TW201422674A - 聚苯胺複合材料及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種聚苯胺複合材料，包含一主基質以及一填充物。主基質為具導電性的聚苯胺。填充物填充於主基質中，其中填充物包含一碳基質，其由碳材料所組成，例如可為石墨烯、奈米碳管或其任意混合所組成；以及一金屬成分，其附著於碳基質上。另外，亦提供了所述複合材料的製造方法。經由添加金屬成分鍍覆碳基質以增加導電性，大大提升了聚苯胺複合材料的電磁波屏蔽效率。

Description

聚苯胺複合材料及其製造方法
本發明是關於一種聚苯胺複合材料及其製造方法，特別是一種具有良好電磁波屏蔽效果的聚苯胺複合材料及其製造方法。
現在電子產品已普遍的被使用於生活中，例如手機、平板電腦等等。由於這些電子產品日趨短小輕薄且功能日益增強，使得它成為生活的一部份；另外，電子產品也朝向多功能、高速、多頻發展，因此電磁波的相互干擾成為無法忽視的一個重要課題。電磁波的干擾主要來自兩方面。其一為電子產品內部元件所發射電磁波的相互干擾，因為體積減小、功能增加，線路及元件較為密集，各種元件之間發出的電磁波容易互相影響，造成雜訊甚至短路；另一則為外在電磁波影響，例如在車廂、辦公室等使用者較為密集的地方，電器或電子產品所發射的電磁波也會互相干擾。因此，需要電磁波屏蔽的技術及材料以降低干擾。
另外，在國防或航天科技方面，電磁波屏蔽材料可應用於保密、導航系統保護、行蹤隱匿、抵抗電磁波脈衝攻擊等等；或是對於精密實驗儀器，亦須防範電磁波干擾所造成的實驗誤差或儀器損害，同時也需要避免儀器內部發出的電磁波影響外界。又，電磁輻射亦可能影響身體健康，導致病變或內分泌失調等等，因此電磁波屏蔽建築材料也是個重要的課題。
電磁波屏蔽效率主要是由電磁波入射材料時的反射耗損以及吸收耗損所貢獻。一般而言，材料的導電性越好，其反射及吸收的效果越佳。此外，材料本身的構造若有空隙，將會提供電磁波通過的路徑因而降低屏蔽效果。在此兩者考量之下，具有導電性的聚苯胺成為電磁波屏蔽材料的理想選擇。此外，因為聚苯胺具有重量輕、韌性好且易 加工、導電性易於調節等特性，是一種相當具有潛力的電磁波屏蔽材料。但是，作為一種電磁波屏蔽材料，聚苯胺的導電性仍不甚理想。
綜上所述，如何提升聚苯胺之導電性以達到良好的電磁波屏蔽效果，是目前極需努力的目標。
本發明提供一種聚苯胺複合材料及其製造方法，其採用導電高分子聚苯胺(PAni)作為主體材料，並加入不同重量比例的金屬成分所鍍覆的碳基質，例如加入以奈米銀或奈米鎳顆粒所鍍覆的石墨烯(Ag@graphene、Ni@graphene)以形成複合材料。採用聚苯胺，乃是因為其具有導電性；填入導電材料的目的是進一步提昇其導電性，加強電磁波屏蔽效果。
本發明一實施例之聚苯胺複合材料包含一主基質，其由具有導電性的聚苯胺所組成；以及一填充物，填充於主基質中或附著於主基質上。填充物包含一碳基質，其由碳材料所組成，例如石墨烯、奈米碳管或其任意混合所組成；以及一金屬成分，其附著於碳基質上。
本發明一實施例之聚苯胺複合材料的製造方法包含步驟如下：製備一填充物，其中填充物包含一碳基質以及一金屬成分，金屬成分附著於碳基質上；以及以一苯胺單體溶液聚合形成一主基質，其中主基質由聚苯胺所組成，以及以填充物填充於主基質中或附著於主基質上。
以下藉由具體實施例配合所附的圖式及照片詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
本發明一實施例之聚苯胺複合材料，包含一主基質以及一填充物。主基質由聚苯胺(PAni)所組成，並具有導電性。填充物則是填充於主基質的內部或露出在主基質的外部，其重量百分比在聚苯胺複合材 料中占了0.1~10%，較佳者，為0.5~5%。填充物包括了一碳基質以及一金屬成分，碳基質由碳材料所組成，例如石墨烯、奈米碳管或其任意混合所組成。在本實施例中，碳基質由石墨烯(Graphene)所組成，金屬成分則附著或分佈於碳基質中。至於金屬成分可以是銀、鎳、金、銅、鉑、鈀或其任意混合所組成，其可以呈現奈米顆粒狀附著或鑲嵌於碳基質上，在本發明之一實施例中，可以形成鍍銀石墨烯(Ag@graphene)或是鍍鎳石墨烯(Ni@graphene)等等，如圖1所示，圖1的金屬顆粒1係附著或鑲嵌於石墨烯2。
本發明另一實施例之聚苯胺複合材料的製造方法主要包含以下步驟：製備各填充物，其包含一碳基質以及一金屬成分，金屬成分附著於碳基質上。以及以一苯胺單體溶液聚合形成一主基質，其中主基質由聚苯胺所組成，以及以填充物填充於主基質中或附著於主基質上。關於各種材料性質、組成以及構造已經詳述於前，於此不予贅言，而製造方法的細節將於後面說明。
進一步而言，於一實施例中，製備填充物的步驟是將碳基質以及至少含有金屬成分的一金屬成分溶液以及一還原劑混合，利用化學還原反應，使金屬成分附著於碳基質上。當碳基質由石墨烯所組成的時候，根據本發明之一實施例之聚苯胺複合材料的製造方法，首先製備石墨烯。此處採用Hummers法製備氧化石墨，並經過加熱攪拌及超音波震盪剝離氧化石墨層以得到氧化石墨烯，再將氧化石墨烯溶液與硝酸銀(AgNO3)溶液混合並加熱攪拌。過程中，添加一還原劑，例如硼氫化鈉(NaBH4)溶液，以還原得到石墨烯，並使硝酸銀溶液中的銀以奈米顆粒的形式附著或鑲嵌在石墨烯上；同理，鎳或其他金屬成分亦可以類似製程附著或鑲嵌在石墨烯上。另外，根據另一實施例，製備填充物的步驟更包含官能基化碳基質表面，使金屬成分更容易與碳基質反應。例如，直接採用市售的石墨烯，並與過錳酸鉀(KMnSO4)以及硫酸(H2SO4)溶液混合，經過超音波震盪及加熱等程序促進反應，使石墨烯表面具有含氧官能基，增加其與金屬顆粒結合的能力。後續再加入含 有金屬成分的金屬成分溶液，例如硝酸銀或含有鎳的鍍液等，即可使金屬成分附著於石墨烯上。附件1、附件2分別為鍍銀石墨烯及鍍鎳石墨烯的掃描式電子顯微鏡表面形貌圖，如照片所示，金屬成分的奈米顆粒分布在石墨烯上面。
接著，準備一苯胺單體溶液用以與前述製造的填充物混合並反應，形成聚苯胺複合材料。苯胺單體聚合成聚苯胺的反應為一習知技術，故不於此詳述。根據本發明，形成聚苯胺複合材料主要有兩種方式。於本發明之一實施例中，先使填充物溶於一準備溶液中，並將準備溶液與苯胺單體溶液混合以後，再聚合形成聚苯胺的主基質，並在聚合過程中使填充物填充於主基質中或附著於主基質上。於另一實施例中，則是先使苯胺單體溶液聚合形成主基質以後，再與含有填充物的一準備溶液混合，使填充物填充於主基質中或附著於主基質上。可理解的是，前者方法所產生的聚苯胺複合材料，其中的填充物會具有更佳的分散性。請參考附件3、附件4，照片所示分別為含有鍍銀石墨烯以及鍍鎳石墨烯的聚苯胺複合材料的掃瞄式電子顯微鏡的表面形貌圖。
將石墨烯先鍍上金屬成分的顆粒，再使其填充或附著於聚苯胺後，可以提升聚苯胺複合材料的導電性。一般而言，導電性越好代表材料的自由電子越活躍，因此容易產生電流的趨膚效應(skin effect)。也就是說，當電流通過導體時，特別是直長型導體，例如導線，電流會在導線表面流動，流經導體內部的電流相對小。以電磁波而言，當其通過以本發明一實施例之聚苯胺複合材料的製造方法所製造出的聚苯胺複合材料時，會因為此複合材料表面形成電子雲，造成電磁波強度的衰減，導致較佳的電磁波屏蔽效率。根據本發明一實施例之聚苯胺複合材料的製造方法，將金屬奈米顆粒所鍍覆的石墨烯添加於聚苯胺複合材料後，其介電常數的虛部(ε”)與純聚苯胺以及聚苯胺摻入石墨烯的複合材料的介電常數虛部(ε”)相比較，結果如圖2所示。由圖2可知，5wt%的Ag@graphene的介電常數最高，應具備最佳的電磁波屏蔽效率。
再者，根據本發明一實施例之聚苯胺複合材料的製造方法所製造出的聚苯胺複合材料，其電磁波屏蔽效率與純聚苯胺以及聚苯胺摻入石墨烯複合材料的電磁波屏蔽效率相比較，結果如表一所示。
由表一可知，電磁波屏蔽效率的大小順序為：PAni+5%Ag@graphene(29.33dB)>PAni+5%Ni@graphene(24.93dB)>PAni+5%graphene(24.85dB)>pure PAni(14.52dB)。因此，本發明的聚苯胺複合材料PAni+5%Ag@graphene的確具有最佳的電磁波屏蔽性質(29.33dB)，並且可滿足工業上的應用(約30dB)。
綜合上述，本發明提供一種聚苯胺複合材料及其製造方法，其採用導電高分子聚苯胺(PAni)作為主體材料，並填入不同重量比例的金屬成分鍍覆於碳基質，例如以奈米銀或奈米鎳顆粒所鍍覆的石墨烯(Ag@graphene、Ni@graphene)以形成複合材料。採用聚苯胺，乃是因為其具有導電性；填入導電材料的目的是進一步提昇其導電性，加強電磁波屏蔽效果。由實驗數據可知，本發明的聚苯胺複合材料的確具有較佳的電磁波屏蔽效果。
其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。
1‧‧‧金屬顆粒
2‧‧‧石墨烯
圖1為金屬顆粒附著或鑲嵌於石墨烯的示意圖。
圖2為聚苯胺及各種聚苯胺複合材料的介電常數虛部的曲線圖。
附件1、附件2分別為本發明實施例之鍍銀石墨烯以及鍍鎳石墨烯之掃描式電子顯微鏡表面形貌圖。
附件3、附件4分別為含有鍍銀石墨烯以及鍍鎳石墨烯的聚苯胺複合材料的掃瞄式電子顯微鏡的表面形貌圖。
1‧‧‧金屬顆粒
2‧‧‧石墨烯

Claims (14)

  1. 一種聚苯胺複合材料，包含：一主基質，其由聚苯胺所組成，並具有導電性；以及一填充物，其填充於該主基質中或附著於該主基質上，該填充物包含：一碳基質，其由碳材料所組成；以及一金屬成分，其附著於該碳基質上。
  2. 如請求項1所述之聚苯胺複合材料，其中該金屬成分為銀、鎳、金、銅、鉑、鈀或其任意混合所組成。
  3. 如請求項1所述之聚苯胺複合材料，其中該填充物於該種聚苯胺複合材料中所占重量百分比為0.1%~10%。
  4. 如請求項1所述之聚苯胺複合材料，其中該碳基質為石墨烯、奈米碳管或其任意混合所組成。
  5. 如請求項1所述之聚苯胺複合材料，其中該金屬成分呈奈米顆粒狀附著或鑲嵌於該碳基質上。
  6. 一種聚苯胺複合材料的製造方法，包含：製備一填充物，其中該填充物包含一碳基質以及一金屬成分，該金屬成分附著於該碳基質上；以及以一苯胺單體溶液聚合形成一主基質，其中該主基質由聚苯胺所組成，以及以該填充物填充於該主基質中或附著於該主基質上。
  7. 如請求項6所述之聚苯胺複合材料的製造方法，其中製備該填充物的步驟係將該碳基質以及至少含有該金屬成分的一金屬成分溶液及一還原劑混合，利用化學還原反應，使該金屬成分附著於該碳基質上。
  8. 如請求項6所述之聚苯胺複合材料的製造方法，其中製備該填充物的步驟更包含官能基化該碳基質表面，使該金屬成分更容易與該碳基質反應。
  9. 如請求項6所述之聚苯胺複合材料的製造方法，其中先使該填充物溶 於一準備溶液中，並將該準備溶液與該苯胺單體溶液混合後，再聚合形成該主基質，使該填充物填充於該主基質中或附著於該主基質上。
  10. 如請求項6所述之聚苯胺複合材料的製造方法，其中先使該苯胺單體溶液聚合形成該主基質以後，再與含有該填充物的一準備溶液混合，使該填充物填充於該主基質中或附著於該主基質上。
  11. 如請求項6所述之聚苯胺複合材料的製造方法，其中該金屬成分為銀、鎳、金、銅、鉑、鈀或其任意混合所組成。
  12. 如請求項6所述之聚苯胺複合材料的製造方法，其中該填充物於該聚苯胺複合材料所占重量百分比為0.1~10%。
  13. 如請求項6所述之聚苯胺複合材料的製造方法，其中該碳基質為石墨烯、奈米碳管或其任意混合所組成。
  14. 如請求項6所述之聚苯胺複合材料的製造方法，其中該金屬成分呈奈米顆粒狀附著或鑲嵌於該碳基質上。
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