[发明专利]纳米碳管粉体与其形成方法、复合材料的形成方法

说明书

技术领域

本发明是关于复合材料，更特别关于将纳米碳管分散其中的方法。

背景技术

塑料产品具可塑性以及质量轻，广泛用于民生工业之中，然而本身为绝缘体，表面经摩擦后产生电荷累积而带静电，会造成塑料在加工过程中的困扰，例如塑料薄膜成卷性不良与粘卷、易引起尘土及灰尘而降低生产线的良率、电子设备受到干扰或损坏，甚至引起火花而造成爆炸。

3C电器产品的轻薄短小化，电子元件往朝高密度与高频化发展。这些小型与高电子密度的元件必须解决静电干扰及电磁相容性(EMC)问题。金属外壳可达成电磁波的遮蔽屏障与抗静电效果，但金属的密度高且不易加工。虽然业界改以在外壳涂布导电漆、溅镀金属层，与无电镀金属层等，这些方式所需的成本高、制程复杂、且污染环境。此外，外层金属薄膜易剥落失效。

为了改善塑料的静电问题，进而应用于电子产品上，目前的作法是将抗静电/导电材料与高分子进行混炼。经由挤出或射出成型混炼后的复合材料，以期完成具抗静电(Anti-static)、静电消散(ESD)，与电磁波遮蔽(EMI)功能的高分子复材。抗静电需求为10⁹-10¹²ohm/□、静电消散(ESD)为10⁶-10⁹ohm/□、导电性需求为≤10⁶ohm/□、而电磁波干扰遮蔽(EMI)需求为≤10⁴ohm/□。

为使抗静电材料均匀分散于塑料之中，会先将添加材料与载体(carrier)混合熔融再造粒成母粒(masterbatch)，再将母粒与塑料熔融混合，藉由载体的湿润和分散作用，使添加剂与塑料有好的相容性。目前使用的主要抗静电材料为酯类、胺类，以及有机盐类，其导电路径是藉由吸附空气中的水气而在表面形成导电的水层。上述特性导致成品需放置在一定湿度环境下数天才具有抗静电效果，且易受环境影响(如湿度)。上述产品在受热后，其抗静电材料易迁移至表层而影响外观。此外，产品的抗静电效果会因延伸而下降或消失。

若使用碳黑作为抗静电材料/导电材料，其导电原理为均匀分散于塑料之中的碳黑，可藉由碳黑之间的接触或短距离(通常＜2nm)有效形成导电通路。然而添加碳黑的量需高渗透阈值(percolation threshold)。举例来说，作为抗静电材料时需添加＞5wt％的碳黑，作为导电材料需添加＞20wt％的碳黑。高碳黑添加量将影响复合材料的加工性与机械性质，其表面受摩擦后会有脱碳的现象而污染产品，影响塑料外观。添加碳黑的复合材料的电性效果，同样会受到延伸影响。目前没有拉伸4倍以上，仍具抗静电性质的复合材料。

纳米碳管(Carbon Nanotube，简称CNT)具有极佳的电性与机械性质，适合作为导电填充材料或补强材料。然而纳米碳管的表面平滑且为化学惰性，其与塑料的相容性不佳。另一方面，CNT的高长径比结构，使碳管间因强大凡德瓦尔力而相互吸引甚至缠绕聚集，导致纳米碳管难以分散于塑料中。此外，纳米碳管本质轻盈，不但占空间且易飘散，使得处理及存放纳米碳管时需额外注意。综上所述，纳米碳管在直接加工与应用上有其困难。

为了使纳米碳管均匀分散在塑料中，常见的方法有(1)化学修饰纳米碳管表面。利用盐酸、硝酸等强酸溶液使碳管表面产生羧酸等官能基，再进一步进行改性与接枝。或者利用自由基反应于纳米碳管表面直接进行改性与接枝，改善纳米管表面的化学惰性。之后再取化学修释后的纳米碳管与塑料进行混炼。此方法的缺点为，化学改性常会破坏纳米碳管管壁，并因此降低纳米碳管的导电性。(2)原位聚合反应。取反应单体(monomer)与纳米碳管于溶液混合均匀后，反应单体再进行聚合，使纳米碳管分散于反应单体聚合的高分子中。(3)溶液混合法(solution process)。将纳米碳管与高分子溶液混合均匀后，以再沉淀或去除溶剂得到固体。上述方法虽然能使纳米碳管均匀分散在塑料中，然而制程复杂、选用的溶剂成本高与具毒性，且高分子对溶剂的溶解度有其限制等，不适合应用在工业上。

综上所述，目前亟需在不伤害纳米碳管表面的前提下，使纳米碳管能有效分散于塑料中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米碳管粉体，其在不伤害纳米碳管表面的前提下，能使纳米碳管能有效分散于塑料中。