TW200815514A - Wollastonite-based electrically-conductive reinforcing materials - Google Patents

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Description

200815514 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於用於包含於聚合物複合材料及塗料中之填 充材料；更具體而言，係關於該等具有導電性之材料；且 最具體而言，係關於一種由礦物石夕灰石粒子與一導電媒介 及一黏結劑組合而成之改良型導電材料，供用於增強熱塑 性塑膠、工程塑膠、聚合物合金及摻和物中之導電性及補
強。該補強可改善強度模數、抗拉強度、衝擊抗力、線性 熱膨脹係數及表面外觀。 【先前技術】 普遍已知的詩形成塑膠物件之聚合材料一般而言係電 絕緣體。該等工程聚合物材料之實例主要係熱塑性聚婦 烃聚胺、聚醯亞胺、聚石風、聚醋（諸如聚對苯二甲酸 乙二醋）及聚合物摻和物（諸如PPO/PPE、PBT及PC/ABS)。 在許多聚合物應用中’已知可藉由添加—針狀或纖維狀 材料（諸如短切玻璃输維、、、典 、 I，戴、维滑石、經煆燒之黏土或矽灰石） 來增強該聚合物之機姑& # 機械強度及耐久性。此外，已知可提供 一導電底漆來形成汽車靜電塗層。 :灰石係—已知填充材料’其在成本 璃纖維與其他礦物之間二 石夕酸⑷的含弼、石夕及氧 刀子式為Casl03(偏 處理成-微粒形式，复中”、:存在礦物。該石夕灰石易於 間的縱橫比；亦即，；崎顯示出-在約1與約20之 石粒子，使石夕灰石成VT不同的平均針狀度製成石夕灰 為一良好聚合物補強材料。在商業 I21812.doc 200815514 膠、余、、、為種多用途功能性填料’其增強包括塑 U二塗枓、建築材料、摩擦、陶瓷及冶金應用在内 、s , Μ之心b °其作為溫石棉的-無害代用品已應用 於阻：建築產品中。天然矽灰石具有相對低的導電性。 先月J技術中-問題係許多已知針狀或纖維狀添加物及礦 :填料係不導電且因此對於降低聚合物之介電或摩擦電性 負不起任何作用。在諸如靜電、電磁屏蔽及導體等許多應
用中，一由聚合物形成之物件需具有導電性。因此，此技 術中已知將導電添加物倂入該聚合物基質中。典型導電添 加物包括it、碳纖維、經金屬塗覆之玻璃纖維及不錄鋼 n該等添加物均具有缺陷。炭黑導致機械性能退化， 且碳纖維、金屬化玻璃纖維及不錄鋼纖維具有高成本且不 易處理。通常，碳纖維不易獲得且相對昂貴。 技術中已知有多種方法用於使補強纖維導電。若干實例 如下。 吴國專利第4,895,620號揭示-種組合物，其被製備成具 有低電阻率，以便其可用於靜電放電操作中。該組合物包 括經碳塗覆之有機纖維。該纖維之特徵在於其係一路易士 驗而該碳粉末係-路易士酸。該經碳塗覆之纖維與一黏結 d (諸如礼膠或樹脂）結合在一起。該黏結劑可係中性或酸 性。亦可使用一樹脂來製備剛性靜電放電物件。當使用一 樹脂時，該樹脂應亦係中性且較佳係酸性。該纖維係由選 自由聚醯胺、聚酯、聚丙烯酸酯、聚醚、聚乙酸乙烯酿、 聚丙烯腈、聚碳酸酯、聚乙烯醋酸、聚内酯及聚乙烯醇組 12I812.doc 200815514 成之群組之材料組成。 美國專利第6,331586號揭示一種導電聚合物摻和物，其 包2 : (a)至少兩種彼此至少部分不相混合之聚合物，且以 聚5物形成一各自連續相之比例存在且該兩種各自 之連績聚合物相在該聚合物摻和物中彼此相互連續；及⑺) 至夕種呈微粒或纖維形式之導電材料，其大致定域在該 相互連績聚合物相之一者中或大致定域於該相互連續聚合 物相之間的連續界面處。視需要，該聚合物摻和物可包含 一礦物填料及/或一觸變增稠劑。 美國專利第6,559,384號揭示一種導電纖維，其包括一與 氧化鋅粒子組合之纖維形成聚合物，該氧化鋅粒子具有一 包括細長球形狀之大致杆形狀。 美國專利第6,413,634號揭示一種導電複合纖維，該導電 複合纖維由一導電聚醯胺層及一聚醯胺保護層組成，其中 该導電聚醯胺層含15-50 wt%的導電炭黑且三次或多次暴 露於該纖維表面，而該聚醯胺保護層覆蓋不少於該纖維橫 截面週邊之60%且佔總纖維重量之50-97 wt%，該導電複合 纖維在紡紗期間不呈現出組份分離，長時期保持其優良初 始導電效能且呈現出優良染色堅牢度。 美國專利第6,703，123號揭示一種以低廉成本製造的、具 有優越導電性及高潔白度之白色導電纖維，其中一鐘覆在 該纖維上之金屬塗料具有優越黏著性。一用於製造該白色 導電纖維之方法包括如下步驟：將一藉由纏繞一連續纖維 形成的纏繞纖維本體安裝至固定軸；使一來自該固定轴之 121812.doc 200815514 鍍覆溶液經過該纏繞纖維本體流入一鍍覆浴槽，以使得該 鍍覆溶液滲透到該纏繞纖維本體中；及在該鍍覆溶液流動 的同時，實施將銀、鉑或類似物無電鍍覆在該纖維材料 上。
美國專利第6,710,242號揭示一種鞘芯型複合導電纖維， 其具有由一含導電炭黑之纖維形成聚合物製成之鞘組份。 該纖維之特徵在於：關於該纖維橫截面中一芯組份之内切 圓及一鞘組份之内切圓，該鞘組份之内切圓半徑（R)及兩 個内切圓中心之間的距離（〇滿足一特定關係，且一鞘芯型 複合導電纖維具有一芯組份及一鞘組份，其中該芯組份作 為主要組份由一含對苯二甲酸乙二醋之聚醋冑成，而_ 組份由一共聚酯混合物製成，其中對苯二甲酸乙二酯佔其 組成單元及炭黑之10-90 mol%。該導電纖維可單獨或與其 他纖維組合地用於各種應用中，例如特殊工作服（諸如= 塵服）及内飾（諸如地毯）中。 美國專利公開案第2003/0173550 熱塑性結構之製程’其包括如下步驟：⑴將_熱塑性聚合 物、一抗衝擊改性劑及一金屬纖維與—經金屬塗覆纖维2 組合提供至一金屬掺合設備，及（ii)形成一導電熱塑性姓 構。 、〇
明 上述引用文獻中無一者提供關於形成一含諸如矽灰石等 物基材且可係針狀並因此具補強性之導電微粒材料的說
國專利第7,001，944號（其相關揭示内 容以引用方式併 121812.doc •9- 200815514 入本文中）揭示一種經礦物填充、抗衝擊熱塑性模製組合 物，該組合物包含至少一種選自由聚碳酸酯及聚酯碳酸 酯、抗衝擊改性劑及具有相對於矽灰石重量，大於〇1%的 碳含量之矽灰石組成之群組的樹脂。因呈現出高彈性模數 及良好韌性（尤其處於低溫時），該組合物適合於汽車車身 外部應用。 上述揭示内容證實將經碾磨之矽灰石併入一有機樹脂中 於物理需求應用之益處。然而’該揭示同樣沒有使該矽灰 石填料導電之說明。 本技術中所需者係一種以礦4勿為主之導電微粒補強材 料。 本技術巾進—步所需者係—種其巾微粒基材包切灰石 之導電補強材料。 本發明之-主要目標係提供以導電擴物材料補強聚合物 結構之方法。 Φ 【發明内容】 :而言之’將天然礦㈣灰石（CaSi〇⑽磨成可為針狀 ^微粒形式。將諸如炭黑或粉末狀金屬等粉末狀導電材料 ;亥;^灰石Μ粒表面且施加—聚合物黏結劑以囊封該 矽灰石及導電媒介。 " 所侍虻塗覆之矽灰石粒子具有相當大導電性，且因此對 =要抗靜電性能之應用_之聚合物係❹的便宜 於靜電油漆^ 、内部及引擎室組合物（諸如用 '燃料儲存及填充組份之抗靜電車身外部 121812.doc -10- 200815514 面板）及保護弓丨擎室及儀錶板電子儀器免於靜電損害。 其他應用可包括半導體處理及儲存料架及捲帶、用於靜 電耗散㈣材料及區域之表面及封裝、w爆炸性處1 材料、及電磁屏蔽結構。 更進-步之應用可包括表面塗料或用於改善黏著力及增 強機械強度之促進導電底漆、用於微電子製造或處理區域 中地板及牆壁覆蓋物之抗靜電表面塗料、用於衣服及地毯
之抗靜電織物添加物、及用於電圖列印裝置之導電層塗 料。 【實施方式】 用於製造一用於填充及/或補強有機聚合物的以礦物為 主之導電填充材料之下列製程係依據天然礦物石夕灰石來描 述；然而，熟悉此項技術者將知曉’在某些應用中可代替 矽灰石或與矽灰石組合地使用多種其他礦物基材（諸如滑 石或經煆燒之黏土）。 碾磨一第一量之該天然礦物矽灰石以便保持其各向異性 晶體形態’從*導致粒子具有在約10與約2〇〇之間的微粒 長寬縱橫比、在約1微米與約50微米之間的平均粒寬及一 至南約1毫米之平均粒長。 製備一第二量之以粉末形式的導電媒介。較佳地，該導 電媒介係選自由炭黑；諸如銅、鎳、銀、金之金屬粉末； 戈姻/錫氧化物組成之群組β某些適合之市售炭專包括自 Akrochem 公司購得之 Cabot Vulcan XC72 ;自 Degussa Chemical 購得之 printex χΕ2 及自 Akz〇 Chemicals 購得之 121812.doc -11- 200815514
KetchenBlack EC 600 〇
二編:式製備一第三量之黏結劑。較佳點合劍係具有 :、：约100 C之溶點之聚合物，且尤其係水溶性 適合之黏合劑之某些實例係聚乙二 U 西旨及？與於'六h醇、聚碳酸 酉曰及呈❹或礼液形式之熱塑性 卷 ”者可想起的其他黏合劑亦完全由本發 二W(水破璃)等以溶膠為主之非聚合物液體亦係適 在一用於形成石夕灰石導電粒子之製程令， 地（雖不必須）首先塗 μ夕火石較仏 後至該石夕灰石…： 層以增強該導電粉末隨 可以兩種= ，灰石粒子之隨後囊封 4 乂雨種方法中之一者進行。 合::二一二法中，_夕灰石粒子引入至-包括乾燥混 :σ机化床）之反應器中。將該導 黏合劑溶液混合以形成一可嘖…7媒"與-水性 塗至节功t 賀土此〇物，且將該混合物喷 粒子上。㈣水組份，使該 後以所黏著導電微粒。 土 應Si方法中’將該導電媒介與該石夕灰石粒子在-反 噴塗至…且將5亥黏合劑(純黏合劑或作為-水性溶液） 、♦ μ又石與導電媒介之混合物上。 之:=:!媒介與黏合劑之混合物輸送到-水性溶液* 燥至m時’在—流化床型反應器中完成將所得材料乾 黏合劑之方勺10重里百分數之間的含水量。當以施加純 式幹處理該材料時，不需要該乾燥步驟。 121812.doc -12- 200815514 在最後產物中，該導電媒介之存在量在該♦灰石之重量 料…力25/°之間’且該黏合劑之存在量在該導電媒介 〇矽灰石組合重量之約1%與約35%之間。 f = 考各種具體實施例描述本發明，應理解可在所 =:ί發明概念之精神及範圍内做出許多改變。因此， ,圖係本發明不受限於所描述之實施 有由如下中請專利範圍中的語言所定義的全部範圍、
121812.doc -13 -

Claims (1)

  1. 200815514 十、申請專利範圍： 1. 一種用於製造一以礦物為主之導電填充材料之方法，該 導電填充材料用於與有機聚合物摻合以增強其機械強度 及其導電性，該方法包括如下步驟： a) 製備一第一量之微粒形式之礦物基材； b) 製備一第二量之粉末形式之導電媒介； c) 製備一第三量之液體形式之黏合劑材料； d) 將該第一及第二量組合以形成一乾燥混合物；且 e) 將該黏合劑材料喷塗至該乾燥混合物上以將該導電 媒介黏附至該礦物基材。 2·根據請求項1之方法’其中該礦物基材係選自由石夕灰 石、滑石、經煆燒黏土及其組合組成之群組。 3·根據請求項1之方法，苴 /、Y 4 ί廣物基材微粒之形狀係針 4 · 根據請求jg q # 士、、t 、 ’八中該礦物基材微粒具有在約1:1 與約20:1之間的長寬比。 5 ·根據請求項3 方 /、中該礦物基材微粒具有在約1微 未與約50微米之間的平 長。 9粒位及至尚約1毫米之平均粒 6.根據請求項1 鋼、錄m入 該導電媒介係選自由炭黑，· 組。、*之金屬粉末；及銦/錫氧化物組成之群 7·根據請求項】 8·根據請求項7 、、其中该黏合劑係一有機聚合物。 杳其中该有機聚合物具有小於約1〇〇它 121812.doc 200815514 之熔點。 9.根據請求項7之方、本 或乳液形式之聚乙二醇:聚:=聚合物係選自由微粉 聚稀烴及其組合組成之群^㈣、聚碳酸醋、熱塑性 10·根據請求項7之方法，並中嗲 η.根據請求項】之方法，：：★有栈“物係水溶性的。 η ^ η u 4i δ亥製備第三量之液體形式之 黏合劑材料之步騾包括 驟。 匕括將_合劑材料溶解於水中之步 12·根據請求項〗之方法，盆 u•根據請求項12之方法^—水性凝膠。 14 一種用於制、 、、中該水性凝膠包括矽酸鈉。 種用於製造一以礦物 導電埴吞W $物為主之導電填充材料之方法，該 填充材料用於與有機 及其導電性，該方法勺^ ^合以增強其機械強度 4万法包括如下步驟·· a)製備一第一量之微粒形式之礦物基材； )製備第一 π之粉末形式之導電媒介·， 〇製備一第三量之液體形式之勒合劑材料； d) 將該第一量鱼筮—3 物；且 組合以形成一媒介墙合劑混合 e) 將該媒介/黏合劑混合物 逡啻姐人# 奶買土至”亥礦物基材上以將該 導電媒"黏附至該礦物基材。 15’ -種以礦物為主之導電微粒材料，其用於與有機 摻合以增強其機& # p 5物 …彳4㈣度及其導電性，該導電微粒材料勺 美好“ 基材及—由一 #占、結劑黏附至該鑛物 基材表面之導電媒介。 -物 12I812.doc 200815514 16. 根據請求項15之材料中該礦物基材係選自由石夕灰 石、滑石、經假燒黏土及其組合組成之群組。 17. 根據請求項15之材料，其中該導電媒介係選自由炭黑； 銅、錄、銀及金之刀么扈也、士. I及至屬粉末，銦/錫氧化物組成之群 組。 18. 根據請求項15之材料，其中該黏結劑係-選自由聚乙二 醇聚乙烯知及聚碳酸醋組成之群組中之有機聚合物。 19. 根據請求項15之#料，其中該黏結劑係n疑膠。 20. 根據請求項19之#料，其中該水性凝膠包括石夕酸納。 21·根據請求項15之材料，其中該導電媒介之存在量在該石夕 灰石重量之約2%與約25%之間，且該黏結劑之存在量在 該導電媒介與該石夕灰石之組合重量之約1%與約脈 間。 參 121812.doc 200815514 七、指定代表圖： (一) 本案指定代表圖為：(無） (二) 本代表圖之元件符號簡單說明： ⑩ 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特的化學式： (無）
    121812.doc
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