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摘要：生物基和單壁碳納米管（SWCNT）為關鍵組分的納米復合材料在電子封裝領域展現出廣闊的應用前景，但其實際應用需在確保儲存穩定性的同時，兼顧對電子器件工作環境的適應性（如絕緣兼容性、導熱導電均衡性），以滿足電子設備高可靠性需求。本文以100%生物基半結晶聚酯多元醇和異佛爾酮二異氰酸酯合成的水性聚氨酯-脲分散體（WPUD）為基材，引入SWCNT構建用于電子封裝的納米復合材料。通過LUMiFuge穩定性分析儀的STEP技術，結合納米激光粒度儀（DLS）、差示掃描量熱儀（DSC）、熱重分析儀（TGA）、介電常數測試儀、核磁共振波譜儀、傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）、材料試驗機等設備的多維度表征，開展不同溫濕度條件下的穩定性評估、長期老化實驗，同時完成介電、導熱、力學等核心性能測試，解決了復合材料配方優化問題，確定了原料配比與SWCNT添加量，在保障材料儲存穩定性的基礎上，使其在電子封裝應用中兼具出色的絕緣兼容性、高效導熱能力及優異的機械防護性能。

電子封裝材料是保障電子器件穩定性與使用壽命的關鍵，須兼具各項優異性能。傳統石油基封裝材料（如環氧樹脂）存在環保缺陷，且在導電/導熱改性后易出現填料分散不均、穩定性下降等問題；含氟改性材料則有環境殘留風險。生物基水性聚氨酯-脲因其綠色環保屬性與結構可設計性，成為理想替代方案，而引入SWCNT是提升其導熱/導電性能的核心改性手段，但SWCNT的高比表面積易引發團聚，在儲存與使用過程中還會出現沉降問題，導致體系穩定性不佳。若SWCNT發生團聚與沉降，會從電子封裝材料的核心使用性能、工藝適配性、長期可靠性等多方面產生嚴重負面影響，直接破壞封裝效果，甚至導致電子器件失效：其一，團聚與沉降會破壞SWCNT在基質中連續均勻的三維網絡結構，造成導熱性能不均且大幅衰減、導電性能失控，既喪失導熱/導電改性的初衷，還會破壞材料絕緣兼容性；其二，團聚體成為應力集中點、沉降造成材料結構分層，會導致封裝材料機械性能劣化、成膜后出現微孔隙與微裂紋，大幅下降封裝防護性能；其三，團聚增大體系黏度、沉降造成漿料成分不均，會引發涂布/灌封工藝失效、固化過程收縮不均，降低工業化生產的工藝適配性；其四，團聚與沉降是持續加劇的過程，會造成漿料倉儲期快速失穩、器件使用期性能持續衰減，喪失長期使用可靠性。

為此，本研究擬開發并優化生物基水性聚氨酯-脲 / SWCNT復合電子封裝材料，借助LUMiFuge穩定性分析儀為核心的多設備表征體系，系統評估材料穩定性與綜合性能，完成配方優化，從根源上解決SWCNT改性帶來的穩定性問題。

實驗設備：LUMiFuge 110 穩定性分析儀（圖2.1）、納米激光粒度儀（DLS）、差示掃描量熱儀（DSC）、熱重分析儀（TGA）、激光導熱儀、核磁共振波譜儀（1H NMR）、傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）、介電常數測試儀、材料試驗機等。

LUMiFuge穩定性分析儀測試原理（圖2.2）：該儀器基于離心加速分離與STEP技術（Space- and Time-resolved Extinction Profiles，空間-時間解析消光圖譜法），通過施加約2300倍重力加速度，將樣品在自然條件下需數月甚至數年才發生的沉降、分層或上浮等不穩定過程，顯著加速至數小時內完成。測試過程中，近紅外光（或短波藍光）平行光束沿樣 品管全程掃描，內置集成的兩千多個CCD探測器實時監測透光率的動態變化。結合配套分析軟件SEPView，可對分散體系的動態穩定性、界面遷移速率及相分離程度進行直觀、定量的表征。

圖2.1  LUMiFuge穩定性分析儀實物圖

圖2.2  LUMiSizer測試原理

• 納米激光粒度儀（DLS）：基于動態光散射原理，測試樣品顆粒的平均粒徑、粒徑分布等，多分散系數（PI）越接近 0，表明顆粒分散均一性越好，為穩定性分析提供粒徑維度的佐證；

• 激光導熱儀：測試材料的熱導率（W/(m?K)），反映材料的熱量傳遞能力，是電子封裝材料散熱性能的核心評價指標；

• 介電常數測試儀：基于高頻阻抗分析原理，測試材料的介電常數與介電損耗角正切值，評估材料的絕緣兼容性，匹配電子封裝的絕緣要求；

• FTIR/1H NMR：確認WPUD化學結構，表征SWCNT與WPUD基質的相互作用；

• 材料試驗機：測試樣品的拉伸強度、斷裂伸長率，評估機械防護性能；

• DSC/TGA：測試樣品的玻璃化轉變溫度（Tg）、10% 熱失重溫度（T10%），評估熱穩定性。

• 制備4種不同組成的WPUD基質樣品（3294IPDI-1、3294IPDI-2、3294IPDI-3、3294IPDI-7），通過三元混合物實驗設計調整100%生物基多元醇（Priplast 3294）、2,2-二羥甲基丁酸（DMBA）、1,3-丙二醇（1,3-PDO）的摩爾比例（DMBA≥37%，Priplast 3294 ≥40%），采用預聚體法合成，經中和、相轉化、擴鏈、脫丙酮制得，固含量調整為40% 。

• 基于LUMiFuge穩定性預分析結果，選擇穩定性的WPUD基質樣品3294IPDI-2，添加經偶聯劑KH-550改性處理的SWCNT母料，分別制備SWCNT含量為0.1wt%、0.3wt%、0.5wt% 的電子封裝復合樣品（3294IPDI-2/SWCNT 0.1wt%、0.3wt%、0.5wt%），并以傳統電子封裝用環氧樹脂（EP-828）作為對比樣。

• 通過FTIR、1H NMR 對所有樣品進行化學結構表征，確認聚合物分子鏈的成功合成及 SWCNT與基質的結合狀態。

LUMiFuge 穩定性測試方案設置：

• 離心參數：相對離心加速度（RCA）2000g，測試時長5小時，掃描頻率每10秒/次。

• 環境條件：設置三組測試環境，分別為 4℃（低溫儲存模擬）、25℃（常溫儲存）、40℃+85% RH（高溫高濕加速老化模擬，模擬電子設備嚴苛工作環境）。

• 樣品容器：使用2mm光程的聚酰胺（PA）透明離心管。

• 監測方式：通過樣品管內透光率變化分析樣品沉降邊界移動、團聚情況，計算不穩定性指數（Instability Index），該指數為無量綱值，數值越低表明樣品穩定性越高。

• 長期穩定性驗證：對復合樣品儲存1年后再次進行 LUMiFuge 測試，評估長期儲存后的穩定性變化。

圖3.1 不同基質樣品的穩定性對比（不穩定指數）

FTIR：所有WPUD基質樣品均無 2275 cm?1 處異氰酸酯（NCO）特征峰，證實NCO反應；3351 cm?1 處出現 NH 伸縮振動寬峰，1550 cm?1、1242 cm?1 處出現氨基甲酸酯/脲鍵特征峰，確認WPUD聚氨酯 - 脲分子結構符合設計；

圖3.2 合成的WPUD基質在中紅外區域的傅里葉變換紅外光譜

1H NMR（圖3.3）：Priplast 3294 的特征峰（CH?C (O) O：2.30 ppm）融入 WPUD 譜圖，且羥基特征峰消失，證實生物基多元醇成功接入聚合物主鏈；3294IPDI-2 樣品中 DMBA（37mol%）、Priplast 3294（63mol%）的特征峰比例與投料比一致，合成工藝可控。

圖3.3 核磁共振圖譜

• DSC：3294IPDI-2 的玻璃化轉變溫度（Tg）為- 50.8℃，軟段與硬段相分離特征明顯，低溫柔韌性優異；

• TGA：3294IPDI-2的10% 熱失重溫度（T??%）為 308.6℃，熱降解分三階段（263.3℃、327.2℃、420.6℃），可耐受電子封裝的高溫固化工藝（80~160℃），熱穩定性滿足應用要求。

3294IPDI-2 的平均粒徑為 217±40 nm，多分散性指數（PI）=0.11，粒徑呈單峰分布，分散均一性良好，為后續添加SWCNT提供穩定的基質基礎。

以 3294IPDI-2 為基質，添加改性SWCNT后，通過 LUMiFuge、DLS、激光導熱儀、介電常數測試儀、材料試驗機完成多維度表征，結果如下：

復合樣品在常溫 25℃、高溫高濕 40℃+85% RH 下的不穩定性指數如表3.2、圖 3.4所示：

• 25℃時：3294IPDI-2/SWCNT 0.1wt%、0.3wt%、0.5wt% 樣品的不穩定性指數分別為 0.17±0.01、0.15±0.02、0.19±0.02，均處于較低水平，表明偶聯劑 KH-550 改性有效抑制 SWCNT 團聚，填料添加未顯著破壞基質穩定性；

• 40℃+85% RH 時，三種樣品不穩定性指數均略有上升，但0.3wt% SWCNT 樣品仍保持（0.20±0.03），復雜環境下穩定；

• 經LUMiFuge加速離心后，0.3wt% SWCNT 樣品的透光率圖譜沉降邊界清晰、分層極不明顯，無明顯 SWCNT 沉降團聚，穩定性符合電子封裝材料要求。

表 3.2 復合樣品在各環境下的不穩定性指數

圖3.4  復合樣品在各環境下的不穩定性指數

• 0.3wt% SWCNT 樣品的平均粒徑為58±3nm，PI=0.08，粒徑呈單峰窄分布，表明SWCNT在WPUD 基質中分散均勻，無明顯團聚，為導熱、介電性能的均一性提供保障；

• 0.5wt% SWCNT 樣品的PI升至0.29，出現雙峰分布，表明高含量SWCNT開始團聚，與 LUMiFuge 測試中不穩定性指數升高的結果相互印證。

• 純3294IPDI-2的熱導率為0.30±0.02 W/(m?K)；

• 0.1wt%、0.3wt%、0.5wt% SWCNT 樣品的熱導率分別為 0.52±0.03、0.85±0.03、0.87±0.04 W/(m·K)；

• 0.3wt% SWCNT 樣品的熱導率為純基質的2.8倍，繼續增加 SWCNT 含量，熱導率提升幅度約2.4%，存在明顯邊際效應，0.3wt% 為導熱性能的添加量

  
  

• 0.3wt% SWCNT 樣品的介電常數 3.2±0.1，介電損耗角正切值 0.02±0.003，符合電子封裝材料的絕緣兼容性要求（介電常數＜4，介電損耗＜0.05）；

• 0.5wt% SWCNT 樣品的介電常數升至 4.5，介電損耗增至 0.06，絕緣性能下降，無法滿足電子封裝的絕緣要求。

按標準測試，0.3wt% SWCNT 樣品的拉伸強度32.5±1.2 MPa，斷裂伸長率420±15%，兼具優異的拉伸強度和柔韌性，可有效緩沖電子器件在運輸、使用過程中的機械沖擊，機械防護性能滿足電子封裝要求；相比之下，0.5wt% SWCNT 樣品的斷裂伸長率降至280±12%，柔韌性顯著下降。

對儲新鮮樣品及儲存1年的老化樣品（0.3wt% SWCNT 樣品）進行 LUMiFuge、激光導熱儀、介電常數測試儀測試，評估長期老化后的性能變化，核心結果如下：

• 0.3wt% SWCNT樣品在 25℃下不穩定性指數幾乎無變化，40℃+85% RH下變化幅度≤0.05，無明顯團聚或相分離；

• 其透光率指紋圖譜（圖4.5）顯示，新鮮樣品（a）與儲存1年的老化樣品（b）透光率變化趨勢高度一致，無明顯沉降峰，長期儲存穩定性優異；

• 對比樣 EP-828 的不穩定性指數變化幅度更大，長期環境適應性劣于生物基復合樣品；

表 3.3  0.3wt% SWCNT復合樣品老化前后不穩定性指數對比

圖3.5 新鮮樣品（a）和老化后（b）透光率指紋圖譜

• 老化后0.3wt% SWCNT 樣品的熱導率為 0.83±0.03 W/(m?K)，介電常數 3.3±0.1，介電損耗角正切值 0.02±0.004；

• 導熱性能衰減率僅 2.35%，介電性能基本無變化，核心性能長期穩定性優異，滿足電子封裝材料的倉儲與使用要求。

• 多設備協同表征為電子封裝材料配方優化提供全面技術支撐：以LUMiFuge 穩定性分析儀為核心，結合納米激光粒度儀（DLS）、激光導熱儀、介電常數測試儀、材料試驗機、FTIR/1H NMR、DSC/TGA等設備，從穩定性、分散性、化學結構、熱穩定性、導熱、介電、力學等多個維度完成樣品表征，各設備測試結果相互印證、補充，精準篩選出適配電子封裝需求的穩定復合體系，解決了SWCNT團聚沉降引發的穩定性問題，實現生物基 WPUD/SWCNT 復合材料的配方優化。

• 確定配方及核心性能：基于多設備表征結果，本次實驗的配方為以3294IPDI-2（Priplast 3294 63mol%、DMBA 37mol%）為基質，添加0.3wt%偶聯劑KH-550改性 SWCNT。該配方樣品經多設備驗證，兼具優異的綜合性能：常溫/低溫/高溫高濕環境下穩定（25℃不穩定性指數 0.15±0.02）、SWCNT粒徑分布均一（PI=0.08）、熱導率0.85±0.03 W/(m?K)、介電常數3.2±0.1、拉伸強度32.5±1.2 MPa，且長期儲存后核心性能衰減率極低，有效規避了SWCNT改性帶來的各類封裝缺陷，是傳統環氧樹脂封裝材料的優質環保替代方案。

• LUMiFuge 穩定性分析儀的STEP技術可有效預測電子封裝復合材料的儲存穩定性與環境適應性，透光率指紋圖譜能直觀反映材料內部團聚、沉降行為，結合納米激光粒度儀等設備的量化數據，為該生物基復合材料的工業化生產、倉儲運輸及終端應用提供了穩定性評估依據，同時也為生物基材料在電子行業的規模化應用提供了可復制的多設備表征方法。