较高的介电常数。对比例6中功能氧化物与SiO2的配比过小，介电常数较高；对比例7中功能氧化物与SiO2的配比过大，介电常数较高。对比例8中功能氧化物配比不合适，介电常数较高。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种低介电改性玻璃纤维，其特征在于，包括如下重量份数的组分：
Figure FDA0004100032120000011
所述功能氧化物为CeO2、La2O3、Nd2O3和Y2O3的混合物，CeO2、La2O3、Nd2O3和Y2O3的重量比为1:0.5～2:0.5～2:0.5～2，
所述功能氧化物和SiO2的重量比为1:40～50。
2.根据权利要求1所述低介电改性玻璃纤维，其特征在于，所述R2O为Li2O、Na2O或K2O中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述低介电改性玻璃纤维，其特征在于，所述MgO/CaO的重量份数为2～8份。
4.根据权利要求1所述低介电改性玻璃纤维，其特征在于，所述功能氧化物的重量份数为1.2～1.5份。
5.根据权利要求1所述低介电改性玻璃纤维，其特征在于，所述功能氧化物中CeO2、La2O3、Nd2O3和Y2O3的重量比为1:0.8～1:0.8～1:0.8～1。
6.根据权利要求1所述低介电改性玻璃纤维，其特征在于，所述低介电改性玻璃纤维还包括其它添加剂0～2份，所述其它添加剂为Na2SO4或CaSO4中的一种或两种。
7.根据权利要求1所述低介电改性玻璃纤维，其特征在于，所述低介电改性玻璃纤维中各组分的粒径分布D90为50～200μm。
8.权利要求1～7任一所述低介电改性玻璃纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将SiO2、Al2O3、B2O3、R2O、MgO/CaO、TiO2、ZnO和功能氧化物混合，熔融，澄清，均化，成型，切丝即得所述低介电改性玻璃纤维。
9.权利要求1～7任一所述低介电改性玻璃纤维在制备印刷电路板中的应用。
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