CN101740158B

CN101740158B - 合成导电复合材料的装置和方法

Info

Publication number: CN101740158B
Application number: CN2008101775539A
Authority: CN
Inventors: 黄湖水; 赵重根
Original assignee: Korea Kumho Petrochemical Co Ltd
Current assignee: Kumho Petrochemical Co Ltd
Priority date: 2008-11-18
Filing date: 2008-11-21
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2028-11-21
Also published as: CN101740158A; JP4857432B2; TWI397467B; KR20100055567A; TW201020095A; US7862765B2; KR101149358B1; US20100123274A1; JP2010120289A

Abstract

本发明提供一种用于合成具有增强的导电性的导电复合材料的装置和方法。该装置包括：注模机，其对通过混合碳纳米管和聚合物而生成的丸粒进行注模；以及电场发生器，其在对熔化的丸粒进行注模时将电场施加到熔化的丸粒上，从而重新排列包含在熔化的丸粒注模而成的复合材料中的碳纳米管。

Description

合成导电复合材料的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种合成导电复合材料的装置和方法，具体说，涉及一种通过将碳纳米管(carbon nanotubes，CNTs)与其他材料组合来合成具有增强的导电性的导电复合材料的装置和方法。

背景技术

碳纳米管由碳原子组成，每个碳原子与三个相邻的碳原子结合形成六角蜂巢晶格。由于它们卓越的电、热和机械特性，碳纳米管应用于场致发射装置、电化学和能量存储、微机电学系统、有机和无机复合材料等等多种工业领域中。

碳纳米管可以通过激光消融、电弧放电、化学气相沉积(CVD)、碳氢化合物的高温分解等技术合成。激光消融是利用激光束气化包括与石墨粉以预定比例混合的金属的样品来合成碳纳米管。电弧放电技术是通过将电压施加到具有不同直径的碳棒上引起电弧放电，从而合成碳纳米管。在化学气相沉积中，将气态的源气体注入反应器利用热或等离子体生成碳纳米管。此外，碳氢化合物的高温分解是将液态或气态的碳氢化合物和过渡金属加入加热的反应管中并将碳氢化合物溶解，在气态环境中形成碳纳米管。

如上所述形成的碳纳米管为导电材料。碳纳米管可以与聚合物结合生成导电复合材料，该导电复合材料可以广泛用于分散静电、阻隔电磁波等等。

发明内容

本发明提供一种合成复合材料的装置和方法，该装置和方法能够控制包含在复合材料中的碳纳米管的方位，该复合材料在碳纳米管和聚合物混合并注模之后生成，并因此合成具有减小的表面电阻和增强的导电性的复合材料。

本发明还提供一种合成复合材料的装置和方法，该装置和方法能够通过为复合材料的各个部分调整电场的强度和方向、在注模过程中将具有已调整强度和方向的电场施加到位于与复合材料各部分对应的位置上的熔化了的丸粒(pellet)上来控制复合材料各部分的导电性，从而控制碳纳米管在复合材料的各部分中被排列在何种方向上。

然而，本发明的方面并不限于此处所述的内容。本发明的上述和其他方面对所属技术领域的技术人员来说，通过参考以下对本发明的详细说明将变得更显而易见。

根据本发明的一个方面，提供一种用于合成导电复合材料的装置。该装置包括：注模机，其对通过混合碳纳米管和聚合物而生成的丸粒进行注模；以及电场发生器，其在对熔化的丸粒进行注模时将电场施加到熔化的丸粒上，从而重新排列包含在熔化的丸粒注模而成的复合材料中的碳纳米管。

可以安装多个电极板，以分别与复合材料的部分相对应。

电场发生器可以包括：一个或多个安装在注模机出口并生成垂直电场的电极板；以及通过向各个电极板施加电流来控制碳纳米管方位的控制单元。

电场发生器可以包括：多个沿复合材料形状安装在注模机出口并生成电场的电极板；以及通过向各个电极板施加不同电流来控制复合材料各个部分具有不同导电性的控制单元。

根据本发明的另一个方面，提供一种合成导电复合材料的方法。该方法包括：将通过挤出碳纳米管和聚合物生成的丸粒注入注模机，并通过使用注模机对丸粒进行注模；将电场施加到由注模机进行注模的丸粒上，从而重新排列包含在丸粒注模而成的复合材料中的碳纳米管。

根据本发明的另一个方面，提供一种合成导电复合材料的方法。该方法包括：通过使用挤出机挤出碳纳米管和聚合物，并模制丸粒；将丸粒注入注模机，并通过使用注模机对丸粒进行注模；以及在注模机的出口将电场施加到正在被注模的丸粒上，其中，为复合材料的各个部分调整电场的方向和强度，其中，为丸粒注模而成的复合材料的各个部分调整电场的方向和强度，并且将具有已调整了方向和强度的电场施加到位于与复合材料各部分相对应的位置上的丸粒上，以使复合材料各个部分具有不同的表面电阻值和不同的导电性。

附图说明

通过参照附图详细说明本发明的示例性实施例将使本发明的上述以及其他方面和特征变得更加显而易见，其中：

图1为根据本发明的一个示例性实施例的用于合成导电复合材料的装置的示意图；

图2为向图1装置中包含的多个电极板施加电场的电场发生器的方框图；

图3A示意性表示由图1装置模制的碳纳米管的排列；

图3B为由图1装置模制的碳纳米管的拍摄图；

图4为说明根据本发明的一个示例性实施例的合成导电复合材料的方法的流程图；

图5为通过使用挤出机和注模机合成导电复合材料的传统装置的示意图；

图6为在图5中对碳纳米管和聚合物进行注模时排列在一个方向的碳纳米管的示意图；以及

图7为在图6中注模后排列在一个方向的碳纳米管的拍摄图，其中碳纳米管包含在碳纳米管和聚合物的复合材料中。

具体实施方式

参照下文对示例性实施例及附图的详细说明，可以更容易地理解本发明及其实施方法的优点和特征。然而，本发明可以用多种不同的方式来实施，不应解释为仅限于此处所列举的实施例。更确切地，提供这些实施例是为使本公开彻底且完全，且将向所属技术领域的技术人员充分地传达本发明的思想，本发明将仅为权利要求所限定。整篇说明书中相同的元件标记表示相同的元件。

应该理解，当元件被称为“连接至”或“耦接至”另一元件时，其可以直接连接或耦接至另一元件或者也可以存在中介元件。相反，当元件被称为“直接连接至”或“直接耦接至”另一元件时，不存在中介元件。相同的数字始终表示相同的元件。如此处所使用的，术语“和/或”包括一个或多个列出的相关内容的任何和所有的组合。

应该理解，尽管术语“第一、第二、第三等”会被在此用来表述不同的元件、组件和/或部件，但这些元件、组件和/或部件应不被这些术语所限制。这些术语仅仅用来将一元件、组件、或部件与其它元件、组件、或部件相区别。因此，以下说明的第一元件、第一组件或第一部件可以表述成第二元件、第二组件或第二部件而不背离本发明的教导。

此处所用术语仅为说明特定实施例的目的，不用于限制本发明。如在此的使用中，除非上下文明确指出，单数形式同样也可以包含复数形式。还应该理解，说明中用到的术语“包含了”和/或“包含”表示指定的组件、步骤、操作和/或元件的存在，但也不排除一个或多个其它组件、步骤、操作、元件和/或其组合的存在或增加。

除非另外说明，本说明中用到的所有术语(包括技术和科学术语)都具有本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。还应该理解，例如那些在常用字典中被定义的术语应该解释为具有与相关技术的上下文含义相符合的含义，并且不应理想化或过度形式感地解释，除非在此清楚地定义。

以下，将参考附图对本发明的示例性实施例进行更详细的说明。

碳纳米管(Carbon nanotubes，CNTs)为导电材料。碳纳米管可以与聚合物结合，形成可广泛用于分散静电、阻隔电磁波等的导电复合材料。为了合成碳纳米管和聚合物的导电复合材料，使碳纳米管和聚合物、例如聚碳酸酯(polycarbonates，PCs)相互混合均匀，并接着进行注模。

图5为通过使用挤出机50和注模机51合成导电复合材料的传统装置的示意图。图6为在图5中对碳纳米管和聚合物进行注模时排列在一个方向的碳纳米管的示意图。图7为在图6中注模后排列在一个方向的碳纳米管的拍摄图，其中碳纳米管包含在碳纳米管和聚合物的复合材料中。

参照图5，对碳纳米管和聚碳酸酯进行挤出和注模。具体说，在将碳纳米管和聚碳酸酯以预定比例注入挤出机50中时，挤出机50将碳纳米管和聚碳酸酯混合均匀，以将它们挤出。

在挤出机50将碳纳米管和聚碳酸酯挤出之后，会生成具有预定形状和丸粒。生成的丸粒表现为具有预定形状的颗粒的形式。将丸粒注入注模机51中，并从而模制成具有预定形状的产品(即复合材料)。

聚碳酸酯和碳纳米管注模到其中的复合材料为具有卓越导电性能的导电复合材料。因此，如上所述，复合材料可以广泛用于分散静电、阻隔电磁波等。挤出过程之后生成的丸粒中包含的碳纳米管随机排列。然而，在注模过程中，碳纳米管可以因注射压力而重新排列在一个方向上。

例如，参照图6和图7，包含在丸粒中的碳纳米管可以在注模的时候因外部环境因素、例如注射压力而被排列在一个方向上。在碳纳米管和聚合物注模到其中的复合材料中，碳纳米管可以排列在一个方向上。由于碳纳米管在一个方向排列，它们相互之间失去联系，从而增加了表面电阻。此外，碳纳米管和聚合物(例如PCs)复合材料的导电性降低。因此，复合材料作为导电复合材料的效果会被降低。

图1为根据本发明的一个示例性实施例的用于合成导电复合材料的装置的示意图。参照图1，根据本发明实施例的装置可以包括注模机100和电场发生器200。

注模机100接收由碳纳米管和聚合物挤出模制的丸粒，并利用加热器130和螺杆110加热从而熔化丸粒。注模机100使螺杆110旋转，用以向螺杆110的前端供给熔化的丸粒。注模机100利用活塞120产生的高压将熔化的丸粒通过出口140推出。然后，推出的熔化的丸粒被注入具有预定形状的模具150中。因此，注入的熔化的丸粒在模具150中形成的腔180中冷却，并固化成具有与腔180的形状和大小相同的碳纳米管—聚合物复合材料。这里，腔180的形状做成与所需产品、即所需复合材料相同的形状。

在本实施例中，熔化的丸粒可以指注入注模机100的螺杆110并随之熔化的丸粒或注入模具150中尚未固化的丸粒。

电场发生器200在熔化的丸粒被模制成具有预定形状的复合材料时向熔化的丸粒施加电场。在熔化的丸粒固化时，电场发生器200向熔化的丸粒施加电场，以重新排列包含在熔化的丸粒中的碳纳米管。例如，当包含碳纳米管和聚碳酸酯(即聚合物)的丸粒熔化后，如果熔化的丸粒正被注模时向熔化的丸粒施加电场，则碳纳米管的方位可以被改变，也就是说，碳纳米管因为注模过程中的流动和施加的压力可以重新排列。

总体上，当碳纳米管随机排列时，它们相互接触。因此，导电性增加，同时表面电阻降低。另一方面，当碳纳米管在一个方向上排列时，它们相互不接触。因此，导电性降低，同时表面电阻增加。

在这点上，根据本发明实施例的电场发生器200可以在注模过程中向熔化的丸粒施加电场，以便重新排列碳纳米管。这样，碳纳米管朝向一个方向的方位可以减少，同时促使碳纳米管具有相对各向同性的方位。因此，导电性可以增加。

电场发生器200可以包括一个或多个电极板210、通过向电极板210施加电流或电压来控制碳纳米管方位的控制单元220、以及向电极板210供电的供电单元230。

每个电极板210用作向熔化的丸粒施加电场的介质。电极板210可以邻接出口140、模具150的闸门185、以及形状与所需产品(即所需复合材料)相同的腔180安装，其中，注模机100中的熔化的丸粒通过该出口140注入模具150。出口140是熔化的丸粒被注模机100中的螺杆110推出所通过的口。闸门185用作模具150的入口和熔化的丸粒被注入模具150所通过的通道。腔180的形状与最终生产的产品(即复合材料)相同。熔化的丸粒填充腔180并在腔180中固化。

为了使电极板210与周围的金属材料绝缘，每个电极板可以用绝缘体密封。当电极板210与出口140或闸门185邻接安装时，可以向正在被快速通过窄出口140或闸门185传送的熔化的丸粒施加电场。当电极板210与模具150中的腔180邻接安装时，可以向填充相对宽阔的腔180的熔化的丸粒施加宽电场。

如上所述，可以根据施加到熔化的丸粒上的电场的方向和强度安装一个或多个电极板210。例如，当电极板210与出口140或闸门185邻接安装时，可以向熔化的丸粒施加相对较强的电场。当电极板210与模具150中的腔180邻接安装时，可以向熔化的丸粒施加相对较弱的电场。各电极板210可以用具有卓越导电性的金属材料、例如铜或银制成。

控制单元220控制施加到每个电极板210上的电场的强度。例如，当电极板210与出口140或闸门185邻接安装时，控制单元220可以对供电单元230加电，以施加相对较强的电场。控制单元220可以计算能引起包含在熔化的丸粒中的碳纳米管变得各向同性(即，排列在所有的方向上)的电流量(例如，对应于挤出过程中施加的力的电流量)，并向熔化的丸粒施加对应于所计算的电流量的电场。例如，控制单元220可以计算施加到熔化的丸粒上的压力或力作为电流量(该熔化的丸粒中，因为注模过程中施加在熔化的丸粒上的注射压力，碳纳米管排列在一个方向上)，并将计算的电流量施加到熔化的丸粒上以重新排列碳纳米管。

图2为向图1装置中包含的电极板210施加电场的电场发生器200的方框图。

参照图2，模具150的腔180可以填充熔化的丸粒，并且熔化的丸粒可以被模制成预定的产品(复合材料)。由于注模生产的产品可以具有复杂的形状，所以碳纳米管的方位在注模过程中可以根据流动和施加到位于与产品各个部分相对应的位置上的熔化的丸粒上的压力而在产品的各个部分有所不同。

因此，电极板210可以沿模具150中的复合材料190的形状排列，以便控制施加到位于与复合材料190各个部分相对应的位置上的熔化丸粒上的电场强度和方向。也就是说，通过向位于与复合材料190各个部分相对应的位置上的熔化丸粒施加不同的电场，可以控制复合材料190各个部分的导电性，从而在适合复合材料190各个部分的方向上重新排列碳纳米管。

例如，参照图2，电极板210可以沿经注模形成的复合材料190的形状排列，控制单元220可以通过调整施加到各个电极板210上的电流量控制复合材料190各个部分的表面电阻和导电性。

具体说，当控制单元220要使复合材料190上表面的中心具有最大导电性同时要使复合材料190其他部分的导电性降低到预定水平时，其可以根据复合材料190各个部分所需的表面电阻值有差别地控制施加到安装在复合材料190上表面中心的电极板210上的电流量和施加到其他电极板210上的电流量。这里，通过使用导电性的倒数(siemens/m)来计算表面电阻值(0hn/sq)。因此，表面电阻值的减小可以引起导电性的增加。

当碳纳米管以各向同性方式排列时，它们相互接触，从而减小表面电阻。因此，包含碳纳米管的复合材料190的导电性可以增加。在本实施例中，由于在注模过程中向熔化的丸粒施加电场以重新排列碳纳米管，所以碳纳米管的各向同性特性增加。这样，就可以获得具有降低的表面电阻和增加的导电性的复合材料190。由于增加的导电性，碳纳米管和聚合物复合材料的导电性也增加。也就是说，可以获得更卓越的碳纳米管和聚合物导电复合材料。

用于制造场致发射显示器(field emission displays，FEDs)或液晶显示器(LED)—背光单元的丝网印刷方法也可以用于通过向碳纳米管施加电场来重新排列碳纳米管。因此，向碳纳米管施加电场以及因此重新排列碳纳米管的方法就不再详述。

图3A示意性表示由图1装置模制的碳纳米管310的排列。图3B为由图1装置模制的碳纳米管310的拍摄图。

参照图3A，由图1装置模制的碳纳米管310可以随机排列。虽然由传统的装置注模的碳纳米管以图6所示的方向排列，但根据本实施例的碳纳米管310可以随机排列，因为在注模过程中向熔化的丸粒施加了电场，以重新排列包含在熔化的丸粒中的碳纳米管。

参照图3B，因为向碳纳米管310施加了电场，所以碳纳米管310随机排列。具体说，形状像细线的碳纳米管310随机排列，同时保持相互接触。

图4为说明根据本发明的一个示例性实施例的合成导电复合材料的方法的流程图。

参照图4，通过使用挤出机使碳纳米管和聚合物相互混合，以生成丸粒(操作S410)。例如，当聚合物为聚碳酸酯时，将碳纳米管和聚碳酸酯注入图5所示的挤出机50中。然后，在将碳纳米管和聚碳酸酯的混合物通过挤出机50的出口挤出到空气中时使其冷却。最后，将碳纳米管和聚碳酸酯的混合物切割成预定的大小，以生成丸粒。

将生成的丸粒注入注模机100中并接着进行注模(操作S420)。例如，当包含碳纳米管和聚碳酸酯(即聚合物)的丸粒被注入注模机100中时，注模机100将丸粒传输到模具150中，同时向丸粒施加预定的压力，并将丸粒加热到预定的温度。之后，将模具150中熔化的丸粒模制成产品。这里，通过模制熔化的丸粒制得的产品可以被称为碳纳米管和聚合物的复合材料。

在注模过程中，将电场施加到正在被传输或正在固化的熔化丸粒上，以重新排列包含在熔化的丸粒中的碳纳米管(操作S430)。这里，电场发生器220可以通过电极板210向熔化的丸粒施加电场，其中，所述电极板210邻接熔化的丸粒传输所沿路径中的出口140、闸门185或腔180安装。

当电场发生器220通过电极板210向熔化的丸粒施加电场时，可以使包含在熔化的丸粒中的碳纳米管重新排列并促使其具有如图3A所示的各向同性方位。

控制单元220控制施加到各个电极板210上的电流量，以便调整各个电极板210产生的电场的强度和方向。这样以来，控制单元220就可以控制具有相对复杂的形状的复合材料190的各个部分的表面电阻和导电性。

电极板210可以分别对应于复合材料190的各部分，并且可以通过各个电极板210向正在注模的熔化丸粒施加电场，以控制复合材料190的导电性和表面电阻。

如上所述，根据本发明的实施例，向包含碳纳米管和聚合物的熔化的丸粒施加电场，同时对熔化的丸粒进行注模。因此，熔化的丸粒注模而成的复合材料的导电性可以提高。此外，可以控制复合材料的各个部分的导电性和表面电阻，以调整复合材料作为导电复合材料的效果，例如阻隔电磁波和分散静电。

根据本发明的实施例，在从注模机中推出包含碳纳米管和聚合物的熔化的丸粒时，向熔化的丸粒施加具有预定方向的电场，以在所有方向上重新排列碳纳米管，从而增强熔化的丸粒注模而成的复合材料的导电性。

由于通过向熔化的丸粒施加预定方向的电场使碳纳米管排列成相互接触，所以可以降低复合材料的表面电阻。

此外，复合材料各个部分的导电性可以通过以下步骤来控制：为复合材料各个部分调整电场方向和/或强度，将具有调整了的方向和/或强度的电场施加到位于与复合材料各个部分相对应的位置上的熔化丸粒上，以及从而控制复合材料各部分中碳纳米管排列的方向。

虽然本发明已参考示例性实施例具体表示和说明，所属技术领域的技术人员应当理解的是，可以在不背离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下进行形式上和细节上的多种改变。示范性实施例应当被认为仅仅是说明性的，而非为限制的目的。

Claims

1.一种用于合成导电复合材料的装置，该装置包含：

注模机，其对通过混合碳纳米管和聚合物而生成的丸粒进行注模；以及

电场发生器，其在对熔化的丸粒进行注模时将电场施加到熔化的丸粒上，从而重新排列包含在熔化的丸粒注模而成的复合材料中的碳纳米管。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，电场发生器将电场施加到碳纳米管上以随机排列碳纳米管。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，电场发生器包含：

一个或多个电极板，其位于传输熔化的丸粒所沿的路径中；以及

控制单元，其通过控制施加到各个电极板上的电流量来重新排列碳纳米管。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，电极板邻接注模机出口、模具闸门和模具腔中的任何一个安装。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，电极板沿复合材料的形状或分别对应于复合材料的各部分安装。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，电场发生器包含：

多个沿复合材料的形状安装的电极板；以及

控制单元，其通过向各个电极板施加不同的电流来控制复合材料的各个部分具有不同的导电性。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，电极板分别对应于复合材料的各部分，并且相互绝缘，以便可以向对应于复合材料各部分的电极板分别施加不同的电流。

8.一种合成导电复合材料的方法，该方法包含：

将通过挤出碳纳米管和聚合物生成的丸粒注入注模机，并通过使用注模机对丸粒进行注模；以及

将电场施加到由注模机进行注模的丸粒上，从而重新排列包含在丸粒注模而成的复合材料中的碳纳米管。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，重新排列碳纳米管包含：

通过在传输熔化的丸粒的同时向熔化的丸粒施加垂直电场而使碳纳米管变得各向同性，从而重新排列碳纳米管。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，使碳纳米管变得各向同性包含：

在注模机的出口垂直或水平安装一个或多个电极板；以及

通过向各个电极板施加电流生成电场。

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在重新排列碳纳米管的过程中，通过分别对应于复合材料的各部分安装的电极板，向分别位于与复合材料的各部分相对应的位置上的熔化的丸粒施加不同的电场来控制复合材料各个部分的导电性。

12.一种合成导电复合材料的方法，该方法包含：

通过使用挤出机挤出碳纳米管和聚合物，并模制丸粒；

将丸粒注入注模机，并通过使用注模机对丸粒进行注模；以及

在注模机的出口将电场施加到正在被注模的丸粒上，

其中，为丸粒注模而成的复合材料的各个部分调整电场的方向和强度，并且将具有已调整了方向和强度的电场施加到位于与复合材料各部分相对应的位置上的丸粒上，以使复合材料各个部分具有不同的表面电阻值和不同的导电性。