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后固化处理对不同填料增强的酚醛模塑料制件电绝缘性能的影响

周大鹏*联系人简介 ：周大鹏（1977年出生），男，博士，讲师，主要从事酚醛树脂及其复合材料方面的研究， E-mail: zdp9270@
* 俞立琼2
（1嘉兴学院生物与化学工程学院，嘉兴 314001 ）
（2 浙江嘉民塑胶有限公司，嘉兴 314027）
摘要：考察了后固化处理对分别以木粉、玻纤为填料增强的酚醛模塑料制件绝缘性能的影响，发现经后固化处理24h后，木粉增强的酚醛模塑料制件的表面绝缘电阻从 2.5×109Ω增加到4.8×1012Ω，玻纤增强的酚醛模塑料制件的表面绝缘电阻从 1.0×1012增加到5.7×101 3。进一步探讨了后固化引起的树脂固化性能及填料性能的改变，发现经后固化处理后，树脂的交联密度及交联规整度得到进一步提高，同时增强了木粉填料的憎水性能，提高了材料的绝缘性能。
关键词：后固化 酚醛模塑料 绝缘性能
中图分类号：TQ323.306 文献标识码：B

Effect of postcure on insulation properties of phenolic molding materials reinforced with wood flour and glass fibers respectively
ZHOU Da-Peng1， YU Li-Qiong2
（1 Biochemistry and Chemical Engineer Department, JiaXing College, JiaXing 314001）
(2Zhejiang JiaMin Plastics ﹠ Rubber Co., Ltd, JiaXing 314011)

Abstract: The insulation properties of cured phenolic molding materials reinforced with wood flour and glass fibers respectively by postcure were investigated. It was found that surface resistivity of phenolic molding materials reinforced with wood flour increased from 2.5×109Ωto 4.8×1012Ω, while surface resistivity of phenolic molding materials reinforced with glass fiber increased from 1.0×1012 to 5.7×1013Ω by postcure up to 24 hours. The effect of postcure on the fillers and phenolic resin curing properties had been also studied. It showed that an increase in crosslinking density and an increase of hydrophobic nature of wood flour included in moldings by postcure, which resulted in the improvement of the electrical properties for phenolics materials.

Key words: postcure; phenolic molding materials; insulation properties
1 前言
酚醛模塑料经模压或注塑成型后，所得制件的固化结构内部依然有一定量的由于玻璃化作用而被“冻结”的活性点，提高模具温度、增加固化时间以及进行高温后处理均可使活性点进一步反应，从而提高交联密度1。但是，模具温度过高，会导致模塑料表面固化太快，内部挥发物不易排除，使结构疏松和表面起泡，塑料制品呈灰暗色；固化时间增加，会延长成型周期，导致生产效率降低。采用高温后处理的方法，即对制件进行后固化处理，可以避免上述弊端。简单的方法是在模塑料制成制件后，放入烘箱中，按设定的工艺加热处理，即可达到预期效果。2已有的研究表明，对酚醛模塑料制件进行后固化处理可以大大提高其耐热性能，但对其绝缘性能的影响及不同填料所引起的后固化行为研究甚少，因此本文考察了分别以木粉、玻纤增强的酚醛模塑料制件的后固化行为，探讨了后固化机理及其引起的材料绝缘性能的变化。

2 实验部分
2.1 实验原料
热塑性酚醛树脂(Novolac)：牌号为2123，浙江嘉民塑胶有限公司提供；
木粉：80目全通，100目筛余物小于0.5%，浙江嘉民塑胶有限公司提供；
短切无碱玻璃纤维：长度，1~6mm，直径，1~3μm，浙江巨石集团出品；
其它助剂皆为工业品。
2.2 样条制备
2.2.1 样条制备基本配方
分别以木粉、玻纤增强的酚醛模塑料的样条制备基本配方见表1。
表1木粉、玻纤分别增强的酚醛模塑料的样条制备基本配方
Table. 1 The basic recipe of sample for phenolic molding materials reinforced with wood flour and glass fibers respectively.
组份
酚醛树脂
填料
润滑剂
氧化镁
六亚甲基四胺
重量, %
100
100
3
3
15

其中填料分别为木粉和玻纤，其模塑料样条的代号分别为WPF和GPF。
2.2.2 酚醛模塑料的制备
各种原料按配方量称取，并混合均匀，经双辊塑炼机塑炼一定时间后粉碎造粒，制得酚醛模塑料3~4。
2.2.3 样条压制
将酚醛模塑料在压机中压制成型，样条压制条件：压力，30Mpa; 模具温度，160℃。
2.3 后固化试验
材料进行后固化时，升高后固化温度和延长后固化时间会取得同样的效果，后固化的温度一般要高于模具温度2、5，但过高，则会使制件的表面开裂，产生气泡，从而影响了测试的准确性。因此，本文在确定的温度下，考察了后固化时间对材料性能的影响。后固化温度选在180℃，后固化时间分别为4h、8h、16h、24h。为了确保样条在后固化过程中不产生裂纹、不起泡，采取逐步升温的方法对其进行后固化处理，具体方法是先在150℃后固化1h，再升温到165℃后固化0.5h，然后升温到180℃进行一定时间的后固化处理。
2. 4 性能表征
酚醛模塑料制件吸水性的测量：将压制成型的圆板(Φ为3cm)浸入到沸水中(100℃)，经过2h后取出，测定其吸水量Wa，并按式计算，其中为浸水后试样的质量，mg；为浸水前试样的质量，mg。
制件表面电阻的测试方法参见国家标准GB/T 10064-88。
动态力学性能采用DMA Q800型动态力学分析仪，测试温度范围为50～400℃，升温速率2.5℃/min, 测试频率为0.3Hz。

3 实验结果与讨论
3.1 绝缘性能
两种填料增强的酚醛模塑料制件的绝缘电阻随着后固化时间的增加而增加，如表2所示。经后固化处理24h后，木粉增强的酚醛模塑料制件的表面绝缘电阻从 2.5×109Ω增加到4.8×1012Ω，玻纤增强的酚醛模塑料制件的表面绝缘电阻从 1.0×1012增加到5.7×1013。相比于玻纤增强材料，木粉增强的酚醛模塑料制件的电绝缘性能提高幅度更大。后固化处理后，材料绝缘性能的提高与其中树脂固化结构及填料性能的变化密切相关。
表2 后固化处理对不同填料增强的酚醛模塑料制件表面电阻的影响
Table.2 Electrical properties of WPF and GPF materials after vary postcured time
后固化时间(h)

样品
0
4
8
16
24
WPF(Ω)
2.5×109
7.4×1010
1.8×1011
1.8×1012
4.8×1012
GPF(Ω)
1.0×1012
4.8×1012
9.6×1012
3.4×1013
5.7×1013

3.2 材料的固化性能
图1和图2分别为玻纤与木粉增强酚醛模塑料制件经后固化处理后，其力学损耗(tanδ)峰的变化趋势。发现随着后固化时间的延长，材料的tanδ峰形变窄、峰值减小，同时材料的玻璃态至橡胶态的转变区域向高温方向移动。从图3和图4中可以看出，经过后固化处理，两种填料增强的制件在玻璃化转变区域中的储存能量降到最低值所对应的温度向高温方向移动，而且高温储存能量的下降趋势变缓，后期储存模量也有大幅度的提高。这表明，酚醛模塑料在固化制样后，局部仍存在一定量的活性中心，由于交联网络的玻璃化作用而无法进一步交联反应的活性点在后固化处理后，重新获得活动能力而能够与未反应的官能团碰撞发生交联反应，从而使得体系的交联密度及交联结构的规整均一性都有较大幅度的提高，分子运动能力进一步减弱，从而使tanδ峰值变小，峰形向高温方向移动。材料交联密度及交联结构的规整均一性的增加也使得材料的储存能量尤其是高温储存能量得到大幅度的提高。因此，经后固化处理，酚醛固化体系的活性点将进一步减少，离子载体浓度随之降低，从而提高了材料的电绝缘性能。

图1 后固化处理对GPF材料力学损耗的影响
Fig. 1 Effect of postcure on the tanδvalues of the GPF materials
图2 后固化处理对WPF材料力学损耗的影响
Fig. 2 Effect of postcure on the tanδvalues of the WPF materials

图3 后固化处理对GPF材料储能模量的影响
Fig.3 Effect of postcure on the storage modulus of the GPF materials
图4 后固化处理对WPF材料储能模量的影响
Fig.4 Effect of postcure on the storage modulus of the WPF materials

3.3 材料的吸水性能

图5后固化处理对不同填料增强的酚醛模塑料制件吸水性的影响
Fig.5 Water absorption of WPF and GPF materials after varied postcured time

酚醛模塑料的绝缘性能和其中填料是否亲水密切相关，若填料极易亲水，会增加材料内部离子载体的浓度，降低其绝缘性能，反之亦然。考察木粉、玻纤两种填料分别增强酚醛模塑料制件的吸水量与后固化时间的关系，如图5。可以看出，木粉增强的酚醛模塑料制件吸水量随后固化时间的延长而降低。这表明，后固化处理增加了该种材料的憎水性能。而后固化处理对玻纤增强的酚醛模塑料制件吸水量影响不大。这主要是由于经过180℃热处理后，木粉中含有的羟基和羧基等吸水性基团减少，故经后固化处理，其增强材料的吸水量降低。玻纤相对于木粉而言，其亲水性要弱的多，所以玻纤增强材料的吸水量比木粉增强材料的小很多，经后固化处理，其吸水性变化并不明显。因此，后固化处理增加了木粉增强酚醛模塑料制件的憎水性能，大幅度的减弱了离子载体的浓度，从而进一步提高了制件的绝缘性能。玻纤增强材料的憎水性能经后固化处理并无多大改变，故相比与木粉增强材料，玻纤增强酚醛模塑料制件的绝缘性能提高的幅度较小。

4结论
后固化处理提高了木粉、玻纤分别增强的酚醛模塑料制件的绝缘电阻，这与后固化处理引起的材料固化结构及填料憎水性能的变化密切相关。DMA研究表明，后固化处理提高了酚醛模塑料制件的交联密度和交联结构的均一性，使得离子载体浓度减少。同时后固化处理增加了木粉及其增强材料的憎水性能，使得木粉增强体系的离子载体浓度进一步降低，进而更大幅度地提高了其绝缘性能。

参考文献
1. V. R. Landj, J. M. Mersereau, S. E. Dorman. The effect of molding time and temperature on the modulus and glass transition of phenolics. Polymer composites, 1986(7): 152~157
2. P. Stransky, W. R. Yates, J. Johnson. ACCELERATED HEAT AGE TESTING OF PHENOLICS: APPLICABLE TEMPERATURE RANGE. Journal of Applied Polymer Science, 1983(28): 2593~2598
3. 周大鹏，范宏，卜志扬，李伯耿，酚醛树脂注塑料固化成型及流动特性的研究，中国塑料，2003，17（11）：53~56
4. 范宏，周大鹏，卜志扬，李伯耿，高温外观热稳定性酚醛注塑料的研制，中国塑料，2004，18（7）：61~63
5. Stephen G. Kuzak, Arun Shanmugam. Dynamic mechanical analysis of fiber-reinforced phenolics. Journal of Applied Polymer Science, 1999(73): 649~658