LED封装用透明有机硅基复合材料的制备及其性能研究

LED封装用透明有机硅基复合材料的制备及其性能研究,报告内容,一、选题依据二、研究目的及意义三、研究内容及技术路线四、结果与讨论五、优点与展望,选题依据,传统白炽灯,发光二极管-LED,LED简介,封装技术对LED发光效率有重要影响，需高性能的封装材料加以匹配,有机硅材料,国内外封装材料发展现状,价格较昂贵，强度低且对紫外屏蔽作用弱,纳米技术,仿生学,拟解决的科学问题,研究目的及意义,研究目的：建立一种绿色环保、成型工艺简单的双组分有机硅橡胶配方模型引入含氟单体（DMFA-12）和纳米ZnO改善有机硅封装材料的防水防潮、耐紫外老化及热性能，同时保持较高的透光率研究意义：性能优良的封装材料受到国外大公司的垄断，自主开发具有一定意义为今后有机硅基复合封装材料的研究提供一定的理论基础,研究内容及技术路线,技术路线：,主要研究内容：双组分有机硅橡胶的配制及其性能DFMA-12/有机硅复合材料的制备及其性能透明ZnO/有机硅纳米复合材料的制备及性能,一、双组分有机硅橡胶的配制及其性能,反应机理分析R值对硅橡胶力学性能的影响铂催化剂加入量对硅橡胶性能的影响MQ硅树脂对硅橡胶力学性能的影响FT-IR表征UV-vis表征SEM和CA表征TG-DTA分析,本章主要研究内容：,反应机理分析,1.1硫化原理,特点：氢硅加成反应无副产物生成、反应易控制及转化率高,图1-1硅橡胶硫化原理,结果与讨论,1.2R值对硅橡胶力学性能的影响,表1-1R值对硅橡胶力学性能的影响,研究结果表明：R值增大可促进体系的交联，但过量易影响硅橡胶力学性能，选R=1.25时适宜,表注：R是指含氢硅油的含氢量(Si-H)与乙烯基硅油的乙烯基(-CH2-CH2)摩尔比,结果与讨论,1.2铂催化剂加入量对硅橡胶性能的影响,研究结果表明：催化剂对硅橡胶硫化速率和力学性能影响显著当w(Pt)=0.2wt%时，拉伸强度达到最佳（1.71MPa),图1-2铂催化剂含量对硅橡胶力学性能的影响,结果与讨论,1.3MQ硅树脂含量对硅橡胶力学性能的影响,研究结果表明：乙烯基MQ硅树脂含量增加提高了拉伸强度和体系黏度，当w(MQ树脂)=18wt%时，拉伸强度到2.07MPa但考虑到施工黏度（3000mPa.s），选择w(MQ树脂)=15wt%时适宜,图1-3MQ树脂含量对硅橡胶力学性能的影响,结果与讨论,1.5FT-IR和UV-vis表征,研究结果表明：含氢硅油在1647cm-1有较强Si-H吸收峰，而固化后在该处无明显Si-H和-CH2=CH2基团，且在1016-1350cm-1有较强的Si-O-Si键吸收峰，表明体系已基本得到固化硅橡胶在700nm处的透光率达到95%以上，且在300nm以下具有一定紫外屏蔽能力,95%,Si-H,消失,FT-IR,UV-vis,结果与讨论,1.6SEM、CA及TG-DTA表征,77,研究结果表明：涂层表面具有较好的平整性，接触角达到77，且断面图无缩孔现象出现初始热失重5wt%温度为348，热稳定性能较传统环氧树脂高（耐高温150）,SEM和接触角表征,热分析,本章小结,采用氢化硅烷化法，制备了一种绿色环保的LED封装用双组分有机硅橡胶。通过研究各组分对其力学性能的影响，当n（Si-H）/n（Si-Vi）=1.25、w(铂催化剂)=0.2wt%及w(MQ树脂)=15wt%时，该硅橡胶的综合力学性能达到最佳最佳工艺制备的硅橡胶在可见光区700nm处的透光率达到95%以上，且初始热失重5wt%的温度为348，大大提高其热稳定性。,二、DFMA-12/有机硅复合材料的制备及其性能,合成机理分析DMFA-12加入量对复合材料拉伸强度的影响DMFA-12对复合材料耐腐蚀性能的影响DMFA-12对复合涂层耐水性的影响接触角CA表征UV-vis表征FT-IR和TG表征耐紫外老化性能分析复合材料的UV-vis表征,本章主要研究内容：,反应机理分析,2.1DMFA-12改性有机硅材料的机理,结果与讨论,2.2DMFA-12加入量对复合材料拉伸强度的影响,研究结果表明：DMFA-12的加入量提高了复合材料的力学性能当w(DMFA-12)=4wt%时，拉伸强度达到2.24MPa、邵氏硬度为38A,结果与讨论,2.3DMFA-12对复合材料耐腐蚀性能的影响,研究结果表明：复合材料的阻抗能力较纯有机硅高，且随着DMFA-12含量增大而阻抗增强电流腐蚀密度由6.3810-5A.cm-2降低至3.1610-6A.cm-2腐蚀电位由-0.89V正移至-0.67V,耐腐蚀性能明显提高，结果与交流阻抗图分析一致,交流阻抗图,极化曲线图,结果与讨论,2.4DMFA-12对复合涂层耐水性的影响,表2-1DMFA-12对复合涂层耐水性的影响,研究结果表明：结合表2-1和CA表征图，氟硅复合材料表现出优异的耐水性当DMFA-12含量为4wt%时，复合涂层表面对水的接触角达到101,疏水性能较好,结果与讨论,2.5接触角CA表征,结果与讨论,2.6FT-IR和TG表征,研究结果表明：2200-1620cm-1处Si-H和-CH2=CH2吸收峰消失，且1077cm-1和688.29cm-1产生C-F吸收峰，表明体系基本得到固化初始分解温度较纯有机硅提高，但使用温度范围并没有较大改变,结果与讨论,2.7耐紫外老化性能分析,研究结果表明：含氟单体的引入提高了复合材料对紫外屏蔽能力，改善材料的耐紫外老化性能耐紫外老化程度结果与SEM表征相一致,图注：a1-a2为硅橡胶，b1-b2为氟硅复合材料,结果与讨论,2.8复合材料的UV-vis表征,研究结果表明：DMFA-12的含量过高与有机硅纯在相容性问题，会影响复合材料的透光率当DMFA-12含量为4wt%时，复合材料在可见光700nm的透光率达到80%以上,图注：a.硅橡胶；b.2wt%DMFA-12/硅橡胶；c.4wt%DMFA-12/硅橡胶,本章小结,当W（DMFA-12）=4wt%时，复合材料的力学性能较佳，且表现出优异的耐腐蚀性能和疏水性（接触角最高可达到101）氟硅复合材料在可见光区700nm透光率达到85%以上，同时初始分解温度较纯有机硅提高63，但最高使用温度范围略有所缩短。,三、透明ZnO/有机硅纳米复合材料的制备及性能,本章主要研究内容：,合成机理分析纳米ZnO的XRD谱图和粒径分布分析不同纳米ZnO颗粒对复合材料力学性能的影响纳米ZnO含量对复合材料力学性能的影响不同纳米ZnO颗粒对复合材料光学性能的影响纳米ZnO含量对复合材料光学性能的影响纳米复合涂层耐紫外老化性能分析纳米复合涂层的FI-TR和SEM表征纳米复合涂层的TG-DTA分析,合成机理分析,3.1纳米复合材料的合成机理,结果与讨论,3.2纳米ZnO的XRD谱图和粒径分布分析,研究结果表明：由XRD表征图可证实，制备的纳米氧化物颗粒为ZnO随着煅烧温度的升高，纳米ZnO越纯，而团聚现象严重导致粒径逐渐增大；经A151改性的纳米ZnO具有更好的纳米尺度效应,结果与讨论,3.3不同纳米ZnO颗粒对复合材料力学性能的影响,研究结果表明：纳米ZnO粒径大小对复合材料的力学性能有显著影响，且改性纳米ZnO与有机硅具有更好的相容性，分布均匀，提高复合材料的力学性能,结果与讨论,3.4纳米ZnO含量对复合材料力学性能的影响,表3-1ZnO含量对复合材料力学性能的影响,研究结果表明：随着ZnO纳米含量的升高，力学性能逐渐增大，复合材料趋于半透明状态。当ZnO含量为0.06wt%时，拉伸强度达到2.59MPa、邵氏硬度为41A，且保持近透明状态,结果与讨论,3.5不同纳米ZnO颗粒对复合材料光学性能的影响,研究结果表明：纳米ZnO粒径大小对复合材料的光学性能有显著影响，且改性纳米ZnO与有机硅具有匹配的折光指数，透光性均优于未改性的。,结果与讨论,3.6纳米ZnO含量对复合材料光学性能的影响,研究结果表明：纳米ZnO含量对复合材料的光学性能有显著影响当纳米ZnO含量为0.06wt%时，在可见光区640nm透光率达到80%时，同时对300nm以下的紫外屏蔽率达到90%以上,结果与讨论,3.7纳米复合涂层耐紫外老化性能分析,研究结果表明：复合材料的耐紫外老化性能明显优于纯有机硅，结果与UV吸光度一致,结果与讨论,3.8纳米复合涂层的FI-TR和SEM表征,研究结果表明：由红外表征图可看出，复合涂层得到完全固化，且在826cm-1处出现Si-O-Zn吸收峰，表明ZnO已成功接枝在有机硅聚合物分子链上,结果与讨论,3.9纳米复合涂层的TG-DTA分析,研究结果表明：与纯有机硅材料相比，纳米ZnO颗粒（0.06wt%）的引入使得复合材料的初始分解温度提高25%，热分解残留质量提高15%（600），表现出优异的热性能,本章小结,采用m-ZnO改性含氢聚硅氧烷的接枝物作为固化剂，与端乙烯基聚硅氧烷按化学计量比n(Si-H):n(CH2=CH2)=1.2:1，在催化剂为铂金水、固化温度为150的条件下制备了一种电子产品封装用透明纳米复合涂层。从红外光谱和SEM表征可以看出，ZnO纳米颗粒是通过化学接枝在聚合物分子量上，而不是简单的物理吸附作用。当m-Z1纳米颗粒含量为0.06wt%时，复合涂层的透光率仍可达到80%以上。同时耐紫外老化和力学性能较纯有机硅明显提高。与纯有机硅材料相比，ZnO纳米颗粒（0.06wt%）的引入使得复合涂层的初始分解温度提高了25%，热分解残留质量提高15%（600），表现出优异的热性能。,优点与展望,由于条件和时间的限制，本论文研究了有机硅基含氟复合材料和纳米复合材料，虽在一些性能上较突出，但综合性能仍有待提高。目前，仍有一些工作尚未研究，特别是纳米颗粒（粒径在0-100nm内）与有机硅基体的复合目前并没有研究。另外，可继续从有机硅本身着手，采用其他纳米粒子对其做进一步的对比研究，这将是以后研究的一个重点方向。,设计并优化配方，制备一种新型双组分有硅硅橡胶采二次化学接枝改性聚合法制备透明有机硅基复合材料,展望,本课题的优点：,检测国标,双组分硅橡胶、DMFA-12/有机硅复合材料及ZnO/有机硅纳米复合材料的性能检测标准如下：GB/T5311-2008：硅橡胶邵氏A