TWI503274B - Compositions, powder materials and methods for preparing artificial graphite components - Google Patents

Description

用於製備人造石墨構件之組成物、粉末材料及該構件之製法

本發明係關於一種用於製備人造石墨構件之組成物及該構件之製法，更詳而言之，係關於一種含有飛灰之組成物及使用該組成物製備人造石墨構件之方法。

在節能減碳趨勢下，各國漸漸趨向禁用高耗能之白幟燈泡進而全面使用低耗能、省電、壽命長、耐用之LED照明器具。然而，目前LED照明器具受限於傳統的鋁質散熱材料導熱佳但散熱速度較慢之問題，遲遲無法推出可以取代傳統照明燈具的產品。

此外，隨著科技發展電子產品日益輕薄短小、功率消耗與日俱增，而運作時晶片之微熱流所產生熱點，若沒有及時將熱導出，則使晶片無法發揮較佳之效能、或增加其耗損使用壽命下降進而影響整體品質表現。傳統上在電路板的散熱，通常使用銅質散熱材料，而銅質散熱材料雖然具有較高的導熱係數，但其散熱係數較低而導致無法有良好散熱效果進而產生熱瓶頸。

又，熱能通常係藉由傳導、對流及輻射三種方式傳遞，而固體散熱材料大多選自熱傳導係數高之材料，在藉由與空氣接觸以對流的方式將熱導出。故散熱效果與材料本身之表面積息息相關，傳統上除了將散熱材料製成螺旋散熱片、散熱鰭片、螺旋式散熱鰭片等增加導熱材料與空氣接觸之表面積外，電子工業漸漸改用結構較鬆散具有質 量輕、高導熱、高散熱等特點之天然石墨作為散熱材料。然而，天然石墨成本昂貴且傳統散熱鰭片體積龐大較不適用於輕薄短小之電子產品或LED之用。因此電子工業仍趨向於研發具有較佳散熱效果之散熱材料。

目前，為了研發一種適用之散熱材料，第I307145號台灣專利揭露一種含有鑽石顆粒、鋁金屬基質及石墨之碳複合物製成之散熱器，其可達到良好的導熱及散熱效果，但鑽石顆粒與鋁金屬基質仍需藉由石墨才能與鋁金屬達到良好的密合效果，且鑽石成本較高、硬度高加工困難，基於成本考量電子工業大量生產無法合乎經濟成本。

第201114684號台灣專利揭示一種利用未燃碳製成具有石墨性能之粉末材料與多孔性材料的方法，使用該方法製成多孔性石墨材料則需收集含碳之飛灰經過酸洗純化、研磨、混合、成型、燒結並待其冷卻再二次加工製成石墨化材料，其加工步驟繁雜純化過程中需經酸或鹼洗純化，且純化後之產物需研磨至50毫米以下才可進行混合以及成型等步驟，且燒結後成品因具有金屬氧化物而致平整度不佳，因此需藉由切削或研磨等二次加工以使其表面平整，製程步驟過於繁雜，且酸洗純化後所產生之廢液也會對環境造成危害。

因此，亟需研發一種製程簡便、高散熱能力之散熱件以解決發熱物產生之熱點散熱之問題。

本發明提供一種用於製備人造石墨構件之組成物，包 括：以該組成物重量計，含量為50至60%之含碳原料；以該組成物重量計，含量為15至45%之黏著劑；以及以該組成物重量計，含量為5至25%分散劑。本發明之組成物中含有黏著劑，其可使含碳原料緊密堆疊結合，而成結實且硬度較佳之狀態。本發明之組成物復含有分散劑，俾於製備人造石墨構件時有效分散黏著劑，尤其在一具體實施例中，係使用稠狀黏著劑，故分散劑的存在方足以令黏著劑均勻地結合粉體顆粒，俾免使單一成分團聚，故可提高人造石墨構件之比表面積。

本發明復揭露一種人造石墨構件之製備方法，係包括：混合如上所述之組成物；並於80至200℃烘烤該經混合之組成物1至3小時，得到具有複數顆粒之粉末；自該粉末中篩選出粒徑大小介於100至1000微米之顆粒；將該經篩選的複數顆粒塑形為物件；於500至1000℃加熱該物件1至3小時；以及於1900至2500℃石墨化該經加熱之物件1至5小時以得到人造石墨構件。

本發明之方法係將含碳原料、黏著劑及分散劑混合均勻後，烘烤去除分散劑使黏著劑存在於含碳原料周圍，藉由黏著劑使塑型後物件之含碳原料排列緊密，接著加熱去除物件中的黏著劑，使原黏著劑所在位置產生孔隙，接著將經加熱之物件石墨化，而得到具有多孔隙之人造石墨構件。

本發明復提供一種用於製造人造石墨構件之粉末材料，係包括粒徑大小介於100至1000微米之複數顆粒，且 各該顆粒係包含含碳原料及黏著劑之混合物。

本發明之人造石墨構件之製法，僅至少需利用燃煤或燃油設備所產生之飛灰，且不需複雜的製造過程即可獲得具多孔隙之人造石墨構件。本發明之多孔隙之人造石墨構件具多孔性因此除了可解決LED照明設備高光通量及晶片高功率化所衍生之散熱問題外，極佳的平整度無須透過二次加工即可直接接置基板，應用上極為便利。

以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之優點及功效。本發明亦可藉由其它不同之實施方式加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明所揭示之精神下賦予不同之修飾與變更。

本發明之人造石墨構件主要係應用於散熱要求高之電子產品或燈具，傳統業界多使用鋁或銅作為散熱材料，由於銅或鋁皆有導熱良好但散熱速度較慢之缺點，故大多將散熱材料製成螺旋散熱片、散熱鰭片、螺旋式散熱鰭片等增加導熱材料與空氣接觸之表面積，但所增加的散熱效果仍礙於散熱材料而有所限制。

本發明係提供一種製備人造石墨構件之組成物，包括：含碳原料、黏著劑以及分散劑。於較佳實施例中，所述含碳原料以該組成物重量計，含量為50至60%，更佳為54至56%；黏著劑以該組成物重量計，含量為15至45%， 更佳為35至40%；以及分散劑以該組成物重量計，含量為5至25%，更佳為5至10%。

本發明之組成物中所述含碳原料包括飛灰。於較佳實施例中，該含碳原料包括飛灰及石墨粉體，其中，以該含碳原料重量計，飛灰之含量為85至95%，石墨粉體之含量為5至15%。於更佳實施例中，該含碳原料中飛灰之含量為90至95%，石墨粉體之含量為5至10%。於具體實例中，該石墨粉體可扮演脫模劑角色。

本發明之組成物中，所使用之黏著劑包括，但不限制於：瀝青、聚合物或其組成。於較佳實施例中，所使用之瀝青包括，但不限制於：煤焦瀝青、石油瀝青、天然瀝青，所使用之聚合物包括，但不限制於：合成樹脂、天然樹脂、水性樹脂或其組成，例如聚胺酯、環氧樹脂、酚醛樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚胺基甲酸酯樹脂或其組成，並以酚醛樹脂類之聚合物為佳。

於本發明之組成物中，所使用之分散劑包括，但不限制於：水、醇類化合物或其組成。於較佳實施例中，所使用之分散劑包括，但不限制於：飽和醇、不飽和醇、脂環醇及其混合。於更佳實施例中，係使用沸點低於水的醇類化合物，俾利於後續之移除，故可使用乙醇。

本發明復提供一種人造石墨構件之製法，該製法係於混合槽中混合上述人造石墨構件之組成物，並烘烤去除經混合之組成物中之分散劑，甚至是可能存在之溶劑，以得到具有複數顆粒之粉末，再自該粉末中篩選出粒徑大小介 於100至1000微米之顆粒，並將該經篩選的複數顆粒塑形為物件，之後加熱該物件俾去除黏著劑，最後將去除黏著劑之物件石墨化得到人造石墨構件。

本發明之製法中，將本發明組成物混合均勻後，係以80至200℃烘烤該經混合之組成物1至3小時，得到具有複數顆粒之粉末後；自該粉末中篩選出粒徑大小介於100至1000微米之顆粒，以適合塑形使顆粒堆積較為緊密，本發明發現若粒徑大於1000微米時，顆粒間的空隙使得熱量無法有效傳遞，粒徑小於100微米時，會造成成型之物件部分卡住在成型模具間隙，甚至導致成型之物件龜裂。是以，較佳地，粒徑大小介於150至500微米，更佳為250至500微米。

據此，本發明復提供一種用於製造人造石墨構件之粉末材料，係包括粒徑大小介於100至1000微米之複數顆粒，且各該顆粒係包含含碳原料及黏著劑之混合物。據此製得之人造石墨構件表面具有較佳之平整度，可直接與基板壓合作為晶片或電路板之散熱材料。

於得到粉末材料後，緊接著，將該經篩選的複數顆粒以熱壓或粉末冶金之方式成型，較佳為於20噸至50噸壓力以粉末冶金成型方式塑形為物件；並於500至1000℃加熱該物件1至3小時俾去除黏著劑，較佳為600至800℃；最後於1900至2500℃將已去除黏著劑之物件石墨化1至5小時以得到人造石墨構件，於1900至2300℃時，進行石墨化3至5小時，於2300至2500℃時，可進行石墨化1 至3小時。

本發明之製法步驟簡單，且製得之人造石墨構件具有高散熱係數之特點，此外藉由粉末冶金成型方式塑形僅需進行一次填料，成本低廉又具有良好的平整度。

以下係藉由特定之具體實施例進一步說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容瞭解本發明之其他優點與功效。本發明之實施例如下所示，但本發明並不限於這些實施例。

本發明係利用型號MH-300C之電子比重計以量測本發明之人造石墨構件之濕密度、孔隙率。

實施例1

將95克之燃油飛灰、5克之天然石墨粉、50克之式(I)酚醛樹脂及30克乙醇於混合槽中混合均勻，接著於80℃烘烤2小時以去除乙醇。接著以內徑Φ 210 x H45mm之泰勒篩及振盪機(LS-450A型號)進行篩析，俾得到粒徑大小介於150至500之間之複數顆粒，緊接著該複數顆粒以粉末冶金成型機(PT-60)於40噸壓力條件下壓合塑形為物件。接著於通氮氣下，將該物件於700℃加熱2小時去除酚醛樹脂，緊接著於通以氬氣之真空石墨化爐(JR-350)中以2500℃進行3小時將該物件石墨化，待其冷卻後即可得到人造石墨構件。並以電子比重計測量濕密度、孔隙率，並顯示於表1。

，其中，n為500至1000之整數。

實施例2

將90克之燃油飛灰、10克之天然石墨粉、50克之式(I)酚醛樹脂及30克乙醇於混合槽中混合均勻，接著於80℃烘烤2小時以去除乙醇。接著以內徑Φ 210 x H45mm之泰勒篩及振盪機(LS-450A型號)進行篩析，俾得到粒徑大小介於150至500之間之複數顆粒，緊接著該複數顆粒以粉末冶金成型機(PT-60)於40噸壓力條件下壓合塑形為物件。接著於通氮氣下，將該物件於700℃加熱2小時去除酚醛樹脂，緊接著於通以氬氣之真空石墨化爐(JR-350)中以2500℃進行3小時將該物件石墨化，待其冷卻後即可得到人造石墨構件。並以電子比重計測量濕密度、孔隙率，並顯示於表1。

實施例3

重覆實施例1之步驟，但用於混合之燃油飛灰為100克、式(I)酚醛樹脂為55克及乙醇為30克，此外，本實施例中，未添加天然石墨。

測試例1

將其上設有光通量為240流明(1m)之LED晶片之基板置於由實施例1及2、3所製得規格為MR16之人造石墨燈杯上，並將熱電偶握把式感溫器之熱電偶分別接置於LED基板之正極腳位及人造石墨燈杯之外緣上，俾測量晶片運作時基板、散熱構件內外之溫度。將人造石墨燈杯固定於一支架上，並以電源供應器(DP-3003N)的定電流供電模式固定輸出電流，約1小時後LED之光源達到熱平衡時記錄電壓、電流、溫度值。

將80公升容量大小之透明壓克力盒罩住鎖置有人造石墨燈杯之支架、熱電偶握把式感溫器及電源供應器，以避免空氣流動而影響測試結果，並測量壓克力盒內及外之溫度，並將測得溫度紀錄於表2。

測試例2

重複測試例1之步驟，但將本發明之人造石墨燈杯置換為外型相同之鋁製燈杯，並將測得溫度紀錄於表2。

由上述結果所示，根據本發明製法及組成物製得之人造石墨構件具有優於鋁質燈杯的散熱能力，此外，本發明之製法無須酸洗、研磨等步驟，大幅簡化製程步驟，若利用粉末冶金成型更可快速成型。再者，本發明更提供一種適用於粉末冶金成型之粉末材料，製得之人造石墨構件復具有較佳之平整度，可直接與基板壓合作為晶片或電路板之散熱材料，應用更為廣泛便利。

上述實施例僅例示說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

Claims (13)

1. 一種用於製備人造石墨構件之組成物，包括：含碳原料，以該組成物重量計，該含碳原料之含量為50至60%，且該含碳原料包括飛灰，以該含碳原料重量計，該飛灰之含量為85至95%；黏著劑，以該組成物重量計，該黏著劑之含量為15至45%，且該黏著劑係選自瀝青或聚合物；以及分散劑，以該組成物重量計，該分散劑之含量為5至25%，其中，該分散劑為水性分散劑。
2. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中，該含碳原料復包括石墨粉體，且以該含碳原料重量計，該石墨粉體之含量為5至15%。
3. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中，該飛灰為燃煤飛灰、燃油飛灰或其組合。
4. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中，該聚合物為酚醛樹脂類之聚合物。
5. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，其中，該水性分散劑係選自水、醇類化合物或其組合。
6. 如申請專利範圍第5項所述之組成物，其中，該水性分散劑為乙醇。
7. 一種人造石墨構件之製備方法，係包括：混合如申請專利範圍第1項之組成物；於80至200℃烘烤該經混合之組成物1至3小時，得到具有複數顆粒之粉末； 自該粉末篩選出粒徑大小介於100至1000微米之顆粒；將該經篩選的複數顆粒塑形為物件；於500至1000℃加熱該物件1至3小時；以及於1900至2500℃石墨化該經加熱之物件1至5小時以得到人造石墨構件。
8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中，自該粉末篩選出粒徑大小介於100至500微米之顆粒。
9. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中，係以熱壓或粉末冶金成型方式塑形該經篩選的複數顆粒。
10. 一種用於製造人造石墨構件之粉末材料，係包括粒徑大小介於100至1000微米之複數顆粒，且各該顆粒係包含含碳原料及黏著劑之混合物，其中，該含碳原料包括飛灰，且該黏著劑係選自瀝青或聚合物。
11. 如申請專利範圍第10項所述之粉末材料，其中，該含碳原料復包括石墨粉體，且以該含碳原料重量計，該飛灰之含量為85至95%，該石墨粉體之含量為5至15%。
12. 如申請專利範圍第10項所述之粉末材料，其中，該飛灰為燃煤飛灰、燃油飛灰或其組合。
13. 如申請專利範圍第10項所述之粉末材料，其中，該聚合物為酚醛樹脂類之聚合物。