• 沒有找到結果。

Material Based on Cyanate ester/BMI/Epoxy

Figure 6.5    FT‐IR absorbance spectra for the reactions of LECY/BMI

6.4.5    Considerations of Kinetics

Figure 6.6 Difference spectra (At‐Ao, t in mins) the reaction of LECY/ 

BMI/ Epoxy at 140 C for various time. 

 

6.4.5    Considerations of Kinetics 

      Based  on  the  above  discussions,  three  systems  all  in  equivalent  ratio  of  (1)  LECY/epoxy,  (2)  LECY/MBI,  and  (3)  LECY/Epoxy/MBI  were  prepared  and  coated  on  each  KBr  plate  and  monted  on  FTIR  sample  holder at constant temperature (130, 140, 150 and 160 o C).    Functional  group changes during co‐curing reactions were monitored with FTIR with  a  resolution  of  1  cm‐1.Data  were  collected  at  each  5  mins  interval.  The  absorbance of a specific Functional group is directly proportional to the  concentration of the group, according to Beer’s law. The conversion, α, is  defined as 

 

      α =(A0‐At)/(A0‐A) 

Where Ais the initial absorbance of OCN, At is the absorbance at time t, 

A

20

- A

0

A

40

- A

0

A

60

- A

0

A

80

- A

0

2237 

2271 

1681 

A

100

- A

0

1367  914

147

Ais  the  absorbance  at  infinite  time,  i.e.,  no  further  changes  in  absorbance.    Difference  spectra  is  obtained  by  subtracting  absorbance  at time t from that at time zero, using the absorbance of υSi‐O‐Si at 1060 as  internal reference, which was adjusted to zero, according to the method  developed  by  Koenig  [16].      Non‐catalytic  and  autocatalytic  reactions  can be combined by 

Where  k1  and  k2   are  rate  constants  for  non‐catalytic  and  autocatalytic  reactions; m and n are reaction orders.    This type of rate equation has  been  generally  accepted  and  widely  discussed  in  literature  [17‐22].   

Data  treatment  and  the  solution  method  has  been  successfully  developed  by  Kenny  graphic‐analytical  technique  [18].    Plot  of  conversion  α  versus  t  is  giving  in  Figures  6.7,6.11  and  6.15  .  The  corresponding reaction rate, dα/dt, at time t can be obtained from slope 

  Rearranging equation (1),obtaining 

1 2

Plot of  ln 1 (1 )

  versus ln α shows a straight line (Figures 6.8,6.12 

148

and 6.16), and the values of m and ln k2 can be obtained from the slope  and the intercept. The activation energy can be measured from the plot  ln k versus 1/T, as given in Figures 6.9,6.13 and 6.17.    Kinetic 

parameters thus obtained are listed in Tables I, II and III.   

 

(1) Kinetic analysis in LECY/Epoxy 

Equivalent ratio of LECY and Epon 828 together with 10 ppm of  Co2+complex (as catalyst, Based on LECY) were blended and was coated  between two KBr plates, and mounted in IR holder. The conversion of  cyano group, α, was then ploted against time t (Figure 6.7).    Data were  treated by Kenny graphic‐analytical technique [19] and results are listed  in Table 6.I.    The calculated kinetic parameters for the curing reactions  of (1) LECY/EPOXY indicated E1 = 52.62 kJ/mole, E2=43.26 kJ/mole, with n 

= 0.87 to 1.02 and m = 1.16 to 1.04 

  Figure 6.7 Plot of conversion,α, versus reaction time t for the LECY/Epoxy 

System at 130 o C (o),140 o C (▲ ), 150 o C (▓  ), and 160 o C (x). 

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Curing Time ,min

Conversion , α

T = 403 K T = 413 K T = 423 K T = 433 K

149

  Figure 6.8    Plot of dα/dt vs α for LECY/Epoxy system at 130 o C (o),140 

o C (▲ ), 150 o C (▓  ), and 160 o C (x). 

  Figure 6.9    Plot of ln[(dα/dt)/(1‐α)n‐k1] vs ln α for LECY/Epoxy system 

at 130 o C (o),140 o C (▲ ), 150 o C (▓  ), and 160 o C (x) 

-5.5 -5 -4.5 -4 -3.5 -3 -2.5 -2

-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0

ln α ln [(dα/dt)/(1-α)n -k1]

T = 403 K T = 413 K T = 423 K T = 433K

0.0000 0.0050 0.0100 0.0150 0.0200 0.0250

0  0.2  0.4 0.6 0.8  1

α

/dt

    

T = 405 K 

T = 415 K 

T = 425 K 

T = 435 K 

150

  Figure 6.10    Plot of ln k vs 1/T    for LECY/Epoxy system. 

     

Table 6.1    Kinetic parameters for LECY/Epoxycuring system. 

Temp, oK  403  413  423  433 

k1*103( S‐1)  3.0  4.5  5.5  8.2 

k2*102( S‐1)  4.2  6.2  6.6  8.6 

N  0.87  0.91  0.94  1.02 

M  1.16  1.13  1.09  1.04 

n+m  2.03  2.04  2.03  2.06 

E1(kJ/mole)  52.62 

E2(kJ/mole)  43.26 

   

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0

2.3 2.4 2.4 2.5 2.5

1 / T * 10 3

ln k

151 (2) Kinetic Analysis of LECY/BMI 

LECY and MBI were blended in equivalent weight, together with 10  ppm of Co2+complex (as catalyst, Based on LECY).    Similar treatment  of data give the corresponding Figures6. 11,6.12,6.13 and 6.14, and  the calculated kinetic parameters are listed in Table II.    Itis found that  for this system, The non‐catalytic reaction constant E1=57.78 kJ/mole,  autocatalytic reaction con‐ stant E2=46.67 kJ/mole, with reaction  orders    n= 1.05 to 0.98 and m = 1.04 to 1.14. 

Figure  11.  Plot  of  conversion  α  vs  reaction  time  t  for  curing  LECY/BMI  system at 130 o C (o),140 o C (▲ ), 150 o C (▓  ),and 160 C (x). 

  0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Curing time,min

Conversion , α

T = 403 K T = 413 K T = 423 K T = 433 K

152

  Figure 6.12 Plot of dα/dt vs α for curing LECY/BMIsystem at 130 oC      (o),140 o C (▲ ), 150 o C (▓  ), and 160 o C (x) 

 

Figure 6.13 Plot of ln [(dα/dt)/(1‐α)n‐k1] vs ln α for curing LECY/BMI at  130 o C (o),140 o C (▲ ), 150 o C (▓  ), and 160 o C (x) 

0.0000 0.0050 0.0100 0.0150 0.0200 0.0250

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

α

/dt

T = 403 K T = 413 K T = 423 K T = 433 K

-5.5 -5 -4.5 -4 -3.5 -3 -2.5 -2

-3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0

ln α

ln [(dα/dt)/(1)n-k1]

T = 403 K T = 413 K T = 423 K T = 433 K

153

  Figure 6.14    Plot of ln k vs 1/T for curing LECY/BMI system.   

 

Table 6.2    Kinetic parameters for curing LECY/BMIsystem 

Temp, oK  403  413  423  433 

k1*103( S‐1)  2.5  3.5  5.0  7.5 

k2*102( S‐1)  3.6  4.6  6.5  9.0 

n  1.05  1.02  0.98  1 

m  1.04  1.07  1.1  1.14 

n+m  2.09  2.09  2.08  2.14 

E1(kJ/mole)  57.78 

E2(kJ/mole)  46.67 

     

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0

2.3 2.3 2.3 2.3 2.4 2.4 2.4 2.4 2.4 2.5 2.5

1/T * 10 3

ln k

154 (3) Kinetic Analysis of LECY/BMI/EPOXY   

LECY、BMI and Epon 828 in equal equivalent weight were    Blended with 10 ppm of Co2+complex as catalyst based on LECY),  and coated between two KBr plates. Similarly, the absorbance of  cyano group was monitored for kinetic analysis.    Similar data 

treatment and similar plots were given in Figures 6.15,6.16,6.17 and  6.18, and kinetic parameters given in Table 6.3.    Kinetic parameters  found are activation energy for non‐catalytic reaction E1 = 66.64  KJ/mole, that for catalytic reaction E2 = 45.75 KJ/mole, with the  corresponding reaction orders of n = 0.98 to 1.03, m = 1.02 to 1.21. 

 

      All the above three systems reveal a fact that energies of 

non‐catalytic reactions are generally higher than those of autocatalytic  reactions; while the reaction constants of non‐catalytic reactions are  almost 10 times lower than those of autocatalytic reactions.    Reaction  orders m and n are close to 1, with a total reaction order near 2.    This  result appears seasonable for a bimolecular curing reaction. 

   

155

Figure 6.15 Plot of conversion α vs. reaction time for curing LECY/BMI/   

Epoxythree components system at 130 o C (o),140 o C (▲ ),  150 o C (▓  ), and 160 o C (x) 

       

  Figure 6.16    Plot of dα/dt vs α for curing LECY/BMI/Epoxy system at 130 

o C (o),140 o C (▲ ), 150 o C (▓  ), and 160 o C(x) 

Conversion , α

Curing time , min

T = 405 K

156  

Figure 6.17 Plot of ln [(dα/dt)/(1‐α)n‐k1] vs lnα for curing LECY / BMI        system at 130 o C (o),140 o C (▲ ), 150 o C (▓  ),and 160 o C (x). 

 

  Figure 6.18    Plot of ln k vs 1/T for curing LECY/BMI/Epoxy . 

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0

-3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0

ln α ln [(dα/dt)/(1)n -k1]

T = 403 K T = 413 K T = 423 K T = 433 K

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0

2.3 2.3 2.4 2.4 2.5 2.5

1/T * 10 3

ln k

157  

Table 6.3    Kinetic parameters for curing LECY/BMI/Epoxy system. 

Temp, oK  403  413  423  433 

k1*103( S‐1)  2.0  2.5  4.0  7.5 

k2*102( S‐1)  4.4  5.4  7.1  8.9 

n  1.03  1.02  1.01  0.98 

m  1.02  1.05  1.14  1.21 

n+m  2.05  2.07  2.14  2.17 

E1(kJ/mole)  66.64 

E2(kJ/mole)  45.75 

     

6.5    Conclusions 

Investigation of co‐curing reactions for LECY/Epoxy/MBI material  by monitoring IR absorbances of cyanate group conformed Martin,  Shimp and Bauer’s former findings that cyanate ester trimerized to form  aryl cyanurate, followed by insertion reaction of epoxy to yield 

oxazolidinone.    In the three components LECY/Epoxy/MBI co‐curing  system,    there is no additional chemical bonding found between the  two net works (1) LECY/Epoxy and (2) LECY/MBI. In a co‐cured material of  LECY/Epoxy/MBI, It is believed that the two networks formed 

independently and simultaneously, and there are only physical 

entanglement between the two networks, which means a formation of  interpenetration polymer networks (IPNs).   

158

Kinetic data were treated with Kenny graphic‐analytical technique  to solve the generally recognized rate equation: 

  m n

T

k dt k

dα =( 1+ 2α )(1α)

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

.   

Both reaction orders m and n are very close to 1, and the total  reaction is near second order.    Furthermore, activation 

energies of non‐catalytic reactions are generally higher than those of  autocatalytic reactions; while the reaction constants of non‐catalytic  reactions are almost 10 times lower than those of autocatalytic 

reactions. 

This result appears reasonable for a bimolecular curing reaction, which  formed an IPN material.   

   

6.6    REFERENCES 

1. Xiao Hu, Jing Fan, Chee Yoon Yue, J. Appl. Polym. Sci., 80, 2437‐2445    (2001). 

2. C. Wang, H. Hwang, J. Appl. Polym. Sci., 60, 857‐863 (1996)  3. J. Roger, E. Morgan, E.Shin, B. Rosenberg, A. jurek, Polymer,    38,639‐646 (1997). 

4. C. M. Go’mez, H. B. Recalde, I.Mondragon, European Polym. 

      J,41, 2734 (2005). 

5. H. B. recalde, D. Recalde, R. Garc, C.M. Go’mez, European          Polym.J,41, 2635 (2005). 

6. P. Bartolomeo, J. F. Nicolais, Polym. Comp., 13, 191 (1992). 

159

7. M. Bauer, J. Bauer and G. Kuhn, Acta Polym., 37, 715 (1986). 

8. M. Bauer and J, Bauer, Act. Polym., 38, 16 (1987). 

9. S. L. Simon and J.K. Gillham, J. Appl. Polym. Sci., 47, 461      (1993). 

10. C. A. Fyfe, J. Niu, S. J. Rattig and N. E. Burlinson,          Macrol, 25, 6289 (1992). 

11. L. J. Kasehagen and C. W. Macosko, Polym. Intl., 44, 237          (1997). 

12. E. grigat Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 11,949 (1972). 

13. V. Mirco, f. mechin and J.P. Pascault, ACS Div. Polym. 

        Mater. Sci.Eng., 71, 688 (1994). 

14. M. Bauer, Academy of Sci. of the GDR, Berlin, (1980). 

15. S. C. Lin and E. M. Pearce,edited,”High Performance            Thermosets, Hanser Publishers, New York, 1994, p. 102.   

16. J. L. Koenig, Appl. Spectrosc., 29, 293 (1975). 

17. I. mondragon, L. sollara, I. B. Recalde, C. M. Gomeza,          Thermochimica Acta., 19, 417 (2004). 

18. C. H. Lin, Polymer, 45, 7911 (2004). 

19. J. M. Kenny and L. Nicolais, Polym. Comp., 13, 191 (1992). 

20. M. S. Lin, R. J. Chang, T. Yang and Y. F. Shih, J. Appl. 

        Polym. Sci. 55, 1607‐1617 (1995). 

21. O.A. Moroni, J. Mijovic, E. M. Pearce, and C. C. Foun, J. 

        Appl. Polym. Sci., 32, 3761‐3773 (1986). 

22. C. C. Riccardi, H. E. Adabbo, and J. J. William, J. Appl. 

        Appl. Polym. Sci.,30, 2481‐2492 (1984). 

160

Chapter VII    CONCLUSIONS   

 

Chapter I dealed with the curing behavior and properties of 

siloxane‐ and imide‐ containing tetrfunctional epoxy.    Improved physical  properties of this material with decreased dielectric constant were 

observed, mainly because lots of polar OH groups formed during epoxy  curing.    In chapter II, effort was made to enhance the dielectric 

constant by incorporating POSS molecule into epoxy, the dielectric  constant was able to reach below 3, while some of physical properties  degraded.    In chapter III and IV, new structure of cyanate ester 

containing siloxane, imide and allyl groups was designed and was 

blended with commercial BMI to prepare a new type of BT resin.    This  BT resin further blended with commercial epoxy to form new types of  co‐cured materials.    Both physical properties and dielectric property are  improved except for coefficient of thermal expansion.     

Further efforts were made in chapter V to design novel type of epoxy  and novel type of BT resin.    Both not only contain siloxane and imide  groups, but also contain an allyl group.    This novel BT resin first blended  with commercial epoxy to form new resin called part A.    Part A and the  novel epoxy were co‐cured in various equivalent ratios.    This new  co‐cured material was able to possess enhanced material performances,  such as resin curing, thermal stability, dimensional stability, mechanical  toughness, …,etc..    In addition, both dielectric constant (near 3) and  dissipation factor were improved.    It appears that this co‐cured material 

161

is a permissible material suitable for microelectronics application. 

For optimal processing, an accurate knowledge of the kinetics of  curing and polymer conversion as functions of curing temperature is  vital.    The behavior of resin curing was performed with dynamic DSC in  each chapter.    And the kinetic study was done in chapter VI.    In 

kinetic studies of the three components cyanate ester/ BMI/epoxy  system, the functional group changes basically were the combination of  those of cyanate ester/epoxy and cyanate ester/BMI.    There was no  new chemical bonding found between the two net works of cyanate  ester/epoxy and cyanate ester/BMI.    Kinetic parameters found 

indicated very similar to one another among the three different systems,  namely, the rate constants of catalytic reaction (k2) was found to be  approximately 10 times higher than that of non‐catalytic reaction (k1),  and increased activation energies for both catalyzed (E2) and 

non‐catalyzed (E1)reactions, when compared with those of single  component reaction.    This result probably explains why co‐cured  materials usually showed lower gel fractions as found in each chapter  of this study. 

相關文件