TWI814684B - 高分子複合材料 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種具有高導熱散熱性且具有防腐蝕特性的高分子複合材料。該高分子複合材料包含高分子基質、石墨烯，及硫酸鋇，其中，以該高分子複合材料的重量百分比為100wt%計，該石墨烯的含量為1~6wt%，且該硫酸鋇的含量不大於40wt%。
Description
本發明是有關於一種高分子複合材料，特別是指一種含有石墨烯的高分子複合材料。
石墨烯由於具有高導熱、高耐腐蝕、高機械強度、高耐化性，以及其特有的光、電等性質，因此，利用石墨烯摻混高分子而得到可應用在不同領域之具有不同特性的複合材料，也成為近年來研究的重點方向之一。理想的石墨烯為單層，但由於單層石墨烯穩定性較低，因此，受到熱力動力學的影響，單層石墨烯分子會傾向形成多層堆疊結構或石墨以降低其表面能。此外，由於石墨烯為具有sp
2混成的平面結構，因此，石墨烯層間會受到π-π吸引力(π-π interaction)而難以分離，此也導致堆疊後之石墨烯不易分散於高分子材料，而影響石墨烯-高分子複合材料的性質。因此，如何將石墨烯以及相關強化添加材料有效分散至高分子基質中，以得到具有預定特性需求的複合材料，一直是本技術領域者持續研究的重點。
因此，本發明的目的，即在提供一種分散性佳，且導熱性及耐腐蝕性均佳的高分子複合材料。
於是，本發明之高分子複合材料，包括：包含高分子基質、石墨烯，及硫酸鋇。
其中，以該高分子複合材料的重量百分比為100wt%計，該石墨烯含量介於2~5wt%，且該硫酸鋇的含量不大於40wt%。
本發明的功效在於：透過於該高分子基質中添加石墨烯及硫酸鋇，提升石墨烯於高分子基質的分散性，並可同時利用硫酸鋇及石墨烯的耐化性提升複合材料的抗腐蝕性而可形成同時具有散熱性及耐腐蝕性的高分子複合材料。
在本發明被詳細描述的前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
本發明高分子複合材料是可用於塗佈於一基材，其中，該基材可以是導電或不導電材料，以於該基材表面形成一由該高分子複合材料構成的保護層，該保護層具有高散熱性及耐蝕性，而可令表面形成有該保護層的基材具有高散熱性極高耐腐蝕的特性。
本發明高分子複合材料的實施例，包含高分子基質、石墨烯，及硫酸鋇。
具體的說，該高分子基質可選自熱塑性或熱固性高分子，且以該高分子複合材料的重量百分比為100wt%計，該石墨烯的含量介於1.0~6wt%，且該硫酸鋇的含量介於10~40wt%。
於一些實施例中，該高分子基質可選自丙烯酸樹脂、環氧樹脂及酚醛樹脂的其中至少一種，且該硫酸鋇的含量介於15~40wt%之間。
於一些實施例中，該高分子複合材料還可包含一供與該高分子基質反應的交聯劑，該交聯劑為外添加，且添加量是該高分子基質重量的2~5%。
要說明的是，由於石墨烯的比重極小，添加量較高時會有不易分散及體積佔比過大的問題；而添加量不足則散熱性不佳，因此，較佳地，該石墨烯的含量介於2~5wt%。
此外，該硫酸鋇與該石墨烯之間的含量關係是以硫酸鋇含量越高，石墨烯含量越小的方式添加，以避免該高分子複合材料中粉體體積佔比過高，而影響該高分子複合材料的成膜性及相關物性需求。
於一些實施例中，該高分子複合材料的石墨烯含量最高時，硫酸鋇含量最小；反之，該高分子複合材料的石墨烯含量最少時，硫酸鋇含量最高。
前述該高分子複合材料的製備是將所需含量的硫酸鋇與高分子基質混合後，再將預定比例的石墨烯加入高分子基質與硫酸鋇的混合物中，即可得到該實施例的高分子複合材料。
茲以下述具體例及比較例說明本發明該高分子複合材料的相關特性。
環氧樹脂：bisphenol-A epoxy resin(型號：NPEL-128，廠商：南亞塑膠)
交聯劑：醛類交聯劑(CAS#135108-88-2，廠商：河南天孚化工)
石墨烯：本案於具體例及比較例使用的石墨烯，是利用哈默法(Hammer’s method)，先將石墨(Sigma-Aldrich)以過錳酸鉀(KMnO
4)、濃硫酸、濃鹽酸的混合液進行氧化反應處理形成氧化石墨烯(GO)，將氧化石墨烯清洗後分散於水溶液中並以超音波震盪方式分散，再將氧化石墨烯的水溶液與氨水以適當比例混合後置於一密閉的熱液罐(hydrothermal tank)中加熱到200℃反應24小時，將氧化石墨烯還原以得到用於該具體例及比較例摻混用的石墨烯。要說明的是，本案用於摻混的石墨烯，可以如前所述方式製得，也可以是直接使用市售的石墨烯，並無需特別限制。
具體例1
將12.5g的硫酸鋇加入至82.5的環氧樹脂，攪拌混合後，再將5g的石墨烯加入該硫酸鋇與環氧樹脂的混合物中，再利用超音波分散約10~20分鐘。接著，外添加含量為該環氧樹脂重量的2%的硬化劑至經超音波分散的混合物中，即可得到石墨烯/硫酸鋇-高分子複合材料。
具體例2
該具體例2與該具體例1的材料及製備方法大致相同，不同處在於該具體例2的環氧樹脂、硫酸鋇及石墨烯的重量分別為73g、25g、2g。
比較例
該比較例是將40g的硫酸鋇加入至60g的環氧樹脂，攪拌混合後，再利用超音波分散約10~20分鐘。接著，將一含量為該環氧樹脂的重量的2%的硬化劑加入該經超音波分散的混合物中，即可得到一硫酸鋇/高分子複合材料。
接著，將該具體例1、2及比較例製得的高分子複合材料以高解析度穿透式電子顯微鏡(high resolution transmission electron microscope；以下稱HRTEM)及X射線能量散布分析儀 (Energy-dispersive X-ray spectroscopy ，以下簡稱EDS)進行影像/元素分析，及散熱性、耐腐蝕試驗。
散熱性測試
分別將該具體例1、2及比較例製得的高分子複合材料利用噴塗方式於一鋁合金基材(7205 Alloy)表面形成一厚度為40μm的塗層，以製得量測用試片。
接著利用雷射熱傳導儀(laser flash thermal analyzer)( Netsch LFA 467 HyperFlash
TM，(NETZSCH-Gerätebau GmbH, Wit-telsbacherstraße, Selb, Germany)，於室溫(25℃)條件分別量測該等試片的X-Y平面(in-plane) 及Z方向(out-off plane)的熱擴散率(thermal diffusivity)及導熱率 (conductivity)。
測試條件：
雷射輸出電壓：260V、脈衝間隔：30ms
接著，再利用前述該具體例1、2及比較例製得的高分子複合材料於鋁合金基材表面形成塗層後進行耐腐蝕試驗。
耐腐蝕性測試
分別將該具體例1、2製得的高分子複合材料利用噴塗方式於鋁合金基材(7205 Alloy)表面形成一厚度為40μm的塗層，再將其裁成2cmx2cm(長X寬)，製得量測用試片。
再分別將前述試片置於一含有3.5wt%合成海水溶液的電化學槽，利用3電極系統(工作電極：鋁合金陽極、參考電極：Ag/AgCl、共電極：錫箔(platinum foil，1cm
2)，以線性伏安掃描法(LSV)進行該等試片的電化學分析。其量測結果如圖3所示。
測試條件：
掃描速率：10mV/s
電壓： -0.1 to 1.0V
茲將該具體例1、2及比較例的主要材料比例、散熱性、導熱性，及電化學量測結果整理於下表1。
表1
| 高分子複合材料 | 具體例1 | 具體例2 | 比較例 | |
| 環氧樹脂(wt%) | 75 | 73 | 60 | |
| 石墨烯(wt%) | 5 | 2 | - | |
| 硫酸鋇(wt%) | 12.5 | 25 | 40 | |
| 熱擴散率 (mm 2/s) | Z-方向 | 15.83 | 9.78 | 0.179 |
| X-Y平面 | 71.38 | 51.46 | - | |
| 導熱率 (W/m) | Z-方向 | 36.6 | 25.28 | 0.121 |
| X-Y平面 | 165.0 | 133.0 | - | |
| 腐蝕電位( Ecorr)(V) | -0.1906 | -0.3118 | NA | |
| 腐蝕電流密度( jcorr)(μA/cm 2) | -9.3724 | -9.4694 | NA |
參閱圖1、2，圖1、2是該具體例1、2製得之石墨烯/硫酸鋇-高分子複合材料的HRTEM/EDS的分析結果。由圖1、2可知，本案的石墨烯與硫酸鋇會均勻的分散於高分子基質中，且石墨烯會藉由披覆於硫酸鋇表面均勻分散。此外，當石墨烯含量較高時，由於石墨烯體積佔比較高，因此，石墨烯會披覆於硫酸鋇表面並彼此連接而形成連續性網路；而石墨烯含量較低時，石墨烯之間較不易形成連續性通道。前述分散特性可配合表1的散熱性量測結果可知，當石墨烯含量較高時，石墨烯與硫酸鋇由於可均勻的分散於高分子基質並形成連續性網路，因此，該高分子複合材料可表現出優越的X-Y平面散熱性，且石墨烯含量越高時X-Y平面散熱性越好，此也進一步顯示石墨烯含量越高越容易形成連續性散熱網路，因此可具有更優越的X-Y平面散熱性，且還有助於Z方向的散熱導熱性。
此外，參閱圖3，再由該具體例1、2的線性掃描電位(LSV)的量測結果可知，該具體例1的腐蝕電位(
E
corr ) 及腐蝕電流密度 (
j
corr )為-0.1906 V and -9.3724 μA/cm
2，該具體例2的腐蝕電位(
E
corr ) 及腐蝕電流密度 (
j
corr )分別為-0.3118 V and -9.4694 μA/cm
2，顯示該含有石墨烯及硫酸鋇的高分子複合材料，不僅在X-Y平面可具有優越的導熱散熱性，還可表現良好的耐腐蝕性。其中，含有5wt%石墨烯的高分子複合材料，更可同時表現出良好的導熱散熱性及耐腐蝕特性。
綜上所述，本發明透過於該高分子基質中添加石墨烯及硫酸鋇，不僅可提升石墨烯於高分子基質的分散性，並可同時利用硫酸鋇及石墨烯的耐化性提升複合材料整體的抗腐蝕性，而可得到同時具有導熱散熱性及耐腐蝕性的高分子複合材料，故確實能達成本發明的目的。
惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。
無
本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：
圖1是一HRTEM及EDS影像，說明本發明具體例1的顯微影像及元素分佈結果；
圖2是一HRTEM/EDS影像，說明本發明具體例2的顯微影像及元素分佈結果；及
圖3是一腐蝕電位及電流密度曲線圖，說明具體例1、2的電化學量測結果。
Claims (7)
- 一種高分子複合材料，包含高分子基質、石墨烯，及硫酸鋇粉末，其中，以該高分子複合材料的重量百分比為100wt%計，該石墨烯的含量為1~6wt%，且該硫酸鋇的含量介於10~40wt%，且該高分子複合材料的X-Y平面熱擴散速介於50~72mm2/s，以及X-Y平面的導熱率介於130~170W/(m．K)。
- 如請求項1所述的高分子複合材料，其中，該高分子基質選自丙烯酸樹脂、環氧樹脂，及酚醛樹脂的其中至少一種。
- 如請求項1所述的高分子複合材料，其中，該石墨烯的含量介於2~5wt%。
- 如請求項1所述的高分子複合材料，其中，該硫酸鋇的含量介於15~40wt%，且該硫酸鋇含量越大時，該石墨烯含量越小。
- 如請求項1所述的高分子複合材料，其中，該高分子複合材料的Z方向導熱率介於25~40W/(m．K)。
- 如請求項1所述的高分子複合材料，其中，該高分子複合材料的腐蝕電位(E corr)介於-0.19V~-0.31V。
- 如請求項1所述的高分子複合材料，其中，該高分子複合材料的腐蝕電流密度(j corr)介於-9.47~-9.35μA/cm2。
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|---|---|---|---|---|
| CN108178964A (zh) * | 2017-11-01 | 2018-06-19 | 百氏高涂料（苏州）有限公司 | 一种石墨烯无溶剂防腐涂料及制备技术 |
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