TWI458739B - Method for manufacturing three - dimensional mesh material - Google Patents

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Description

三維網狀材料的製造方法
本發明為有關一種材料的製造方法，尤指一種三維網狀材料。
氣凝膠是一種孔隙度可達95%以上的固體材料，密度低，重量輕，然而其卻具有優異的機械強度，以及低熱傳導係數、低音傳速度、低介電常數等特性，而可用於形成隔熱材料、隔音材料、絕緣材料以及吸附材料等，具有極佳的發展潛力，使得許多相關人士投入研究並進一步改良。
例如在美國發明專利公開第US2009123985號中，即揭示一種氣凝膠的製造方法以及其生物複合材料的應用，其主要在於利用具有不同性質之離子溶液並控制其添加量調整氣凝膠的孔洞大小與比表面積，以應用於有機/無機複合材料與生物氣凝膠複合材料之製備，做為吸附、催化、分離、藥物釋放材料之用。其藉由離子溶液具有無揮發性、不可燃、製備簡便以及容易分離與回收再利用等特性，使得氣凝膠在製作的過程中符合環保的世界潮流，而避免習知使用傳統超臨界流體製程製造氣凝膠較為繁瑣嚴苛，且操作過程中有爆炸的可能及危險性高的缺點。
然而，氣凝膠的安全性取決於其用於製造的物質成分，若其組成成分中含有致癌物質或毒素，那膠體也會具有致癌性以及毒性，因此，一 般在製作氣凝膠時，為使用高分子材料，聚乙烯醇(PVA)，其沒有顯著的毒性，不過如果使用聚乙烯醇製作氣凝膠，選用分子量小的聚乙烯醇，所產出的氣凝膠會溶於水，沒有實用性，選用分子量大的聚乙烯醇，由於不太溶於水，於製作過程中只能使用有機溶劑來溶化，例如以使用甲苯為例，在製作上不僅需要額外處理後續排出的廢液，再者，由於甲苯的熔點(-95℃)很低，所以製程設備還需要進行降溫，而具有耗費能源的問題，故仍有改進的必要。
本發明的主要目的，在於解決習知利用高分子材料製作氣凝膠，容易有所製成的氣凝膠溶於水而不具實用性，或是製作過程中，需使用有機溶劑，額外造成有機廢液處理以及耗費能源的問題。
為達上述目的，本發明提供一種三維網狀材料的製造方法，包含以下步驟：步驟1：將羧甲基纖維素銨與水混合並製成一第一凝膠；步驟2：對該第一凝膠進行一冷凍乾燥步驟，令該第一凝膠昇華以去除水份而得到一第一產物；步驟3：對該第一產物進行一介於50℃至380℃的低溫加熱步驟，使該第一產物熟化而得到一第一三維網狀材料。
為達上述目的，本發明提供另一種三維網狀結構體的製造方法，包含以下步驟：步驟A：將一奈米材料與羧甲基纖維素銨及水混合並製成一第二凝膠，該奈米材料為選自奈米碳管、石墨烯及碳奈米帶所組成的群組； 步驟B：對該第二凝膠進行一冷凍乾燥步驟，令該第二凝膠昇華以去除水份而得到一第二產物；步驟C：對該第二產物進行一介於50℃至380℃的低溫加熱步驟，使該第二產物熟化而得到一第二三維網狀材料。
如此一來，本發明藉由將羧甲基纖維素銨選擇與水或是水及該奈米材料混合，以形成該第一凝膠或該第二凝膠，而只需再透過該冷凍乾燥步驟以及該低溫加熱步驟，即可形成該第一三維網狀材料或是該第二三維網狀材料，不僅製造過程簡單，以水作為溶劑還避免習知使用有機溶劑所造成有機廢液處理以及耗費能源的問題，故兼具環保與經濟效益，並且所製作的該第一三維網狀材料或是該第二三維網狀材料，可吸水但不溶於水，具有廣泛的應用範圍。
1、2、3‧‧‧步驟
A、B、C‧‧‧步驟
圖1A，為本發明第一實施例的步驟流程示意圖。
圖1B，為本發明第一實施例的三維網狀材料的外觀立體圖。
圖2A，為本發明第二實施例的步驟流程示意圖。
圖2B，為本發明第二實施例的三維網狀材料的外觀立體圖。
有關本發明的詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下：請參閱『圖1A』以及『圖1B』所示，『圖1A』為本發明第一實施例的步驟流程示意圖，『圖1B』為本發明第一實施例的三維網狀材料的外觀立體圖，如圖所示，本發明提供一種三維網狀材料的製造方法，包含以下步驟：
步驟1：將羧甲基纖維素銨與水混合並製成一第一凝膠，在第一實施例中，為將羧甲基纖維素銨與水一起經機械攪拌成凝膠狀，以形成該第一凝膠，其中羧甲基纖維素銨與水的重量比為介於0.1：100至50：100之間，另外，在製作該第一凝膠時，還可進一步混入一第一界面活性劑，該第一界面活性劑可為十二烷基硫酸鈉或十二烷基苯磺酸鈉，於此情況下，所加入的該第一界面活性劑與水的重量比可介於0.01：100至50：100之間，而羧甲基纖維素銨與水的重量比則可調整介於0.1：100至80：100之間。
步驟2：對該第一凝膠進行一冷凍乾燥步驟，令該第一凝膠昇華以去除水份而得到一第一產物，該冷凍乾燥步驟為將該第一凝膠置入一冷凍乾燥機，以一介於0℃至-200℃的冷凍溫度令該第一凝膠昇華，去除所含的水份，使內部自然生成一第一孔洞結構，至於步驟1之中，羧甲基纖維素銨與水之間的重量比，或是該第一界面活性劑添加的多寡，皆可用來調整該第一孔洞結構中的孔隙尺寸。
步驟3：對該第一產物進行一介於50℃至380℃的低溫加熱步驟，使該第一產物熟化而得到一第一三維網狀材料，該低溫加熱步驟為將該第一凝膠置入一烘烤箱，以一較佳為介於80℃至350℃的加熱溫度以及一介於1分鐘至10小時的加熱時間進行加熱，該低溫加熱步驟令該第一產物熟化而不溶於水，在此實施例中，以該加熱溫度為140℃，即可令該第一產物熟化而形成該第一三維網狀材料。
再者，尚需補充說明的是，於步驟1之中，在製作該第一凝膠時，還可混入一甘油，以增強該第一三維網狀材料的機械性質，該甘油與羧甲 基纖維素銨的重量比可介於0.01：1至5：1之間。
接著，請參閱『圖2A』以及『圖2B』所示，『圖2A』為本發明第二實施例的步驟流程示意圖，『圖2B』為本發明第二實施例的三維網狀材料的外觀立體圖，如圖所示，本發明在第二實施例中，提供另一種三維網狀材料的製造方法，包含步驟A、步驟B以及步驟C，第二實施例與第一實施例相較之下，其特徵在於步驟A異於步驟1，至於步驟B及步驟C則相似步驟2及步驟3，相關步驟如下所述：
步驟A：將一奈米材料與羧甲基纖維素銨及水混合並製成一第二凝膠；在此，該奈米材料可為奈米碳管、石墨烯及碳奈米帶，但不以此為限制，而該第二凝膠可選擇使用以下三種方式形成：
第一種方式為先將該奈米材料與水混合形成一水性分散液，再將羧甲基纖維素銨加入該水性分散液一起經機械攪拌混合形成該第二凝膠，於此種方式中，該奈米材料與水的重量比可介於0.01：100至50：100之間，羧甲基纖維素銨與該水性分散液的重量比可介於0.1：100至50：100之間。
第二種方式為先將該奈米材料進行酸化，再將酸化的該奈米材料與羧甲基纖維素銨及水經機械攪拌混合形成該第二凝膠，於此種方式中，該奈米材料與水的重量比可介於0.01：100至50：100之間，羧甲基纖維素銨與水的重量比可介於0.1：100至80：100之間。
而第三種方式為將該奈米材料、羧甲基纖維素銨、水及一第二界面活性劑一起經機械攪拌成凝膠狀，以形成該第二凝膠，該第二界面活性劑可為十二烷基硫酸鈉或十二烷基苯磺酸鈉，於此情況下，所加入的 該第二界面活性劑與水的重量比可介於0.01：100至50：100之間，而羧甲基纖維素銨與水的重量比則可介於0.1：100至80：100之間，該奈米材料與水的重量比為介於0.01：100至50：100之間。
步驟B：對該第二凝膠進行一冷凍乾燥步驟，令該第二凝膠昇華以去除水份而得到一第二產物，該冷凍乾燥步驟為將該第二凝膠置入一冷凍乾燥機，以一介於0℃至-200℃的冷凍溫度令該第二凝膠昇華，去除所含的水份，使內部自然生成一第二孔洞結構，至於步驟A之中，羧甲基纖維素銨與水之間的重量比，或是該第二界面活性劑的添加，皆可用來調整該第二孔洞結構中的孔隙尺寸。
步驟C：對該第二產物進行一介於50℃至380℃的低溫加熱步驟，使該第二產物熟化而得到一第二三維網狀材料，該低溫加熱步驟為將該第二凝膠置入一烘烤箱，以一較佳為介於80℃至350℃的加熱溫度以及一介於1分鐘至10小時的加熱時間進行加熱，該低溫加熱步驟令該第二產物熟化而不溶於水，在此實施例中，以該加熱溫度為140℃，即可令該第二產物熟化而形成該第二三維網狀材料。
同樣的，於步驟A之中，在製作該第二凝膠時，亦可混入該甘油以增強該第二三維網狀材料的機械性質，該甘油與羧甲基纖維素銨的重量比可介於0.01：1至5：1之間。
最後，需說明的是，該第一三維網狀材料與該第二三維網狀材料，其皆為孔洞結構(如上述的該第一孔洞結構與該第二孔洞結構)，支撐結構體細小，一般材料不容易填入其支撐結構體之中，然而加入該奈米材料可填補於該支撐結構體提供支撐強度，使得該第二三維網狀材料相 較該第一三維網狀材料，具有更佳的機械性質，並且若選擇的該奈米材料為奈米碳管、石墨烯及碳奈米帶時，還使得該第二三維網狀材料具有良好的導電性以及耐候性與防蝕性。
綜上所述，由於本發明藉由將羧甲基纖維素銨與水混合以形成該第一凝膠，而只需再透過該冷凍乾燥步驟昇華以及該低溫加熱步驟熟化，即可形成該第一三維網狀材料，不僅製造過程簡單，以水作為溶劑還避免習知使用有機溶劑所造成有機廢液處理以及耗費能源的問題，故兼具環保與經濟效益，並且所製作的該第一三維網狀材料可吸水但不溶於水，具有廣泛的應用範圍，再者，本發明還藉由添加該奈米材料製作該第二三維網狀材料，使得該第二三維網狀材料具有更佳的機械性、耐候性、防蝕性以及良好的導電性，因此本發明極具進步性及符合申請發明專利的要件，爰依法提出申請，祈 鈞局早日賜准專利，實感德便。
以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅為本發明的一較佳實施例而已，當不能限定本發明實施的範圍。即凡依本發明申請範圍所作的均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明的專利涵蓋範圍內。
1、2、3‧‧‧步驟

Claims (17)

  1. 一種三維網狀材料的製造方法，包含以下步驟：步驟1：將羧甲基纖維素銨與水混合並製成一第一凝膠；步驟2：對該第一凝膠進行一冷凍乾燥步驟，令該第一凝膠昇華以去除水份而得到一第一產物；步驟3：對該第一產物進行一介於50℃至380℃的低溫加熱步驟，使該第一產物熟化而得到一第一三維網狀材料。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的三維網狀材料的製造方法，其中於步驟1中，羧甲基纖維素銨與水的重量比為介於0.1：100至50：100之間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的三維網狀材料的製造方法，其中該冷凍乾燥步驟的一冷凍溫度介於0℃至-200℃之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的三維網狀材料的製造方法，其中該低溫加熱步驟的一加熱溫度介於80℃至350℃之間，該低溫加熱步驟的一加熱時間介於1分鐘至10小時。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的三維網狀材料的製造方法，其中於步驟1中，製作該第一凝膠還混入一第一界面活性劑，該第一界面活性劑為十二烷基硫酸鈉或十二烷基苯磺酸鈉。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的三維網狀材料的製造方法，其中羧甲基纖維素銨與水的重量比為介於0.1：100至80：100之間，該第一界面活性劑與水的重量比為介於0.01：100至50：100之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的三維網狀材料的製造方法，其中於步驟1中，製作該第一凝膠還混入一甘油，該甘油與羧甲基纖維素銨的重量 比為介於0.01：1至5：1之間。
  8. 一種三維網狀結構體的製造方法，包含以下步驟：步驟A：將一奈米材料與羧甲基纖維素銨及水混合並製成一第二凝膠，該奈米材料為選自奈米碳管、石墨烯及碳奈米帶所組成的群組；步驟B：對該第二凝膠進行一冷凍乾燥步驟，令該第二凝膠昇華以去除水份而得到一第二產物；步驟C：對該第二產物進行一介於50℃至380℃的低溫加熱步驟，使該第二產物熟化而得到一第二三維網狀材料。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的三維網狀材料的製造方法，其中於步驟A之中，先將該奈米材料與水混合形成一水性分散液，再將羧甲基纖維素銨加入該水性分散液形成該第二凝膠。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的三維網狀材料的製造方法，其中於步驟A之中，該奈米材料與水的重量比為介於0.01：100至50：100之間，羧甲基纖維素銨與該水性分散液的重量比為介於0.1：100至50：100之間。
  11. 如申請專利範圍第8項所述的三維網狀材料的製造方法，其中於步驟A之中，先將該奈米材料進行酸化，再將酸化的該奈米材料與羧甲基纖維素銨及水混合形成該第二凝膠。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的三維網狀材料的製造方法，其中於步驟A之中，該奈米材料與水的重量比為介於0.01：100至50：100之間，羧甲基纖維素銨與水的重量比為介於0.1：100至80：100之間。
  13. 如申請專利範圍第8項所述的三維網狀材料的製造方法，其中於步驟A之中，製作該第二凝膠還混入一第二界面活性劑，該第二界面活性劑 為十二烷基硫酸鈉或十二烷基苯磺酸鈉。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的三維網狀材料的製造方法，其中於步驟A之中，該奈米材料與水的重量比為介於0.01：100至50：100之間，羧甲基纖維素銨與水的重量比為介於0.1：100至80：100之間，該第二界面活性劑與水的重量比為介於0.01：100至50：100之間。
  15. 如申請專利範圍第8項所述的三維網狀材料的製造方法，其中該冷凍乾燥步驟的一冷凍溫度介於0℃至-200℃之間。
  16. 如申請專利範圍第8項所述的三維網狀材料的製造方法，其中該低溫加熱步驟的一加熱溫度介於80℃至350℃之間，該低溫加熱步驟的一加熱時間介於1分鐘至10小時。
  17. 如申請專利範圍第8項所述的三維網狀材料的製造方法，其中於步驟A中，製作該第二凝膠還混入一甘油，該甘油與羧甲基纖維素銨的重量比為介於0.01：1至5：1之間。
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