Anwendungen. Composites. Produkt-Portfolio

Transkript

1 Elektro- Think Smart und Elektronik- for Anwendungen Composites. Produkt-Portfolio

2 Evonik bietet eine große Bandbreite an Modifiern für den Einsatz in der Elektro- und Elektronik-Industrie sowie artverwandten Bereichen an. Bruchzähmodifizierung von Epoxidharzen mit Core-Shell-Materialien (ALBIDUR ) Verbesserte Bruchzähigkeit Keine Absenkung der Glasumwandlungstemperatur (Tg ) Exzellente elektrische Eigenschaften Seite 3 Modifizierung von Epoxidharzen mit Nanopartikeln (NANOPOX E) Verbesserte Bruchzähigkeit Ermöglicht hohe Füllgrade Erhöhung des Moduls Seite 5 Nanokomposite für UV-härtende Formulierungen (NANOCRYL A) Verringerter Härtungsschrumpf Verbesserte Verschleißeigenschaften Verringerte thermische Ausdehnung Seite 8 Flexible Epoxid-Silicon-Copolymer-basierte Formulierungen (ALBIFLEX ) Formulierung von flexiblen Massen Exzellente elektrische Eigenschaften Seite 10 2

3 Bruchzähmodifizierung von Epoxidharzen mit Core-Shell-Materialien Verbesserte Bruchzähigkeit Keine Absenkung der Glasumwandlungstemperatur (Tg) Exzellente elektrische Eigenschaften Produktübersicht Technische Daten (keine Spezifikation) Type Silicongehalt [wt%] Harzbasis EEW [g/äquiv.] dyn. Viskosität, 25 C [mpa s] Albidur EP 2240 A 40 DGEBA Albidur EP cycloaliphatisch In Abbildung 1 ist die Entwicklung der Bruchzähigkeit und -energie in Abhängigkeit vom Silicongehalt der Formulierung dargestellt (Bisphenol A Epoxid basierte Formulierung, gehärtet mit Anhydrid), welche signifikante Verbesserungen erkennen lässt. K IC [MPam 0,5 ] Bruchzähigkeit und -energie in Abhängigkeit vom Silicongehalt (Abb.1) 1,40 1,20 1,00 0,80 0, GIC [J/m2 ] 0, Silicongehalt der Formulierung [wt%] 0 K IC [MPam 0,5 ] G IC [J/m 2 ] Wir raten für die beste Performance zu 3 5 % Siliconelastomer in der Gesamtformulierung (ohne Füllstoffe), da damit einerseits eine spürbare Verbesserung der Bruchzähigkeit erreicht werden kann, aber andererseits kaum Kompromisse beim Modul gemacht werden müssen. (Bitte beachten Sie: ALBIDUR enthält 40 % Siliconelastomer.) 3

4 Weitere Vorteile neben der niedrigen Viskosität sind die hohe Temperaturbeständigkeit des Siliconelastomers (bis 200 C) sowie die exzellenten elektrischen Eigenschaften, die man in Abbildung 2 erkennt. Des Weiteren kann der Härtungsschrumpf einer mit ALBIDUR modifizierten Formulierung sehr günstig beeinflusst werden, da sich die Siliconelastomerteilchen während der Härtung bei erhöhter Temperatur ausdehnen und so dem Schrumpf entgegenwirken. Dielektrische Eigenschaften einer auf cycloaliphatischem Epoxidharz basierten Albidur -Formulierung (Abb.2) D (1MHz) [-] 0,015 0,01 0, Silicongehalt der Formulierung [wt%] Pfropfhülle Abbildung 3: Schematische Darstellung eines ALBIDUR -Teilchens Reaktive Gruppe Siliconkautschuk Wirkmechanismus ALBIDUR Produkte bestehen aus einem Epoxidharz, in dem Siliconelastomerpartikel definierter Größe (0,1 3 µm) fein verteilt sind. Die Siliconelastomerpartikel haben eine organische Hüllenstruktur, die über reaktive Gruppen verfügt (Abbildung 3). Diese Teilchen sind in der Lage, an die Epoxidmatrix anzubinden. Wird jetzt auf das gehärtete Harzsystem eine Kraft ausgeübt, so kann diese beim Auftreffen auf eine Kautschukdomäne gleichmäßig in alle Richtungen dissipiert werden. Ist bereits ein Riss aufgetreten, so wird dieser am Weiterreißen gehindert: Die Elastomerpartikel dehnen sich senkrecht zur Rissrichtung und werden nicht herausgerissen, da sie chemisch mit der Matrix verbunden sind. Abbildung 4 zeigt die fein verteilten Siliconelastomerteilchen in der Epoxidmatrix. Abbildung 4: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines mit ALBIDUR modifizierten Epoxidharzes 4

5 Modifizierung von Epoxidharzen mit Nanopartikeln Verbesserte Bruchzähigkeit Ermöglicht hohe Füllgrade Erhöhung des Moduls Produktübersicht Technische Daten (keine Spezifikation) Type Silicongehalt [wt%] Harzbasis EEW [g/äquiv.] dyn. Viskosität, 25 C [mpa s] Charakterisierung Nanopox E DGEBA/F kristallisationsfrei Nanopox E DGEBA Grundtype Nanopox E DGEBF niedrigviskos Nanopox E EEC cycloaliphatische Formulierungen Eigenschaftsverbesserungen Hervorragend geeignet zur Modifizierung von Epoxidharzen sind auch die unter dem Markennamen Nanopox E hergestellten kolloidalen Kieselsäure-Solen in verschiedenen Epoxidharzen. Durch den Einsatz von NANOPOX E können in Epoxid-Formulierungen wichtige Eigenschaften deutlich verbessert werden: Geringere Viskosität der Formulierung im Vergleich zu herkömmlichen verstärkenden Füllstoffen Vollständige Unterdrückung der Sedimentation Erhöhung von Bruchzähigkeit, Schlagzähigkeit und Elastizitätsmodul Verbesserte Kratz- und Abriebbeständigkeit Verringerung von Schrumpf und thermischer Ausdehnung Verbesserung oder zumindest keine nachteilige Beeinflussung zahlreicher erwünschter Eigenschaften wie: thermische Stabilität, chemische Beständigkeit, Glasübergangstemperatur, Witterungsbeständigkeit, dielektrische Eigenschaften Durch Kombination von NANOPOX E mit herkömmlichen Füllstoffen wie z. B. Quarz kann der Harzgehalt der Formulierung reduziert und damit der Gesamtfüllstoffgehalt auf bisher nicht gekannte Anteile erhöht werden Die Verarbeitbarkeit bleibt im Vergleich zum jeweiligen Basisharz weitgehend unverändert NANOPOX E findet überall dort Verwendung, wo die oben erwähnten Eigenschaftsverbesserungen angestrebt werden oder gar notwendig sind, ohne dass Nachteile in der Verarbeitbarkeit wie z. B. ein übermäßiger Viskositätsanstieg (bekannt von pyrogener Kieselsäure) in Kauf genommen werden müssen. Beispielhaft seien Vergussmassen und Beschichtungen in der Elektronik genannt. Besonders hervorzuheben sind die exzellenten Imprägniereigenschaften von NANOPOX E, die eine vollständige Durchimprägnierung auch von schwierig zu vergießenden Elektronikbauteilen erlaubt, da die Nanopartikel jede Stelle des Vergusses erreichen können. 5

6 Entwicklung von Bruchzähigkeit (K IC ) und Modul bei steigendem Nano-SiO 2 - Gehalt (Abb.5) K IC [MPam 0,5 ] 1,4 E [MPa] , ,0 0,8 0,6 0, SiO 2 -Gehalt [wt-%] Abbildung 5 zeigt die gefundenen Verbesserungen der Bruchzähigkeit (K IC ) und des Moduls in Abhängigkeit vom SiO 2 -Gehalt. Gezeigt wird ein auf NANOPOX E 500 basierendes System, welches mit Anhydrid gehärtet wurde. Man erkennt eine signifikante Zunahme der Bruchzähigkeit bei gleichzeitigem Anstieg des Moduls. Wirkmechanismus NANOPOX E besteht aus einem Standard- Epoxidharz und darin kolloidal verteiltem SiO 2. Die disperse Phase besteht aus oberflächenmodifizierten, kugelförmigen SiO 2 -Nanopartikeln mit Durchmessern unter 50 nm und einer extrem schmalen Partikelgrößenverteilung (Abb. 6). Diese nur wenige Nanometer großen Kügelchen sind agglomeratfrei in der Harzmatrix verteilt (Abb. 7). Daraus resultiert eine sehr geringe Viskosität der Dispersion bei SiO 2 -Gehalten von bis zu 40 Gew.-%. Die Nanopartikel werden in einem chemischen Prozess aus Wasserglas hergestellt. In diesem sehr schonenden Verfahren wird das Epoxidharz im Gegensatz zu den Prozessen, bei denen in Pulverform vorliegende Füllstoffe mit Dissolvern und unter Eintrag sehr hoher Scherenergie eindispergiert werden, nicht geschädigt. Teilchenzahldichte Partikelgrößenverteilung (Abb. 6) (Bestimmung durch SANS) Partikelgröße [nm] 6

7 Abbildung 7: TEM Aufnahmen einer gehärteten Probe Nanopox E mit 5 % SiO 2 -Nanopartikeln Anwendungshinweise NANOPOX E kann in Formulierungen alleine oder als Additiv eingesetzt werden und kann entsprechend der für die jeweiligen Harztypen gängigen Verfahren ausgehärtet werden. Der notwendige Siliciumdioxid-Gesamtgehalt in der fertigen Formulierung ist von den gewünschten Produkteigenschaften abhängig und kann von wenigen Prozent (Bruchzähigkeitsverbesserung) bis zum maximal möglichen Gehalt an Nanoteilchen (Kratz- und Abriebfestigkeitsverbesserung) reichen. Hier sind Variationen am jeweiligen Formulierungsproblem nötig. Gegebenenfalls können zusätzliche verstärkende Füllstoffe verwendet werden. Entsprechend des steigenden Gesamtfüllstoffgehaltes können strukturelle Verstärkungen erzielt werden, die mit herkömmlichen Füllstoffen allein nicht erzielt werden können. 7

8 Nanokomposite für UV-härtende Formulierungen Verringerter Härtungsschrumpf Verbesserte Verschleißeigenschaften Verringerte thermische Ausdehnung Produktübersicht Technische Daten (keine Spezifikation) Type Monomer Charakterisierung SiO 2 -Gehalt [wt%] dyn. Viskosität, 25 C [mpa s] Nanocryl A 370 HEMA Hydroxyethylmethacrylat Nanocryl A 200 CTFA Trimethylolpropanformalacrylat Nanocryl A 210 HDDA Hexandioldiacrylat Nanocryl A 215 TPGDA Tripropylenglycoldiacrylat Nanocryl A 216 NPGPODA Propox. Neopentylglycoldiacrylat Nanocryl A 220 TMPTA Trimethylolpropantriacrylat Nanocryl A 223 TMPEOTA Ethox. Trimethylolpropantriacrylat Nanocryl A 225 GPTA Propox. Glycerintriacrylat Nanocryl A 235 PPTTA Alkox. Pentaerythritoltetraacrylat Hinweis: Weitere NANOCRYL A-Produkte und Mischungen für spezielle Anwendungen sind auf Anfrage erhältlich. Bitte kontaktieren Sie unsere Anwendungstechniker. Die in Kapitel 2 beschriebenen Nanokomposite können auch in UV-härtbaren Systemen für die Elektronik eingesetzt werden. 8

9 Eigenschaftsverbesserungen Durch die Verwendung von entsprechend gefüllten Acrylatmonomeren (NANOCRYL A-Produktreihe) oder des in Kapitel 2 aufgeführten NANOPOX E 600 in der Formulierung können zahlreiche Materialeigenschaften deutlich verbessert werden. Die Produkte sind hochtransparent, niedrigviskos und weisen keinerlei Sedimentation auf, d. h. die Verarbeitbarkeit bleibt im Vergleich zum jeweiligen Basisharz weitgehend unverändert. Auf diese Weise werden die vorteilhaften Eigenschaften von organischen und anorganischen Materialien nahezu perfekt kombiniert. Wichtige Materialeigenschaften, die durch die Verwendung von NANOCRYL A verbessert werden können, sind: Trotz hoher Füllstoffgehalte keine Verringerung der Transparenz Verringerung von Härtungsschrumpf und Reaktionswärme Verringerte thermische Ausdehnung und innere Spannungen Barriere-Effekt gegen Gase, Wasserdampf und Lösemittel Erhöhte Witterungsbeständigkeit und verlangsamte thermische Alterung Stark verbesserte Kratz- und Abriebbeständigkeit Erhöhung von Reißfestigkeit, Bruchzähigkeit und Elastizitätsmodul Verbesserte Haftung auf zahlreichen anorganischen Substraten (z. B. Glas, Aluminium) Leichte Verbesserung zahlreicher weiterer erwünschter Eigenschaften wie: thermische Stabilität, Fleckbeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit, dielektrische Eigenschaften NANOCRYL A findet überall dort Verwendung, wo die oben erwähnten Eigenschaftsverbesserungen angestrebt werden oder gar notwendig sind, ohne dass Nachteile in der Verarbeitbarkeit wie z. B. ein übermäßiger Viskositätsanstieg (bekannt von pyrogener Kieselsäure) in Kauf genommen werden müssen. Die Tatsache, dass dies ohne Verlust an optischer Klarheit möglich ist, macht NANOCRYL A besonders für transparente Formulierungen geeignet. Beispielhaft seien hochkratzfeste Beschichtungen für Glasfaserkabel oder Conformal Coatings und UV-Klebstoffe für gedruckte Schaltungen (PCBs) genannt. Anwendungshinweise Um eine optimale Verträglichkeit zu gewährleisten wird empfohlen, alle anderen Rezeptur-Komponenten vorzumischen und das Nanocryl A dieser Mischung unter Rühren zuzufügen. Nanocryl A-Produkte sind mit den meisten Acrylat- Monomeren, Oligomeren und Polymerisations Initiatoren kompatibel. Trotzdem sollte die Verträglichkeit mit den einzelnen Formulierungskomponenten vor der Rezepturentwicklung separat getestet werden. Nanopartikel tendieren zur Bildung von Agglomeraten wenn ihre Stabilisierung von ungeeigneten Komponenten beeinträchtigt wird. Dies betrifft vor allem sehr hydrophobe Oligomere und bestimmte Performance-Additive (z. B. einige Gleitmittel, Lichtstabilisatoren und Amin-Coinitiatoren). Eine Liste geeigneter kommerzieller Additive ist bei Evonik erhältlich (Technische Information - Geeignete Additive für Nanocryl A- Formulierungen). Nanocryl A kann in Formulierungen alleine oder als Additiv eingesetzt werden und kann entsprechend der gängigen Verfahren radikalisch ausgehärtet werden (Neben Strahlungshärtung ist prinzipiell auch peroxidische Härtung möglich). Der notwendige Siliciumdioxid-Gesamtgehalt in der fertigen Formulierung ist von den gewünschten Produkteigenschaften abhängig. Im Allgemeinen steigt die Wirkung der aufgelisteten Effekte proportional zum Feststoffgehalt an. Folglich wird für erste Screening-Tests ein möglichst hoher SiO 2 -Gehalt empfohlen ( 20 Gew.-%, entsprechend z.b. 40 % Nanocryl A 210). Der optimale Gehalt sollte anschließend durch systematische Untersuchungen ermittelt werden. Gegebenenfalls können zusätzlich konventionelle Füllstoffe (Al 2 O 3, Glasmikroperlen usw.) verwendet werden. Die Nanopartikel füllen dann den Raum zwischen den Mikropartikeln. Dies ermöglicht dem Formulierer den Gesamtgehalt an verstärkenden Füllstoff zu erhöhen und so die Materialeigenschaften zu optimieren. 9

10 Flexible Epoxid-Silicon-Copolymerbasierte Formulierungen Formulierung von flexiblen Massen exzellente elektrische Eigenschaften Produktübersicht Technische Daten (keine Spezifikation) Type Silicongehalt [wt%] Harzbasis EEW [g/äquiv] dyn. Viskosität, 25 C [mpa s] ALBIFLEX DGEBA ALBIFLEX DGEBA ALBIFLEX DGEBF / Acrylat

11 EP EP EP Si Si Wirkmechanismus Alle ALBIFLEX -Produkte haben eine gemeinsame chemische Grundstruktur, die sich wie folgt darstellen läßt: Das Grundprinzip ist ein sogenanntes lineares Block-Copolymer, das aus abwechselnden Blöcken oder Segmenten aus harten Polyepoxiden und weichen Polysiloxanen besteht. An beiden Kettenenden befinden sich grundsätzlich reaktive Epoxidblöcke. Aufgrund der sich durch eine Phasensegregation zwischen Polysiloxan- und Polyepoxid-Segmenten einstellenden Morphologie entspricht das Eigenschaftsbild des Endproduktes nicht einfach einem Mittelwert aus Epoxid- und Silicon-Anteilen. In der Regel überwiegt vielmehr der Epoxidharz-Charakter im Eigenschaftsprofil. Eigenschaftsverbesserungen ALBIFLEX verbindet die normalerweise unverträglichen Polymertypen Epoxidharz und Silicon zu einem homogenen Mischpolymerisat, das die vorteilhaften Eigenschaften der beiden Stammpolymere in sich vereinigt: Vom Epoxidharz die hervorragende Haftfestigkeit auf sehr vielen Untergründen, die hohe mechanische Festigkeit und die gute chemische Beständigkeit Vom Silicon die hohe Elastizität auch bei sehr tiefen Temperaturen, die gute thermische und Alterungsbeständigkeit und die exzellenten dielektrischen Eigenschaften Dieses Produktprofil macht den Einsatz von ALBIFLEX in flexiblen Vergüssen, Beschichtungen und Klebern in elektronischen Anwendungen besonders wertvoll. Anwendungshinweise ALBIFLEX ist als Basispolymer für die Formulierung von elastischen Kleb- und Dichtstoffen, Vergussmassen, Beschichtungen und ähnlichen Produkten entwickelt worden. Aufgrund des hohen Silicongehaltes der Copolymere ist eine Mischbarkeit mit Epoxidharzen nur bedingt gegeben und sollte im konkreten Formulierungsfall getestet werden. ALBIFLEX 712 ist eine Produktvariante, bei der die Epoxid-Endgruppen des Block-Copolymers mit Acrylsäure verestert wurden. Hierdurch lässt sich das Produkt radikalisch polymerisieren und ist somit in erster Linie für UV-Anwendungen geeignet. 11

12 Unsere Informationen entsprechen unseren heutigen Kenntnissen und Erfahrungen nach unserem besten Wissen. Wir geben sie jedoch ohne Verbindlichkeit weiter. Änderungen im Rahmen des technischen Fortschritts und der betrieblichen Weiterentwicklung bleiben vorbehalten. Unsere Informationen beschreiben lediglich die Beschaffenheit unserer Produkte und Leistungen und stellen keine Garantien dar. Der Abnehmer ist von einer sorgfältigen Prüfung der Funktionen bzw. Anwendungsmöglichkeiten der Produkte durch dafür qualifiziertes Personal nicht befreit. Dies gilt auch hinsichtlich der Wahrung von Schutzrechten Dritter. Die Erwähnung von Handelsnamen anderer Unternehmen ist keine Empfehlung und schließt die Verwendung anderer gleichartiger Produkte nicht aus. (April 2008) Evonik Hanse GmbH Charlottenburger Straße Geesthacht telefon telefax _DE-Hanse - Electronics_1.Aufl.