TWI573825B - Preparation method of high molecular weight composite particles with high solid carbon content - Google Patents

Description

高固態碳含量的高分子複合顆粒的製造方法

本發明為有關一種複合材料的製備方法，尤指一種高固態碳含量的高分子複合顆粒的製造方法。

隨著科技的發達，電子產品不僅越來越普及，其尺寸亦隨著工藝技術的進步逐漸的輕薄化，而熱塑性高分子具有容易加工成型且重量輕之優點，因此廣泛應用於電子產品中。

例如在台灣新型專利第M320122號中，即揭示一種超薄型鍵盤，其用於一可攜式電子裝置中，與一電路板相配合。該電路板包含複數個開關，該超薄型鍵盤包含一主體、複數個按鍵以及複數個薄壁。該按鍵配置於該主體上，且每一該按鍵分別對應該開關的其中之一，該薄壁配置於兩兩相鄰的該按鍵之間，當該按鍵被下壓時，該按鍵利用該薄壁的彈性變形而接觸並且導通對應的該開關。其中，該主體、該按鍵以及該薄壁即藉由將一高分子材料注入一模具內，再利用射出成型技術一體成型，據此，而有材料價格低、製程簡單，可以相當程度地降低製造成本的優點。

不過，由時代趨勢與消費的需求，電子產品不斷地朝著輕、薄、短、小的方向發展，以該高分子材料射出成型的一成品，其機械性質、導電性質、導熱性質與耐蝕性質需不斷的提升，才得達到所需的耐用程度，而不致於容易損壞，故有改進的必要。

本發明的主要目的，在於解決習知以一高分子材料進行成型製程，所形成的一成品其機械性質、導電性質、導熱性質與耐蝕性質需改進的問題。

為達上述目的，本發明提供一種高固態碳含量的高分子複合顆粒的製造方法，包含以下步驟：將一由一固態碳材料與一固態高分子材料所組成的初始混合物透過乾式混合形成一預成形體，該固態碳材料相對該固態高分子材料之重量百分比大於等於12%，且該固態高分子材料為一粒徑小於1mm的粉末；對該預成形體進行一熱壓製程而得到一複合塊材，其中該熱壓製程具有一小於200℃的受熱溫度以及一介於1kgf/cm²至960kgf/cm²之間的成形壓力；以及對該複合塊材施以一造粒製程，令該複合塊材形成複數個包含該固態碳材料與該固態高分子材料的複合顆粒；其中，該固態碳材料為選自奈米碳管、石墨烯、碳黑及其組合所組成的群組。

據此，本發明藉由將該固態碳材料與該固態高分子材料製成該複合顆粒，由於該複合顆粒含有該固態碳材料，且可達高固態碳含量，使得以該複合顆粒成型的一成形體可具有較佳的機械性質、導電性質、導熱性質與耐蝕性質等，而可以提升產品的耐用程度與附加價值。

1、2、3、4‧‧‧步驟

10‧‧‧固態碳材料

20‧‧‧固態高分子材料

30‧‧‧預成形體

40‧‧‧複合塊材

50‧‧‧複合顆粒

60‧‧‧成形體

圖1，為本發明一實施例的步驟流程圖。

圖2A至圖2D，為本發明一實施例的製造流程示意圖。

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1』及『圖2A』至『圖2D』所示，『圖1』為本發明一實施例的步驟流程圖，『圖2A』至『圖2D』為本發明一實施例的製造流程示意圖，本發明提供一種高固態碳含量的高分子複合顆粒的製造方法，包含以下步驟：

步驟1：將一由一固態碳材料10與一固態高分子材料20所組成的初始混合物透過乾式混合形成一預成形體30，該固態碳材料10相對該固態高分子材料20的重量百分比大於等於12%，且該固態高分子材料20為一粒徑小於1mm的粉末，該固態碳材料10可為奈米碳管、石墨烯、碳黑等主體由碳原子構成之奈米材料。本發明中，乾式混合係指不透過溶劑、溶液、乳膠或溶膠之媒介進行均勻混合之手段。於本發明之一實施例中，該固態高分子材料20的粒徑較佳地小於500μm，且該固態碳材料10的重量百分比為介於12%至95%之間，該固態高分子材料20的重量百分比為介於5%至88%之間；於本發明之另一實施例中，該固態碳材料10的重量百分比較佳地介於15%至70%之間，該固態高分子材料20的重量百分比為介於30%至85%之間；於本發明之又一實施例中，該固態碳材料10的重量百分比較佳地介於30%至50%之間，該固態高分子材料20的重量百分比為介於50%至70%之間。

於本發明中，該固態高分子材料20可為矽膠、橡膠以及熱可塑性高分子材料，熱可塑性高分子材料如固態酚樹脂(Phenolic Resin)、聚醯胺(Polyamides，PA)、聚丙烯(Polypropylene，PP)、聚對苯二甲酸丁二酯(Polybutylene terephthalate，PBT)、聚氧二甲苯(聚苯醚)(Polyphenylene oxide，PPO)、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(Acrylonitrile butadiene styrene，ABS)、聚氯乙烯(Polyvinyl chloride，PVC)、 聚苯硫醚(Polyphenylene sulfide，PPS)、聚乙烯(Polyethylene，PE)、聚苯乙烯(Polystyrene，PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl methacrylate，PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate，PET)、多聚甲醛(聚甲醛、聚縮醛)(Polyoxymethylene，POM)、聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，PTFE)、聚氨酯(Polyurethanes，PU)、芳香族聚酯(Liquid crystal polymer，LCP)、熱塑性聚氨酯(Thermoplastic Urethane，TPU)、聚醯亞胺(Polyimide，PI)、聚醚醯亞胺(Polyamide Imide，PAI)、聚碸(Polysulfone，PSU)、聚酯(Polyester，PES)、聚醚醚酮(Polyether ether ketone，PEEK)、聚醚亞醯胺(Polyetherimide，PEI)、變性聚苯醚(Modified polyphenylene ether，PPE)、丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯(Acrylonitrile-Styrene-acrylate copolymer，ASA)、甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯(Methy-methacrylate Styrene，MS)、醋酸纖維(Cellulose Acetate，CA)、熱可塑性聚酯彈性體(Thermoplastic polyester elastomer，TPEE)、熱可塑性苯乙烯彈性體(Thermoplastic styrene elastomer，TPS)、尼龍彈性體(Polyamide elastomer，PAE)、乙烯/醋酸乙烯酯共聚物(Ethylene Vinyl Acetate，EVA)等。

步驟2：對該預成形體30進行一熱壓製程而得到一複合塊材40；於該熱壓製程之中，該預成形體30受一模具壓制，而處於一小於200℃的受熱溫度，以及一介於1kgf/cm²至960kgf/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30的緻密度以及立體結構，進而形成塊狀的該複合塊材40。於本發明的一實施例中，該成形壓力較佳地介於2kgf/cm²至10kgf/cm²之間。

步驟3：對該複合塊材40施以一造粒製程，令該複合塊材40形成複數個包含該固態碳材料10與該固態高分子材料20的複合顆粒50；於該造粒 製程中，例如為將該複合塊材40置入一造粒機中，該造粒機以刀具切削的方式將該複合塊材40形成一粒徑介於0.1mm至6mm之間的該複合顆粒50。再者，於本實施例中，在形成該複合顆粒50之後，還可進一步包含：

步驟4：對該複合顆粒50施以一成型製程，令該複合顆粒50形成一成形體60；該成型製程可透過一般射出成型、熱壓成型、真空熱壓成型、快速熱壓成型、油壓壓縮成型、粉末打粒成型以及其他熱塑性高分子成型技術等方式，將該複合顆粒50視為一原料，而進一步成形為具有預期形狀的該成形體60。如此一來，該成形體60將具有優異的機械、導電或導熱性質，可應用於一產品的製作，例如應用於製作一電子產品的一外殼，即可提升該產品的結構強度。

例如，當該固態碳材料10使用奈米碳管時，該複合顆粒50得以提升該成形體60的機械性質，原因在於奈米碳管具有高強度與高韌性，其楊氏模數值可達到1TPa，而拉伸強度估計高達100GPa以上(相對比之下，高強度鋼強度約為1~2GPa)，因此將奈米碳管加入該固態高分子材料20中，可大幅提升該固態高分子材料20的力學特性，尤其是彎曲強度。

除此之外，本發明中，依照該固態碳材料10選用不同的種類，除機械性質外，亦具有優異的導電與導熱性質，例如以上所舉例之碳黑，目前常用於提升高分子導電性質，石墨材料常用於提升導熱性質，此外，奈米碳管、石墨烯均是非常好的導電與導熱材料；奈米碳管之電阻率可達10^-4Ω-cm至10^-6Ω-cm，石墨烯之電阻率也可達到10^-6Ω-cm，均為相當優異的導電材料，而導熱性質方面，奈米碳管之熱傳導係數可達到2900W/m-K，石墨烯在石墨基面上之熱傳導係數甚至可達到5300W/m-K。

為進一步具體說明本發明的製造方法，請參閱下述依據本發明進行的實驗例：

實驗例1：

本實驗例的該初始混合物包括奈米碳管和固態酚樹脂(Phenolic Resin)，奈米碳管的重量百分比為70%，酚樹脂的重量百分比為30%且粒徑為200μm，該受熱溫度為180℃，該成形壓力為10kgf/cm²，所得到的該成形體60的電阻約介於6Ω至7Ω之間。

實驗例2：

本實驗例的該初始混合物包括奈米碳管和固態酚樹脂(Phenolic Resin)，奈米碳管的重量百分比為50%，酚樹脂的重量百分比為50%且粒徑為200μm，該受熱溫度為180℃，該成形壓力為10kgf/cm²，所得到的該成形體60的電阻約介於25Ω至30Ω之間。

實驗例3：

本實驗例的該初始混合物包括石墨稀和聚丙烯(Polypropylene，PP)，石墨稀的重量百分比為50%，聚丙烯(Polypropylene，PP)的重量百分比為50%且粒徑為500μm，該受熱溫度為190℃，該成形壓力為5kgf/cm²，所得到的該成形體60的電阻約介於10Ω至100Ω之間。

實驗例4：

本實驗例的該初始混合物包括石墨稀和聚丙烯(Polypropylene，PP)，石墨稀的重量百分比為30%，聚丙烯(Polypropylene，PP)的重量百分比為70%且粒徑為500μm，該受熱溫度為190℃，該成形壓力為5kgf/cm²，所得到的該成形體60的電阻約介於10²Ω至10³Ω之間。

實施例5：

本實施例的該初始混合物包括石墨稀和聚丙烯(Polypropylene，PP)，石墨稀的重量百分比為15%，聚丙烯(Polypropylene，PP)的重量百分比為85%且粒 徑為500μm，該受熱溫度為190℃，該成形壓力為5kgf/cm²，所得到的該成形體60的電阻約介於10³Ω至10⁴Ω之間。

由以上可知，依據本發明之方法所得到的該成形體60，可具有優異的電性表現。

本發明中，若是該固態碳材料10選用不同種類互相搭配加入該固態高分子材料20，會同時改善該固態高分子材料20的力學、導電與導熱性質，例如將奈米碳管以及石墨烯一同加入該固態高分子材料20之中。進而言之，以形貌而論，碳黑屬於零維的球形奈米材料，奈米碳管屬於一維的線性奈米材料，石墨烯屬於二維的平面奈米材料，而奈米碳管與石墨烯具有非常高的比表面積，而石墨烯具有較大的石墨接觸基面。例如，當該固態碳材料10為選用碳黑搭配奈米碳管時，奈米碳管會在碳黑顆粒的外部區域，形成許多似絨毛狀的結構，因奈米碳管具有大比表面積，容易接觸到碳黑，所以此絨毛狀結構會發揮類似導線連接的作用，將碳黑與碳黑顆粒間彼此相連，增加導電與導熱的通路，並減少碳黑間的斷路，達到提升該固態高分子材料20之導電與導熱的能力；其次，若該固態碳材料10為選用碳黑搭配石墨烯時，因石墨烯有大片的石墨基面，將其加入該固態高分子材料20中，就像將大面積之導電片或導熱片加入該固態高分子材料20中，且石墨烯之石墨基面也具有高比表面積，容易接觸到碳黑顆粒，同樣將形成碳黑彼此間的連接通路，增加導電與導熱的通道，進而提升該固態高分子材料20的導電與導熱性質；再者，若將奈米碳管、石墨烯與碳黑相互混合加入該固態高分子材料20中，則容易形成密集的導電與導熱通路網絡，大幅提升導電與導熱特性。

對於耐蝕性質方面，因該固態碳材料10本身就具有優良的耐蝕特性，通常都當作電池或電化學設備的電極材料，因此將奈米碳管、石墨烯 與碳黑等材料加入到該固態高分子材料20中，將可提升該固態高分子材料20的耐蝕特性。

據此，該複合顆粒50可提升該成形體60的機械、導電、導熱與耐蝕性質等，使該成形體60具有多方用途。在導電方面，由本發明之製造方法得到的該複合顆粒50，適合應用於抗靜電包裝材料、抗靜電操作工具、電子零件載具與載盤、電子產品與3C產品外殼、產線抗靜電運輸帶、抗靜電薄膜、抗靜電薄板、抗靜電泡綿、抗靜電管件、抗靜電地板、抗靜電工作檯面、晶粒盤(IC Tray)、承載帶(carrier tape)、IC元件運送與儲存材料及無塵室用衣物等其他需抗靜電的塑膠材料；在導熱方面，由本發明之製造方法得到的該複合顆粒50，適合應用於導熱膠帶、導熱矽膠片、緩衝材料及塑膠散熱片等，此外，由本發明之製造方法得到的該複合顆粒50尚可廣泛使用於其他電子零組件、太陽能模組、LED、LCD、汽車零組件及電源供應器等散熱模組上；在耐蝕方面，由本發明之製造方法得到的該複合顆粒50可應用在塑膠絕緣材料以及塑膠耐蝕棒。

綜上所述，由於本發明利用該固態碳材料與該固態高分子材料製成該複合顆粒，該複合顆粒不僅具有較佳的機械性質，還可具有較佳的導電性質、導熱性質與耐蝕性質等，而得以用於該成型製程，使得所形成的該成形體應用於該產品上具有較佳的耐用程度，不容易損壞，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、4‧‧‧步驟

Claims (8)

1. 一種高固態碳含量的高分子複合顆粒的製造方法，包含以下步驟：將一由一固態碳材料與一固態高分子材料所組成的初始混合物透過乾式混合形成一預成形體，該固態碳材料相對該固態高分子材料之重量百分比大於等於12%，且該固態高分子材料為一粒徑小於1mm的粉末；對該預成形體進行一熱壓製程而得到一複合塊材，其中該熱壓製程具有一小於200℃的受熱溫度以及一介於1kgf/cm²至960kgf/cm²之間的成形壓力；以及對該複合塊材施以一造粒製程，令該複合塊材形成複數個包含該固態碳材料與該固態高分子材料的複合顆粒；其中，該固態碳材料為選自奈米碳管、石墨烯、碳黑及其組合所組成的群組。
2. 如申請專利範圍第1項所述的高固態碳含量的高分子複合顆粒的製造方法，其中於形成該複合顆粒後，對該複合顆粒施以一成型製程，令該複合顆粒形成一成形體。
3. 如申請專利範圍第2項所述的高固態碳含量的高分子複合顆粒的製造方法，其中該成型製程為選自射出成型、熱壓成型、真空熱壓成型、快速熱壓成型、油壓壓縮成型及粉末打粒成型所組成的群組。
4. 如申請專利範圍第1項所述的高固態碳含量的高分子複合顆粒的製造方法，其中於該預成形體中，該固態碳材料的重量百分比為介於12%至95%之間，該固態高分子材料的重量百分比為介於5%至88%之間。
5. 如申請專利範圍第4項所述的高固態碳含量的高分子複合顆粒的製造方法，其中於該預成形體中，該固態碳材料的重量百分比為介於15%至70%之間，該固態高分子材料的重量百分比為介於30%至85%之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述的高固態碳含量的高分子複合顆粒的製造方法，其中該成形壓力介於2kgf/cm²至10kgf/cm²之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述的高固態碳含量的高分子複合顆粒的製造方法，其中該固態高分子材料為選自矽膠、橡膠以及熱可塑性高分子材料所組成的組群。
8. 如申請專利範圍第1項所述的高固態碳含量的高分子複合顆粒的製造方法，其中該固態高分子材料的粒徑小於500μm。