合成導電復合材料的裝置和方法

專利名稱：合成導電復合材料的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種合成導電復合材料的裝置和方法，具體說，涉及一種通過將碳納 米管(carbon nanotubes，CNTs)與其他材料組合來合成具有增強的導電性的導電復合材料 的裝置和方法。
背景技術：
碳納米管由碳原子組成，每個碳原子與三個相鄰的碳原子結合形成六角蜂巢晶 格。由于它們卓越的電、熱和機械特性，碳納米管應用于場致發射裝置、電化學和能量存儲、 微機電學系統、有機和無機復合材料等等多種工業領域中。 碳納米管可以通過激光消融、電弧放電、化學氣相沉積(CVD)、碳氫化合物的高溫 分解等技術合成。激光消融是利用激光束氣化包括與石墨粉以預定比例混合的金屬的樣品 來合成碳納米管。電弧放電技術是通過將電壓施加到具有不同直徑的碳棒上引起電弧放 電，從而合成碳納米管。在化學氣相沉積中，將氣態的源氣體注入反應器利用熱或等離子體 生成碳納米管。此外，碳氫化合物的高溫分解是將液態或氣態的碳氫化合物和過渡金屬加 入加熱的反應管中并將碳氫化合物溶解，在氣態環境中形成碳納米管。 如上所述形成的碳納米管為導電材料。碳納米管可以與聚合物結合生成導電復合 材料，該導電復合材料可以廣泛用于分散靜電、阻隔電磁波等等。

發明內容
本發明提供一種合成復合材料的裝置和方法，該裝置和方法能夠控制包含在復合 材料中的碳納米管的方位，該復合材料在碳納米管和聚合物混合并注模之后生成，并因此 合成具有減小的表面電阻和增強的導電性的復合材料。 本發明還提供一種合成復合材料的裝置和方法，該裝置和方法能夠通過為復合材
料的各個部分調整電場的強度和方向、在注模過程中將具有已調整強度和方向的電場施加
到位于與復合材料各部分對應的位置上的熔化了的丸粒(pellet)上來控制復合材料各部
分的導電性，從而控制碳納米管在復合材料的各部分中被排列在何種方向上。 然而，本發明的方面并不限于此處所述的內容。本發明的上述和其他方面對所屬
技術領域的技術人員來說，通過參考以下對本發明的詳細說明將變得更顯而易見。 根據本發明的一個方面，提供一種用于合成導電復合材料的裝置。該裝置包括注
模機，其對通過混合碳納米管和聚合物而生成的丸粒進行注模；以及電場發生器，其在對熔
化的丸粒進行注模時將電場施加到熔化的丸粒上，從而重新排列包含在熔化的丸粒注模而
成的復合材料中的碳納米管。 可以安裝多個電極板，以分別與復合材料的部分相對應。 電場發生器可以包括一個或多個安裝在注模機出口并生成垂直電場的電極板； 以及通過向各個電極板施加電流來控制碳納米管方位的控制單元。
電場發生器可以包括多個沿復合材料形狀安裝在注模機出口并生成電場的電極
4板；以及通過向各個電極板施加不同電流來控制復合材料各個部分具有不同導電性的控制單元。 根據本發明的另一個方面，提供一種合成導電復合材料的方法。該方法包括將通 過擠出碳納米管和聚合物生成的丸粒注入注模機，并通過使用注模機對丸粒進行注模；將 電場施加到由注模機進行注模的丸粒上，從而重新排列包含在丸粒注模而成的復合材料中 的碳納米管。 根據本發明的另一個方面，提供一種合成導電復合材料的方法。該方法包括通過 使用擠出機擠出碳納米管和聚合物，并模制丸粒；將丸粒注入注模機，并通過使用注模機對 丸粒進行注模；以及在注模機的出口將電場施加到正在被注模的丸粒上，其中，為復合材料 的各個部分調整電場的方向和強度，其中，為丸粒注模而成的復合材料的各個部分調整電 場的方向和強度，并且將具有已調整了方向和強度的電場施加到位于與復合材料各部分相 對應的位置上的丸粒上，以使復合材料各個部分具有不同的表面電阻值和不同的導電性。


通過參照附圖詳細說明本發明的示例性實施例將使本發明的上述以及其他方面 和特征變得更加顯而易見，其中 圖1為根據本發明的一個示例性實施例的用于合成導電復合材料的裝置的示意 圖； 圖2為向圖1裝置中包含的多個電極板施加電場的電場發生器的方框圖；
圖3A示意性表示由圖1裝置模制的碳納米管的排列；
圖3B為由圖1裝置模制的碳納米管的拍攝圖； 圖4為說明根據本發明的一個示例性實施例的合成導電復合材料的方法的流程 圖； 圖5為通過使用擠出機和注模機合成導電復合材料的傳統裝置的示意圖； 圖6為在圖5中對碳納米管和聚合物進行注模時排列在一個方向的碳納米管的示
意圖；以及 圖7為在圖6中注模后排列在一個方向的碳納米管的拍攝圖，其中碳納米管包含 在碳納米管和聚合物的復合材料中。
具體實施例方式
參照下文對示例性實施例及附圖的詳細說明，可以更容易地理解本發明及其實施 方法的優點和特征。然而，本發明可以用多種不同的方式來實施，不應解釋為僅限于此處所 列舉的實施例。更確切地，提供這些實施例是為使本公開徹底且完全，且將向所屬技術領域 的技術人員充分地傳達本發明的思想，本發明將僅為權利要求所限定。整篇說明書中相同 的元件標記表示相同的元件。 應該理解，當元件被稱為"連接至"或"耦接至"另一元件時，其可以直接連接或耦 接至另一元件或者也可以存在中介元件。相反，當元件被稱為"直接連接至"或"直接耦接 至"另一元件時，不存在中介元件。相同的數字始終表示相同的元件。如此處所使用的，術 語"和/或"包括一個或多個列出的相關內容的任何和所有的組合。
應該理解，盡管術語"第一、第二、第三等"會被在此用來表述不同的元件、組件和 /或部件，但這些元件、組件和/或部件應不被這些術語所限制。這些術語僅僅用來將一元 件、組件、或部件與其它元件、組件、或部件相區別。因此，以下說明的第一元件、第一組件或 第一部件可以表述成第二元件、第二組件或第二部件而不背離本發明的教導。
此處所用術語僅為說明特定實施例的目的，不用于限制本發明。如在此的使用中， 除非上下文明確指出，單數形式同樣也可以包含復數形式。還應該理解，說明中用到的術語 "包含了"和/或"包含"表示指定的組件、步驟、操作和/或元件的存在，但也不排除一個或 多個其它組件、步驟、操作、元件和/或其組合的存在或增加。 除非另外說明，本說明中用到的所有術語(包括技術和科學術語)都具有本發明 所屬領域的普通技術人員通常理解的相同含義。還應該理解，例如那些在常用字典中被定 義的術語應該解釋為具有與相關技術的上下文含義相符合的含義，并且不應理想化或過度 形式感地解釋，除非在此清楚地定義。 以下，將參考附圖對本發明的示例性實施例進行更詳細的說明。 碳納米管(Carbon nanotubes， CNTs)為導電材料。碳納米管可以與聚合物結合，形
成可廣泛用于分散靜電、阻隔電磁波等的導電復合材料。為了合成碳納米管和聚合物的導
電復合材料，使碳納米管和聚合物、例如聚碳酸酯(polycarbonates, PCs)相互混合均勻，
并接著進行注模。 圖5為通過使用擠出機50和注模機51合成導電復合材料的傳統裝置的示意圖。 圖6為在圖5中對碳納米管和聚合物進行注模時排列在一個方向的碳納米管的示意圖。圖 7為在圖6中注模后排列在一個方向的碳納米管的拍攝圖，其中碳納米管包含在碳納米管 和聚合物的復合材料中。 參照圖5，對碳納米管和聚碳酸酯進行擠出和注模。具體說，在將碳納米管和聚碳 酸酯以預定比例注入擠出機50中時，擠出機50將碳納米管和聚碳酸酯混合均勻，以將它們 擠出。 在擠出機50將碳納米管和聚碳酸酯擠出之后，會生成具有預定形狀和丸粒。生成 的丸粒表現為具有預定形狀的顆粒的形式。將丸粒注入注模機51中，并從而模制成具有預 定形狀的產品(即復合材料)。 聚碳酸酯和碳納米管注模到其中的復合材料為具有卓越導電性能的導電復合材 料。因此，如上所述，復合材料可以廣泛用于分散靜電、阻隔電磁波等。擠出過程之后生成 的丸粒中包含的碳納米管隨機排列。然而，在注模過程中，碳納米管可以因注射壓力而重新 排列在一個方向上。 例如，參照圖6和圖7，包含在丸粒中的碳納米管可以在注模的時候因外部環境因 素、例如注射壓力而被排列在一個方向上。在碳納米管和聚合物注模到其中的復合材料中， 碳納米管可以排列在一個方向上。由于碳納米管在一個方向排列，它們相互之間失去聯系， 從而增加了表面電阻。此外，碳納米管和聚合物(例如PCs)復合材料的導電性降低。因此， 復合材料作為導電復合材料的效果會被降低。 圖1為根據本發明的一個示例性實施例的用于合成導電復合材料的裝置的示意
圖。參照圖1，根據本發明實施例的裝置可以包括注模機100和電場發生器200。 注模機100接收由碳納米管和聚 物擠出模制的丸粒，并利用加熱器130和螺桿110加熱從而熔化丸粒。注模機100使螺桿110旋轉，用以向螺桿110的前端供給熔化的丸 粒。注模機100利用活塞120產生的高壓將熔化的丸粒通過出口 140推出。然后，推出的 熔化的丸粒被注入具有預定形狀的模具150中。因此，注入的熔化的丸粒在模具150中形 成的腔180中冷卻，并固化成具有與腔180的形狀和大小相同的碳納米管-聚合物復合材 料。這里，腔180的形狀做成與所需產品、即所需復合材料相同的形狀。
在本實施例中，熔化的丸粒可以指注入注模機100的螺桿110并隨之熔化的丸粒 或注入模具150中尚未固化的丸粒。 電場發生器200在熔化的丸粒被模制成具有預定形狀的復合材料時向熔化的丸 粒施加電場。在熔化的丸粒固化時，電場發生器200向熔化的丸粒施加電場，以重新排列包 含在熔化的丸粒中的碳納米管。例如，當包含碳納米管和聚碳酸酯(即聚合物)的丸粒熔 化后，如果熔化的丸粒正被注模時向熔化的丸粒施加電場，則碳納米管的方位可以被改變， 也就是說，碳納米管因為注模過程中的流動和施加的壓力可以重新排列。
總體上，當碳納米管隨機排列時，它們相互接觸。因此，導電性增加，同時表面電阻 降低。另一方面，當碳納米管在一個方向上排列時，它們相互不接觸。因此，導電性降低，同 時表面電阻增加。 在這點上，根據本發明實施例的電場發生器200可以在注模過程中向熔化的丸粒 施加電場，以便重新排列碳納米管。這樣，碳納米管朝向一個方向的方位可以減少，同時促 使碳納米管具有相對各向同性的方位。因此，導電性可以增加。 電場發生器200可以包括一個或多個電極板210、通過向電極板210施加電流或電 壓來控制碳納米管方位的控制單元220、以及向電極板210供電的供電單元230。
每個電極板210用作向熔化的丸粒施加電場的介質。電極板210可以鄰接出口 140、模具150的閘門185、以及形狀與所需產品(即所需復合材料)相同的腔180安裝，其 中，注模機100中的熔化的丸粒通過該出口 140注入模具150。出口 140是熔化的丸粒被注 模機100中的螺桿IIO推出所通過的口。閘門185用作模具150的入口和熔化的丸粒被注 入模具150所通過的通道。腔180的形狀與最終生產的產品(即復合材料)相同。熔化的 丸粒填充腔180并在腔180中固化。 為了使電極板210與周圍的金屬材料絕緣，每個電極板可以用絕緣體密封。當電 極板210與出口 140或閘門185鄰接安裝時，可以向正在被快速通過窄出口 140或閘門185 傳送的熔化的丸粒施加電場。當電極板210與模具150中的腔180鄰接安裝時，可以向填 充相對寬闊的腔180的熔化的丸粒施加寬電場。 如上所述，可以根據施加到熔化的丸粒上的電場的方向和強度安裝一個或多個電 極板210。例如，當電極板210與出口 140或閘門185鄰接安裝時，可以向熔化的丸粒施加 相對較強的電場。當電極板210與模具150中的腔180鄰接安裝時，可以向熔化的丸粒施 加相對較弱的電場。各電極板210可以用具有卓越導電性的金屬材料、例如銅或銀制成。
控制單元220控制施加到每個電極板210上的電場的強度。例如，當電極板210與 出口 140或閘門185鄰接安裝時，控制單元220可以對供電單元230加電，以施加相對較強 的電場。控制單元220可以計算能引起包含在熔化的丸粒中的碳納米管變得各向同性(即， 排列在所有的方向上)的電流量(例如，對應于擠出過程中施加的力的電流量)，并向熔化 的丸粒施加對應于所計算的電流量的電場。例如，控制單元220可以計算施加到熔化的丸粒上的壓力或力作為電流量(該熔化的丸粒中，因為注模過程中施加在熔化的丸粒上的注 射壓力，碳納米管排列在一個方向上)，并將計算的電流量施加到熔化的丸粒上以重新排列 碳納米管。 圖2為向圖1裝置中包含的電極板210施加電場的電場發生器200的方框圖。
參照圖2，模具150的腔180可以填充熔化的丸粒，并且熔化的丸粒可以被模制成 預定的產品(復合材料)。由于注模生產的產品可以具有復雜的形狀，所以碳納米管的方位 在注模過程中可以根據流動和施加到位于與產品各個部分相對應的位置上的熔化的丸粒 上的壓力而在產品的各個部分有所不同。 因此，電極板210可以沿模具150中的復合材料190的形狀排列，以便控制施加到 位于與復合材料190各個部分相對應的位置上的熔化丸粒上的電場強度和方向。也就是 說，通過向位于與復合材料190各個部分相對應的位置上的熔化丸粒施加不同的電場，可 以控制復合材料190各個部分的導電性，從而在適合復合材料190各個部分的方向上重新 排列碳納米管。 例如，參照圖2，電極板210可以沿經注模形成的復合材料190的形狀排列，控制單 元220可以通過調整施加到各個電極板210上的電流量控制復合材料190各個部分的表面 電阻和導電性。 具體說，當控制單元220要使復合材料190上表面的中心具有最大導電性同時要
使復合材料190其他部分的導電性降低到預定水平時，其可以根據復合材料190各個部分
所需的表面電阻值有差別地控制施加到安裝在復合材料190上表面中心的電極板210上的
電流量和施加到其他電極板210上的電流量。這里，通過使用導電性的倒數(siemens/m)
來計算表面電阻值(Ohn/sq)。因此，表面電阻值的減小可以引起導電性的增加。 當碳納米管以各向同性方式排列時，它們相互接觸，從而減小表面電阻。因此，包
含碳納米管的復合材料190的導電性可以增加。在本實施例中，由于在注模過程中向熔化
的丸粒施加電場以重新排列碳納米管，所以碳納米管的各向同性特性增加。這樣，就可以獲
得具有降低的表面電阻和增加的導電性的復合材料190。由于增加的導電性，碳納米管和聚
合物復合材料的導電性也增加。也就是說，可以獲得更卓越的碳納米管和聚合物導電復合材料。 用于制造場致發射顯示器(field emission displays, FEDs)或液晶顯示器
(LED)-背光單元的絲網印刷方法也可以用于通過向碳納米管施加電場來重新排列碳納米
管。因此，向碳納米管施加電場以及因此重新排列碳納米管的方法就不再詳述。 圖3A示意性表示由圖1裝置模制的碳納米管310的排列。圖3B為由圖1裝置模
制的碳納米管310的拍攝圖。 參照圖3A，由圖1裝置模制的碳納米管310可以隨機排列。雖然由傳統的裝置注 模的碳納米管以圖6所示的方向排列，但根據本實施例的碳納米管310可以隨機排列，因為 在注模過程中向熔化的丸粒施加了電場，以重新排列包含在熔化的丸粒中的碳納米管。
參照圖3B，因為向碳納米管310施加了電場，所以碳納米管310隨機排列。具體 說，形狀像細線的碳納米管310隨機排列，同時保持相互接觸。 圖4為說明根據本發明的一個示例性實施例的合成導電復合材料的方法的流程 圖。
參照圖4，通過使用擠出機使碳納米管和聚合物相互混合，以生成丸粒(操作S410)。例如，當聚合物為聚碳酸酯時，將碳納米管和聚碳酸酯注入圖5所示的擠出機50中。然后，在將碳納米管和聚碳酸酯的混合物通過擠出機50的出口擠出到空氣中時使其冷卻。最后，將碳納米管和聚碳酸酯的混合物切割成預定的大小，以生成丸粒。
將生成的丸粒注入注模機100中并接著進行注模(操作S420)。例如，當包含碳納米管和聚碳酸酯(即聚合物)的丸粒被注入注模機100中時，注模機100將丸粒傳輸到模具150中，同時向丸粒施加預定的壓力，并將丸粒加熱到預定的溫度。之后，將模具150中熔化的丸粒模制成產品。這里，通過模制熔化的丸粒制得的產品可以被稱為碳納米管和聚合物的復合材料。 在注模過程中，將電場施加到正在被傳輸或正在固化的熔化丸粒上，以重新排列包含在熔化的丸粒中的碳納米管(操作S430)。這里，電場發生器220可以通過電極板210向熔化的丸粒施加電場，其中，所述電極板210鄰接熔化的丸粒傳輸所沿路徑中的出口140、閘門185或腔180安裝。 當電場發生器220通過電極板210向熔化的丸粒施加電場時，可以使包含在熔化的丸粒中的碳納米管重新排列并促使其具有如圖3A所示的各向同性方位。
控制單元220控制施加到各個電極板210上的電流量，以便調整各個電極板210產生的電場的強度和方向。這樣以來，控制單元220就可以控制具有相對復雜的形狀的復合材料190的各個部分的表面電阻和導電性。 電極板210可以分別對應于復合材料190的各部分，并且可以通過各個電極板210向正在注模的熔化丸粒施加電場，以控制復合材料190的導電性和表面電阻。
如上所述，根據本發明的實施例，向包含碳納米管和聚合物的熔化的丸粒施加電場，同時對熔化的丸粒進行注模。因此，熔化的丸粒注模而成的復合材料的導電性可以提高。此外，可以控制復合材料的各個部分的導電性和表面電阻，以調整復合材料作為導電復合材料的效果，例如阻隔電磁波和分散靜電。 根據本發明的實施例，在從注模機中推出包含碳納米管和聚合物的熔化的丸粒時，向熔化的丸粒施加具有預定方向的電場，以在所有方向上重新排列碳納米管，從而增強熔化的丸粒注模而成的復合材料的導電性。 由于通過向熔化的丸粒施加預定方向的電場使碳納米管排列成相互接觸，所以可以降低復合材料的表面電阻。 此外，復合材料各個部分的導電性可以通過以下步驟來控制為復合材料各個部分調整電場方向和/或強度，將具有調整了的方向和/或強度的電場施加到位于與復合材料各個部分相對應的位置上的熔化丸粒上，以及從而控制復合材料各部分中碳納米管排列的方向。 雖然本發明已參考示例性實施例具體表示和說明，所屬技術領域的技術人員應當理解的是，可以在不背離由權利要求限定的本發明的精神和范圍的情況下進行形式上和細節上的多種改變。示范性實施例應當被認為僅僅是說明性的，而非為限制的目的。
權利要求
一種用于合成導電復合材料的裝置，該裝置包含注模機，其對通過混合碳納米管和聚合物而生成的丸粒進行注模；以及電場發生器，其在對熔化的丸粒進行注模時將電場施加到熔化的丸粒上，從而重新排列包含在熔化的丸粒注模而成的復合材料中的碳納米管。
2. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，電場發生器將電場施加到碳納米管上以 隨機排列碳納米管。
3. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，電場發生器包含一個或多個電極板，其位于傳輸熔化的丸粒所沿的路徑中；以及 控制單元，其通過控制施加到各個電極板上的電流量來重新排列碳納米管。
4. 根據權利要求3所述的裝置，其特征在于，電極板鄰接注模機出口、模具閘門和模具 腔中的任何一個安裝。
5. 根據權利要求3所述的裝置，其特征在于，電極板可以沿復合材料的形狀或分別對 應于復合材料的各部分安裝。
6. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，電場發生器包含 多個沿復合材料的形狀安裝的電極板；以及控制單元，其通過向各個電極板施加不同的電流來控制復合材料的各個部分具有不同 的導電性。
7. 根據權利要求6所述的裝置，其特征在于，電極板分別對應于復合材料的各部分，并 且相互絕緣，以便可以向對應于復合材料各部分的電極板分別施加不同的電流。
8. —種合成導電復合材料的方法，該方法包含將通過擠出碳納米管和聚合物生成的丸粒注入注模機，并通過使用注模機對丸粒進行 注模；以及將電場施加到由注模機進行注模的丸粒上，從而重新排列包含在丸粒注模而成的復合 材料中的碳納米管。
9. 根據權利要求8所述的裝置，其特征在于，重新排列碳納米管包含通過在傳輸熔化 的丸粒的同時向熔化的丸粒施加垂直電場而使碳納米管變得各向同性，從而重新排列碳納 米管。
10. 根據權利要求9所述的裝置，其特征在于，使碳納米管變得各向同性包含 在注模機的出口垂直或水平安裝一個或多個電極板；以及通過向各個電極板施加電流生成電場。
11. 根據權利要求8所述的裝置，其特征在于，在重新排列碳納米管的過程中，通過分 別對應于復合材料的各部分安裝的電極板，向分別位于與復合材料的各部分相對應的位置 上的熔化的丸粒施加不同的電場來控制復合材料各個部分的導電性。
12. —種合成導電復合材料的方法，該方法包含 通過使用擠出機擠出碳納米管和聚合物，并模制丸粒； 將丸粒注入注模機，并通過使用注模機對丸粒進行注模；以及 在注模機的出口將電場施加到正在被注模的丸粒上，其中，為丸粒注模而成的復合材料的各個部分調整電場的方向和強度，并且將具有已 調整了方向和強度的電場施加到位于與復合材料各部分相對應的位置上的丸粒上，以使復合材料各個部分具有不同的表面電阻值和不同的導電性c
全文摘要
本發明提供一種用于合成具有增強的導電性的導電復合材料的裝置和方法。該裝置包括注模機，其對通過混合碳納米管和聚合物而生成的丸粒進行注模；以及電場發生器，其在對熔化的丸粒進行注模時將電場施加到熔化的丸粒上，從而重新排列包含在熔化的丸粒注模而成的復合材料中的碳納米管。
文檔編號H01B5/16GK101740158SQ20081017755
公開日2010年6月16日 申請日期2008年11月21日 優先權日2008年11月18日
發明者趙重根, 黃湖水 申請人:株式會社細美事