CN109749457B - 微波发热复合材料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微波发热复合材料及其制造方法。所述方法包括先将碳材料与第一硅油均匀混合成碳材料分散液，再将该碳材料分散液与未硬化的第一硅胶材料、第二硅油、染色剂混合成硅胶混合物，对该硅胶混合物进行分散，最后，加热该硅胶混合物至介于室温至200℃之间的温度以硬化从而形成微波发热复合材料，该微波发热复合材料的体积电阻率介于10³Ω·m至1O¹²Ω·m之间。通过先制作出该碳材料分散液，使该碳材料在该第一硅胶材料中均匀分散，从而可使该微波发热复合材料均匀发热，且硅胶的生物兼容性好，在发热时，还可达成仿生的效果。

Description

微波发热复合材料及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料，尤指一种微波发热复合材料及其制造方法。

背景技术

微波本身具有加热效应，当微波从介质的表面进入并在其内部传播时，微波所携带的能量将随着深入介质而可转化为热能，此效应已广泛应用在科学、医学、工业等等的领域之中。以受微波加热的介质来说，石墨原料在微波环境中，可有效率的吸收电磁波并将之转化为热量，因此，利用石墨或类似材料作为微波发热的介质已属常见的技术，如中国台湾发明专利公开第201511039的″微波加热用导电性树脂组成物″，该微波加热用导电性树脂组成物含有非碳质的导电填料、具硬化性的绝缘性黏结剂树脂及体积固有电阻值比前述非碳质的导电填料更高的碳质材料，相对于前述非碳质的导电填料及具硬化性的绝缘性黏结剂树脂的合计100质量份，含有纵横比为20以下的碳质材料1～20质量份，其中，碳质材料可以为石墨、石墨烯、富勒烯类、碳纳米管等等。

以上现有技术来说，虽主张通过材料的选用，来抑制接受微波发热而产生火花的问题，但实际操作上，往往仍因材料分散不均匀，而还是有造成冒烟或起火，进而烧毁复合材料的状况发生。因此，如何在制作微波发热复合材料时达成分散均匀，实为一大课题。

发明内容

本发明的主要目的，在于解决微波发热复合材料，因分散不均匀而导致冒烟或起火的问题。为达上述目的，本发明提供一种制造微波发热复合材料的方法，其包含以下步骤：

S1：预先将碳材料与第一硅油均匀混合成碳材料分散液，使该碳材料先分散在该第一硅油，其中，该碳材料为纳米碳管或石墨烯，且该碳材料在该碳材料分散液中的重量百分比介于0.01％至10％之间；

S2：将该碳材料分散液与未硬化的第一硅胶材料、第二硅油、染色剂混合成硅胶混合物，该碳材料在该硅胶混合物中的重量百分比介于0.00001％至2％之间；

S3：对该硅胶混合物进行分散；以及

S4：加热该硅胶混合物至在室温至200℃之间的温度以硬化从而形成微波发热复合材料，该微波发热复合材料的体积电阻率介于10³Ω·m至10¹²Ω·m之间。

为达上述目的，本发明亦提供一种微波发热复合材料，是以上述方法所制成。

综上所述，本发明先形成该碳材料分散液，可以使该碳材料在该硅胶混合物中分散得更均匀，且该微波发热复合材料的电阻较低，即表示该碳材料的分散性佳，故可使该微波发热复合材料在短时间内达成均匀发热，防止该微波发热复合材料烧毁，并使该微波发热复合材料的表面具有平滑的外观与光滑的触感，且硅胶的生物兼容性好，在发热时，还可达成仿生的效果，从而可以应用在人工义肢、情趣用品及医疗用品等等。

附图说明

图1，为本发明一个实施例的制作流程示意图。

图2，为本发明的应力-应变曲线图。

具体实施方式

涉及本发明的详细说明及技术内容，现配合附图说明如下：

请参阅图1所示，为本发明的一种微波发热复合材料及其制造方法，其制作方法包含有以下步骤：

S1：将碳材料与第一硅油均匀混合成碳材料分散液，其中，该碳材料可以为纳米碳管(Car bon Nanotube，缩写CNT)、石墨烯(Graphene)或其组合等，且该碳材料分散液中，该碳材料的重量百分比例介于0.01％至10％之间，其余为该第一硅油。在本发明中，在该碳材料与硅胶材料混合前，先与该第一硅油混合，使固态的该碳材料先充分分散在液态的该第一硅油，进而大幅提升分散性。在本实施例中，该第一硅油是乙烯基硅油，在其它实施例中，该第一硅油也可选用如甲基硅油、环氧基硅油及变性硅油等。

S2：将混合后的该碳材料分散液与未硬化的第一硅胶材料、第二硅油、染色剂混合，从而形成硅胶混合物，在本实施例中，该第一硅胶材料包括分离的A剂与B剂，该A剂与该B剂在执行步骤S2时才和该碳材料分散液、该第二硅油及该染色剂共同混合，其中，A剂与B剂的重量百分比各为50％。该染色剂可以为色膏、色粉等，如

SC-COLOR系列色膏。该碳材料分散液在该硅胶混合物中的重量百分比为介于0.1％至20％之间(即该碳材料在该硅胶混合物中的重量百分比为介于0.00001％至2％之间)，该第一硅胶材料的重量百分比为介于60％至95％之间，该第二硅油的重量百分比为介于3％至30％之间，该染色剂的重量百分比为介于0％至5％之间。在本实施例中，该第二硅油是乙烯基硅油，在其它实施例中，该第二硅油也可选用如甲基硅油、环氧基硅油及变性硅油等。

S3：利用混合机对该硅胶混合物进行分散，该混合机可以为滚筒或搅拌机。

S4：最后，加热该硅胶混合物至介于室温至200℃之间的温度以硬化该硅胶混合物，从而形成微波发热复合材料。由于本发明的方法是先将该碳材料与该第一硅油混合形成液态的该碳材料分散液，再与其它载体或材料混合，如此得到的硅胶混合物，其中的该碳材料具有优异的分散性，因此，该微波发热复合材料的体积电阻率介于10³Ω·m至10¹²Ω·m之间。

且在本实施例中，在步骤S4之后，还包含以下步骤：

S5：在该微波发热复合材料的外表面上涂覆第二硅胶材料。其中，该第二硅胶材料可以不含有该碳材料，利用形成双层结构来提高配色或温度控制的自由度。

为进一步具体说明本发明方法，请参阅以下依据本发明所进行的实验例，此仅为例举说明的目的提供，而不意欲来限制本发明的范围。表一和表二所示为各实验例及对照例的化学组成。实验例及对照例的差异是碳材料的来源，其余所选用的材料相同，在实验例1至3中，采用液态的该碳材料分散液，而在对照例1至5中，将固态的碳材料直接和其它材料混合，并加热成形，实验例及对照例加热温度皆相同，会先在175℃的温度下烘烤10分钟，再于200℃的温度下烘烤240分钟。各实验例及对照例中，该第一硅胶材料的A剂为由Momentive公司所提供型号为LSR-2010A的硅胶材料，该第一硅胶材料的B剂为由Momentive公司所提供型号为LSR-2010B的硅胶材料，该第二硅油选用上海华之润化工有限公司提供的乙烯基硅油，该染色剂为黄色膏。

在实验例1中，该碳材料分散液为纳米碳管粉末与该乙烯基硅油的混合，纳米碳管粉末在该碳材料分散液的重量百分比为2％，即纳米碳管粉末的重量为0.08g，实验例1的碳浓度为0.28％；在实验例2中，该碳材料分散液为纳米碳管粉末与该乙烯基硅油的混合，纳米碳管粉末在该碳材料分散液的重量百分比为2％，即纳米碳管粉末的重量为0.1g，实验例2的碳浓度为0.09％；在实验例3中，该碳材料分散液为纳米碳管粉末与该乙烯基硅油的混合，纳米碳管粉末在该碳材料分散液的重量百分比为2％，即纳米碳管粉末的重量为0.2g，实验例3的碳浓度为0.18％。在对照例1中，碳材料的来源选用的是型号为VulcanXC72-CB的导电碳黑粉末，碳浓度为1.6％；在对照例2中，碳材料的来源选用的是石墨粉末，碳浓度为1.6％；在对照例3至对照例5，碳材料的来源选用的是纳米碳管粉末，对照例3的碳浓度为0.32％，对照例4的碳浓度为7.5％，对照例5的碳浓度为1.6％。其中，实验例2、实验例3以及对照例6用于验证微波发热复合材料的韧性，故并无添加染色剂。

利用上述实验例及对照例得到的复合材料，将进行微波加热测试，以1000W的微波火力，并于每5秒测量各实验例及对照例的温度，结果如表三；此外，为进一步验证依据本发明的复合材料的分散效果，还测量各实验例及对照例的表面电阻与体电阻率，结果如表四。

表一、实验例的组成

表二、各对照例的组成

表三、微波火力1000W，微波时间与温度对照表

表四、各组表面电阻与体电阻率

从表三中可看，根据本发明的复合材料的发热效率远优于对照例，这是因为本发明预先将该碳材料与该第一乙烯基硅油均匀混合成该碳材料分散液，使该碳材料在该硅胶混合物中可以均匀分散，从而可以使该微波发热复合材料在短时间内达成均匀发热，而对照例4与对照例5则是因为纳米碳管粉末无法均匀的分散，从而导致冒烟或起火。且若分散不均，会造成表面粗糙，影响终端产品的外观与触感。由于该碳材料的分散性难有标准可供测量，故在此采用电阻表示，若电阻较低则表示该碳材料的分散性较佳，但需特别说明的是，在同浓度下分散性越好，则电阻越低，但若两者的浓度不同，电阻越低，并非代表分散性越好。

表四呈现实验例和各对照例的电阻测量结果，其中，实验例1因碳材料的分散性佳，因此电阻值低于对照例1、2和3；至于对照例4与5，由前述微波加热实验可知，其碳材料的分散性不佳，故电阻值较低的贡献是来自于较高的碳浓度。

此外，硅胶的生物兼容性好，当其可发热时，更可有效达成仿生的效果，故所生产的终端产品可用在情趣用品、机器人仿生肌肉与皮肤、人工义肢等等，若用在情趣用品，因其可用微波炉加热，所以等待时间短，使用者体验佳，并可配合VR、AR、MR技术，或加装其它装置，例如震动组件等，以达到最佳的仿生与虚拟实境效果。

且在应用时，该微波发热复合材料的外部可以涂覆其它物质，以进行染色等动作。以下为制备其它实验例来说明，实验例2和实验例1相同，外部未上色，而实验例3为将实验例1的外部进行上色，上色涂层的重量约为10.137g。针对实验例2和实验例3进行微波加热测试，以1000W的微波火力，每5秒量测温度，结果如表五；此外，还进一步针对实验例2和实验例3，测试其持温能力，测试方法为停止施以微波，并将复合材料静置在室温环境，每5秒量测温度，结果如表六。

表五、微波火力1000W，微波时间与温度对照表

微波时间(Sec)	实验例2	实验例3
			0	27.6	27
5	29.7	28.8
			10	43.8	43.5
15	50	58
			20	68	70
25	83	80

表六、微波后静置在室温的时间与温度对照表

静置时间(Min)	实验例2	实验例3
			5	42.5	65
10	41	57
			15	40	53
20	38.2	48
			25	37.7	44
30	36.9	42
			40	34.7	38
50	33	35
			60	32.1	33

由上表可知，纵使有涂层的状况下，实验例3的升温速度和发热效率仍可维持一定能力，且两者均有不错的持温效果。因此，可以配合各种需求，调整双层结构的配色与温控，以满足所需。且除上述所说，亦可以应用在暖暖包、防冻手套、防冻头套、防冻耳罩、防冻面罩、防冻安全帽内衬、面膜加热材料及医疗热敷材料等。

此外，本案发明人还进一步发现，通过本发明的方法所得到的微波发热复合材料，还具有优异韧性的特点，结果如图2所示，图2中线段B为针对实验例2、线段C为针对实验例3以及线段A为针对对照例6所得到的应力-应变曲线，曲线下的面积代表材料吸收外界给予拉伸变形能量的吸收能力，即韧性。计算其曲线下的面积，实验例2为20350.3，实验例3为21869.63，对照例6为14485.26，因此，实验例2相较于对照例6，韧性提升了40.49％，实验例3相较于对照例6，韧性提升了50.98％。

综上所述，本发明具有以下特点：

一、本发明预先将该碳材料与该第一乙烯基硅油均匀混合成该碳材料分散液，使该碳材料在该硅胶混合物可以均匀分散，且该微波发热复合材料的电阻较低，即表示该碳材料的分散性佳，从而可以使该微波发热复合材料在短时间内达成均匀发热，并使该微波发热复合材料的表面具有平滑的外观与光滑的触感。

二、硅胶的生物兼容性好，当其可发热时，还可有效达成仿生的效果，故所生产的产品可用在情趣用品、机器人仿生肌肉与皮肤、人工义肢、暖暖包、防冻手套、防冻头套、防冻耳罩、防冻面罩、防冻安全帽内衬、面膜加热材料等等。

三、通过在该微波发热复合材料的外表面上再形成一层材料从而形成双层结构，可以提高配色或温度控制的自由度。

四、利用本发明的方法所得的该微波发热复合材料具备优异的韧性。

以上已对本发明做详细说明，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，但不能限定本发明实施的范围。即凡依本发明申请范围所作的均等变化与修饰等，皆应仍属本发明的专利涵盖范围内。

Claims (7)

1.一种制造微波发热复合材料的方法，其特征在于包含有以下步骤：

S1：预先将一碳材料与一第一硅油混合成一碳材料分散液，使该碳材料先分散在该第一硅油中，其中，该碳材料为纳米碳管，且该碳材料在该碳材料分散液中的重量百分比介于0.01％至10％之间；

S2：将该碳材料分散液与一未硬化的第一硅胶材料、一第二硅油、一染色剂混合成一硅胶混合物，该碳材料在该硅胶混合物中的重量百分比介于0.00001％至2％之间，其中，在该硅胶混合物中，该碳材料分散液的重量百分比为介于0.1％至20％之间，该第一硅胶材料的重量百分比为介于60％至95％之间，该第二硅油的重量百分比为介于3％至30％之间，该染色剂的重量百分比为介于0％至5％之间；

S3：对该硅胶混合物进行分散；以及

S4：加热该硅胶混合物至一介于室温至200℃之间的温度以硬化形成一微波发热复合材料，该微波发热复合材料的体积电阻率小于10¹¹Ω·m；

其中，该第一硅油和该第二硅油独立地择自于甲基硅油、乙烯基硅油、环氧基硅油及变性硅油所组成的群组。

2.如权利要求1所述的制造微波发热复合材料的方法，其特征在于该染色剂选自于由色膏、色粉及其组合所组成的群组。

3.如权利要求1所述的制造微波发热复合材料的方法，其特征在于：在步骤S3之中，利用一混合机分散该硅胶混合物。

4.如权利要求3所述的制造微波发热复合材料的方法，其特征在于该混合机为滚筒。

5.如权利要求3所述的制造微波发热复合材料的方法，其特征在于该混合机为搅拌机。

6.如权利要求1所述的制造微波发热复合材料的方法，其特征在于步骤S4之后，还包含有以下步骤：

S5：涂覆一第二硅胶材料在该微波发热复合材料之外表面。

7.一种微波发热复合材料，其特征在于以权利要求1至6任一项的方法所制成。

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