TWI545082B - Manufacturing method of carbon nanotubes with rigid structure - Google Patents

Description

具剛性結構之奈米碳管塊材的製造方法

本發明為有關一種奈米碳管材料的製造方法，尤指一種具剛性結構之奈米碳管塊材的製造方法。

奈米碳管(carbon nanotubes；CNTs)具有優異的機械和光電性能，自從被發現後，即引起學術界以及產業界的重視，而可廣泛應用於各種領域。並被視為製作複合材料的理想添加物，例如與金屬、半導體或聚合物的結合，可以達到材料特性的改變或加強，因此，近來奈米碳管隨著產能的提升，以其所製成的各種複合材料以及該複合材料所能應用的產品，已成為研究的焦點。

例如在中華民國發明專利公開第200848366號中，揭示一種含奈米碳管之高分子複合材料及其製備方法，其先將未經修飾之奈米碳管、一有機基團與一自由基起始劑混合於一溶劑中，以產生一經修飾之奈米碳管，再將經修飾之奈米碳管與一熱塑性高分子塑膠混合，以形成含奈米碳管之高分子複合材料。藉由經修飾之奈米碳管具有較佳之材料分散性，可以較低的用量來顯著改善融合後材料之機械性質及提升電氣性質。

或者，如中華民國發明專利公告第I377171號，揭示一種奈米碳管/導電聚合物複合材料的製備方法，首先，提供一奈米碳管薄膜，接著，製備一導電聚合物單體的酸溶液，並將該奈米碳管薄膜浸入該導電聚合物單體的酸溶液中，以形成一包含該奈米碳管薄膜與該導電聚合物單體的酸溶 液，然後，製備一氧化劑的酸溶液，最後將所述氧化劑的酸溶液與浸有奈米碳管薄膜的導電聚合物單體的酸溶液混合，使導電聚合物單體聚合，得到一奈米碳管/導電聚合物複合材料。

由以上可知，目前奈米碳管大部分之應用，係將其與其他材料做結合而製得含奈米碳管之複合材料，其目的多為改善基材之特性；或者，部分之應用顯示，奈米碳管必須依附於某些材料上，才能實際提供予採構廠商或消費端使用。換言之，目前鮮少有直接利用奈米碳管其本身優異的機械和光電性能者，因此，係侷限了奈米碳管之應用範疇，無法充分發揮其本身獨有之特性。

本發明的主要目的，在於解決習知奈米碳管，因大多和其他基材結合形成複合材料，僅能透過奈米碳管的添加，調整基材的性質；或必須依附在基材上，始能實際應用，而無法讓奈米碳管材料獨立應用的問題。

為達上述目的，本發明提供一種具剛性結構之奈米碳管塊材的製造方法，包含以下步驟：將複數個奈米碳管與一高分子材料混合形成一預成形體，該高分子材料為選自酚醛樹脂、環氧樹脂、聚丙烯腈及呋喃樹脂所組成之群組，於該預成形體中，該奈米碳管的重量百分比為介於51%至95%之間；對該預成形體進行一熱壓製程而得到一成形體；以及對該成形體施以一碳化製程，以去除該成形體中的該高分子材料並於該成形體中留下複數個孔隙而形成該具剛性結構之奈米碳管塊材，該奈米碳管塊材具有一介於5%至50%的孔隙率。

如此一來，本發明利用該高分子材料搭配該熱壓製程，讓該高分子材料做為暫時支撐該奈米碳管之結構體，再以該碳化製程去除該高分子材料，最終形成具有剛性結構且為獨立的該奈米碳管塊材，讓使用者毋須將該奈米碳管與其他材料結合，而能直接應用於各種所需之用途。

10‧‧‧奈米碳管塊材

11‧‧‧奈米碳管

12‧‧‧孔隙

S1、S2及S3‧‧‧步驟

圖1，為本發明一實施例的步驟流程示意圖。

圖2，為本發明一實施例中，該具剛性結構之奈米碳管塊材的電子顯微鏡掃描照片。

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1』及『圖2』所示，『圖1』為本發明一實施例的製造流程示意圖，『圖2』為本發明一實施例中，該奈米碳管塊材的電子顯微鏡掃描照片，本發明提供一種奈米碳管塊材的製造方法，包含以下步驟：

步驟S1：將複數個奈米碳管11與一高分子材料混合形成一預成形體；在此令該高分子材料充填於該奈米碳管11之間，且該奈米碳管11於該預成形體中的重量百分比約介於10%至95%之間，該高分子材料可為酚醛樹脂(Phenolic Resin)、環氧樹脂(Epoxy)、聚丙烯腈(Polyacrylonitrile，簡稱PAN)或呋喃樹脂(Furan Resin)，但不以此為限。

步驟S2：對該預成形體進行一熱壓製程而得到一成形體；於該熱壓製程之中，該預成形體受一模具壓制，而處於一介於110℃至220℃之間的受熱溫度，以及一介於5Kgf/cm²至200Kgf/cm²之間的成形壓力，藉由該 受熱溫度以及該成形壓力，調整該預成形體的緻密度以及立體結構，進而形成塊狀的該成形體。

步驟S3：對該成形體施以一碳化製程，以去除該成形體中的該高分子材料，並於該成形體中留下複數個孔隙12，而形成該奈米碳管塊材10，該成形體於該碳化製程係處於一還原氣氛之中，該還原氣氛可為氬氣或氮氣，同時該成形體亦處於一介於500℃至3,000℃之間的碳化溫度中，令該高分子材料於該成形體之中燃燒裂解。

需另外說明的是，在該碳化製程的過程中，除了於該成形體中留下複數個孔隙12外，將進一步產生一附著於該奈米碳管11之間的碳材料，該碳材料可能由該高分子材料經燃燒裂解後所殘留於該奈米碳管11之間；亦可能由額外通入的含碳氣氛所提供。至於所形成的該奈米碳管塊材10，其具有一介於5%至50%之間的孔隙率。碳的殘留，係可增進該奈米碳管塊材10的導電與導熱性質；此外，該孔隙12的形成，亦使得該奈米碳管塊材10的表面積以及內部空間大幅增加，更能進一步提升其導電與導熱性質。此外，由於該高分子材料將於該碳化製程中燃燒裂解，故最終得到的該奈米碳管塊材，該奈米碳管11的重量百分比將較剛添加時高，即該奈米碳管塊材將大部分地由該奈米碳管11所組成。

於本發明的一實施例中，該高分子材料係採用酚醛樹脂，先將該奈米碳管11與酚醛樹脂混合形成該預成形體，其中，該高分子材料的重量百分比為49%，該奈米碳管11的重量百分比為51%。待完成混合後，在200℃左右的受熱溫度以200Kgf/cm²的成形壓力進行熱壓，而得到該成形體。之後，再於600℃的碳化溫度以及氬氣的氣氛環境，對該成形體進行碳化製程。最後得到的該具剛性結構之奈米碳管塊材係如『圖2』所示。

綜上所述，本發明利用該奈米碳管搭配該熱壓製程，由該高分子材料做為暫時支撐該奈米碳管之結構體，再以該碳化製程去除該高分子材料，留下以奈米碳管為主之該奈米碳管塊材。由於該奈米碳管塊材擁有立體剛性結構，使用者得以直接應用，毋須和其他材料搭配或依附在其他材料。再者，本發明藉由該碳化製程於該奈米碳管塊材之中所形成的該碳材料以及該孔隙，亦使該奈米碳管塊材的導熱及導電特性能獲得進一步的提升。以應用方面來說，利用本發明所製得的具剛性結構之奈米碳管塊材，適合用於電極材料、導熱材料、電磁波隔離材料或結構材料等用途。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。

10‧‧‧奈米碳管塊材

11‧‧‧奈米碳管

12‧‧‧孔隙

Claims (6)

1. 一種具剛性結構之奈米碳管塊材的製造方法，包含以下步驟：將複數個奈米碳管與一高分子材料混合形成一預成形體，該高分子材料為選自酚醛樹脂、環氧樹脂、聚丙烯腈及呋喃樹脂所組成之群組，於該預成形體中，該奈米碳管的重量百分比為介於51%至95%之間；對該預成形體進行一熱壓製程而得到一成形體；以及對該成形體施以一碳化製程，以去除該成形體中的該高分子材料並於該成形體中留下複數個孔隙而形成該具剛性結構之奈米碳管塊材，該奈米碳管塊材具有一介於5%至50%的孔隙率。
2. 如申請專利範圍第1項所述的具剛性結構之奈米碳管塊材的製造方法，其中於該熱壓製程中，該預成形體處於一介於100℃至220℃之間的受熱溫度。
3. 如申請專利範圍第1項所述的具剛性結構之奈米碳管塊材的製造方法，其中於該熱壓製程中，該預成形體處於一介於5Kgf/cm²至200Kgf/cm²之間的成形壓力。
4. 如申請專利範圍第1項所述的具剛性結構之奈米碳管塊材的製造方法，其中於該碳化製程中，該成形體處於一還原氣氛之中，該還原氣氛為氬氣或氮氣。
5. 如申請專利範圍第1項所述的具剛性結構之奈米碳管塊材的製造方法，其中於該碳化製程中，該成形體處於一介於500℃至3,000℃之間的碳化溫度。
6. 如申請專利範圍第1項所述的具剛性結構之奈米碳管塊材的製造方法，其中該具剛性結構之奈米碳管塊材包含一經由該碳化製程所形成而附著於該奈米碳管之間的碳材料。