TW201741344A - 石墨烯與苯乙烯單體的複合材料製造方法及其裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明係提供一種石墨烯與苯乙烯單體的複合材料製造與聚合方法及其裝置，其製造方法包括：取複數石墨碎片與苯乙烯單體之液體相混合，形成一石墨碎片與苯乙烯單體之混合液；對該石墨碎片與苯乙烯單體之混合液施予強力超音波照射，使該苯乙烯單體對該石墨碎片進行嵌入與插層之操作，使該石墨碎片形成層與層間相分離而產生具有少層石墨烯、單層石墨烯之乳化懸浮液，進而得一第一形態之石墨烯與苯乙烯單體的之乳化複合材料混合液原料；據此，能解決與提供一種新的石墨烯與苯乙烯單體複合材料之實施方式及量產方法，而使石墨烯與苯乙烯單體之複合材料作為石墨烯與苯乙烯聚合化初始原料及進一步聚合具有新的可量產化實施性，並達到極佳之生產經濟效益性。
Description
本發明係有關於一種新的連續生產方式的複合材料之製造技術，尤指一種利用石墨碎片與苯乙烯單體於超音波運作及後續製程中，使達到能具體實施量產之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料懸浮液以及聚合後石墨烯與聚苯乙烯複合材料固態顆粒之製造方法及其裝置。
按，苯乙烯單體(Styrene Monomer/SM)是一種液態的有機化合物，其係由苯(Benzene)和乙烯(Ethylene)兩種石化原料先經烷化反應形成乙苯(Ethylbenzene)，再經脫氫反應後而形成。苯乙烯單體(SM)為石化工業重要的中間原料，可用以生產聚苯乙烯塑膠(PS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑膠(ABS)、乳膠(SBL)、苯乙烯/丁二烯橡膠(SBR)、不飽和聚酯(UPS)、AS樹脂、SBS橡膠等，這些複合材料被廣泛用於橡膠、塑料、絕緣材料、玻璃纖維、汽車、船體、食物容器和地毯等生產。由於苯乙烯單體為基材所形成之複合材料已被廣為開發且利用，但其材料特性大多屬固定，為了因應科技日新月異所需之更大領域範圍的發展應用，利用苯乙烯單體所衍生之複合材料的持續研究、開發仍有其必要性。
再者，石墨是由多層石墨烯構成的結晶構造，而石墨烯(graphene)是一種單層的石墨結構，每個碳原子之間以sp2結晶結構與相鄰的三個碳原子形成鍵結，並延伸成蜂窩狀六角形的二維結構，是一種接近透明之奈米材料，雖然其只有一個原子的厚度，但卻比鋼堅韌200倍，導電性也佳，甚至預估石墨烯的應用可翻轉由矽主導的半導體產業。目前石墨烯已被廣為應用於半導體、觸控面板或太陽能電池等領域中，且更預期廣泛
應用於光電、綠能發電、環境生醫感測、複合性功能材料等諸多產業領域之發展。
石墨烯所衍生之複合材料開發亦是當今各產業之研發重點，若能結合苯乙烯單體進而衍生新的複合材料，必能擴大苯乙烯複合材料的應用範圍，突破更新科技領域的進展及加速實現。
緣此，本發明人有鑑於習知石墨烯、苯乙烯單體若能有效的兩種材質特性結合成複合材料將能啟動更新的應用領域，即著手研發構思其解決方案，希望能開發出一種能具量產化、複合材料應用廣度佳及深具經濟效益之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料以及石墨烯與聚苯乙烯複合材料顆粒之新的製造方法及其裝置，以促進此業之發展，遂經多時之構思而有本發明之產生。
本發明之目的係在提供一種石墨烯與苯乙烯單體的複合材料以及石墨烯與聚苯乙烯複合材料顆粒之新的製造方法及其裝置，而使石墨烯與苯乙烯單體之複合及石墨烯與聚苯乙烯複合材料具有可量產化實施性，並達到極佳之生產經濟效益性者。
本發明之再一目的係在提供一種石墨烯與苯乙烯單體的複合材料製造方法及其裝置，其能使石墨碎片與苯乙烯單體之混合通過有效之方法製程，進而產生石墨烯與苯乙烯單體、聚苯乙烯之複合材料，積極達到擴大苯乙烯及其衍生石墨烯之複合材料應用範圍者。
本發明為了達成上述目的，其所採用之方法包括有：取複數石墨碎片與苯乙烯單體之液體相混合，形成一石墨碎片與苯乙烯單體之混合液；對該石墨碎片與苯乙烯單體之混合液施予超音波照射，使該石墨碎片形成相分離之少層石墨烯，並讓該苯乙烯單體對該石墨碎片進行嵌入與插層，進而得一第一形態之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料，該第
一形態之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料係呈乳化狀之混合液，在本發明中稱為第一形態之SMG(Styrene Monomer grapheme，簡稱SMG)。
前述方法，其係在一無亮度之環境下進行，且其溫度係控制在低於該苯乙烯單體產生聚合反應之溫度。
前述方法，其繼對該第一形態之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料施予超音波振動，讓該苯乙烯單體對該少層石墨烯進行剝離與拆層，使該少層石墨烯充分形成單層石墨烯，繼而得到一第二形態之石墨烯與苯乙烯單體之複合材料，該第二形態之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料係呈乳化狀之混合液，在本發明中稱為第二形態之SMG(Styrene Monomer grapheme，簡稱SMG)。
前述方法，更包括對該第一形態之石墨烯與苯乙烯單體之複合材料續施予超音波噴霧器之霧化，加熱使苯乙烯產生聚合反應形成聚苯乙烯，乾燥之粉粒化處理，形成一聚苯乙烯包裹少層石墨烯之複合材料，該聚苯乙烯包裹少層石墨烯之複合材料係呈粉粒狀，在本發明中稱為第一形態之PSG(Polystyrene grapheme，簡稱PSG)。
前述方法，更包括對該第二形態之石墨烯與苯乙烯單體之複合材料續施予超音波噴霧器之霧化，加熱使苯乙烯產生聚合反應形成聚苯乙烯，乾燥之粉粒化處理，形成一聚苯乙烯包裹單層石墨烯之複合材料，該聚苯乙烯包裹單層石墨烯之複合材料係呈粉粒狀，在本發明中稱為第二形態之PSG(Polystyrene grapheme，簡稱PSG)。
前述方法，更包括對該第一形態之石墨烯與苯乙烯單體之複合材料與高分子單體，續施予超音波噴霧器之霧化，加熱使苯乙烯與高分子單體產生聚合反應形成聚合物，與乾燥之粉粒化處理，形成一聚合物包裹少層石墨烯之複合材料，該聚合物包裹少層石墨烯之複合材料係呈粉粒狀，在本發明中稱為第一形態之HPSG(Hybrid Polystyrene grapheme，簡稱HPSG)，其中該高分子單體包括丙烯腈、丁二烯、或以上之組合。
前述方法，其中該高分子單體為丁二烯，其中形成一聚合物
包裹少層石墨烯之複合材料之聚合物係為丁苯橡膠(Styrene-Butadiene Rubber，簡寫：SBR)。
前述方法，其中該高分子單體為丙烯腈與丁二烯，其中形成一聚合物包裹少層石墨烯之複合材料之聚合物係為ABS樹脂(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，ABS是Acrylonitrile Butadiene Styrene的首字母縮寫)。
前述方法，更包括對該第二形態之石墨烯與苯乙烯單體之複合材料與高分子單體，續施予超音波噴霧器之霧化，加熱使苯乙烯與高分子單體產生聚合反應形成聚合物，與乾燥之粉粒化處理，形成一聚合物包裹單層石墨烯之複合材料，該聚合物包裹單層石墨烯之複合材料係呈粉粒狀，在本發明中稱為第二形態之HPSG(Hybrid Polystyrene grapheme，簡稱HPSG)，其中該高分子單體包括丙烯腈、丁二烯、或以上之組合。
前述方法，其中該高分子單體為丁二烯，其中形成一聚合物包裹單層石墨烯之複合材料之聚合物係為丁苯橡膠(Styrene-Butadiene Rubber，簡寫：SBR)。
前述方法，其中該高分子單體為丙烯腈與丁二烯，其中形成一聚合物包裹單層石墨烯之複合材料之聚合物係為ABS樹脂(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，ABS是Acrylonitrile Butadiene Styrene的首字母縮寫)。
本發明之技術手段包括：一超音波振盪裝置，其設有一超音波電功率與頻率輸出件，該超音波電功率與頻率輸出件之末端係連結一超音波作動件；一冷卻器，其包括有一冷卻筒；一備置槽，係設於該冷卻筒內，且該超音波作動件係伸入或作用於該備置槽，該備置槽係設有至少一進料口及出料口，該進料口係用以輸入提供懸浮於水液中之石墨碎片與苯乙烯單體以及促進反應所需之啟始劑、催化劑、懸浮劑與穩定劑，使於該備置槽內形成該石墨碎片與該苯乙烯單體之混合液；一儲存槽，係以一輸料管連接該出料口。
前述構成，其進一步包括有一馬達與一供應槽，該馬達係一以進料管連接該進料口，該供應槽與該進料管連通，該供應槽儲存有懸浮
於水液中之石墨碎片與苯乙烯單體以及促進反應所需之啟始劑、催化劑、懸浮劑與穩定劑，以將其輸入該進料口，該供應槽並設有一第一閥門，以切換是否將其輸入該進料口。
前述構成，其中該儲存槽係進一步包括有一相連通之循環管，該循環管係連接該進料管或該進料口，該進料管係設有一第二閥門。
本發明之技術手段進一步包括：一儲存槽，該儲存槽內係置有石墨烯與苯乙烯單體的乳化狀複合材料懸浮液，該儲存槽係設有一產品管路，該產品管路上係設有一馬達；一聚合反應後冷卻筒槽，該聚合反應後冷卻筒槽頂端係設有一相連通之超音波噴霧器，該產品管路係通過該超音波噴霧器連通進入該聚合反應後冷卻筒槽，該聚合反應後冷卻筒槽底部係設有一排出口，該排出口係連接一排出管；一空氣加熱器，係以一加熱管路連接該超音波噴霧器；一分離器，係連接該排出管，該分離器係連接有一排熱氣管，該排熱氣管係連接一馬達，該分離器係設有一袋濾器；前述構成，該石墨烯與苯乙烯單體的乳化狀複合材料懸浮液經該超音波噴霧器霧化形成顆粒狀後，於該聚合反應後冷卻筒槽內被加熱而使該原本為液態之苯乙烯單體產生聚合反應同時將石墨烯包裹其中、經乾燥而粉粒化，形成第二形態之PSG。
前述構成，其中該聚合反應後冷卻筒槽之該排出口處係設有一過濾網，而該分離器之後繼部位係設有一收集槽。
本發明之技術手段進一步包括：一儲存槽，該儲存槽內係置有石墨烯、苯乙烯單體與高分子單體的複合材料，該儲存槽係設有一產品管路，該產品管路上係設有一馬達；一聚合反應後冷卻筒槽，其內設有已添加促進反應所需之啟始劑、催化劑、懸浮劑與穩定劑於水中之液體，該聚合反應後冷卻筒槽頂端係設有一相連通之超音波噴霧器，該產品管路係通過該超音波噴霧器連通進入該聚合反應後冷卻筒槽，該聚合反應後冷卻筒槽底部係設有一排出口，該聚合反應後冷卻筒槽之周圍係繞設有冷卻管；一空氣加熱器，係以一加熱管路連接該超音波噴霧器；
一過濾分離槽，該過濾分離槽以一過濾入管連接該聚合反應後冷卻筒槽之該排出口，該過濾分離槽內係設有一過濾網，該過濾分離槽之底部係設有一排液口；前述構成，該石墨烯與苯乙烯單體加上高分子單體的乳化狀複合材料經該超音波噴霧器霧化後，於該超音波噴霧器、該聚合反應後冷卻筒槽內被加熱而使該苯乙烯單體、高分子單體產生聚合反應而顆粒化。
前述構成，其中該另行添加欲聚合與複合之高分子單體可為丙烯腈(Acrylonitrile)、丁二烯(Butadiene)或以上之組合。
茲為使 貴審查委員對本發明之技術、方法特徵及所達成之功效更有進一步之了解與認識，謹佐以較佳之實施例圖及配合詳細之說明，說明如後：
10‧‧‧石墨碎片
11‧‧‧石墨層
12‧‧‧石墨烯
20‧‧‧苯乙烯單體
21‧‧‧複合材料(SMG)產品
30‧‧‧備製槽
22‧‧‧複合材料(HSMG)產品
40‧‧‧超音波振盪裝置
401‧‧‧超音波電功率與頻率輸出件
41‧‧‧超音波作動件
50‧‧‧冷卻器
51‧‧‧備置槽
511‧‧‧進料口
512‧‧‧出料口
52‧‧‧冷卻筒
520‧‧‧超音波作動件
521‧‧‧冷卻液出口
522‧‧‧冷卻液入口
53‧‧‧馬達
531‧‧‧進料管
54‧‧‧儲存槽
541‧‧‧輸料管
542‧‧‧循環管
543‧‧‧第二閥門
55‧‧‧馬達
551‧‧‧產品管路
56‧‧‧噴霧器
57‧‧‧供應槽
571‧‧‧第一閥門
60‧‧‧聚合反應超音波噴霧與粉粒化裝置
61‧‧‧聚合反應筒槽
611‧‧‧斗狀槽
612‧‧‧排出口
613‧‧‧過濾網
614‧‧‧排出管
62‧‧‧空氣加熱器
621‧‧‧加熱管路
63‧‧‧馬達
631‧‧‧排熱氣管
64‧‧‧分離器
641‧‧‧袋濾器
65‧‧‧收集槽
70‧‧‧聚合反應粉粒化裝置
71‧‧‧聚合反應後冷卻筒槽
711‧‧‧排出口
72‧‧‧過濾分離槽
721‧‧‧過濾入管
722‧‧‧排液口
723‧‧‧過濾網
73‧‧‧冷卻管
731‧‧‧冷卻液進口
第1A圖為本發明石墨碎片與苯乙烯之混合示意圖。
第1B圖為本發明石墨碎片之嵌入示意圖。
第1C圖為本發明石墨層之拆層示意圖。
第2A-D圖為本發明之超音波操作示意圖。
第3圖為本發明裝置設備之示意圖。
第4圖為本發明裝置設備之局部示意圖。
第5圖為本發明之顆粒化操作示意圖一。
第6圖為本發明之顆粒化操作示意圖二。
第7圖為本發明之製程方法流程示意圖。
本發明所揭圖式均為用以便利說明之示意圖，其僅以示意方式說明本發明之製造方法及設備，且所顯示之構成繪製並未限定相同於實際實施時之形狀、態樣及尺寸比例，其實際實施時之形狀、態樣及尺寸比例乃為一種選擇性之設計。
請參閱第1A至2D圖，為本發明石墨烯與苯乙烯單體的複合材料製造方法及其裝置之基礎實施說明；如第1A、2A圖所示，本發明係將複數石墨碎片10與苯乙烯單體20之液體相混合，並將該石墨碎片10與苯乙烯單體20之混合液置於一備製槽30中，由於該石墨碎片10之質量較輕，故呈浮於該苯乙烯單體20之液體上方，其中，該石墨碎片10係可為：天然石墨(nature graphite)、人工合成石墨(synthetic graphite)、石墨化之碳黑(carbon black)、石墨化之爐黑(furnace black)、介穩相碳微球(mesocarbon microbead/MCMB)或方向性石墨(highly oriented graphite sheet/HOGS)或以上之組合。如第2B圖所示，對該石墨碎片10與苯乙烯單體20之混合液施予超音波(Ultrasound)振動/照射，即以一超音波振盪裝置40進行超音波振動/照射之操作，該超音波振盪裝置40係以一超音波作動件41(或其他具超音波振動之構件)伸入該混合液中。而隨著超音波振動/照射操作之進行，該石墨碎片10與苯乙烯單體20之混合液將形成乳化反應，而使該苯乙烯單體20逐漸嵌入石墨碎片10其石墨的層與層之間，而得複數石墨層11，即為嵌入/插層(Intercalated)之操作(參第1B、2C圖)，此時並有少量單層石墨烯12產生，而獲得第一形態之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料，該第一形態之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料在本發明中稱為第一形態之SMG(Styrene Monomer grapheme，簡稱SMG)，而此第一形態之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料(SMG)主要係苯乙烯單體20對石墨碎片10其石墨層間的嵌入(Intercalated)所形成，包括有石墨層11與石墨烯12之組合，但尚未完全拆層(Exfoliated)，後詳述，亦即該石墨碎片10尚未完全單層石墨烯化，該第一形態之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料(SMG)係乳化狀且呈液態，其已經可以作為特定用途之材料選擇應用。
繼持續對該第一形態之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料(SMG)進行超音波振動/照射之操作，如第1C、2D圖所示，使其繼續進行拆層與乳化反應，並使該苯乙烯單體20繼對石墨碎片10所形成的石墨層11進行拆層/剝離(Exfoliated)之操作，此時該石墨碎片10的石墨層11經拆層/剝離(Exfoliated)處理後將充分單層石墨烯化，且該石墨烯12將均勻地分散於該苯
乙烯單體20中，而獲得第二形態之單層石墨烯與苯乙烯單體的複合材料，該第二形態之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料在本發明中稱為第二形態之SMG(Styrene Monomer grapheme，簡稱SMG)，而此第二形態之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料(SMG)主要係苯乙烯單體20對石墨碎片10其石墨層間的拆層(Exfoliated)所形成，而第二形態之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料(SMG)亦呈乳化狀液態，其更可作為特定用途之材料選擇應用，如用在更彰顯石墨烯特性的產品上。
前述該複數石墨碎片10與苯乙烯單體20之混合液在進行超音波振動/照射操作時，其超音波振動/照射之強弱及時間係依需求而加以控制，例如，欲形成第一形態之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料(SMG)其超音波振動/照射之強度較弱，時間可較短；而欲形成第二形態之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料(SMG)其超音波振動/照射之強度較強，時間可較長。另，該複數石墨碎片10與苯乙烯單體20之混合液或第一形態之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料(SMG)在進行超音波振動/照射操作時，係在一無亮度(光度)之環境下進行(如密閉之容器/設備)，且其溫度控制在該苯乙烯單體20之聚合反應溫度之下，例如40℃以下，用以避免該苯乙烯單體的聚合反應。
請一併參閱第3、4圖，繼說明本發明石墨烯與苯乙烯單體的複合材料之製造裝置，其包括有一超音波振盪裝置40、冷卻器50、乳化備置槽51及儲存槽54；該超音波振盪裝置40係用以產生超音波振盪電功率與頻率，其設有一超音波電功率與頻率輸出件401，該超音波電功率與頻率輸出件401之末端係連結一超音波作動件520(transducer)，而該超音波作動件520係伸入或作用於該備置槽51；該冷卻器50係用以提供冷卻超音波作動件520作用，其包括有一冷卻筒52，該冷卻筒52係用以冷卻超音波作動件520之端體(tip)及容設該超音波乳化之備置槽51，或該冷卻筒52係可形成該備置槽51，即該超音波乳化備置槽51係設於該冷卻筒52內，且該冷卻筒52係設有一冷卻液出口521及冷卻液入口522，該冷卻液出口521及冷卻液入口522係連接該冷卻器50；再者，該備置槽51係設有一進料口511及出料口512，該進料口
511係用以輸入提供懸浮於水液中之石墨碎片10與苯乙烯單體20以及促進反應所需之啟始劑(initiator)、催化劑(catalyst)、懸浮劑(suspending agent)與穩定劑(stabilizing agent)，並於該備置槽51內形成該石墨碎片10與苯乙烯單體20之乳化狀混合液；另，一馬達53，該馬達53係一以進料管531連接該進料口511，用以提供輸入該備置槽51材料之輔助力；而該儲存槽54係以一輸料管541連接該出料口512。另，一供應槽57，該供應槽57與該進料管531連通，該供應槽57儲存有懸浮於水液中之石墨碎片10與苯乙烯單體20以及促進反應所需之啟始劑(initiator)、催化劑(catalyst)、懸浮劑(suspending agent)與穩定劑(stabilizing agent)，以將其輸入該進料口511，該供應槽57並設有一第一閥門571，以切換是否將其輸入該進料口511。
前述該啟始劑(initiator)，例如可為過氧化苯甲酰(benzoyl peroxide)，該催化劑(catalyst)，例如可為過氧化物(peroxides)，該懸浮劑(suspending agent)，例如可為甲基纖維素(methyl cellulose)、乙基纖維素(ethyl cellulose)，該穩定劑(stabilizing agent)，例如可為碳酸鈣(calcium carbonate)，磷酸鈣(calcium phosphates)。
如前述，該石墨碎片10與苯乙烯單體20之混合液於備置槽51內進行超音波操作，並使該石墨碎片10與苯乙烯單體20之混合液完成嵌入/乳化處理或接續之拆層/乳化處理，使形成第一形態或第二形態之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料(SMG)產品，該複合材料(SMG)產品再經該出料口512傳輸至該儲存槽54加以收集儲存。
又如第3圖所示，該儲存槽54係進一步包括有一相連通之循環管542，該循環管542係連接該進料管531(進料口511)。當該儲存槽54內之複合材料(SMG)產品欲更加拆層/乳化時，可通過該循環管542將該複合材料(SMG)產品再輸入該備置槽51內進行超音波操作。另，該進料管531適當位置係可設有一第二閥門543，用以切換輸入該備置槽51之材料來源。
繼請參閱第5圖，用以說明本發明該第一形態或第二形態之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料(SMG)的聚合/粉粒化處理，如圖所示，其
包括有一儲存槽54、聚合反應超音波噴霧與粉粒化裝置60、噴霧用空氣加熱器62及分離器64；其中，該儲存槽54內係置有該液態乳化後之複合材料(SMG)產品21，即乳化後第一形態或第二形態之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料(SMG)產品，該儲存槽54係以產品管路551連接該聚合反應筒槽61，該產品管路551之適當位置上係設有一馬達55，用以提供汲取輸出之作用；該聚合反應超音波噴霧與粉粒化裝置60係包括有一聚合反應筒槽61，該聚合反應筒槽61頂端係設有一相連通之超音波噴霧器(或離心式分水環)56，該產品管路551係通過該超音波噴霧器56連通進入該聚合反應筒槽61，而該聚合反應筒槽61之下方係呈一斗狀槽611，但並非所限，該斗狀槽611底部係設有一排出口612，該排出口612處係設有一過濾網613，該排出口612係連接一排出管614以連通該分離器64；該空氣加熱器62係以加熱管路621連接該噴霧器56，用以提供將該複合材料(SMG)產品21噴霧造粒與烘乾之熱空氣，即該複合材料(SMG)產品21經該噴霧器56霧化後，於該噴霧器56(聚合反應筒槽61內)被該熱空氣加熱，進而使該苯乙烯產生聚合反應，即該複合材料(SMG)產品21內之苯乙烯經加熱產生聚合反應而形成包裹石墨烯之聚苯乙烯複合材料顆粒，且同時該聚苯乙烯之複合材料於該聚合反應筒槽61內亦被該熱空氣烘乾而顆粒化(粉粒化)。如此，該複合材料(SMG)產品21將完全於該聚合反應筒槽61完成苯乙烯之聚合與複合化反應、加熱烘乾而顆粒化(粉粒化)之處理。換言之，該複合材料(SMG)產品21經加熱乾燥之顆粒化(粉粒化)處理後，將使該第一形態SMG形成一聚苯乙烯包裹少層石墨烯之複合材料，該聚苯乙烯包裹少層石墨烯之複合材料係呈粉粒狀，在本發明中稱為第一形態之PSG(Polystyrene grapheme，簡稱PSG)，或使該第二形態SMG形成一聚苯乙烯包裹單層石墨烯之複合材料，該聚苯乙烯包裹單層石墨烯之複合材料係呈粉粒狀，在本發明中稱為第二形態之PSG(Polystyrene grapheme，簡稱PSG)，而該顆粒化(粉粒化)後之第一形態PSG、第二形態PSG皆可作為特定用途之材料選擇應用。再者，該分離器64可如一旋風分離器，其上方連接有一排熱氣管631，該排熱氣管631係連接一馬達63使進行熱空氣之排除，
該分離器64並設有一袋濾器641，使粉粒化後之PSG與空氣分離，繼落入收集於一收集槽65，即可進行工業應用。
請參閱第6圖，係本發明粉粒化設備之另一實施例，其與第5圖所示實施例不同的地方在於：該儲存槽54內係設置有複合材料(複合材料SMG產品+高分子單體之混合液)，即複合材料(HSMG)產品22，簡稱HSMG，其英文為Hybrid Styrene Monomer grapheme，其中HSMG包括有第一形態HSMG(即第一形態SMG+高分子單體之混合液)與第二形態HSMG(即第二形態SMG+高分子單體之混合液)；該聚合粉粒化裝置70係包括有一聚合反應後冷卻筒槽71，該聚合反應後冷卻筒槽71內係設有已添加了促進反應所需之啟始劑(initiator)、催化劑(catalyst)、懸浮劑(suspending agent)與穩定劑(stabilizing agent)於水中之液體其底部係設有一排出口711，該聚合反應後冷卻筒槽71之周圍係繞設有冷卻管73，該冷卻管73係設有一供冷卻液(如水)進、出之冷卻液進口731、冷卻液出口732；該聚合反應後冷卻筒槽71之後繼部位(如下方)係設有一過濾分離槽72，該過濾分離槽72係以一過濾入管721連接該聚合反應後冷卻筒槽71之排出口711，該過濾分離槽72內係設有一過濾網723，該過濾分離槽72之底部係設有一排液口722。如此，該複合材料(HSMG)產品22經該噴霧器56霧化後，於該噴霧器56(聚合反應後冷卻筒槽71)內被該熱空氣之加熱作用而產生聚合反應，使形成聚合物且顆粒化，並藉該冷卻管73之冷卻使該排出口711處之溫度降至約15℃左右，而完成苯乙烯與高分子單體加溫噴霧造粒聚合反應後、冷卻而顆粒化之處理，換言之，該複合材料(HSMG)產品22經加熱乾燥之顆粒化處理後，將使該第一形態HSMG形成第一形態HPSG(Hybrid Polystyrene grapheme，簡稱HPSG)，該第一形態HPSG係為一聚合物包裹單層石墨烯之複合材料，或該第二形態HSMG形成第二形態HPSG(Hybrid Polystyrene grapheme，簡稱HPSG)，該第二形態HPSG係為一聚合物包裹單層石墨烯之複合材料。此時，該顆粒化後之第一形態HPSG(或第二形態HPSG)係與該聚合反應冷卻筒槽71內之液體(如水)混合，經通過該排出口711、過濾入管721進入過濾分離槽72內，該顆粒化之第一形態HPSG(或
第二形態HPSG)經該過濾網723之過濾而收集存於該過濾分離槽72內，而液體則由該排液口722排出，使顆粒化後之HPSG與液體分離，即完成複合材料(HSMG)產品22之聚合、冷卻及顆粒化後之HPSG收集操作，而該顆粒化(粉粒化)後之第一形態HPSG、第二形態HPSG皆可作為特定用途之工業材料選擇應用。
其中，前述之高分子單體為丙烯腈(Acrylonitrile)、丁二烯(Butadiene)或以上之組合。
在一實施例中，該高分子單體為丁二烯，並且形成一聚合物包裹少層石墨烯之複合材料之聚合物係為丁苯橡膠(Styrene-Butadiene Rubber，簡寫：SBR)。
在一實施例中，該高分子單體為丁二烯，並且形成一聚合物包裹少層石墨烯之複合材料之聚合物係為SBS橡膠(Styrene-Butadiene-Styrene，簡寫：SBS)。
在一實施例中，該高分子單體為丙烯腈與丁二烯，並且形成一聚合物包裹少層石墨烯之複合材料之聚合物係為ABS樹脂(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，ABS是Acrylonitrile Butadiene Styrene的首字母縮寫)。
在一實施例中，該高分子單體為丁二烯，並且形成一聚合物包裹單層石墨烯之複合材料之聚合物係為丁苯橡膠(Styrene-Butadiene Rubber，簡寫：SBR)。
在一實施例中，該高分子單體為丁二烯，並且形成一聚合物包裹單層石墨烯之複合材料之聚合物係為SBS橡膠(Styrene-Butadiene-Styrene，簡寫：SBS)。
在一實施例中，該高分子單體為丙烯腈與丁二烯，並且形成一聚合物包裹單層石墨烯之複合材料之聚合物係為ABS樹脂(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，ABS是Acrylonitrile Butadiene Styrene的首字母縮寫)。
如第7圖所示，基於前述實施例說明及其控制條件，本發明石墨烯與苯乙烯單體的複合材料製造方法及其延伸應用係包括有：
(1)取複數石墨碎片與苯乙烯單體之液體相混合，形成一石墨碎片與苯乙烯單體之混合液101S。
(2)對該石墨碎片與苯乙烯單體之混合液施予超音波振動，使該苯乙烯單體對該石墨碎片進行嵌入/插層之操作，使該石墨碎片形成相分離而具有複數石墨層、石墨烯，進而得一第一形態之石墨烯與苯乙烯單體之乳化狀複合材料混合液；而此第一形態之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料(SMG)係包括有複數石墨層與少層石墨烯，但該石墨層尚未完全拆層/Exfoliated而未充分單層石墨烯化102S。
(3)繼對該第一形態之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料(SMG)施予超音波振動，使該苯乙烯單體對該石墨層進行剝離/拆層之操作，使該石墨層形成複數單層石墨烯，繼而得到第二形態之石墨烯與苯乙烯單體之乳化狀複合材料混合液；而此第二形態之單層石墨烯與苯乙烯單體的乳化狀複合材料(SMG)係已將石墨層完全拆層/Exfoliated而充分單層石墨烯化103S。
(4)對懸浮於水液中之該第一形態或第二形態之石墨烯與苯乙烯單體之乳化狀複合材料混合液施予超音波噴霧及加熱乾燥之顆粒化或粉粒化處理，使分別形成第一形態或第二形態之石墨烯與聚苯乙烯(PSG)之固態複合材料104S。
本發明石墨烯與苯乙烯單體的複合材料製造方法及其裝置，使石墨烯與苯乙烯單體之複合具有新的製程與可量產化實施性，並達到極佳之生產經濟效益性；其能使石墨碎片與苯乙烯單體之混合通過有效之方法製程，進而產生石墨烯與與苯乙烯單體/聚苯乙烯以及石墨烯與苯乙烯單體+高分子單體/聚苯乙烯之複合材料，積極達到擴大苯乙烯或衍生石墨烯之複合材料應用範圍者。
綜上所述，本發明確實為一相當優異之創思，爰依法提出發明專利申請；惟上述說明之內容，僅為本發明之較佳實施例而已，舉凡依本發明之技術手段所延伸之變化，理應落入本發明之專利申請範圍。
101S‧‧‧取複數石墨碎片與苯乙烯單體之液體相混合，形成一石墨碎片與苯乙烯單體之混合液
102S‧‧‧對該石墨碎片與苯乙烯單體之混合液施予超音波振動，使該苯乙烯單體對該石墨碎片進行嵌入/插層之操作，使該石墨碎片形成相分離而具有複數石墨層、石墨烯，進而得一第一形態之石墨烯與苯乙烯單體之乳化狀複合材料混合液；而此第一形態之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料(SMG)係包括有複數石墨層與少層石墨烯，但該石墨層尚未完全拆層/Exfoliated而未充分單層石墨烯化
103S‧‧‧繼對該第一形態之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料(SMG)施予超音波振動，使該苯乙烯單體對該石墨層進行剝離/拆層之操作，使該石墨層形成複數單層石墨烯，繼而得到第二形態之石墨烯與苯乙烯單體之乳化狀複合材料混合液；而此第二形態之單層石墨烯與苯乙烯單體的乳化狀複合材料(SMG)係已將石墨層完全拆層/Exfoliated而充分單層石墨烯化
104S‧‧‧對懸浮於水液中之該第一形態或第二形態之石墨烯與苯乙烯單體之乳化狀複合材料混合液施予超音波噴霧及加熱乾燥之顆粒化或粉粒化處理，使之聚合而分別形成第一形態或第二形態之石墨烯與聚苯乙烯之固態複合材料
Claims (14)
- 一種石墨烯與苯乙烯單體的複合材料製造方法，其係在一無亮度之環境下進行，且其溫度係控制在低於苯乙烯單體產生聚合反應之溫度，其包括：取複數石墨碎片與苯乙烯單體之液體相混合，形成一石墨碎片與苯乙烯單體之混合液；對該石墨碎片與苯乙烯單體之混合液施予超音波照射，使該石墨碎片形成相分離之少層石墨烯，並讓該苯乙烯單體對該石墨碎片進行嵌入與插層，進而得一第一形態之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料，該第一形態之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料係呈乳化狀之混合液，在本發明中稱為第一形態之SMG。
- 如申請專利範圍第1項所述之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料製造方法，其繼對該第一形態之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料施予超音波振動，讓該苯乙烯單體對該少層石墨烯進行剝離與拆層，使該少層石墨烯充分形成單層石墨烯，繼而得到一第二形態之石墨烯與苯乙烯單體之複合材料，該第二形態之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料係呈乳化狀之混合液，在本發明中稱為第二形態之SMG。
- 如申請專利範圍第2項所述之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料製造方法，更包括對該第一形態之石墨烯與苯乙烯單體之複合材料續施予超音波噴霧器之霧化，加熱使苯乙烯產生聚合反應形成聚苯乙烯，乾燥之粉粒化處理，形成一聚苯乙烯包裹少層石墨烯之複合材料，該聚苯乙烯包裹少層石墨烯之複合材料係呈粉粒狀，在本發明中稱為第一形態之PSG。
- 如申請專利範圍第3項所述之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料製造方法，更包括對該第二形態之石墨烯與苯乙烯單體之複合材料續施予超音波噴霧器之霧化，加熱使苯乙烯產生聚合反應形成聚苯乙烯，乾燥之粉粒化處理，形成一聚苯乙烯包裹單層石墨烯之複合材料，該聚苯乙烯包裹單層石墨烯之複合材料係呈粉粒狀，在本發明中稱為第二形態之PSG。
- 如申請專利範圍第4項所述之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料製造方 法，更包括對該第一形態之石墨烯與苯乙烯單體之複合材料與高分子單體，續施予超音波噴霧器之霧化，加熱使苯乙烯與高分子單體產生聚合反應形成聚合物，與乾燥之粉粒化處理，形成一聚合物包裹少層石墨烯之複合材料，該聚合物包裹少層石墨烯之複合材料係呈粉粒狀，在本發明中稱為第一形態之HPSG，其中該高分子單體包括丙烯腈、丁二烯、或以上之組合。
- 如申請專利範圍第5項所述之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料製造方法，其中該高分子單體為丁二烯，其中形成一聚合物包裹少層石墨烯之複合材料之聚合物係為丁苯橡膠(Styrene-Butadiene Rubber，簡寫：SBR)。
- 如申請專利範圍第5項所述之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料製造方法，其中該高分子單體為丙烯腈與丁二烯，其中形成一聚合物包裹少層石墨烯之複合材料之聚合物係為ABS樹脂(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，ABS是Acrylonitrile Butadiene Styrene的首字母縮寫)。
- 如申請專利範圍第5所述之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料製造方法，更包括對該第二形態之石墨烯與苯乙烯單體之複合材料與高分子單體，續施予超音波噴霧器之霧化，加熱使苯乙烯與高分子單體產生聚合反應形成聚合物，與乾燥之粉粒化處理，形成一聚合物包裹單層石墨烯之複合材料，該聚合物包裹單層石墨烯之複合材料係呈粉粒狀，在本發明中稱為第二形態之HPSG，其中該高分子單體包括丙烯腈、丁二烯、或以上之組合。
- 如申請專利範圍第8項所述之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料製造方法，其中該高分子單體為丁二烯，其中形成一聚合物包裹單層石墨烯之複合材料之聚合物係為丁苯橡膠(Styrene-Butadiene Rubber，簡寫：SBR)。
- 如申請專利範圍第8項所述之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料製造方法，其中該高分子單體為丙烯腈與丁二烯，其中形成一聚合物包裹單層石墨烯之複合材料之聚合物係為ABS樹脂(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，ABS是Acrylonitrile Butadiene Styrene的首字母縮寫)。
- 如申請專利範圍第7項所述之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料製造方 法，更包括一種石墨烯與苯乙烯單體的複合材料製造裝置，該製造裝置包括：一超音波振盪裝置，其設有一超音波電功率與頻率輸出件，該超音波電功率與頻率輸出件之末端係連結一超音波作動件；一冷卻器，其包括有一冷卻筒；一備置槽，係設於該冷卻筒內，且該超音波作動件係伸入或作用於該備置槽，該備置槽係設有至少一進料口及出料口，該進料口係用以輸入提供懸浮於水液中之石墨碎片與苯乙烯單體以及促進反應所需之啟始劑、催化劑、懸浮劑與穩定劑，使於該備置槽內形成該石墨碎片與該苯乙烯單體之混合液；一儲存槽，係以一輸料管連接該出料口。
- 如申請專利範圍第11項所述之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料製造方法，其進一步包括有一馬達與一供應槽，該馬達係一以進料管連接該進料口，該供應槽與該進料管連通，該供應槽儲存有懸浮於水液中之石墨碎片與苯乙烯單體以及促進反應所需之啟始劑、催化劑、懸浮劑與穩定劑，以將其輸入該進料口，該供應槽並設有一第一閥門，以切換是否將其輸入該進料口，其中該儲存槽係進一步包括有一相連通之循環管，該循環管係連接該進料管或該進料口，該進料管係設有一第二閥門。
- 如申請專利範圍第12項所述之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料製造方法，更包括一種石墨烯與苯乙烯單體的複合材料之粉粒化製造裝置，該粉粒化製造裝置包括：一儲存槽，該儲存槽內係置有石墨烯與苯乙烯單體的乳化狀複合材料懸浮液，該儲存槽係設有一產品管路，該產品管路上係設有一馬達；一聚合反應後冷卻筒槽，該聚合反應後冷卻筒槽頂端係設有一相連通之超音波噴霧器，該產品管路係通過該超音波噴霧器連通進入該聚合反應後冷卻筒槽，該聚合反應後冷卻筒槽底部係設有一排出口，該排出口係連接一排出管； 一空氣加熱器，係以一加熱管路連接該超音波噴霧器；一分離器，係連接該排出管，該分離器係連接有一排熱氣管，該排熱氣管係連接一馬達，該分離器係設有一袋濾器；前述構成，該石墨烯與苯乙烯單體的乳化狀複合材料懸浮液經該超音波噴霧器霧化形成顆粒狀後，於該聚合反應後冷卻筒槽內被加熱而使該原本為液態之苯乙烯單體產生聚合反應同時將石墨烯包裹其中、經乾燥而粉粒化，形成第二形態之PSG，其中該聚合反應後冷卻筒槽之該排出口處係設有一過濾網，而該分離器之後繼部位係設有一收集槽。
- 如申請專利範圍第13項所述之石墨烯與苯乙烯單體的複合材料製造方法，更包括一種石墨烯與苯乙烯單體的複合材料之粉粒化製造裝置，其包括：一儲存槽，該儲存槽內係置有石墨烯、苯乙烯單體與高分子單體的複合材料，該儲存槽係設有一產品管路，該產品管路上係設有一馬達；一聚合反應後冷卻筒槽，其內設有已添加促進反應所需之啟始劑、催化劑、懸浮劑與穩定劑於水中之液體，該聚合反應後冷卻筒槽頂端係設有一相連通之超音波噴霧器，該產品管路係通過該超音波噴霧器連通進入該聚合反應後冷卻筒槽，該聚合反應後冷卻筒槽底部係設有一排出口，該聚合反應後冷卻筒槽之周圍係繞設有冷卻管；一空氣加熱器，係以一加熱管路連接該超音波噴霧器；一過濾分離槽，該過濾分離槽以一過濾入管連接該聚合反應後冷卻筒槽之該排出口，該過濾分離槽內係設有一過濾網，該過濾分離槽之底部係設有一排液口；前述構成，該石墨烯與苯乙烯單體加上高分子單體的乳化狀複合材料經該超音波噴霧器霧化後，於該超音波噴霧器、該聚合反應後冷卻筒槽內被加熱而使該苯乙烯單體、高分子單體產生聚合反應而顆粒化，其中該高分子單體為丙烯腈(Acrylonitrile)、丁二烯(Butadiene)或以上之組合。
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