順向排列石墨烯片高分子復(fù)合材料及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種順向排列石墨烯片高分子復(fù)合材料的制造方法，包含下列步驟。分散石墨烯片于高分子流體中，以形成一混合物。施加場于混合物，以順向排列石墨烯片，于高分子流體中形成大致相互平行的束狀石墨體。最后，固化此混合物。形成的石墨烯片高分子復(fù)合材料具有介于1.00至2.00的異向性指數(shù)，其為平行場方向的熱傳導(dǎo)系數(shù)與垂直于場方向的熱傳導(dǎo)系數(shù)的比值。在此亦提供此順向排列的石墨烯片高分子復(fù)合材料。
【專利說明】順向排列石墨烯片高分子復(fù)合材料及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是有關(guān)于一種順向排列石墨烯片高分子復(fù)合材料及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯片是一種繼納米碳管后備受矚目的納米碳材料，其具有極高的電子遷移率(15000cm2/v.s)及熱傳導(dǎo)系數(shù)(5300W/mK)，而被用以作為提供導(dǎo)電或?qū)峁δ艿奶砑游?。但是，將石墨烯片添加于高分子后所提升的?dǎo)電或?qū)岢潭韧蝗珙A(yù)期。
[0003]Ali Raza 等人(Characterization of graphite nanoplatelets and thephysical properties of graphite nanoplatelet/silicone composites for thermalinterface application, Carbon (2011))提供不同比例的石墨烯片/硅膠復(fù)合材料。當(dāng)石墨烯片含量為20wt%時(shí)，熱傳導(dǎo)系數(shù)僅達(dá)到1.9W/mK。但因石墨烯片價(jià)格昂貴，故如何能夠在低石墨烯片添加量下，即能夠顯著提升導(dǎo)熱性質(zhì)，仍是本領(lǐng)域中待克服的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種順向排列(aligned)石墨烯片高分子復(fù)合材料。當(dāng)石墨烯片添加量為1.00wt%以下時(shí)，此復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)為混摻石墨烯片高分子復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)的三倍以上。并且，此復(fù)合材料的異向性指數(shù)(anisotropy index)可高達(dá)1.83。
[0005]本發(fā)明的一個(gè)方面提供一種順向排列石墨烯片高分子復(fù)合材料的制造方法，包含下列步驟。分散石墨烯片于高分子流體中，以形成一混合物。施加場(field)于混合物，以順向排列石墨烯片，于高分子流體中形成大致相互平行的束狀石墨體。最后，固化此混合物，以形成順向排列石墨烯片高分·子復(fù)合材料。形成的石墨烯片高分子復(fù)合材料具有介于
1.00至2.00的異向性指數(shù)，其為沿場方向的熱傳導(dǎo)系數(shù)除以垂直于場方向的熱傳導(dǎo)系數(shù)所得的數(shù)值。
[0006]本發(fā)明的另一方面提供一種順向排列的石墨烯片高分子復(fù)合材料，包含高分子基材以及順向排列的石墨烯片(aligned graphene sheets)。順向排列石墨烯片包含數(shù)個(gè)束狀石墨體位于高分子基材中，且束狀石墨體大致相互平行排列。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]為讓本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作詳細(xì)說明，其中:
[0008]圖1顯示依照本發(fā)明一實(shí)施方式的制造順向排列的石墨烯片高分子復(fù)合材料的方法的流程圖。
[0009]圖2A、2B及2C分別顯示依照本發(fā)明一實(shí)施方式的順向排列石墨烯片高分子復(fù)合材料的立體圖、上視圖及側(cè)視圖。
[0010]圖3A、3B及3C分別顯示依照本發(fā)明另一實(shí)施方式的順向排列石墨烯片高分子復(fù)合材料的立體圖、上視圖及側(cè)視圖。[0011]圖4A、4B及4C分別顯示依照本發(fā)明又一實(shí)施方式的順向排列石墨烯片高分子復(fù)合材料的立體圖、上視圖及側(cè)視圖。
[0012]圖5顯示依照本發(fā)明一實(shí)施方式的順向排列石墨烯片高分子復(fù)合材料的上視光學(xué)顯微鏡圖。
[0013]圖6顯示比較例I的順向排列石墨烯片高分子復(fù)合材料的上視光學(xué)顯微鏡圖。
[0014]圖7顯示比較例2的順向排列石墨烯片高分子復(fù)合材料的上視光學(xué)顯微鏡圖。
[0015]圖8顯示比較例3的順向排列石墨烯片高分子復(fù)合材料的上視光學(xué)顯微鏡圖。
[0016]圖9顯示實(shí)施例2的石墨烯片高分子復(fù)合材料的材料的側(cè)視光學(xué)顯微鏡圖。
[0017]圖1OA及IOB分別顯示實(shí)施例5的順向排列石墨烯片高分子復(fù)合材料的上視光學(xué)顯微鏡圖及側(cè)視光學(xué)顯微鏡圖。
[0018]圖1lA及IlB分別顯示實(shí)施例6的順向排列石墨烯片高分子復(fù)合材料的上視光學(xué)顯微鏡圖及側(cè)視光學(xué)顯微鏡圖。
[0019]圖12顯示實(shí)施例7的石墨烯片高分子復(fù)合材料的材料的側(cè)視光學(xué)顯微鏡圖。
[0020]圖13A及13B分別顯示實(shí)施例8的順向排列石墨烯片高分子復(fù)合材料的上視光學(xué)顯微鏡圖及側(cè)視光學(xué)顯微鏡圖。
[0021]圖14顯示實(shí)施例10的石墨烯片高分子復(fù)合材料的材料的側(cè)視光學(xué)顯微鏡圖。
[0022]圖15顯示實(shí)施例11的 石墨烯片高分子復(fù)合材料的材料的側(cè)視光學(xué)顯微鏡圖。
[0023]圖16顯示實(shí)施例12的石墨烯片高分子復(fù)合材料的材料的側(cè)視光學(xué)顯微鏡圖。
[0024]圖17顯示實(shí)施例1至12的異向性指數(shù)、石墨烯片添加量及電場強(qiáng)度的關(guān)系圖。
[0025]圖18顯示實(shí)施例1至12的排列度指數(shù)、石墨烯片添加量及電場強(qiáng)度的關(guān)系圖。
[0026]主要元件符號說明:
[0027]100制造方法
[0028]110、120、130 步驟
[0029]210高分子基材
[0030]220a束狀石墨體
[0031]220b絲狀石墨體
[0032]220c集束狀石墨結(jié)構(gòu)
[0033]D束狀石墨體的直徑
[0034]Wmax集束狀石墨結(jié)構(gòu)的最大寬度
【具體實(shí)施方式】
[0035]以下將以附圖披露本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施方式，為明確說明起見，許多實(shí)務(wù)上的細(xì)節(jié)將在以下敘述中一并說明。然而，應(yīng)了解到，這些實(shí)務(wù)上的細(xì)節(jié)不應(yīng)用以限制本發(fā)明。也就是說，在本發(fā)明部分實(shí)施方式中，這些實(shí)務(wù)上的細(xì)節(jié)是非必要的。此外，為簡化附圖起見，一些已知慣用的結(jié)構(gòu)與元件在附圖中將以簡單示意的方式繪示。
[0036]圖1顯示順向排列的石墨烯片高分子復(fù)合材料的制造方法100的流程圖，其包含分散石墨烯片于高分子流體中(步驟110)、施加場于混合物以順向排列石墨烯片(步驟120)以及固化此混合物(步驟130)等步驟。依照本發(fā)明的實(shí)施方式制得的的石墨烯片高分子復(fù)合材料具有介于1.00至2.00的異向性指數(shù)(異向性指數(shù)在此定義為沿場方向的熱傳導(dǎo)系數(shù)除以垂直于場方向的熱傳導(dǎo)系數(shù)所得的數(shù)值)，而可用以作為電磁波干擾遮蔽材料(Electromagnetic interference shielding material)、導(dǎo)熱石墨薄片、熱介面材料或高介面強(qiáng)度的高強(qiáng)力樹脂。
[0037]此外，順向排列的石墨烯片高分子復(fù)合材料可應(yīng)用于紡織領(lǐng)域。例如將此復(fù)合材料涂布于纖維或紗線表面，能夠增強(qiáng)導(dǎo)電或?qū)崮芰Γ⑻嵘湍ズ奶匦浴?br> [0038]在步驟110中，分散石墨烯片于高分子流體中，以形成一混合物。例如可利用機(jī)械攪拌方式，將石墨烯片粉體與高分子流體均勻混合。在一實(shí)施方式中，高分子流體具有室溫可硬化特性，以使排列好的石墨結(jié)構(gòu)(于步驟120中形成)在固化過程(即步驟130)不會(huì)被嚴(yán)重破壞。借此，本實(shí)施方式可有效發(fā)揮石墨烯片本有的高導(dǎo)熱特性，使石墨烯片高分子復(fù)合材料具有良好的導(dǎo)熱能力。根據(jù)上述，高分子流體系選自由硅膠、橡膠、聚胺基甲酸酯或其組合所構(gòu)成的群組。在一實(shí)施例中，高分子流體系硅膠，其為兩液型室溫硫化硅膠(RTVII)。在一實(shí)施方式中，高分子流體于25°C下的粘度為2500至3500cps，以使石墨烯片于步驟120中易于旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)，以利進(jìn)行順向排列(步驟120)。
[0039]石墨烯片為由多個(gè)碳原子薄層堆疊而成的三維板狀納米結(jié)構(gòu)。碳原子薄層系六角碳環(huán)分子結(jié)構(gòu)沿著(001)晶面延伸鍵結(jié)而構(gòu)成的二維納米碳分子結(jié)構(gòu)。相鄰的碳原子薄層以凡德瓦力相互吸引而堆疊，構(gòu)成上述的三維板狀納米結(jié)構(gòu)。碳原子薄層的堆疊方式可為一次重復(fù)結(jié)構(gòu)(AA堆疊順序)、二次重復(fù)結(jié)構(gòu)(AB堆疊順序)、三次重復(fù)結(jié)構(gòu)(ABC堆疊順序)。
[0040]在一實(shí)施方式中，石墨烯片的基面寬度為0.1至300微米，較佳系I至50微米?；鎸挾仁侵冈诰抻^下石墨烯粉體的D50粒徑，或是在微觀下的片狀結(jié)構(gòu)的平面寬度。
[0041]在一實(shí)施方式中，石墨烯片的堆疊厚度為0.1至10000納米，較佳系100至1000納米。堆疊厚度是指堆疊的碳原子薄層的總厚度。
[0042]在一實(shí)施方式中，石墨烯片具有一高寬比(aspect ratio)介于0.01至3000000之間。聞寬比定義為石墨稀片的基面寬`度除以堆置厚度。
[0043]在一實(shí)施方式中，石墨烯片的添加量為0.01至1.00wt%，較佳系0.25至0.75wt%。由于本發(fā)明的實(shí)施方式的石墨烯片的添加量極低，故能夠節(jié)省材料成本。
[0044]在步驟120中，施加場于混合物，使石墨烯片順向排列，以于高分子流體中形成大致相互平行的束狀石墨體220a，如圖2A所示。在一實(shí)施方式中，束狀石墨體220a大致平行于場方向(即X方向)排列。也就是說，石墨烯片是借由場作用力(如電場作用力)來克服重力、高分子粘度與結(jié)構(gòu)障礙而旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)，以沿著場方向排列，形成束狀石墨體220a，而非形成團(tuán)聚的石墨塊。
[0045]在一實(shí)施方式中，場為電場、磁場、機(jī)械場或電磁場。在一實(shí)施方式中，步驟120系施加電場于該混合物，電場強(qiáng)度為I至5kV/cm。例如可將上述混合物倒入模具內(nèi)，然后對此混合物施加某一方向的電場。
[0046]然后，在步驟130中，固化此混合物，以形成包含有高分子基材210及順向排列的石墨烯片的復(fù)合材料。在此步驟中，較佳系在室溫下進(jìn)行高分子固化反應(yīng)，以避免高分子鏈的熱擾動(dòng)破壞了束狀石墨體220a的結(jié)構(gòu)。
[0047]由于石墨烯片的排列程度會(huì)影響到熱傳導(dǎo)系數(shù)，進(jìn)而影響到異向性指數(shù)，據(jù)此，發(fā)明人提供一種排列度指數(shù)的計(jì)算方法，以整體考量高分子粘度、石墨烯片的添加量以及電場強(qiáng)度對石墨烯片排列程度的影響。排列度指數(shù)系根據(jù)下式計(jì)算:排列度指數(shù)=石墨烯片添加量(wt%) X電場強(qiáng)度(kV/cm) X (異向性指數(shù))X 1000/高分子粘度(cps)。在一實(shí)施方式中，石墨烯片高分子復(fù)合材料的排列度指數(shù)介于0.01至1.30。
[0048]此外，在步驟120中，除了形成束狀石墨體220a之外，還可形成其他石墨微結(jié)構(gòu)，如絲狀石墨體及集束狀石墨結(jié)構(gòu)，下述將詳細(xì)說明。
[0049]如圖2A-2C圖所示，彼此大致平行排列的束狀石墨體220a分散于高分子基材210中。在一實(shí)施方式中，束狀石墨體的直徑D介于I至20微米，如圖2C所示。
[0050]如圖3A-3C圖所示，束狀石墨體220a與絲狀石墨體220b形成于高分子基材210中。絲狀石墨體220b系連接至少兩束狀石墨體220a，借此可有效增加熱傳導(dǎo)系數(shù)。
[0051 ] 如圖4A-4C所示，集束狀石墨結(jié)構(gòu)220c與絲狀石墨體220b形成于高分子基材210中。集束狀石墨結(jié)構(gòu)220c是由數(shù)個(gè)束狀石墨體220a相互接觸而構(gòu)成。在一實(shí)施方式中，集束狀石墨結(jié)構(gòu)220c的最大寬度Wmax大于或等于50微米，如圖4C所示。
[0052]在下述實(shí)驗(yàn)例中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)異向性指數(shù)較高(系介于1.30至2.00)時(shí)，順向排列的石墨稀片基本上由束狀石墨體220a及絲狀石墨體220b組成，如圖5所不。此具有高異向性的復(fù)合材料可應(yīng)用于異向性材料領(lǐng)域中。
[0053]綜上所述，本發(fā)明的實(shí)施方式提供一種低石墨烯片添加量的順向排列石墨烯片高分子復(fù)合材料及其制造方法，其異向性指數(shù)能高達(dá)1.83，未來可用以作為電磁波干擾遮蔽材料、導(dǎo)熱石墨薄片、熱介面材料、高介面強(qiáng)度的高強(qiáng)力樹脂以及異向性材料。
[0054]實(shí)施例
[0055]以下的實(shí)施例系用以詳述本發(fā)明的特定態(tài)樣，并使本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識(shí)者得以實(shí)施本發(fā)明。以下的實(shí)施例不應(yīng)用以限制本發(fā)明。
[0056]比較例I至5:混摻石墨烯片硅膠復(fù)合材料
[0057]比較例I至5的制造流程包含下列步驟。首先，將硅膠與石墨烯片以機(jī)械攪拌方式混合，然后倒入模具中，靜置24小時(shí)而固化，形成混摻石墨烯片硅膠復(fù)合材料。材料重量比例、硅膠粘度以及熱傳導(dǎo)系數(shù)列于表一中。
[0058]表一
[0059]
【權(quán)利要求】
1.一種順向排列的石墨烯片高分子復(fù)合材料的制造方法，依序包含: 分散多個(gè)石墨烯片于一高分子流體中，以形成一混合物； 施加一場于該混合物，以順向排列所述石墨烯片，形成多個(gè)大致相互平行的束狀石墨體于該高分子流體中；以及 固化該混合物，以形成該石墨烯片高分子復(fù)合材料， 其中該石墨烯片高分子復(fù)合材料具有一介于1.0O至2.00的異向性指數(shù)，其為沿該場方向的熱傳導(dǎo)系數(shù)除以垂直于該場方向的熱傳導(dǎo)系數(shù)所得的數(shù)值。
2.如權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述石墨烯片的添加量為0.01至1.00wt%o
3.如權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述束狀石墨體大致平行于該場方向排列。
4.如權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于，該場為電場、磁場、機(jī)械場或電磁場。
5.如權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于，施加該場于該混合物步驟是施加電場于該混合物，該電場的電場強(qiáng)度為I至5kV/cm。
6.如權(quán)利要求5所述的制造方法，其特征在于，該石墨烯片高分子復(fù)合材料具有一介于0.01至1.30的排列度指數(shù)，其是根據(jù)下式計(jì)算: 排列度指數(shù)=石墨烯片添加量(wt%) X電場強(qiáng)度(kV/cm) X (異向性指數(shù))X 1000/高分子粘度(Cps)。
7.如權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于，該高分子流體是選自由硅膠、橡膠、聚胺基甲酸酯或其組合所構(gòu)成的群組`。
8.如權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于，該高分子流體于25°C下的粘度為2500至 3500cps。
9.如權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于，施加該場于該混合物，以順向排列所述石墨烯片，形成所述大致相互平行的束狀石墨體于該高分子流體中的步驟還包含:形成多個(gè)絲狀石墨體，且所述絲狀石墨體連接至少兩所述束狀石墨體。
10.如權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于，各所述石墨烯片具有一介于0.01至3000000之間的高寬比。
11.一種順向排列的石墨烯片高分子復(fù)合材料，包含: 聞分子基材；以及 多個(gè)順向排列的石墨烯片，其包含多個(gè)位于該高分子基材中的束狀石墨體，且所述束狀石墨體大致相互平行排列。
12.如權(quán)利要求11所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述順向排列的石墨烯片的含量為0.01 至 1.00wt%o
13.如權(quán)利要求11所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述順向排列的石墨烯片還包含多個(gè)絲狀石墨體，各所述絲狀石墨體連接至少兩所述束狀石墨體。
14.如權(quán)利要求11所述的復(fù)合材料，其特征在于，各所述束狀石墨體的直徑介于I至20微米。
15.如權(quán)利要求11所述的復(fù)合材料，其特征在于，部分所述束狀石墨體相互接觸，構(gòu)成一集束狀石墨結(jié)構(gòu)。
16.如權(quán)利要求15所述的復(fù)合材料，其特征在于，該集束狀石墨結(jié)構(gòu)的最大寬度大于或等于50微米。
17.如權(quán)利要求11所述的復(fù)合材料，其特征在于，該石墨烯片高分子復(fù)合材料具有一介于1.00至2.00的異向性指數(shù)，其為沿該場方向的熱傳導(dǎo)系數(shù)除以垂直于該場方向的熱傳導(dǎo)系數(shù)的數(shù)值。
18.如權(quán)利要求17所述的復(fù)合材料，其特征在于，該石墨烯片高分子復(fù)合材料的該異向性指數(shù)介于1.30至2.00，且所述順向排列的石墨烯片基本上由所述束狀石墨體及所述絲狀石墨體組成。
19.如權(quán)利要求11所述的復(fù)合材料，其特征在于，該高分子基材是選自由硅膠、橡膠、聚胺基甲酸酯或其組合所構(gòu)成的群組。
20.如權(quán)利要求11所述的復(fù)合材料，其特征在于，各所述順向排列的石墨烯片具有一介于0.01至3000000之間的高·寬比。
【文檔編號】C08K3/04GK103709752SQ201210380099
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2012年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月9日
【發(fā)明者】吳定宇, 林瑞基, 陳泰宏, 李曉燕, 蔡旻锜, 游任鈞, 曾信雄, 林育宏 申請人:財(cái)團(tuán)法人紡織產(chǎn)業(yè)綜合研究所