TW201402663A - 高導熱及ｅｍｉ遮蔽之高分子複合材 - Google Patents

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本發明之高分子複合材主要以利用添加導熱性材料(例如石墨烯)，與具EMI遮蔽功效之電磁波屏蔽材料與高分子黏結劑(Binder)充分混摻，提升整體複合材之導熱係數及遮蔽效能，以提供兼具確保熱能由發熱源排散及有效遮蔽電磁波干擾之複合材料。

Description

高導熱及EMI遮蔽之高分子複合材
本發明係有關一種高分子複合材，特別是指一種可兼具吸收電磁波可遮蔽電磁波干擾以及高導熱性之高分子複合材。
近年來，個人電腦、手機等配置於內部之CPU、MPU、LSI等電子元件，均朝向高密度化及高集成化設計，造成因精密度提高，電磁波散射於電子產品內部，而造成內部電磁波之干擾問題；更伴隨CPU、MPU、LSI等電子元件皆以高功能、高傳輸、高效率等條件運作，造成發熱量變大，若在操作時所產生之廢熱無法有效率地排除，電子元件間溫度大幅地升高，造成電子產品運作效率降低，進而損壞電子元件。
進行此等電磁波干擾阻礙對策，大多利用金屬板做外部加工之遮蔽材，雖其屏蔽效果良好，但因重量重及加工性限制無法達到輕量化、體積小之訴求。為符合EMI屏蔽效果、加工特性及外觀重量的需求，利用添加低阻抗之複合材料於高分子儼然已成為趨勢，藉由這類材料對電磁波的反射及吸收，以阻擋部份電磁波的穿透。
在日本國專利案特開平7-212079，揭示有一種複合磁性體，利用某種軟磁性體之複數透導磁率之高頻吸收，可以抑制無用電磁波之干擾。該複合磁性體，由複合磁性片所成，係以軟磁性體粉末混合在有機結合劑中；然而，此種複合磁性體之形成所使用之有機結合劑，因為容易受熱之影響，產 生變形，劣化等，又因為有機結合劑之熱傳導性不良，所以會妨礙電子產品之散熱，為其問題。
或者，其他如美國專利第12/968,436號利用透過碳奈米纖維-金屬複合物，其是透過金屬連續塗佈於具許多切去頂端之圓錐形石墨烯層壓而成之碳奈米纖維，於熱塑性樹脂形成網絡結構，進而提供EMI屏蔽之效能；以及，美國專利第13/169,724號於vinylarene oxide中加入具導電性之材料如：銀、金、鉑、石墨、石墨烯、奈米碳管等及固化劑。合成出具導電性之固化樹脂複合材料，應用於半導體封裝材料。
惟，上述高分子複合材料無同時具備解決EMI電磁波干擾及將電子產品產生之廢熱排散之效能。
有鑑於此，本發明即在提供一種兼具遮蔽電磁波干擾及高導熱性之高分子複合材，為其主要目的者。
為達上揭目的，本發明之高分子複合材為利用無機複合材料以及高分子黏結劑充分混摻，其中，該無機複合材料具有0.5wt%~80wt%之導熱性材料(例如石墨烯)，與15 wt%~95 wt%電磁波屏蔽材料，該導熱性材料其導熱係數為1-5300 W/m．K，而該電磁波屏蔽材料其導電率為100~107 S/m，藉以提升整體高分子複合材之導熱係數及遮蔽效能，以提供兼具確保熱能由發熱源排散及有效遮蔽電磁波干擾之複合材料。
依據上述主要結構特徵，所述導熱性材料可包括：金屬、陶瓷粉體、碳黑、碳纖維、單壁或多壁奈米碳管、石墨、石墨烯或石墨烯氧化物。
依據上述主要結構特徵，所述石墨烯薄片平均厚度(Average flake thickness)範圍係於1nm~10 m。
上述之石墨烯氧化物具親水性官能基。
依據上述主要結構特徵，所述電磁波屏蔽材料可包括：金屬、金屬氧化物奈米粒子或鐵氧磁體。
依據上述主要結構特徵，所述鐵氧磁體粒徑範圍係於2-30 nm。
依據上述主要結構特徵，所述高分子複合材外加有0.1~2wt%之分散劑。
依據上述主要結構特徵，所述分散劑可以為醇類分散劑，其可以為聚乙烯醇(Poly vinyl alcohol)、不同分子量之聚乙二醇(Poly ethylene glycol)(MW=200-10000)、乙二醇(Ethylene Glycol)、丙二醇(Propylene Glycol)、丁二醇(Butylene Glycol)、三甘醇(Triethylene Glycol)，或其衍生物或混合物。
依據上述主要結構特徵，所述高分子黏結劑包括：熱塑性塑膠、熱固性塑膠、橡膠、熱塑性黏彈體或導電性高分子。
依據上述主要結構特徵，所述高分子複合材之合成方法可以為原位插層聚合法(in-situ intercalative polymerization)、溶劑插層法(solution intercalation)、熔融插層法(melt intercalation)、塗佈(coating)或混摻(Blending)。
本發明之特點，可參閱本案圖式及實施例之詳細說明而 獲得清楚地瞭解。
本發明之高分子複合材係利用添加導熱性材料，與具EMI遮蔽功效之電磁波屏蔽材料作為無機複合材料，並與高分子黏結劑充分混摻，該無機複合材料係佔整體高分子複合材之20wt%~60wt%，而該高分子黏結劑係佔整體高分子複合材之40wt%~80wt%，可提升整體高分子複合材之導熱係數及遮蔽效能；並將本發明之各成分分別敘述如下：一般高分子材料熱傳導值約為0.2 W/mK左右，因此為提升整體高分子複合材料的熱傳導值需加入高導熱材料。
1.導熱性材料
本發明具體實施例中，該導熱性材料可包括：金屬、陶瓷粉體、碳黑、碳纖維、單壁或多壁奈米碳管、石墨、石墨烯氧化物或石墨烯，該導熱性材料之導熱係數可為1-5300 W/m．K；其中，該石墨烯的導熱係數高達5300 W/m．K，高於奈米碳管和金鋼石，故本發明中導熱性材料係以石墨烯為較佳；而石墨烯之添加量占無機複合材料之0.5wt%~80wt%，且石墨烯薄片平均厚度(Average flake thickness)範圍係於1nm~10 m。
其中，上述之金屬可以為銀、銅、金、鋁、鐵、錫等導熱效果較佳之金屬；該陶瓷粉體可以為氮化鋁、氮化硼、氮化矽、氧化鋁、二氧化矽、碳化矽、氧化鈹、氧化鋅或氧化鎂；而該石墨烯氧化物可具親水性官能基，例如COOH、C-OH、C=O、C-O等親水性官能基。
2.電磁波屏蔽材料
EMI遮蔽的定義為當電磁波經過一電磁波屏蔽材 料時，會使電磁波發生反射或吸收作用而衰減，以達到EMI遮蔽之效果；在一般的電場、磁場遮蔽理論，屬於靜電場遮蔽時，靜電遮蔽的作用是藉由金屬表面的電荷分佈以抵消金屬內的電場；如果是靜磁場遮蔽時，通常是由高導磁率的鐵磁材料或高導電體，藉由高導磁率提供低電阻的線路，如同提供等效電路讓磁力線傳導經過遮蔽物，以減少遮蔽物內的磁場干擾，進而達到EMI遮蔽之效果；有鑑於此，本發明之電磁波屏蔽材料可包括：金屬、金屬氧化物奈米粒子、石墨烯或鐵氧磁體。
上述之金屬及金屬氧化物包括：金、鋁、銀、銅、鎳、鉑、鈀、鋅之金屬或金屬氧化物，或金屬合金或其氧化物如：銦錫氧化物(ITO)、銻錫氧化物(ATO)；而石墨烯電阻值約為10-6 Ω．cm，比銅或銀金屬更低，為目前所有已知材料中，在室溫下具最低電阻的材料，故其導電性質更佳；該鐵氧磁體包括：Fe3O4,γ-Fe2O3,MxNyFe2O4(M=Fe,Co,Ni,Mn,Zn,Cu,Sr；N=Fe,Co,Ni,Mn,Zn,Cu,Sr；x=0-1,y=0-1)Mn0.5Zn0.5-Fe2O4,Mn0.5Ni0.5-Fe2O4,Ni0.25Cu0.25Zn0.5-Fe2O4,Sr-Fe2O4等；而本發明具體實施例中，該電磁波屏蔽材料其導電率為100~107 S/m；其中該電磁波屏蔽材料係以鐵氧磁體為佳，而該鐵氧磁體的添加量占無機複合材料之15~95wt%，且鐵氧磁體粒徑範圍係於2-30 nm。
3.高分子黏結劑
本發明具體實施例中，高分子黏結劑可包括有：熱塑性塑膠、熱固性塑膠、橡膠、熱塑性黏彈體或導電性高分子； 其中，熱塑性塑膠包括：聚烯烴類(Polyolefin)、聚氯乙烯類(Polyvinyl chloride)、聚苯乙烯類(Polystyrene)、聚丙烯酸化物(Polyacrylics)、聚丙烯酸酯(Polyacrylates)、聚酯類(Polyester)、聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol)、聚醯胺類(Polyamide)、聚硫化二甲苯樹脂(Polyphenylene sulfide)、聚偏氟乙烯(Polyvinylidene fluoride)、聚亞醯胺(Polyimide)、聚醚類(Polyether)、聚縮醛(Polyacetal)、聚苯醚類(Poly phenylene oxide)、氟碳樹脂(Fluorocarbon resins)、纖維素塑膠(Cellulose plastics)。
上述之熱固性塑膠包括：環氧樹脂(Epoxy)、酚醛樹脂(Phenol formaldehyde resins)、脲醛樹脂(Urea Formaldehyde Resin)、三聚氰胺甲醛樹脂(Melamine-formaldehyde resin)、不飽和聚酯(Unsaturated polyester resin)、聚脲樹脂(polyurethane resin)、聚苯二甲酸二烯丙酯(Poly(diallyl phthalate))、矽樹脂(Silicon Resin)，或其衍生物或共聚物。
上述之橡膠可包括：天然橡膠或合成橡膠，而該合成橡膠種類有：丁腈橡膠(Nitrile Rubber)、乙丙橡膠(Ethylene propylene Rubber)、矽橡膠(Silicone Rubber)、氫化丁腈橡膠(Hydrogenated Nitrile Rubber)、苯乙烯丁二烯橡膠(Styrene butadiene Rubber)、氟素橡膠(Fluoro Carbon Rubber)、氯丁橡膠(Polychloroprene Rubber)、丁基橡膠(Butyl Rubber)、聚氨酯橡膠(Polyurethane Rubber)、或其衍生物或共聚物。
上述之熱塑性黏彈體包括：熱可塑性橡膠 (Thermoplastic rubber)、熱塑性硫化橡膠(Thermoplastic vulcanizates)、熱塑性聚氨酯彈性體(Thermoplastic polyurethane elastomer)、熱塑性苯乙烯彈性體(Thermoplastic Styrene elastomers)、熱塑性聚烯烴(Thermoplastic elastomer polyolefin)、熱塑性聚酯彈性體(Thermoplastic polyester elastomer)、或其衍生物或共聚物。
上述之導電性高分子包括：聚乙炔(Polyacetylene)、聚苯乙炔(polyphenylvinylene)、聚對位苯(Poly-p-phenylene)、聚吡咯(Polypyrrole)、聚噻吩(Polythiophene)、聚苯胺(Polyaniline)、聚乙二氧基噻吩Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)、或其衍生物或其共聚物。
本發明中高分子複合材之合成方法可以為原位插層聚合法(in-situ intercalative polymerization)、溶劑插層法(solution intercalation)、熔融插層法(melt intercalation)、塗佈(coating)或混摻(Blending)。
再者，本發明之高分子複合材可進一步外加有0.1~2wt%之分散劑，可促進懸浮液中的粒子分離，避免產生沉降或凝集的情形，該分散劑可以為醇類分散劑，其可以為聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol)、不同分子量之聚乙二醇(Poly ethylene glycol)(MW=200-10000)、乙二醇(Ethylene Glycol)、丙二醇(Propylene Glycol)、丁二醇(Butylene Glycol)、三甘醇(Triethylene Glycol)，或其衍生物或混合物。
值得一提的是，相較於習有遮蔽材料，本發明高導熱及EMI遮蔽之高分子複合材，可提升整體高分子複合材之導熱係數及遮蔽效能。使其兼具吸收電磁波可遮蔽電磁波干擾以及高導熱性之特性，且其EMI遮蔽效能至少達20dB，而其所遮蔽之電磁波頻率範圍為100KHz~2.45GHz。
以下，使用實施例詳細說明本發明，但本發明只要不超出其宗旨之範圍，則並不限定於以下之實施例。
【實施例1】
添加12wt%石墨烯(Graphene Laboratories Inc.)與36wt%鐵氧磁體(Fe3O4,Aldrich-637106)於52wt%環氧樹脂中，並另外添加1wt%之分散劑，充分混摻，使其分散均勻，藉此製造一兼具導熱性及EMI遮蔽之高分子複合材料。
【實施例2】
添加18wt%石墨烯(Graphene Laboratories Inc.)與30wt%鐵氧磁體(Fe3O4,Aldrich-637106)於52wt%環氧樹脂中，並另外添加1wt%之分散劑，充分混摻，使其分散均勻，藉此製造一兼具導熱性及EMI遮蔽之高分子複合材料。
【實施例3】
添加34wt%石墨烯(Graphene Laboratories Inc.)與22wt%鐵氧磁體(Fe3O4,Aldrich-637106)於44wt%環氧樹脂中，並另外添加1.7wt%之分散劑，充分混摻，使其分散均勻，藉此製造一兼具導熱性及EMI遮蔽之高分子複合材料。
【比較例1】
添加18wt%鐵氧磁體(Fe3O4,Aldrich-637106)於82wt%環氧樹脂中，並另外添加0.5wt%之分散劑，充分混摻，使其 分散均勻。
【比較例2】
添加8wt%石墨烯(Graphene Laboratories Inc.)於92wt%環氧樹脂中，並另外添加0.3wt%之分散劑，充分混摻，使其分散均勻；其中，上述各實施例與比較例中之分散劑係以乙二醇與丙二醇以1：1之比例混合而成。
而上述各實施例及比較例之遮蔽效率與熱傳導係數彙整如表一：
由表1可確認，以遮蔽效率而言，實施例1~3均較比較例1~2為佳，其中更以實施例3之遮蔽效率最好；而以熱傳導係數而言，實施例1~3均較比較例1~2為佳，其中更以實施例3之熱傳導係數最高，故可證明於高分子黏結劑內添加有導熱性材料(石墨烯)以及電磁波屏蔽材料(鐵氧磁體)，可提升遮蔽效率及熱傳導係數，並提供兼具有效遮蔽電磁波干擾，以及確保熱能由發熱源排散。
綜上所述，本發明提供一較佳可行之高分子複合材，爰依法提呈發明專利之申請；本發明之技術內容及技術特點巳揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本發明之揭示而作各種不背離本案發明精神之替換及修飾。因此，本發 明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。

Claims (18)

  1. 一種高導熱及EMI遮蔽之高分子複合材，其至少包含有：無機複合材料，該無機複合材料具有0.5wt%~80wt%之導熱性材料以及15 wt%~95 wt%之電磁波屏蔽材料，而該導熱性材料其導熱係數為1-5300 W/m．K，而該電磁波屏蔽材料其導電率為100~107 S/m；以及高分子黏結劑，該高分子黏結劑係佔整體高分子複合材之40wt%~80wt%。
  2. 如申請專利範圍第1項所述高導熱及EMI遮蔽之高分子複合材，其中，該無機複合材料係佔整體高分子複合材之20wt%~60wt%。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述高導熱及EMI遮蔽之高分子複合材，其中，該導熱性材料可包括：金屬、陶瓷粉體、碳黑、碳纖維、單壁或多壁奈米碳管、石墨、石墨烯或石墨烯氧化物。
  4. 如申請專利範圍第3項所述高導熱及EMI遮蔽之高分子複合材，其中，該石墨烯之薄片平均厚度(Average flake thickness)範圍係於1nm~10 m。
  5. 如申請專利範圍第3項所述高導熱及EMI遮蔽之高分子複合材，其中，該石墨烯氧化物具親水性官能基。
  6. 如申請專利範圍第3項所述高導熱及EMI遮蔽之高分子複合材，其中，該電磁波屏蔽材料可包括：金屬、金屬氧化物奈米粒子、石墨烯或鐵氧磁體。
  7. 如申請專利範圍第6項所述高導熱及EMI遮蔽之高分 子複合材，其中，該鐵氧磁體粒徑範圍係於2-30 nm。
  8. 如申請專利範圍第6項所述高導熱及EMI遮蔽之高分子複合材，其中，該金屬及金屬氧化物包括：金、鋁、銀、銅、鎳、鉑、鈀、鋅之金屬或金屬氧化物，或金屬合金或其氧化物如：銦錫氧化物(ITO)、銻錫氧化物(ATO)。
  9. 如申請專利範圍第6項所述高導熱及EMI遮蔽之高分子複合材，其中，該鐵氧磁體包括：Fe3O4,γ-Fe2O3,MxNyFe2O4(M=Fe,Co,Ni,Mn,Zn,Cu,Sr；N=Fe,Co,Ni,Mn,Zn,Cu,Sr；x=0-1,y=0-1)Mn0.5Zn0.5-Fe2O4,Mn0.5Ni0.5-Fe2O4,Ni0.25Cu0.25Zn0.5-Fe2O4,Sr-Fe2O4。
  10. 如申請專利範圍第3項所述高導熱及EMI遮蔽之高分子複合材，其中，該高分子複合材外加有0.1~2wt%之分散劑。
  11. 如申請專利範圍第10項所述高導熱及EMI遮蔽之高分子複合材，其中，該分散劑可以為醇類分散劑，其可以為聚乙烯醇(Poly vinyl alcohol)、不同分子量之聚乙二醇(Poly ethylene glycol)(MW=200-10000)、乙二醇(Ethylene Glycol)、丙二醇(Propylene Glycol)、丁二醇(Butylene Glycol)、三甘醇(Triethylene Glycol)，或其衍生物或混合物。
  12. 如申請專利範圍第3項所述高導熱及EMI遮蔽之高分子複合材，其中，該高分子黏結劑包括：熱塑性塑膠、熱固性塑膠、橡膠、熱塑性黏彈體或導電性高分子。
  13. 如申請專利範圍第12項所述高導熱及EMI遮蔽之高分子複合材，其中，該熱塑性塑膠包括：聚烯烴類 (Polyolefin)、聚氯乙烯類(Polyvinyl chloride)、聚苯乙烯類(Polystyrene)、聚丙烯酸化物(Polyacrylics)、聚丙烯酸酯(Polyacrylates)、聚酯類(Polyester)、聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol)、聚醯胺類(Polyamide)、聚硫化二甲苯樹脂(Polyphenylene sulfide)、聚偏氟乙烯(Polyvinylidene fluoride)、聚亞醯胺(Polyimide)、聚醚類(Polyether)、聚縮醛(Polyacetal)、聚苯醚類(Poly phenylene oxide)、氟碳樹脂(Fluorocarbon resins)、纖維素塑膠(Cellulose plastics)。
  14. 如申請專利範圍第12項所述高導熱及EMI遮蔽之高分子複合材，其中，該熱固性塑膠包括：環氧樹脂(Epoxy)、酚醛樹脂(Phenol formaldehyde resins)、脲醛樹脂(Urea Formaldehyde Resin)、三聚氰胺甲醛樹脂(Melamine-formaldehyde resin)、不飽和聚酯(Unsaturated polyester resin)、聚脲樹脂(polyurethane resin)、聚苯二甲酸二烯丙酯(Poly(diallyl phthalate))、矽樹脂(Silicon Resin)，或其衍生物或共聚物。
  15. 如申請專利範圍第12項所述高導熱及EMI遮蔽之高分子複合材，其中，該橡膠包括：天然橡膠或合成橡膠，而該合成橡膠種類有：丁腈橡膠(Nitrile Rubber)、乙丙橡膠(Ethylene propylene Rubber)、矽橡膠(Silicone Rubber)、氫化丁腈橡膠(Hydrogenated Nitrile Rubber)、苯乙烯丁二烯橡膠(Styrene butadiene Rubber)、氟素橡膠(Fluoro Carbon Rubber)、氯丁橡膠(Polychloroprene Rubber)、丁基橡膠(Butyl Rubber)、聚氨酯橡膠(Polyurethane Rubber)、或其衍生物或共聚物。
  16. 如申請專利範圍第12項所述高導熱及EMI遮蔽之高分子複合材，其中，該熱塑性黏彈體包括：熱可塑性橡膠(Thermoplastic rubber)、熱塑性硫化橡膠(Thermoplastic vulcanizates)、熱塑性聚氨酯彈性體(Thermoplastic polyurethane elastomer)、熱塑性苯乙烯彈性體(Thermoplastic Styrene elastomers)、熱塑性聚烯烴(Thermoplastic elastomer polyolefin)、熱塑性聚酯彈性體(Thermoplastic polyester elastomer)、或其衍生物或共聚物。
  17. 如申請專利範圍第12項所述高導熱及EMI遮蔽之高分子複合材，其中，該導電性高分子包括：聚乙炔(Polyacetylene)、聚苯乙炔(polyphenylvinylene)、聚對二甲苯(Poly-p-phenylene)、聚吡咯(Polypyrrole)、聚噻吩(Polythiophene)、聚苯胺(Polyaniline)、聚乙二氧基噻吩Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)、或其衍生物或其共聚物。
  18. 如申請專利範圍第3項所述高導熱及EMI遮蔽之高分子複合材，其中，該高分子複合材之合成方法可以為原位插層聚合法(in-situ intercalative polymerization)、溶劑插層法(solution intercalation)、熔融插層法(melt intercalation)、塗佈(coating)或混摻(Blending)。
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