TWI392642B - 奈米複合材料裝置及其製作方法、及奈米材料裝置 - Google Patents

Description

奈米複合材料裝置及其製作方法、及奈米材料裝置

本發明是有關於一種奈米材料裝置以及奈米材料的製作方法，且特別是有關於一種奈米複合材料裝置以及奈米複合材料的製作方法。

近年來於各種產業領域中，用以處理具有奈米尺寸(nanometer-size)之所謂奈米材料(nanomaterials)的技術泛稱奈米科技(nanotechnology)，而此種奈米科技在各種產業的應用領域中正如火如荼地備受關注。

當尺寸縮小至奈米級時，材料的物理、機械及化學等許多性質便與其為塊材時的特性有了差異。因此，除改變材料的組成以獲得不同材料應用需求上的性質外，也將可進一步藉由控制材料的大小與形狀，而有機會操控同一種材料的基本特性，如熔點、顏色、光、電、磁等性質。利用此特點，許多從前無法達成的高性能產品或技術將有機會在奈米科技的領域中實現。

一般而言，奈米材料的種類相當多，包含了金屬奈米材料、半導體奈米材料、結構奈米陶瓷、奈米高分子材料等，而其結構可分為零維、一維、二維等。為了增進奈米材料的基本特性而使其更能符合各種領域上的應用，業者藉由以其他多種材料及於奈米水平(nanometer level)使奈米材料複合化，而開發具先前未有的優異功能之新型材料。然而，在奈米材料複合化的技術上，如何讓不同物種 材料能達到奈米等極得均勻分散，以兼顧奈米複合材料中各奈米材料的原有特性以及強度，並且，基於量產化的考量，如何有效率地大量產製具有上述優異特性的奈米複合材料實為目前奈米材料在產業應用上負挑戰性且為現行製程上需克服的重大挑戰。

本發明提供一種奈米複合材料與奈米複合材料裝置，能夠以簡易的方式形成奈米複合材料與奈米複合材料，兼顧材料特性以及量產性。

本發明提供一種奈米複合材料與奈米複合材料的製作方法，能夠以簡易的方式形成具有優異特性的奈米複合材料與奈米複合材料。

本發明提出一種奈米複合材料與奈米複合材料裝置，適於將不同材料製備成奈米複合材料與奈米複合材料，奈米複合材料與奈米複合材料裝置包括加速內管以及集料外管。加速內管沿一旋轉軸線而設置，加速內管具有頂面、底面以及外周面，加速內管中分佈多個分別加速不同材料的管路，每一管路包括一進料口、一開設於外周面的出料口以及一連接於進料口與出料口之間的螺旋溝槽，不同材料分別經由管路加速而自出料口射出多種帶電的奈米材料。集料外管環設於加速內管的外周面，且集料外管適於沿著旋轉軸線而相對於加速內管移動，使得自外周面出射的奈米材料彼此結合地成型於集料外管的內壁上。

在本發明之一實施例中，上述之螺旋溝槽例如是自頂 面沿著一螺旋狀曲線往底面延伸。。

在本發明之一實施例中，上述之螺旋溝槽的截面積是隨著遠離頂面的距離增加而漸增。

在本發明之一實施例中，奈米複合材料裝置更包括一與集料外管連接的線性滑軌，線性滑軌平行旋轉軸線而設置，集料外管藉由線性滑軌而相對於加速內管進行往復移動

在本發明之一實施例中，奈米複合材料裝置更包括二電極片，其例如是分別環設在集料外管之外壁的上緣以及下緣，加速內管與集料外管之間構成一靜電場。

在本發明之一實施例中，奈米複合材料裝置更包括一螺旋線圈以及一接地桿，螺旋線圈包覆在集料外管之外壁上，且螺旋線圈的不同區段上分別具有一接點，接地桿可移動地分別與接點連接。

在本發明之一實施例中，上述之出料口包括一第一出料口以及一第二出料口，一第一材料經由第一出料口出射一第一奈米材料，一第二材料經由第二出料口出射一第二奈米材料，第一出料口與第二出料口對準，且第一出料口與第二出料口以同心圓的方式排列。

在本發明之一實施例中，奈米複合材料裝置更包括一電壓產生器，與加速內管連接，材料藉由電壓產生器而帶電。

在本發明之一實施例中，奈米複合材料裝置更包括一外容器，其中外容器具有一容置空間以及一活動外蓋，加 速內管以及集料內管收納於容置空間內，且容置空間藉由活動外蓋的關閉而形成密閉空間。

本發明另提出一種奈米複合材料，其是由上述之奈米複合材料裝置而製得。

在本發明之一實施例中，上述之奈米複合材料為實心奈米纖維、中空奈米纖維或是奈米微粒。

本發明另提出一種奈米複合材料的製作方法，其適於經由上述之奈米複合材料裝置進行製作，奈米複合材料的製作方法包括下列步驟。首先，於不同的進料口分別提供一第一材料以及一第二材料。之後，藉由旋轉加速內管所產生的離心力使得第一材料以及第二材料分別於螺旋溝槽中加速而自出料口射出多種帶電的奈米材料並利用電場作用來使得奈米材料與奈米複合材料獲得相當程度之牽伸，進而得到一奈米級之奈米材料與奈米複合材料。奈米材料在平行旋轉軸線的方向上相對於集料外管移動，且奈米材料彼此結合並成型一奈米複合材料於集料外管的內壁上。

在本發明之一實施例中，上述使奈米材料帶電的方法包括在進料口提供第一材料以及第二材料之前，例如先藉由一電壓產生器而將正負電荷導入第一材料以及第二材料中。

在本發明之一實施例中，上述使奈米材料在平行旋轉軸線的方向上相對於集料外管移動的方法例如是將集料外管與一線性滑軌連接，其中線性滑軌平行於旋轉軸線，集料外管藉由線性滑軌而相對於加速內管進行往復運動。

在本發明之一實施例中，上述使奈米材料在平行旋轉軸線的方向上相對於集料外管移動的方法例如是先於集料外管之外壁的上緣以及下緣上分別設置一帶電的電極片，使得加速內管與集料外管之間構成一靜電場。接著，自出料口射出的奈米材料例如是藉由靜電場而相對於集料外管而作移動。

在本發明之一實施例中，上述使奈米材料在平行旋轉軸線的方向上相對於集料外管移動的方法例如是先於集料外管的外壁上包覆一帶電的螺旋線圈，其中螺旋線圈在平行旋轉軸線上的不同區段具有一接點，且螺旋線圈與加速內管之間形成一靜電場。之後，以一接地桿接觸螺旋線圈的其中之一接點，使此處形成靜電場中的極大值，自出料口出射的奈米材料朝向與接地桿接觸之接點的方向而射出。

在本發明之一實施例中，上述之自進料口所提供之第一材料以及第二材料例如為連續進料，自出料口射出的奈米材料與奈米複合材料形成奈米纖維，而於集料外管的內壁上形成不織布型態的奈米纖維複合材料。

在本發明之一實施例中，上述之第一材料例如是自對應之出料口出射一第一奈米材料，而第二材料例如是自對應之出料口出射一第二奈米材料，此時第二奈米材料可以是包覆第一奈米材料。

在本發明之一實施例中，上述之自進料口所提供之第一材料以及第二材料例如為分段進料，自出料口出射的第 二奈米材料完全包覆第一奈米材料而共同構成微粒型態的奈米球複合材料。

在本發明之一實施例中，上述之第一材料可以是有機材料或是無機材料。

在本發明之一實施例中，上述之第二材料可以是有機材料或是無機材料。

在本發明之一實施例中，上述之第一材料之熔點或玻璃轉移溫度例如小於第二材料為之熔點或玻璃轉移溫度，或是第一材料之熔點或玻璃轉移溫度大於第二材料為之熔點或玻璃轉移溫度。

在本發明之一實施例中，在不同的進料口提供第一材料以及第二材料的步驟中，更包括同時提供一第三材料，而第一材料、第二材料以及第三材料自對應之出料口出射時，是以彼此交替排列的方式構成奈米複合材料。

本發明另提出一種奈米材料裝置，其適於將一材料製備成奈米材料，奈米材料裝置包括一加速內管本體以及一加速內管蓋體。其中，加速內管本體沿一旋轉軸線而設置，加速內管具有芯部以及外周面，加速內管本體中分佈多個加速材料的管路，其中這些管路包括一位於芯部的進料口、多個開設於外周面的出料口以及多個連接於進料口與出料口之間的溝槽，這些溝槽位於加速內管本體的同一平面上並被暴露出來，此材料經由這些管路加速而自出料口出射的一奈米材料。加速內管蓋體覆蓋被暴露出來的溝槽，並可拆卸地裝設於加速內管本體上。

在本發明之一實施例中，上述之溝槽實質上位於加速內管本體的頂面，且例如呈放射狀自芯部往外周面放射。

在本發明之一實施例中，上述之每一溝槽例如是沿著同一平面而自芯部沿著一螺旋狀曲線往外周面延伸。

在本發明之一實施例中，上述之加速內管蓋體覆蓋溝槽的一側例如具有平滑的表面。

在本發明之一實施例中，上述之材料例如具有反應性，且此材料在溝槽中一邊被加速並一邊進行反應，而自出料口獲得官能基化之奈米材料。

在本發明之一實施例中，上述之奈米材料裝置還可以包括多個導電噴嘴，每一導電噴嘴設置於每一出料口並帶電，奈米材料經由導電噴嘴而自出料口出射帶電的奈米材料。在一實施例中，奈米材料裝置更可以包括一旋轉軸、一導電環以及多個導電片，其中旋轉軸之中心線與旋轉軸線對齊，加速內管本體固定於旋轉軸，導電環環設於旋轉軸，每一導電片位於每一出料口與對應之噴嘴之間，導電片藉由導電環傳遞電荷至導電噴嘴。

在本發明之一實施例中，上述之奈米材料裝置更包括一集料外管，環設於加速內管本體的外周面，集料外管適於沿著旋轉軸線而相對於加速內管移動，使得自外周面出射的奈米材料彼此結合地成型於集料外管的內壁上。並且，集料外管還可以帶有電荷，加速內管本體與集料外管之間構成一靜電場。此外，集料外管之內壁亦可以具有一預定圖案，使得成型於集料外管的奈米材料在成型後具有 與預定圖案相同之圖案。

本發明另提出一種奈米材料，其是由上述之奈米材料裝置而製得。

在本發明之一實施例中，上述之奈米材料例如為官能基化之奈米材料。

基於上述，本發明之奈米複合材料裝置以及奈米複合材料的製作方法利用加速內管的離心力與電場作用來使得奈米材料與奈米複合材料獲得相當程度之牽伸，而使得不同材料形成尺寸縮小至奈米級的奈米材料，且在加速內管中藉由螺旋凹槽的適當配置，可以讓不同的奈米材料自加速內管出射後彼此均勻地分散，並且集料外管搭配適當的結構，可以使得奈米材料彼此結合而在成型於集料外管時，除了以徑向的運動方式外，更輔以軸向的運動方式形成集料外管，如此，在以本發明之奈米複合材料裝置所形成的奈米複合材料的組成物中，不同的奈米材料彼此交織程度高而具有優異的特性。在部分實施例中，藉由改變供料的速度控制、偏壓、溶劑極性、反應液黏度等，還可以選擇性地形成具微粒狀的奈米複合球，應用於顯示領域中。此外，由於奈米材料裝置中的加速內管本體具有位於同一平面且被暴露出來的溝槽，並且加速內管蓋體是可拆卸地覆蓋在這些溝槽上，因此本發明之奈米材料裝置亦同時兼具易維護性，進而縮短機台維護時程並維持奈米材料的產品良率。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特 舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

第一實施例

本發明之第一實施例主要是提出一種新穎且簡易的直接形成方式，利用加速內管的離心力並利用電場作用來使得奈米材料與奈米複合材料獲得相當程度之牽伸，用以將不同材料製造出奈米材料的結構，並在形成不同的奈米材料時，同時讓不同的奈米材料均勻混合，而形成高度分散且結構強度優異的奈米複合材料。

圖1為本發明之第一實施例之奈米複合材料裝置的上視圖以及側視圖。請參照圖1，奈米複合材料裝置100適於將不同材料製備成奈米複合材料，且奈米複合材料裝置100主要是由加速內管110以及集料外管120所構成，在本實施例中，加速內管110以及集料外管120例如是收納於一具有容置空間S的外容器130中，且外容器130具有一位於側表面的活動外蓋132，可以讓加速內管110以及集料外管120在製作奈米複合材料時藉由活動外蓋132的關閉而與外界隔絕，以進一步提昇產品的品質，當然，在一些特殊的製程需求中，亦可以於此密閉的容置空間S，輔以氮氣或其他氣體來作為循環氣體或是反應氣體，本發明並不限定加速內管110以及集料外管120的製作環境。

圖2進一步繪示圖1之奈米複合材料裝置的局部放大透視圖。請參照圖2，加速內管110沿一旋轉軸線A1而設置，集料外管120環設於加速內管110，且集料外管120 例如連接於一線性滑軌140，此線性滑軌140是平行旋轉軸線A1而設置的，此集料外管140的運動方式可以是旋轉、上下移動、或是以一特定函數進行動作。在實務上，此集料外管120可以藉由外接步進馬達而在線性滑軌140移動，使得集料外管120藉由線性滑軌140沿著旋轉軸線A1而相對於加速內管110移動，而集料外管120在奈米複合材料裝置100的運動軌跡如圖2中的瞬時位置PA、瞬時位置PB以及瞬時位置PC所示。

更具體而言，圖3為本發明之第一實施例的加速內管透視圖。請參照圖3，加速內管110之外觀例如為一圓柱型，且加速內管110具有頂面110T、底面110B以及連接頂面110T與底面110B的外周面110S，其中外周面110S面向集料外管120的內壁(繪示於圖2)。如圖3所示，加速內管110中分佈多個分別加速不同材料的管路150，每一管路150包括一與頂面110T連接的進料口152、一開設於外周面110S的出料口154以及一連接於進料口152與出料口154之間的螺旋溝槽156，而螺旋溝槽156例如是自頂面110T沿著一螺旋狀曲線往底面110B延伸，且在本實施例中，螺旋溝槽156的截面積可以是彼此相等，在其他實施例中，螺旋溝槽156的截面積也可以是例如是隨著遠離頂面110T的距離增加而漸增，本發明並不以此為限。請同時參照圖2與圖3，在實際的運作過程中，加速內管110以旋轉軸線A1為中心而高速旋轉，當不同材料自進料口152而分別流入不同的螺旋溝槽156後，藉由加速內管 110高速旋轉的離心力而使得材料於螺旋溝槽156的流動過程中獲取足夠的能量，再自開孔於外周面110S的出料口154以高速噴向集料外管120的內壁上。

請參照圖3，奈米複合材料裝置100還可以選擇性地設置一與加速內管110連接的電壓產生器158，使得不同材料藉由電壓產生器158而帶電，以讓奈米材料在自出料口154出射後帶電。詳細而言，在本實施例中，這些材料例如是以流體的形式而被輸送至加速內管110的進料口152，在例如先將材料置於一活塞泵內，並將活塞泵與此電壓產生器158連結，以將靜電電荷導入材料中，而使得材料帶電，並自出料口154射出。

值得注意的是，螺旋溝槽156的長度、曲率或孔徑可依據各材料的黏度、進料速度等特性、或是不同材料之間的反應特性而經過適當設計的尺寸，使得不同材料經由各自的螺旋溝槽156加速後，得以自對應的出料口154噴出不同材料組成的奈米材料與奈米複合材料，並且藉由不同出料口154之間的相對關係，可以改變奈米材料與奈米複合材料中各材料之間的構成型態。舉例而言，圖4繪示本發明之第一實施例中一種奈米材料與奈米複合材料裝置的出料口設計，其中為了方便說明，而省略了一些可能元件的繪示。如圖4所示，出料口154包括一第一出料口154A、一第二出料口154B以及一第三出料口154C，其中第一材料160A經由第一出料口154A射出第一奈米材料162A，第二材料160B經由第二出料口154B射出第二奈米材料 162B，而第三材料160C經由第三出料口154C射出第三奈米材料162C，由於在本實施例中的第一出料口154A、第二出料口154B與第三出料口154C相互對準，且第一出料口154A、第二出料口154B以及第三出料口154C是以同心圓的方式排列。因此第一奈米材料162A、第二奈米材料162B以及第三奈米材料162C在自出料口154射出後即構成一以同心圓方式排列的奈米纖維複合材料。在其他實施例中，第一奈米材料162A、第二奈米材料162B以及第三奈米材料162C在自出料口154射出後亦可以是以多個同心圓的方式作排列，本發明並不以此為限。

當然，在一些較為特殊的奈米材料與奈米複合材料中，設計者也可以依據材料特性而讓多種材料在出料口154區段先行混合或者是再進行反應後，再一起自加速內管110的外周面110S噴出，換言之，本發明之奈米複合材料裝置100可以視其應用領域而適時調整加速內管110內部的結構，並不限定於本實施例所揭露的範圍。

基於進一步增強奈米複合材料之結構強度的考量，更可以於集料外管120的外壁上設置電極片170，如圖5A所示，圖5A繪示本發明之第一實施例中一種奈米複合材料裝置的局部放大示意圖，並且為了清楚說明，集料外管120是以透視的方式呈現，並省略了其他可能構件的標示。請參照圖5A，電極片170例如是分別環設在集料外管120之外壁的上緣120U以及下緣120B，在本實施例中，自出料口154出射後的奈米材料帶電，此時可施予一反向電荷 於該些電極片170上，使得加速內管110與集料外管120之間構成一強靜電場E，如此一來，帶電的奈米材料自出料口154射出後受到此強靜電場E的作用，而進一步的加速以及改變射出方向，使得成型於集料外管120之內壁上的奈米複合材料分佈更廣，彼此交織更為緊密，進而使得奈米複合材料的強度更為強韌。此外，奈米材料中所殘留的些許溶劑亦可在此空間中揮發，在實際的應用層面中，當以高分子流體作為奈米材料時，可選擇性地在此空間中通入適當的載體氣體(carrier gas)以適時載送溶劑或是讓此空間的溫度下降，而進一步提昇高分子材料凝結成絲的效率。亦或是通入反應性氣體讓奈米材料與奈米複合材料行進行反應，進而獲得官能基化之奈米材料與奈米複合材料。

除了上述的方式之外，圖5B繪示本發明之第一實施例中一種奈米複合材料裝置的局部放大示意圖，其亦可以藉由改變靜電場的方式來調變帶電之奈米材料在集料外管120之空間中的成型結構。請參照圖5B，為了清楚說明，集料外管120是以透視的方式呈現，並省略了其他可能構件的標示。如圖5B所示，奈米複合材料裝置還可以包括包覆在集料外管120之外壁上的螺旋線圈180以及一接地桿182，其中螺旋線圈180的不同區段上分別具有一接點，如圖中的接點P1、接點P2、接點P3以及接點P4。特別的是，接地桿182可移動地與不同的接點P1、P2、P3、P4連接，其中接點P1、接點P2、接點P3以及接點P4的設置位置例如是平行於旋轉軸方向而設置的。

如圖5B所示，在本實施例中，自出料口154出射後的奈米材料例如帶負電，此時可施予一負電荷於螺旋線圈180上，使得加速內管110與集料外管120之間構成一強靜電場E。此時，藉由接地桿182接觸不同的接點而使得該處與自加速內管110之奈米材料之間形成該靜電場中的極大值，如此一來，自出料口154出射的奈米材料會朝向與接地桿182接觸之接點的方向而射出。在實際的應用層面上，藉由快速地變換接地桿182與螺旋線圈180接點的連接位置P，自出料口154出射的奈米材料可以快速地調變其在集料外管120上的沈積位置，換句話說，利用加速內管110的高速旋轉可以讓多種奈米材料以圓周的方式成型於集料外管120上，同時，利用調變靜電場的方式同時可讓多種奈米材料亦可沿著軸向方向而成型於集料外管120上，如此，在集料外管120上形成奈米複合材料彼此交織且結構強度高的二維以上奈米複合材料。

為進一步說明本發明的技術內容，下文更搭配圖6A~6C來說明本實施例之奈米複合材料的製造方法，而其例如是利用上述之奈米複合材料裝置100來進行製作的。

請參考圖6A~6C，其依序繪示本發明之第一實施例的一種奈米複合材料的製作流程示意圖。如圖6A所示，於不同的進料口152分別提供一第一材料160A以及一第二材料160B，如前述之方式，可以在此步驟中，利用電壓產生器158將靜電電荷導入第一材料160A以及第二材料160B中，而使其帶電。之後，如圖6B所示，藉由旋轉加 速內管110所產生的離心力使得第一材料160A以及第二材料160B分別於螺旋溝槽156中加速而自出料口154出射多種帶電的奈米材料。

接著，如圖6C所示，奈米材料在平行旋轉軸線A1的方向上相對於集料外管120移動。舉例而言，圖中的集料外管120例如藉由一平行於旋轉軸線A1的線性滑軌140而相對於加速內管110向下移動，當然，如前述的方式奈米材料與集料外管120之間的相對運動亦可藉由改變靜電場的方式來達成，或者將線性滑軌140的機械方式與改變靜電場的電場方式併用，本發明並不以此為限。藉此，自出料口154出射的帶電奈米材料彼此結合並成型一奈米複合材料於集料外管120的內壁上。

值得一提的是，如前述之圖6A~圖6C的奈米複合材料製作方式中，當自進料口152所提供之第一材料160A以及第二材料160B例如為連續進料，自出料口154出射的奈米材料形成奈米纖維，而於集料外管120的內壁上形成不織布型態的奈米纖維複合材料，其中奈米纖維中的不同材料之間例如是以同心圓的方式排列。當然，奈米纖維的各材料之截面積中心亦可以偏移，本發明並不限定奈米材料的構成型態。此時，第一材料160A與第二材料160B之材質可以依據來不同的產業領域而選自有機材料或是無機材料，其中實際適用的有機材料材質包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、耐龍(Nylon)、聚酯(PET)、聚丙烯腈(polyacrylonitrile，PAN)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、 嫘縈(Rayon等，而實際適用的無機材料材質包括玻璃纖維、二氧化矽、二氧化鈦、金、銀、奈米碳管、奈米碳球等各種金屬、金屬氧化物、陶瓷氧化物與碳化物等。此外，有機金屬鹽類亦適用於其當中此材料材質可為Me(R)₄ (Me可為Ti、Si等，R可為OC_X H_2X+1 、Cl、Br等)。

特別值得注意的是，在強大的離心力下配合著電場作用，會使得某些材料在此作用力的牽伸下進而影響結晶行為變化。這些材料例如有機材料材當中的聚碳酸酯(PC)、聚乳酸(PLA)、聚丙烯腈(polyacrylonitrile，PAN)、聚醚醚酮(Polyether Ether Ketone，PEEK)等。

此外，還可以刻意以一熔點或是玻璃轉移溫度較低者的第二材料160B與一熔點或是玻璃轉移溫度較高的第一材料160A形成奈米複合材料，並且在形成此奈米複合材料之後，更包括進行一溫度高於第二材料160B之熔點的加熱製程，經過此加熱製程後，第二材料160B可以轉變為第一材料160A之間的黏著劑，進而提昇奈米複合材料的結構強度。承上述，若將160B與160A調換，再經由高溫處理後即可獲得”中空結構”之奈米纖維。

此外，若是將第二材料160B以碳纖維之三大母材，如聚丙烯腈(PAN)、瀝青(Pitch)或嫘縈(Rayon)來將第一材料160A之無機材料給包覆，再經由碳化處理後即可獲得具有高強度高結晶性及具有多功能性之複合碳纖維。在一些顯示器的應用領域中，本發明之奈米複合材料裝置所形成的奈米複合材料亦可作為一種適用於電子紙顯示器的顯示微粒。 詳言之，在前述之圖6A~圖6C的奈米複合材料製作方式中，可將自進料口152所提供之第一材料160A以及第二材料160B以分段的方式進料，如圖7所示，圖7繪示本發明之第一實施例的奈米複合材料。請參照圖7，自出料口154射出的第二奈米材料162B完全包覆第一奈米材料162A而共同構成微粒型態的奈米球複合材料，此時第一材料160A例如具有碳黑的顯示介質，而第二材料160B例如為包覆上述第一材料160A的高分子披覆膜。

當然，利用本發明之奈米複合材料裝置所形成之奈米複合材料亦可視需求而應用於生物醫藥領域中。在此種應用中，如圖7所示，可挑選具有生物相容性或具某些特殊性質之材料作為第二材料160B，並選用具有磁性、光電特性或是藥物之材料作為第一材料160A，藉由前述之奈米複合材料裝置，在出料口會形成以具生物相容性或具某些特殊性質之第二奈米材料162B包覆具有磁性、光電特性或是藥物之第一奈米材料162A，所形成之奈米複合材料即可應用在藥物釋放物、細胞組織標或是光電材料等。

第二實施例

本發明之第二實施例主要是提出一種新穎、簡易且具易維修性之直接形成奈米材料的奈米材料裝置。在一方面，利用加速內管的離心力來使得奈米材料獲得相當程度之牽伸，以獲得高度分散且結構強度優異的奈米材料。在另一方面，將用以加速材料之溝槽設置於加速內管本體中 的同一平面上，使該些溝槽被暴露出來，並於該些被暴露出來的溝槽上裝設可拆卸式的加速內管蓋體。如此，本發明之第二實施例的奈米材料裝置更可進一步兼顧機台的易維護性，使得奈米材料裝置在經一段時間運作後，能簡易地進行拆卸、維護與組裝，進而維持奈米材料的產品良率。

圖8A與8B為本發明第二實施例之奈米材料裝置的局部外觀示意圖以及局部透視圖，其中為使說明更為清晰，將圖8B透視圖中之位於加速內管本體上的凹槽形狀以實線表示，並將位於其上的構件以需線的方式作呈現。此外，為清楚說明，在圖8A與圖8B中僅繪示該些不同於第一實施例的構件，例如加速內管的設計型態，而省略其他可能構件的繪示，例如集料外管、外容器等。進一步而言，本實施例之奈米材料裝置200僅繪示加速內管210的設計型態，其可單獨被使用來製造奈米材料。當然，本實施例之奈米材料裝置200亦可以將繪示於圖2中的加速內管110取代為圖8A與8B中的加速內管210而構成另一型態之奈米材料裝置200來實施，以下將逐一說明。

請參照圖8A與圖8B，本實施例之奈米材料裝置200適於將一材料製備成奈米材料，且奈米材料裝置200中的加速內管210之外觀例如為一圓盤型。在本實施例中，奈米材料裝置200主要是由加速內管本體220與加速內管蓋體230所構成。其中，加速內管本體220沿一旋轉軸線A1而設置，加速內管210具有芯部210C以及外周面210S，其中外周面210S面向集料外管120的內壁(繪示於圖2)。 如圖8A與圖8B所示，加速內管本體220中分佈多個加速材料的管路240，其中這些管路240包括一位於芯部210C的進料口242、多個開設於外周面210S的出料口244以及多個連接於進料口242與出料口244之間的溝槽246，特別的是，這些溝槽246位於加速內管本體220的同一平面上並被暴露出來，形成奈米材料之原料是經由這些管路240加速而自出料口244出射的一奈米材料(圖未示)。值得一提的是，加速內管蓋體230覆蓋被暴露出來的溝槽246，並可拆卸地裝設於加速內管本體220上。藉此，奈米材料裝置200可以在簡易地拆卸加速內管蓋體230後，輕易地維護加速內管本體220中的該些溝槽246，以維護奈米材料裝置200並提高生產效率與品質。

請繼續參照圖8A與圖8B，實務上基於進一步增強奈米複合材料之結構強度的考量，在本實施例中，奈米材料裝置200還可以在每一出料口244設置帶電的導電噴嘴250，使得奈米材料自出料口244出射時藉由帶電的導電噴嘴250而帶電，在本實施例中，導電噴嘴250具有一針頭252，而奈米材料自導電噴嘴250的針頭252出射並帶電。具體而言，如圖8A與圖8B所示，奈米材料裝置200更可以包括一固定加速內管本體220的旋轉軸260、導電環253以及多個導電片254，其中旋轉軸260之中心線與旋轉軸線A1對齊，換言之，在實際運作時，旋轉軸260帶動加速內管210使其沿著旋轉軸260之中心線作旋轉。此外，導電環253環設於旋轉軸260，而每一導電片254位於每 一出料口244與對應之噴嘴之間，實務上導電環253例如是與一外加電壓產生器158(繪示於圖3)連接，用以將電荷經由導電片254傳遞至導電噴嘴250並自其針頭252出射，以賦予出射的奈米材料帶電。

當然，本實施例之奈米材料裝置200亦可以參照第一實施例之奈米複合材料裝置選擇性地於加速內管210的外周面210S環設一集料外管(繪示於圖2)，並且集料外管的型態以及設計考量請參照前述第一實施例所揭露之內容。請參照圖2、圖8A與圖8B，簡言之，集料外管120可以被施予一相對於帶電奈米材料的反向電荷，而於加速內管210與集料外管120之間形成一強靜電場E，進而使成型於集料外管120之內壁上的奈米材料分佈更廣，彼此交織更為緊密，強化奈米材料的強度。再者，更可以參照第一實施例之奈米材料裝置100選擇性地加裝線性滑軌140以使集料外管120與加速內管210產生相對運動，進一步強化奈米材料編織的強度。此外，集料外管120之內壁亦可以具有一預定圖案，使得成型於集料外管的奈米材料在成型後具有與預定圖案相同之圖案。舉例而言，預定圖案可以是網狀圖案、圓形圖案或是多角型圖案。

圖9A與圖9B分別繪示本發明第二實施例之加速內管本體的一種上視圖。請參照圖9A，這些溝槽246實質上位於加速內管本體220的頂面，且例如呈放射狀自芯部210C往外周面210S放射。請參照圖9B，每一溝槽246例如是沿著同一平面而自芯部210C沿著一螺旋狀曲線往外周面 210S延伸。換言之，對於每一溝槽246而言，螺旋狀曲線的曲率半徑隨著材料在溝槽246中行進路徑的增加而增加。

如圖9B所示，加速內管210中分佈多個分別加速材料270A的管路240，在實際的運作過程中，加速內管210以旋轉軸線A1為中心而高速旋轉，當材料270A自進料口242流入不同的溝槽246後，藉由加速內管210高速旋轉的離心力而使得材料270A於溝槽246的流動過程中獲取足夠的能量，再自開孔於外周面210S的出料口244以高速噴出。值得注意的是，溝槽246的長度、曲率或孔徑可依據各材料的黏度、進料速度、加速內管210尺寸以及溝槽246數量等特性來作適當調整、或者是當材料為多種具反應特性的材料270A所組成時，設計者亦可依據該些材料之間的反應特性來設計溝槽246的型態，使得材料270A經由溝槽246加速後，得以自對應的出料口244噴出不同材料組成以及不同構成型態的奈米材料。

微觀而言，當材料270A中的一質點自進料口242流入加速內管本體220時，由於該質點在加速內管本體220的初始速度較小，因此該質點在鄰近進料口242的溝槽246上游側的曲率半徑較小，隨著該質點在溝槽246中的流動路徑增加，該質點自高速旋轉的加速內管210逐漸獲取足夠的能量來加速該質點的流動速度，使得該質點在鄰近出料口244之溝槽246的下游側的曲率半徑較大。因此，本實施例之奈米材料裝置200中的溝槽246的形狀亦可以依 據一質點在一旋轉物體中的平面運動軌跡來進行設計。

圖10繪示本發明第二實施例之奈米材料裝置中加速內管的爆炸示意圖。請參照圖10，加速內管蓋體230覆蓋溝槽246的一側例如具有平滑的表面，在其他實施例中，加速內管蓋體230覆蓋溝槽246的一側也可以設置對應每一溝槽246的凹槽，以增加材料在溝槽246中的流動管徑，本發明並不限定加速內管蓋體230的設計型態。值得一提的是，在一些需經由具有反應特性之材料270A來形成的奈米材料的應用中，溝槽246除了用以提供物理性的加速效果外，亦提供了該材料270A進行化學反應的管道，使得經化學反應的生成物在溝槽246中直接加速並自出料口244噴出而形成奈米材料。易言之，本實施例之奈米材料裝置200可以處理具有反應性之材料270A，使得此反應性的材料在溝槽246中一邊被加速並一邊進行反應，而自出料口244獲得官能基化之奈米材料。

然而，在處理上述具有反應性材料的應用領域中，由於化學反應不可避免地會產生一些副產物或者因熱力學上或是動力學上的限制，而使得副產物、未反應完全的反應物或者未流出之生成物殘留於溝槽246內壁上，致使加速內管本體220的溝槽246造成堵塞，影響後續材料的流動性以及奈米材料的產出。因此，本實施例之奈米材料裝置200的溝槽246設計是沿著加速內管本體220同一平面的頂面上而設置，且當加速內管蓋體230與加速內管本體220彼此分離後，這些溝槽246暴露於外界的，因此在執行維 修工作時，使用者可以以簡易的步驟將加速內管蓋體230自加速內管本體220的頂面上拆卸下來，再進行清洗步驟以清潔加速內管本體220中的溝槽246以及加速內管蓋體230的平滑表面。

值得注意的是，在本實施例中，自進料口242提供之材料270A可以是單獨一種材料或是多種材料，而自出料口244噴出之奈米材料形態可以是單一材料所構成的奈米材料，或者是由多種材料所構成的奈米複合材料、或者是官能基化之奈米材料，本發明並不用以限定自出料口244噴出之奈米材料的構成態樣。舉例而言，自進料口242提供之材料270A可以如第一實施例所揭示之材料，或是選自有機金屬前驅鹽、高分子材料或是有機物與無機物之混合物所組成的群組之一，而自出料口244射出之奈米材料例如是金屬、金屬氧化物陶瓷材料、高分子聚合物或是有機/無機之混合物，且奈米材料之形態可以是奈米纖維、奈米球複合材料等，但本發明並不以此為限。

因此，本發明之第一實施例中的奈米複合材料裝置、奈米材料裝置以及奈米複合材料的製作方法以及第二實施例之奈米材料裝置以及奈米材料至少以下所述之優點的一部份或全部：

1.奈米複合材料裝置利用加速內管的離心力而使得不同材料形成尺寸縮小至奈米級的奈米材料，並且在加速內管中藉由螺旋凹槽的適當配置，可以讓不同的奈米材料自加速內管出射後彼此均勻地分散。

2.奈米複合材料裝置或奈米材料裝置之集料外管搭配適當的結構，可以使得奈米材料彼此結合而在成型於集料外管時，除了以徑向的運動方式外，更輔以軸向的運動方式形成集料外管。

3.奈米複合材料的組成物中，不同的奈米材料彼此交織程度高而具有優異的特性。在部分實施例中，藉由供料的速度控制，還可以選擇性地形成具微粒狀的奈米複合球，應用於顯示、生醫材料或是觸媒應用中。

4.奈米材料裝置藉由將溝槽設置在加速內管本體的同一平面上並被暴露於外界，因此在進行奈米材料裝置的定期維護或維修的工作時，使用者可以以簡易的步驟輕易地進行奈米材料裝置的維護，進而維持奈米材料的良率以及提升奈米材料產品的品質。

100‧‧‧奈米複合材料裝置

110、210‧‧‧加速內管

110B‧‧‧底面

110S、210S‧‧‧外周面

110T‧‧‧頂面

120‧‧‧集料外管

120B‧‧‧下緣

120U‧‧‧上緣

130‧‧‧外容器

132‧‧‧活動外蓋

140‧‧‧線性滑軌

150、240‧‧‧管路

152、242‧‧‧進料口

154、244‧‧‧出料口

154A‧‧‧第一出料口

154B‧‧‧第二出料口

154C‧‧‧第三出料口

156‧‧‧螺旋溝槽

158‧‧‧電壓產生器

160A‧‧‧第一材料

160B‧‧‧第二材料

160C‧‧‧第三材料

162A‧‧‧第一奈米材料

162B‧‧‧第二奈米材料

162C‧‧‧第三奈米材料

170‧‧‧電極片

180‧‧‧螺旋線圈

182‧‧‧接地桿

200‧‧‧奈米材料裝置

220‧‧‧加速內管本體

230‧‧‧加速內管蓋體

210C‧‧‧芯部

246‧‧‧溝槽

250‧‧‧導電噴嘴

252‧‧‧針頭

253‧‧‧導電環

254‧‧‧導電片

260‧‧‧旋轉軸

280‧‧‧奈米複合材料

270A‧‧‧材料

A1‧‧‧旋轉軸線

E‧‧‧靜電場

PA、PB、PC‧‧‧瞬時位置

P1、P2、P3、P4‧‧‧接點

S‧‧‧容置空間

圖1為本發明之第一實施例之奈米複合材料裝置的上視圖以及側視圖。

圖2進一步繪示圖1之奈米複合材料裝置的局部放大透視圖。

圖3為本發明之第一實施例的加速內管透視圖。

圖4繪示本發明之第一實施例的一種奈米複合材料裝置的出料口設計。

圖5A與圖5B分別繪示本發明之第一實施例的一種奈米複合材料裝置的局部放大示意圖。

圖6A~6C依序繪示本發明之一第一實施例的一種奈米複合材料的製作流程示意圖。

圖7繪示本發明之第一實施例的奈米複合材料。

圖8A與8B為本發明第二實施例之奈米材料裝置的局部外觀示意圖以及局部透視圖。

圖9A與圖9B分別繪示本發明第二實施例之加速內管本體的一種上視圖。

圖10繪示本發明第二實施例之奈米材料裝置中加速內管的爆炸示意圖。

110‧‧‧加速內管

110B‧‧‧底面

110S‧‧‧外周面

110T‧‧‧頂面

150‧‧‧管路

152‧‧‧進料口

154‧‧‧出料口

156‧‧‧螺旋溝槽

158‧‧‧電壓產生器

160A‧‧‧第一材料

160B‧‧‧第二材料

A1‧‧‧旋轉軸線

Claims (32)

1. 一種奈米複合材料裝置，適於將不同材料製備成奈米複合材料，該奈米複合材料裝置包括：一加速內管，沿一旋轉軸線而設置，該加速內管具有一頂面、一底面以及一連接該頂面與該底面的外周面，該加速內管中分佈多個分別加速不同材料的管路，每一管路包括一與該頂面連接的進料口、一開設於該外周面的出料口以及一連接於該進料口與該出料口之間的螺旋溝槽，該些材料分別經由該些管路加速而自該些出料口出射多種帶電的奈米材料；以及一集料外管，環設於該加速內管的該外周面，且該集料外管適於沿著該旋轉軸線而相對於該加速內管移動，使得自該外周面出射的該些奈米材料彼此結合地成型於該集料外管的內壁上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之奈米複合材料裝置，其中該些螺旋溝槽是自該頂面沿著一螺旋狀曲線往該底面延伸。
3. 如申請專利範圍第1項所述之奈米複合材料裝置，更包括一線性滑軌，與該集料外管連接，該線性滑軌平行該旋轉軸線而設置，該集料外管藉由該線性滑軌而相對於該加速內管進行往復移動。
4. 如申請專利範圍第1項所述之奈米複合材料裝置，更包括二電極片，分別環設在該集料外管之外壁的上緣以及下緣，該加速內管與該集料外管之間構成一靜電場。
5. 如申請專利範圍第1項所述之奈米複合材料裝置，更包括一螺旋線圈以及一接地桿，該螺旋線圈包覆在該集料外管之外壁上，且該螺旋線圈的不同區段上分別具有一接點，該接地桿可移動地分別與該些接點連接。
6. 如申請專利範圍第1項所述之奈米複合材料裝置，其中該些出料口包括一第一出料口以及一第二出料口，一第一材料經由該第一出料口出射一第一奈米材料，一第二材料經由該第二出料口出射一第二奈米材料，該第一出料口與該第二出料口對準，且該第一出料口與該第二出料口以同心圓的方式排列。
7. 如申請專利範圍第1項所述之奈米複合材料裝置，更包括一電壓產生器，與該加速內管連接，該些材料藉由該電壓產生器而帶電。
8. 如申請專利範圍第1項所述之奈米複合材料裝置，更包括一外容器，其中該外容器具有一容置空間以及一活動外蓋，該加速內管以及該集料內管收納於該容置空間內，且該容置空間藉由該活動外蓋的關閉而形成一密閉空間。
9. 如申請專利範圍第1項所述之奈米複合材料裝置，其中該奈米複合材料為實心奈米纖維、中空奈米纖維或是奈米微粒。
10. 一種奈米複合材料的製作方法，適於經由一如申請專利範圍第1項所述之奈米複合材料裝置進行製作，該奈米複合材料的製作方法包括： 於不同的進料口分別提供一第一材料以及一第二材料；藉由旋轉該加速內管所產生的離心力使得該第一材料以及該第二材料分別於該些螺旋溝槽中加速而自該些出料口出射多種帶電的奈米材料；以及該些奈米材料在平行該旋轉軸線的方向上相對於該集料外管移動；以及該些奈米材料彼此結合並成型奈米複合材料於該集料外管的內壁上。
11. 如申請專利範圍第10項所述之奈米複合材料的製作方法，其中使該些奈米材料帶電的方法包括：於該些進料口提供該第一材料以及該第二材料之前，藉由一電壓產生器而將正負電荷導入該第一材料以及該第二材料中。
12. 如申請專利範圍第10項所述之奈米複合材料的製作方法，其中使該些奈米材料在平行該旋轉軸線的方向上相對於該集料外管移動的方法包括：將該集料外管與一線性滑軌連接，其中該線性滑軌平行於該旋轉軸線，該集料外管藉由該線性滑軌而相對於該加速內管進行往復運動。
13. 如申請專利範圍第10項所述之奈米複合材料的製作方法，其中使該些奈米材料在平行該旋轉軸線上相對於該集料外管移動的方法包括：於該集料外管之外壁的上緣以及下緣上分別設置一 帶電的電極片，該加速內管與該集料外管之間構成一靜電場；以及自該些出料口出射的該些奈米材料藉由該靜電場而相對於該集料外管而作移動。
14. 如申請專利範圍第10項所述之奈米複合材料的製作方法，其中使該些奈米材料在平行該旋轉軸線上相對於該集料外管移動的方法包括：於該集料外管的外壁上包覆一帶電的螺旋線圈，其中該螺旋線圈在平行該旋轉軸線上的不同區段具有一接點，且該螺旋線圈與該加速內管之間形成一靜電場；以及以一接地桿接觸該螺旋線圈的其中之一接點，使得該處形成該靜電場中的極大值，自該些出料口出射的該些奈米材料朝向與該接地桿接觸之接點的方向而射出。
15. 如申請專利範圍第10項所述之奈米複合材料的製作方法，其中自該些進料口所提供之該第一材料以及該第二材料為連續進料，該些自出料口出射的奈米材料形成奈米纖維，而於該集料外管的內壁上形成不織布型態的奈米纖維複合材料。
16. 如申請專利範圍第10項所述之奈米複合材料的製作方法，其中該第一材料自對應之出料口出射一第一奈米材料，而該第二材料自對應之出料口出射一第二奈米材料，且該第二奈米材料包覆該第一奈米材料。
17. 如申請專利範圍第10項所述之奈米複合材料的製作方法，其中自該些進料口所提供之該第一材料以及該 第二材料為分段進料，該些自出料口出射的該第二奈米材料完全包覆該第一奈米材料而共同構成微粒型態的奈米球複合材料。
18. 如申請專利範圍第10項所述之奈米複合材料的製作方法，其中該第一材料為有機材料或無機材料。
19. 如申請專利範圍第10項所述之奈米複合材料的製作方法，其中該第二材料為有機材料或無機材料。
20. 如申請專利範圍第10項所述之奈米複合材料的製作方法，其中該第一材料之熔點或玻璃轉移溫度小於該第二材料為之熔點或玻璃轉移溫度，或是該第一材料之熔點或玻璃轉移溫度大於該第二材料為之熔點或玻璃轉移溫度。
21. 如申請專利範圍第10項所述之奈米複合材料的製作方法，於不同的進料口提供該第一材料以及該第二材料時更包括同時提供一第三材料，而該第一材料、該第二材料以及該第三材料自對應之出料口出射時，是以彼此交替排列的方式構成奈米複合材料。
22. 一種奈米材料裝置，適於將一材料製備成奈米材料，該奈米材料裝置包括：一加速內管本體，沿一旋轉軸線而設置，該加速內管具有一芯部以及一外周面，該加速內管本體中分佈多個加速該材料的管路，其中該些管路包括一位於芯部的進料口、多個開設於該外周面的出料口以及多個連接於該進料口與該些出料口之間的溝槽，該些溝槽位於該加速內管本 體的同一平面上並被暴露出來，該材料經由該些管路加速而自該些出料口出射的一奈米材料；以及一加速內管蓋體，覆蓋溝槽，並可拆卸地裝設於該加速內管本體上。
23. 如申請專利範圍第22項所述之奈米材料裝置，其中該些溝槽實質上位於該加速內管本體的頂面，且呈放射狀自該芯部往該外周面放射。
24. 如申請專利範圍第22項所述之奈米材料裝置，其中每一溝槽是沿著同一平面而自該芯部沿著一螺旋狀曲線往該外周面延伸。
25. 如申請專利範圍第22項所述之奈米材料裝置，其中該加速內管蓋體覆蓋該些溝槽的一側具有平滑的表面。
26. 如申請專利範圍第22項所述之奈米材料裝置，其中該材料具有反應性，且該材料在該些溝槽中一邊被加速並一邊進行反應，而自該些出料口獲得官能基化之奈米材料。
27. 如申請專利範圍第22項所述之奈米材料裝置，更包括多個導電噴嘴，每一導電噴嘴設置於每一出料口並帶電，該奈米材料經由該些導電噴嘴而自該些出料口出射帶電的奈米材料。
28. 如申請專利範圍第27項所述之奈米材料裝置，更包括一旋轉軸、一導電環以及多個導電片，其中該旋轉軸之中心線與該旋轉軸線對齊，該加速內管本體固定於該旋轉軸，該導電環環設於該旋轉軸，每一導電片位於每一出 料口與對應之噴嘴之間，該些導電片藉由該導電環傳遞電荷至該些導電噴嘴。
29. 如申請專利範圍第22項所述之奈米材料裝置，更包括一集料外管，環設於該加速內管本體的該外周面，該集料外管適於沿著該旋轉軸線而相對於該加速內管移動，使得自該外周面出射的該奈米材料彼此結合地成型於該集料外管的內壁上。
30. 如申請專利範圍第29項所述之奈米材料裝置，其中該集料外管帶有電荷，該加速內管本體與該集料外管之間構成一靜電場。
31. 如申請專利範圍第29項所述之奈米材料裝置，其中該集料外管之內壁具有一預定圖案，使得成型於該集料外管的該奈米材料在成型後具有與該預定圖案相同之圖案。
32. 如申請專利範圍第22項所述之奈米材料裝置，其中該奈米材料為官能基化之奈米材料。