TWI397467B - 合成導電複合材料的裝置和方法 - Google Patents

Description

合成導電複合材料的裝置和方法

本發明關於一種合成導電複合材料的裝置和方法，具體來說，關於一種通過將碳奈米管(carbon nanotubes，CNTs)與其他材料組合來合成具有增強的導電率的導電複合材料的裝置和方法。

碳奈米管(CNTs)由碳原子組成，每個碳原子與三個相鄰的碳原子結合形成六角蜂巢晶格。由於它們卓越的電、熱和機械特性，碳奈米管應用於場致發射裝置、電化學和能量存儲、微機電學系統、有機和無機複合材料等等多種工業領域中。

碳奈米管可以通過鐳射消融、電弧放電、化學氣相沉積(CVD)、碳氫化合物的高溫分解等技術合成。鐳射消融是利用雷射光束氣化包括與石墨粉以預定比例混合的金屬的樣品來合成碳奈米管。電弧放電技術是通過將電壓施加到具有不同直徑的碳棒上引起電弧放電，從而合成碳奈米管。在化學氣相沉積中，將氣態的源氣體注入反應器利用熱或電漿生成碳奈米管。此外，碳氫化合物的高溫分解是將液態或氣態的碳氫化合物和過渡金屬加入加熱的反應管中並將碳氫化合物分解，在氣態環境中形成碳奈米管。

如上所述形成的碳奈米管為導電材料。碳奈米管可以與聚合物結合產生導電複合材料，該導電複合材料可以廣泛用於分散靜電、阻隔電磁波等等。

本發明提供一種合成複合材料的裝置和方法，該裝置和方法能夠控制包含在複合材料中的碳奈米管的方位，該複合材料在碳奈米管和聚合物混合並注模之後生成，並因此合成具有減小的表面電阻和增強的導電率的複合材料。

本發明還提供一種合成複合材料的裝置和方法，該裝置和方法能夠通過為複合材料的各個部分調整電場的強度和方向、在注模過程中將具有已調整強度和方向的電場施加到位於與複合材料各部分對應的位置上的熔化了的丸粒(pellet)上來控制複合材料各部分的導電率，從而控制碳奈米管在複合材料的各部分中被排列在何種方向上。

然而，本發明的方面並不限於此處所述的內容。本發明的上述和其他方面對所屬技術領域的技術人員來說，通過參考以下對本發明的詳細說明將變得更顯而易見。

根據本發明的一個方面，提供一種用於合成導電複合材料的裝置。該裝置包括：注模機，其對通過混合碳奈米管和聚合物而生成的丸粒進行注模；以及電場產生器，其在對熔化的丸粒進行注模時將電場施加到熔化的丸粒上，從而重新排列包含在複合材料中的碳奈米管，熔化的丸粒被注模至複合材料中。

可以安裝多個電極板，以分別與複合材料的部分相對應。

電場產生器可以包括：一個或多個安裝在注模機出口並生成垂直電場的電極板；以及通過向各個電極板施加電流來控制碳奈米管方位的控制單元。

電場產生器可以包括：多個沿複合材料形狀安裝在注模機出口並產生電場的電極板；以及通過向各個電極板施加不同電流來控制複合材料各個部分具有不同導電率的控制單元。

根據本發明的另一個方面，提供一種合成導電複合材料的方法。該方法包括：將通過擠出碳奈米管和聚合物生成的丸粒注入注模機，並通過使用注模機對丸粒進行注模；將電場施加到由注模機進行注模的丸粒上，從而重新排列包含在複合材料中的碳奈米管，丸粒被注模至複合材料中。

根據本發明的另一個方面，提供一種合成導電複合材料的方法。該方法包括：通過使用擠出機擠出碳奈米管和聚合物，並模製丸粒；將丸粒注入注模機，並通過使用注模機對丸粒進行注模；以及在注模機的出口將電場施加到正在被注模的丸粒上，其中，為複合材料的各個部分調整電場的方向和強度，丸粒被注模至複合材料中，並且將具有已調整了方向和強度的電場施加到位於與複合材料各部分相對應的位置上的丸粒上，以使複合材料各個部分具有不同的表面電阻值和不同的導電率。

參照下文對示例性實施例及附圖的詳細說明，可以更容易地理解本發明及其實施方法的優點和特徵。然而，本發明可以用多種不同的方式來實施，不應解釋為僅限於此處所列舉的實施例。更確切地，提供這些實施例是為徹底且全面地揭露，並將向所屬技術領域的技術人員充分地傳達本發明的概念，本發明將僅由隨附申請專利範圍所限定。整篇說明書中相同的元件符號表示相同的元件。

應該理解，當元件被稱為“連接至”或“耦接至”另一元件時，其可以直接連接或耦接至其他元件或者也可以存在介於其間的元件。相反，當元件被稱為“直接連接至”或“直接耦接至”另一元件時，其間不存在元件。相似的數字在全文中表示相似的元件。如此處所使用的，詞彙“及/或”包括一個或多個列出的相關項目的任何及所有的組合。

應該理解，儘管“第一、第二、第三”等用語會被在此用來表述不同的元件、組件及/或部件，但這些元件、組件及/或部件不應被這些用語所限制。這些用語僅僅用來將一元件、組件、或部件與其它元件、組件、或部件相區別。因此，以下說明的第一元件、第一組件或第一部件可以表述成第二元件、第二組件或第二部件而不背離本發明的教示。

此處所用術語僅為說明特定實施例的目的，不用於限制本發明。如在此的使用中，除非上下文明確指出，單數形式「一」及「該」同樣也可以包含複數形式。還應該理解，說明書中用到的用語“包含”及/或“包括”表示指定的組件、步驟、操作及/或元件的存在，但也不排除一個或多個其它組件、步驟、操作、元件及/或其群組的存在或附加。

除非另外定義，本說明中用到的所有用語(包括技術和科學用語)都具有本發明所屬領域中熟習此項技藝者通常可理解的相同含義。還應該理解，例如那些在常用字典中被定義的用語應該解釋為具有與相關技術的上下文含義相符合的含義，並且不應理想化或過度形式上地解釋，除非在此清楚地定義。

以下，將參考附圖對本發明的示例性實施例進行更詳細的說明。

碳奈米管(Carbon nanotubes，CNTs)為導電材料。碳奈米管可以與聚合物結合，產生可廣泛用於分散靜電、阻隔電磁波等的導電複合材料。為了合成碳奈米管和聚合物的導電複合材料，使碳奈米管和例如聚碳酸酯(polycarbonates，PCs)的聚合物相互均勻混合，並接著進行注模。

圖5為通過使用擠出機50和注模機51合成導電複合材料的傳統裝置的示意圖。圖6為在圖5中對碳奈米管和聚合物進行注模時排列在一個方向的碳奈米管的示意圖。圖7為在圖6中注模後排列在一個方向的碳奈米管的拍攝圖，其中碳奈米管包含在碳奈米管和聚合物的複合材料中。

參照圖5，對碳奈米管和聚碳酸酯進行擠出和注模。具體說，在將碳奈米管和聚碳酸酯以預定比例注入擠出機50中時，擠出機50將碳奈米管和聚碳酸酯混合均勻，以將它們擠出。

在擠出機50將碳奈米管和聚碳酸酯擠出之後，會產生具有預定形狀的丸粒。生成的丸粒為具有預定形狀之顆粒的形式。將丸粒注入注模機51中，並從而模製成具有預定形狀的產品(即複合材料)。

聚碳酸酯和碳奈米管注模到其中的複合材料為具有卓越導電率能的導電複合材料。因此，如上所述，複合材料可以廣泛用於分散靜電、阻隔電磁波等。擠出過程之後生成的丸粒中所包含的碳奈米管隨機排列。然而，在注模過程中，碳奈米管可以因注射壓力而重新排列在一個方向上。

例如，參照圖6和圖7，包含在丸粒中的碳奈米管可以在被排列在一個方向上的時候因外部環境因素，例如注射壓力，而進行注模。在碳奈米管和聚合物注模到其中的複合材料中，碳奈米管可以排列在一個方向上。由於碳奈米管在一個方向排列，它們相互之間失去聯繫，從而增加了表面電阻。此外，碳奈米管和聚合物(例如PCS)複合材料的導電率降低。因此，複合材料作為導電複合材料的效果會被降低。

圖1為根據本發明的一個示例性實施例的用於合成導電複合材料的裝置的示意圖。參照圖1，根據本發明實施例的裝置可包括注模機100和電場產生器200。

注模機100接收由碳奈米管和聚合物擠出模製的丸粒，並利用加熱器130和螺桿110加熱從而熔化丸粒。注模機100使螺桿110旋轉，用以向螺桿110的前端供給熔化的丸粒。注模機100利用活塞120產生的高壓將熔化的丸粒通過出口140噴出。然後，噴出的熔化的丸粒被注入具有預定形狀的模具150中。因此，注入的熔化的丸粒在模具150中形成的腔180中冷卻，並固化成具有與腔180的形狀和大小相同的碳奈米管一聚合物複合材料。這裡，腔180的形狀做成與所需產品(即所需複合材料)相同的形狀。

在本實施例中，熔化的丸粒可以指注入注模機100的螺桿110並隨之熔化的丸粒(包括碳奈米管和聚合物)或注入模具150中尚未固化的丸粒。

電場產生器200在熔化的丸粒被模製成具有預定形狀的複合材料時向熔化的丸粒施加電場。在熔化的丸粒固化時，電場產生器200向熔化的丸粒施加電場，以重新排列包含在熔化的丸粒中的碳奈米管。例如，當包含碳奈米管和聚碳酸酯(即聚合物)的丸粒熔化後，如果熔化的丸粒正被注模時向熔化的丸粒施加電場，則碳奈米管的方位可以被改變，也就是說，碳奈米管因為注模過程中的流動和施加的壓力可以重新排列。

一般來說，當碳奈米管隨機排列時，它們相互接觸。因此，導電率增加，同時表面電阻降低。另一方面，當碳奈米管在一個方向上排列時，它們相互不接觸。因此，導電率降低，同時表面電阻增加。

在這點上，根據本發明實施例的電場產生器200可以在注模過程中向熔化的丸粒施加電場，以便重新排列碳奈米管。這樣，碳奈米管朝向一個方向的方位可以減少，同時促使碳奈米管具有相對等向性的方位。因此，導電率可以增加。

電場產生器200可以包括一個或多個電極板210、通過向電極板210施加電流或電壓來控制碳奈米管方位的控制單元220、以及向電極板210供電的供電單元230。

每個電極板210用作向熔化的丸粒施加電場的介質。電極板210可以鄰接出口140、模具150的閘門185、以及形狀與所需產品(即所需複合材料)相同的腔180安裝，其中，注模機100中的熔化的丸粒通過該出口140噴入模具150。出口140是熔化的丸粒被注模機100的螺桿110噴出所通過的口。閘門185用作模具150的入口和熔化的丸粒被注入模具150所通過的通道。腔180的形狀與最終生產的產品(即複合材料)相同。熔化的丸粒填充腔180並在腔180中固化。

為了使電極板210與周圍的金屬材料絕緣，每個電極板210可以用絕緣體密封。當電極板210與出口140或閘門185鄰接安裝時，可以向正在被快速通過窄出口140或閘門185傳送的熔化的丸粒施加電場。當電極板210與模具150中的腔180鄰接安裝時，可以向填充相對寬闊的腔180的熔化的丸粒施加寬電場。

如上所述，可以根據施加到熔化的丸粒上的電場的方向和強度安裝一個或多個電極板210。例如，當電極板210與出口140或閘門185鄰接安裝時，可以向熔化的丸粒施加相對較強的電場。當電極板210與模具150中的腔180鄰接安裝時，可以向熔化的丸粒施加相對較弱的電場。各電極板210可以用具有卓越導電率的金屬材料，例如銅或銀製成。

控制單元220控制施加到每個電極板210上的電場的強度。例如，當電極板210與出口140或閘門185鄰接安裝時，控制單元220可以對供電單元230加電，以施加相對較強的電場。控制單元220可以計算能引起包含在熔化的丸粒中的碳奈米管變得等向性(即，排列在所有的方向上)的電流量(例如，對應於擠出過程中施加的力的電流量)，並向熔化的丸粒施加對應於所計算的電流量的電場。例如，控制單元220可以計算施加到熔化的丸粒上的壓力或力作為電流量(該熔化的丸粒中，因為注模過程中施加在熔化的丸粒上的注射壓力，使碳奈米管排列在一個方向上)，並將計算的電流量施加到熔化的丸粒上以重新排列碳奈米管。

圖2為向圖1裝置中包含的電極板210施加電場的電場產生器200的方塊圖。

參照圖2，模具150的腔180可以填充熔化的丸粒，並且熔化的丸粒可以被模製成預定的產品(複合材料)。由於注模生產的產品可以具有複雜的形狀，所以碳奈米管的方位在注模過程中可以根據流動和施加到熔化的丸粒上的壓力在產品各個部分有所不同，熔化的丸粒位於與產品各個部分相對應的位置上。

因此，電極板210可以沿模具150中通過模製產生的的複合材料190的形狀排列，以便控制施加到位於與複合材料190各個部分相對應的位置上的熔化丸粒上的電場強度和方向。也就是說，通過向位於與複合材料190各個部分相對應的位置上的熔化丸粒施加不同的電場，可以控制複合材料190各個部分的導電率，從而在適合複合材料190各個部分的方向上重新排列碳奈米管。

例如，參照圖2，電極板210可以沿經注模形成的複合材料190的形狀排列，控制單元220可以通過調整施加到各個電極板210上的電流量控制複合材料190各個部分的表面電阻和導電率。

具體來說，當控制單元220要使複合材料190上表面的中心具有最大導電率同時要使複合材料190其他部分的導電率降低到預定水準時，其可以根據複合材料190各個部分所需的表面電阻值有差別地控制施加到安裝在複合材料190上表面中心的電極板210之一上的電流量和施加到其他電極板210上的電流量。這裡，通過使用導電率的倒數(siemens/m)來計算表面電阻值(0hn/sq)。因此，表面電阻值的減小可以引起導電率的增加。

當碳奈米管以等向性方式排列時，它們相互接觸，從而減小表面電阻。因此，包含碳奈米管的複合材料190的導電率可以增加。在本實施例中，由於在注模過程中向熔化的丸粒施加電場以重新排列碳奈米管，所以碳奈米管的等向性特性增加。這樣，就可以獲得具有降低的表面電阻和增加的導電率的複合材料190。由於增加的導電率，碳奈米管和聚合物複合材料的導電率也增加。也就是說，可以獲得更卓越的碳奈米管和聚合物導電複合材料。

用於製造場致發射顯示器(field emission displays，FEDs)或液晶顯示器(LED)一背光單元的絲網印刷方法也可以用於通過向碳奈米管施加電場來重新排列碳奈米管。因此，向碳奈米管施加電場以及因此重新排列碳奈米管的方法就不再詳述。

圖3A示意性表示由圖1裝置模製的碳奈米管310的排列。圖3B為由圖1裝置模製的碳奈米管310的拍攝圖。

參照圖3A，由圖1裝置模製的碳奈米管310可以隨機排列。雖然由傳統的裝置注模的碳奈米管以圖6所示的方向排列，但根據本實施例的碳奈米管310可以隨機排列，因為在注模過程中向熔化的丸粒施加了電場，以重新排列包含在熔化的丸粒中的碳奈米管。

參照圖3B，因為向碳奈米管310施加了電場，所以碳奈米管310隨機排列。具體說，形狀像細線的碳奈米管310隨機排列，同時保持相互接觸。

圖4為說明根據本發明的一個示例性實施例的合成導電複合材料的方法的流程圖。

參照圖4，通過使用擠出機使碳奈米管和聚合物相互混合，以產生丸粒(操作S410)。例如，當聚合物為聚碳酸酯時，將碳奈米管和聚碳酸酯注入圖5所示的擠出機50中。然後，在將碳奈米管和聚碳酸酯的混合物通過擠出機50的出口擠出到空氣中時使其冷卻。最後，將碳奈米管和聚碳酸酯的混合物切割成預定的大小，以生成丸粒。

將生成的丸粒注入注模機100中並接著進行注模(操作S420)。例如，當包含碳奈米管和聚碳酸酯(即聚合物)的丸粒被注入注模機100中時，注模機100將丸粒傳輸到模具150中，同時向丸粒施加預定的壓力，並將丸粒加熱到預定的溫度。之後，將模具150中熔化的丸粒模製成產品。這裡，通過模製熔化的丸粒製得的產品可以被視為碳奈米管和聚合物的複合材料。

在注模過程中，將電場施加到正在被傳輸或正在固化的熔化丸粒上，以重新排列包含在熔化的丸粒中的碳奈米管(操作S430)。這裡，電場產生器220可以通過電極板210向熔化的丸粒施加電場，其中，所述電極板210鄰接熔化的丸粒傳輸所沿路徑中的出口140、閘門185或腔180安裝。

當電場產生器220通過電極板210向熔化的丸粒施加電場時，可以使包含在熔化的丸粒中的碳奈米管重新排列並促使其具有如圖3A所示的等向性方位。

控制單元220控制施加到各個電極板210上的電流量，以便調整各個電極板210產生的電場的強度和方向。這樣以來，控制單元220就可以控制具有相對複雜的形狀的複合材料190的各個部分的表面電阻和導電率。

電極板210可以分別對應於複合材料190的各部分，並且可以通過各個電極板210向正在注模的熔化丸粒施加電場，以控制複合材料190的導電率和表面電阻。

如上所述，根據本發明的實施例，向包含碳奈米管和聚合物的熔化的丸粒施加電場，同時對熔化的丸粒進行注模。因此，熔化的丸粒注模而成的複合材料的導電率可以提高。此外，可以控制複合材料的各個部分的導電率和表面電阻，以調整複合材料作為導電複合材料的效果，例如阻隔電磁波和分散靜電。

根據本發明的實施例，在從注模機中噴出包含碳奈米管和聚合物的熔化的丸粒時，向熔化的丸粒施加具有預定方向的電場，以在所有方向上重新排列碳奈米管，從而增強熔化的丸粒注模而成的複合材料的導電率。

由於通過向熔化的丸粒施加預定方向的電場使碳奈米管排列成相互接觸，所以可以降低複合材料的表面電阻。

此外，複合材料各個部分的導電率可以通過以下步驟來控制：為複合材料各個部分調整電場方向及/或強度，將具有調整了的方向及/或強度的電場施加到位於與複合材料各個部分相對應的位置上的熔化丸粒上，以及從而控制複合材料各部分中碳奈米管排列的方向。

雖然本發明已參考示例性實施例具體表示和說明，所屬技術領域的技術人員應當理解的是，可以在不背離由權利要求限定的本發明的精神和範圍的情況下進行形式上和細節上的多種改變。示範性實施例應當被認為僅僅是說明性的，而非為限制的目的。

100．．．注模機

110．．．螺桿

120．．．活塞

130．．．加熱器

140．．．出口

150．．．模具

180．．．腔

185．．．閘門

190．．．複合材料

200．．．電場產生器

210．．．電極板

220．．．控制單元

230．．．供電單元

310．．．碳奈米管

通過參照附圖詳細說明本發明的示例性實施例將使本發明的上述以及其他方面和特徵變得更加顯而易見，其中：

圖1為根據本發明的一個示例性實施例的用於合成導電複合材料的裝置的示意圖；

圖2為向圖1裝置中包含的多個電極板施加電場的電場產生器的方塊圖；

圖3A示意性表示由圖1裝置模製的碳奈米管的排列；

圖3B為由圖1裝置模製的碳奈米管的拍攝圖；

圖4為說明根據本發明的一個示例性實施例的合成導電複合材料的方法的流程圖；

圖5為通過使用擠出機和注模機合成導電複合材料的傳統裝置的示意圖；

圖6為在圖5中對碳奈米管和聚合物進行注模時排列在一個方向的碳奈米管的示意圖；以及

圖7為在圖6中注模後排列在一個方向的碳奈米管的拍攝圖，其中碳奈米管包含在碳奈米管和聚合物的複合材料中。

100．．．注模機

110．．．螺桿

120．．．活塞

130．．．加熱器

140．．．出口

150．．．模具

180．．．腔

185．．．閘門

200．．．電場產生器

210．．．電極板

220．．．控制單元

230．．．供電單元

Claims (4)

1. 一種合成導電複合材料的方法，該方法包含：將通過擠出碳奈米管和聚合物生成的丸粒注入注模機，並通過使用注模機對丸粒進行注模；以及將電場施加到由注模機進行注模的丸粒上，以促使在丸粒被注模至複合材料中的碳奈米管具有等向性方位，其中促使碳納米管具有等向性方位的步驟包含：在注模機的出口垂直或水平安裝一個或多個電極板；以及通過向各個電極板施加電流以產生電場。
2. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中施加電場的步驟包含：計算由注模機施加到熔化的丸粒上的力，以及使用對應於所計算的力的電流產生該電場。
3. 根據申請專利範圍第1項之方法，進一步包含通過對應於複合材料的各部分所安裝的分別的電極板，向複合材料的各部分施加不同的電場。
4. 一種合成導電複合材料的方法，該方法包含：通過使用擠出機擠出碳奈米管和聚合物，並模製丸粒；將丸粒注入注模機，並通過使用注模機對丸粒進行注模；以及在注模機的出口將電場施加到正在被注模的熔化的丸粒上，以促使碳納米管具有等向性方位，其中，為複合材料的各個部分調整電場的方向和強度，丸粒被注模至複合材料中，並且將具有已調整了方向和強度的電場施加到位於與複合材料各部分相對應的位置上的熔化的丸粒上，以使複合材料各個部分具有不同的表面電阻值和不同的導電率。