TWI628064B - 製作石墨模的方法、該方法製作的石墨模及其用途 - Google Patents
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Abstract
一種製作石墨模的方法、該方法製作的石墨模及其用途，該製作石墨模的方法包含步驟：將複數個黏結碳粉填充於一成型機具中，將該成型機具中的黏結碳粉壓製成為一生胚；將該生胚置於一加工環境中，該加工環境充填有一第一惰性氣體，將該生胚以攝氏900度以上的一溫度進行熱處理，使該生胚轉為一碳塊；及將該碳塊置於該加工環境中，該加工環境充填有一第二惰性氣體，將該碳塊以攝氏2000度以上的一溫度進行熱處理，使該碳塊轉為一石墨模。該方法製作而成的石墨模可應用於模製一水溶性芯模。
Description
本發明係關於一種模具製作方法，特別是關於一種製作石墨模的方法、該方法製作的石墨模及其用途。
碳纖維複合材料的密度低但強度高，已被廣泛地應用於航太用品、運動器材及車輛零組件等。在許多應用領域中，碳纖維複合材料須製備成中空件，例如腳踏車的車架、輪框、球桿、球拍及擊球頭等。
請參閱第1圖所示，習知碳纖維複合材料成型方法係將碳纖維與樹脂製成一碳纖維預浸布堆疊物，再將該碳纖維預浸布堆疊物舖於外模具9a、9b與一內模具8之間，以進行加熱、成型及固化等，而形成一碳纖維成品7。之後，該碳纖維成品7與該內模具8須可輕易地分離，例如：將該內膜具8從該碳纖維成品7中取出，或者，以加熱、溶劑等方式使該內膜具8消失。惟，若該碳纖維成品7結構複雜，則後者(消失法)似為較具經濟效益的方法。
近來，一種以水溶性高分子為主體的材料，具有該內膜具8應有的強度，且可輕易地以水為溶劑進行溶解，已被證實可適用於製作該內膜具8，故被稱為水溶性芯模。
請參閱第2圖所示，習知水溶性芯模製作方法係將水溶性載體、填充材料與水混成一水溶性漿料6，將該水溶性漿料6注入一成型模具M(由二模具部件M1及M2組成)，待該水溶性漿料6中的水分全部或部分被去除後，即可得到該水溶性芯模8’。
其中，該水溶性芯模的品質優劣與該成型模具M的特性息息相關，例如：為使該水溶性芯模8’的尺寸不致偏差，該成型模具M須具
相當強度，以利進行加壓及乾燥製程；更重要的是，該成型模具M須具備高透氣性，以便水分從該水溶性漿料6中快速排除。
然而，該成型模具M通常以金屬(如粉末冶金)、樹脂(如環氧樹脂)、石膏或氣袋(如氣袋內灌蠟)等材料製作，以習知材料製作的成型模具M各有其缺點，例如：金屬膜成本高、製程多且會生鏽；樹脂模的剛性不足且尺寸誤差大；石膏模的表面粗糙導致脫模困難；氣袋模不具剛性且取出不易。
有鑑於此，有必要提供一種有別以往的模具製作方法，以解決習用技術所存在的問題。
本發明之主要目的在於提供一種製作石墨模的方法，可產製加工性、機械強度及孔隙度佳的石墨材料，以便作為水溶性芯模的成型模具，進而提升水溶性芯模中的水分去除效率。
本發明之次要目的在於提供一種上述方法製作的石墨模，以便作為水溶性芯模的成型模具，進而提升水溶性芯模中的水分去除效率。
本發明之另一目的在於提供一種上述石墨模的用途，以提升水溶性芯模中的水分去除效率。
為達上述之目的，本發明提供一種製作石墨模的方法，可包含步驟：將複數個黏結碳粉填充於一成型機具中，將該成型機具中的黏結碳粉壓製成為一生胚；將該生胚置於一加工環境中，該加工環境充填有一第一惰性氣體，將該生胚以攝氏900度以上的一溫度進行熱處理，使該生胚轉為一碳塊；及將該碳塊置於該加工環境中，該加工環境充填有一第二惰性氣體，將該碳塊以攝氏2000度以上的一溫度進行熱處理，使該碳塊轉為一石墨模。
在本發明之一實施例中，該黏結碳粉可為一介相瀝青粉材。
在本發明之一實施例中，該黏結碳粉可由一煤焦油瀝青以不超過攝氏500度的一溫度碳化製成。
在本發明之一實施例中，該黏結碳粉可由一粉芯部及一粉周部構成，該粉周部包覆該粉芯部，該粉芯部可由一α樹脂構成，該粉周部
可由一β樹脂構成，該α樹脂的分子量可大於該β樹脂的分子量。
在本發明之一實施例中，該α樹脂主要由喹啉不溶成份構成。
在本發明之一實施例中，該β樹脂主要由甲苯不溶但喹啉可溶成份構成，該甲苯不溶但喹啉可溶成份的重量百分比大於該喹啉不溶成份的重量百分比。
在本發明之一實施例中，該甲苯不溶但喹啉可溶成份與該喹啉不溶成份以重量百分比計具有一差值，該差值的一範圍可在0.5wt%至10.0wt%之間。
在本發明之一實施例中，該生胚可以攝氏900至1300度的溫度進行熱處理。
在本發明之一實施例中，該第一惰性氣體可為氮氣或氬氣。
在本發明之一實施例中，該碳塊可以攝氏2000至3000度的溫度進行熱處理。
在本發明之一實施例中，該第二惰性氣體可為氬氣。
在本發明之一實施例中，該成型機具可為一冷均壓機，該冷均壓機可設有一橡膠模具，該黏結碳粉可填充於該橡膠模具中。
在本發明之一實施例中，將該成型機具中的黏結碳粉壓製成該生胚的一壓力範圍可為80至160百萬帕。
在本發明之一實施例中，該壓力範圍可為100至140百萬帕。
為達上述之目的，本發明另提供一種石墨模，可以上述之製作石墨模的方法製作而成。
為達上述之目的，本發明另提供一種上述石墨模的用途，可應用於模製一水溶性芯模。
在本發明之一實施例中，該石墨模可設有一內容室，用以填充一水溶性漿料。
在本發明之一實施例中，該水溶性漿料可經過一乾燥過程後形成該水溶性芯模。
在本發明之一實施例中，該乾燥過程可將填充該水溶性漿料
的石墨模置於一烘箱。
在本發明之一實施例中，該烘箱可具備氣體循環或真空功能。
6‧‧‧水溶性漿料
7‧‧‧碳纖維成品
8‧‧‧內模具
8’‧‧‧水溶性芯模
9a‧‧‧外模具
9b‧‧‧外模具
A‧‧‧腔室
M‧‧‧成型模具
M1‧‧‧模具部件
M2‧‧‧模具部件
M’‧‧‧待測石墨塊
P1‧‧‧壓力讀數
P2‧‧‧壓力讀數
R‧‧‧軟性密封圈
V‧‧‧閥件
S1‧‧‧壓胚步驟
S2‧‧‧第一熱處理步驟
S3‧‧‧第二熱處理步驟
第1圖：習知碳纖維複合材料之成型過程的示意圖。
第2圖：習知水溶性芯模之成型過程的示意圖。
第3圖：本發明實施例之製作石墨模的方法的流程示意圖
第4圖：本發明之透氣性測試的治具與待測石墨塊之使用示意圖。
第5圖：本發明之實驗例與對照例的輸入與輸出壓力讀數之示意圖。
第6圖：本發明之實驗例與對照例的脫除水量與脫水時間之示意圖。。
為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如上、下、頂、底、前、後、左、右、內、外、側面、周圍、中央、水平、橫向、垂直、縱向、軸向、徑向、最上層或最下層等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。
請參閱第3圖所示，其係本發明實施例之製作石墨模的方法的流程示意圖。其中，該方法可包含一壓胚步驟S1、一第一熱處理步驟S2及一第二熱處理步驟S3。該壓胚步驟S1可將複數個黏結碳粉填充於一成型機具中，將該成型機具中的黏結碳粉壓製成為一生胚；該第一熱處理步驟S2可將該生胚置於一加工環境中，該加工環境充填有一第一惰性氣體，將該生胚以攝氏900度(℃)以上的一溫度進行熱處理，使該生胚轉為一碳塊；該第二熱處理步驟S3可將該碳塊置於該加工環境中，該加工環境充填有一第二惰性氣體，將該碳塊以攝氏2000度以上的一溫度進行熱處理，使該碳塊轉為一石墨模。以下舉例說明上述實施例的實施態樣，惟不以此為限。
在一實施例中，該黏結碳粉可為一介相瀝青粉材，例如：該黏結碳粉可由一煤焦油瀝青以不超過攝氏500度的一溫度碳化製成。藉此，
該黏結碳粉的生產過程僅經輕度碳化即可完成。
在一實施例中，該黏結碳粉可由一粉芯部及一粉周部構成，該粉周部包覆該粉芯部，該粉芯部可由一α樹脂構成，該粉周部可由一β樹脂構成，該α樹脂的分子量可大於該β樹脂的分子量。藉此，分子量較高的α樹脂在後續的熱處理(如燒結)過程中不會熔化，而分子量較低的β樹脂在後續的熱處理過程中可被軟化，並發揮黏結整體碳粉顆粒的作用。
在一實施例中，該α樹脂主要由喹啉不溶(quinolone insoluble)成份(QI)構成；該β樹脂主要由甲苯不溶(toluene insoluble)但喹啉可溶成份構成，該甲苯不溶但喹啉可溶成份的重量百分比大於該喹啉不溶成份的重量百分比，例如：該甲苯不溶但喹啉可溶成份與該喹啉不溶成份以重量百分比計具有一差值，該差值的一範圍在0.5wt%至10.0wt%之間。其中，該甲苯不溶但喹啉可溶成份及喹啉不溶成份的含量可利用溶解度測試進行定量分析而得。藉此，由於β樹脂的均勻分布，使得顆粒之間可有效連結，令整體結構具備優良的密度及機械強度。
在一實施例中，該生胚以攝氏900至1300度的溫度進行熱處理；該碳塊以攝氏2000至3000度的溫度進行熱處理。藉此，在經過一次熱處理進行碳化後，該碳塊即具有相當之強度，在後續過程中，無須再次含浸瀝青，原本存在於該碳塊中的孔洞不會遭到封閉，在後續製得該石墨模後，該石墨模的透氣性甚佳。
在一實施例中，該第一惰性氣體為氮氣或氬氣；該第二惰性氣體為氬氣。藉此，可利用上述惰性氣體的特性，在熱處理過程中，可降低氧化現象，進一步提升該石墨模的結構強度及透氣性。
在一實施例中，該成型機具為一冷均壓機，該冷均壓機設有一橡膠模具，該黏結碳粉填充於該橡膠模具中，例如：將該成型機具中的黏結碳粉壓製成該生胚的一壓力範圍為80至160百萬帕(MPa)，使該黏結碳粉壓製成該生胚的密度適用於模製水溶性芯模；其中，該壓力範圍還可進一步選為100至140百萬帕，可使該生胚具備適當結構強度，且密度不致過高，以免影響透氣性。
此外，本發明實施例之一石墨模可利用上述製作石墨模的方
法製作而成，該石墨模之用途可應用於模製一水溶性芯模，其一實施例舉例說明如下，惟不以此為限。
舉例而言，該石墨模可設有一內容室(如模穴)，用以填充一水溶性漿料，該水溶性芯模之一實施例可為例如中華民國公告第I572660號「水溶性芯材粉體、水溶性芯材漿料以及水溶性芯材」，惟不以此為限；該水溶性漿料可經過一乾燥過程後形成該水溶性芯模，該乾燥過程可如一自然風乾過程，或如：該乾燥過程可將填充該水溶性漿料的石墨模置於一烘箱，用以縮短風乾時間；該烘箱還可具備氣體循環功能，用以提升烘乾均勻性及整體透氣效果。
以下利用一實驗例與一對照例說明不同實驗結果：
[實驗例]
使用上述黏結碳粉為原料(粒徑分布5-100μm)，該原料是由煤焦油瀝青經輕度碳化製成，該原料之粉體以冷均壓方式成形為一生胚，成形壓力設定為100-140MPa，該生胚的尺寸約為25×25×10立方公分，該生胚經900℃焙燒後，再以2500℃以上溫度進行石墨化，產生所需的一石墨塊，經以沸水法(依照JIS-R2205)實測該實驗例所製的石墨塊之孔隙度約為15%。
[對照例]
以日本東洋碳素公司之石墨塊(牌號IG-11)作為實驗對象，該IG-11石墨塊是目前業界常用的石墨塊，該石墨塊係由習用原料(焦炭與黏結瀝青)以習知方法(多次含浸瀝青與多次焙燒)製成，經以沸水法(依照JIS-R2205)實測該對照例的石墨塊之孔隙度約為10%。
[透氣性測試]
以一治具測試上述實驗例與對照例之石墨塊的透氣性，請參閱第4圖所示，該治具可藉由二軟性密封圈R將一待測石墨塊M’(實驗例、對照例)密封於一腔室A內，該腔室A可被輸入一定壓力之氣體，該輸入之氣體的流量可由一閥件V控制，該氣體的輸入壓力可由一壓力計P1讀取(其壓力讀數記為P1)，該氣體透出該待測石墨塊M’後的一輸出壓力可由另一壓力計P2讀取(其壓力讀數記為P2)。因此，藉由比較P2讀取的壓力產生的過程，可分辨材料的透氣性，一般而言，透氣性越好的材料，在該輸出壓力
的讀數增加越快。
請參閱第5圖所示，其係顯示該實驗例與該對照例於P1壓力讀數分別為29、37、45磅/平方英吋(psi)時的P2壓力讀數。由圖可知，該實驗例之P2壓力讀數上升幅度極為陡峭，約僅15秒(sec)的時間，即可讓P2壓力讀數達到P1壓力讀數；相較之下，該對照例之P2壓力讀數上升幅度較為平緩，約需70秒以上的時間，才可讓P2壓力讀數達到P1壓力讀數。因此，可證明本發明上述實驗例之石墨塊的透氣性大幅優於該對照例之石墨塊的透氣性。
相較之下，現有市售之石墨材料大多使用焦炭與黏結瀝青作為原料，經過碳化後的碳塊，不僅密度低且孔洞明顯，需要反覆地進行含浸瀝青與再焙燒之過程，惟在反覆含浸瀝青的過程中，會造成孔洞封閉，且原本連續性佳的孔洞變得不連續，故無法滿足作為水溶性芯模之成型模具的透氣性需求。
此外，將該實驗例與對照例之石墨塊分別製成一測試模具，以成形上述水溶性芯模，該等測試模具之尺寸皆為25×25×5立方公分，其模穴為直徑1.7公分且長度12公分之圓柱空間，平均分布於該測試模具內部。另，該水溶性漿料中的水的佔比為10wt%，將該水溶性漿料倒入該等測試模具後，將該等測試模具置於一烤箱中，紀錄不同測試模具的脫水效果。
請參閱第6圖所示，在脫水時間為第1至第8小時(hr)的過程中，該實驗例之測試模具的脫除水量(單位：克，g)遠大於該對照例之測試模具的脫除水量，換言之，該實驗例之測試模具脫除水分的速度較快，亦即，本發明上述實驗例之脫水效果較佳。
此外，若讓該實驗例與對照例之測試模具中的水溶性芯模持續進行乾燥，待該水溶性芯模具備足夠強度，且能自該模穴中脫離後，取得該脫離後的不同水溶性芯模成品測試其特性，如：可脫模時間、含水率、硬度、抗壓強度等，如上表1所示，該實驗例所需的乾燥時間僅需該對照例的乾燥時間的一半即可脫模，且利用該實驗例成形之水溶性芯模的低含水率、高硬度、高機械強度皆優於該對照例。因此，以該實驗例之石墨模製作之水溶性芯模可讓後續進行的碳纖維複合材料製程更易進行，且最終的碳纖維複合材料成品的尺寸偏差更小，可提高碳纖維複合材料產品的良品率，可用於進一步降低製作成本及售價。
藉此，本發明上述實施例之製作石墨模的方法，將該成型機具中的黏結碳粉壓製成為上述生胚；將該生胚置於上述加工環境中，該加工環境充填有上述第一惰性氣體，將該生胚以攝氏900度以上的溫度進行熱處理，使該生胚轉為上述碳塊；及將該碳塊置於該加工環境中，該加工環境充填有上述第二惰性氣體，將該碳塊以攝氏2000度以上的一溫度進行熱處理，使該碳塊轉為上述石墨模，以便作為水溶性芯模之成型模具。
經由上述實驗結果可知，本發明之實施例的石墨模之透氣性、脫除水量皆優於現有石墨塊製成的模具。當本發明之實施例的石墨模用於製作水溶性芯模時，該水溶性芯模之可脫模時間、含水率、硬度、抗壓強度皆優於現有石墨模具製成的水溶性芯模。
相對於習用現有市售之石墨塊在反覆含浸瀝青的過程中，會造成透氣性不佳，不符水溶性芯模的製作需求。本發明上述實施例之透氣性、脫除水量俱佳，可以製作特性佳的水溶性芯模，讓後續進行的碳纖維複合材料製程更易進行，且最終的碳纖維複合材料成品的尺寸偏差更小，可以達到提高碳纖維複合材料產品的良品率，並且可以降低製作成本及售價等功效。
雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
Claims (16)
- 一種製作石墨模的方法，包含步驟：將複數個黏結碳粉填充於一成型機具中，將該成型機具中的黏結碳粉壓製成為一生胚，該黏結碳粉由一煤焦油瀝青以不超過攝氏500度的一溫度碳化製成，該黏結碳粉由一粉芯部及一粉周部構成，該粉周部包覆該粉芯部，該粉芯部由一α樹脂構成，該粉周部由一β樹脂構成，該α樹脂的分子量大於該β樹脂的分子量，該α樹脂主要由喹啉不溶成份構成，該β樹脂主要由甲苯不溶但喹啉可溶成份構成，該甲苯不溶但喹啉可溶成份的重量百分比大於該喹啉不溶成份的重量百分比；將該生胚置於一加工環境中，該加工環境充填有一第一惰性氣體，將該生胚以攝氏900度以上的一溫度進行熱處理，使該生胚轉為一碳塊；及將該碳塊置於該加工環境中，該加工環境充填有一第二惰性氣體，將該碳塊以攝氏2000度以上的一溫度進行熱處理，使該碳塊轉為一石墨模。
- 如申請專利範圍第1項所述之製作石墨模的方法，其中該黏結碳粉為一介相瀝青粉材。
- 如申請專利範圍第1項所述之製作石墨模的方法，其中該甲苯不溶但喹啉可溶成份與該喹啉不溶成份以重量百分比計具有一差值，該差值的一範圍在0.5wt%至10.0wt%之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之製作石墨模的方法，其中該生胚以攝氏900至1300度的溫度進行熱處理。
- 如申請專利範圍第1項所述之製作石墨模的方法，其中該第一惰性氣體為氮氣或氬氣。
- 如申請專利範圍第1項所述之製作石墨模的方法，其中該碳塊以攝氏2000至3000度的溫度進行熱處理。
- 如申請專利範圍第1項所述之製作石墨模的方法，其中該第二惰性氣體為氬氣。
- 如申請專利範圍第1項所述之製作石墨模的方法，其中該成型機具為一冷均壓機，該冷均壓機設有一橡膠模具，該黏結碳粉填充於該橡膠模具中。
- 如申請專利範圍第1項所述之製作石墨模的方法，其中將該成型機具中的黏結碳粉壓製成該生胚的一壓力範圍為80至160百萬帕。
- 如申請專利範圍第9項所述之製作石墨模的方法，其中該壓力範圍為100至140百萬帕。
- 一種石墨模，係以如申請專利範圍第1至10項任一項所述之製作石墨模的方法製作而成。
- 一種如申請專利範圍第11項所述之石墨模的用途，係應用於模製一水溶性芯模。
- 如申請專利範圍第12項所述之石墨模的用途，其中該石墨模設有一內容室，用以填充一水溶性漿料。
- 如申請專利範圍第13項所述之石墨模的用途，其中該水溶性漿料經過一乾燥過程後形成該水溶性芯模。
- 如申請專利範圍第14項所述之石墨模的用途，其中該乾燥過程係將填充該水溶性漿料的石墨模置於一烘箱。
- 如申請專利範圍第15項所述之石墨模的用途，其中該烘箱具備氣體循環或真空功能。
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