TWI405815B - 電磁波屏蔽熱塑性樹脂組成物及塑料品 - Google Patents

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Description

電磁波屏蔽熱塑性樹脂組成物及塑料品
本發明是有關於一種導電的熱塑性樹脂組成物及塑料品，且特別是有關於一種具良好的電磁波屏蔽效果的電磁波屏蔽熱塑性樹脂組成物及此樹脂組成物製成的塑料品。
熱塑性樹脂是一種受熱即軟化與塑化而冷卻即硬化的塑膠材料。熱塑性樹脂可分為泛用塑膠以及工程用塑膠。泛用塑膠例如為聚乙烯樹脂(polyethylene resin)、聚丙稀樹脂(polypropylene resin)、丙稀酸樹脂(acrylic resin)、苯乙烯樹脂(styrene resin)以及乙烯基樹脂(vinyl resin)。工程用塑膠例如為聚碳酸脂樹脂(polycarbonate resin)、聚苯醚樹脂(polyphenylene ether resin)、聚醯胺樹脂(polyamide resin)、聚酯樹脂(polyester resin)以及聚醯亞胺樹脂(polyimide resin)。
由於熱塑性樹脂具有優越的加工性及成形性，故而廣泛地利用於各類應用中，包括有各種家用品、辦公室自動化設備、電器與電氣設備。於是，如何根據各種應用熱塑性樹脂製成之產品的種類及性質，來給予熱塑性樹脂特定的性質，還有搭配熱塑性樹脂固有的優越加工性及成形性，讓熱塑性樹脂成為高附加價值的材料，實乃業界致力不斷的目標。尤其是，如何給予熱塑性樹脂電磁波屏蔽之 性能，且如何在汽車、電器、電子組件、電纜線等方面上應用此電磁波屏蔽熱塑性樹脂。
一般而言，電磁波屏蔽熱塑性樹脂係由一電磁波屏蔽熱塑性樹脂組成物製成的。電磁波屏蔽熱塑性樹脂組成物係可以利用混合一添加劑於一熱塑性樹脂來獲得。此添加劑例如為一金屬粉末、一塗佈金屬的無機粉末或一金屬纖維。由於這些添加劑本身的比重較大，所以必須使用相當多的量，才能確保電磁波屏蔽熱塑性樹脂具有一預期水準的電磁波屏蔽效果。然而，使用這麼大量的添加劑來改善電磁波屏蔽效果，是會造成熱塑性樹脂之固有特性的劣化，例如抗衝擊性。如此一來，這一種電磁波屏蔽熱塑性樹脂就難以在實際上應用了。
根據本發明之一方面，提出一種電磁波屏蔽熱塑性樹脂組成物，其包括100重量份(parts by weight)熱塑性樹脂、1~30重量份不銹鋼纖維、以及0.01~10重量份碳奈米管。熱塑性樹脂係選自於一聚碳酸酯樹脂(polycarbonate resin)、一聚酯樹脂(polyester resin)、以及前述兩者之一混合物之中的一種材料。
熱塑性樹脂包括一芳香族聚碳酸酯樹脂(aromatic polycarbonate resin)。芳香族聚碳酸酯樹脂係以一種二酚化合物(diphenol compound)反應於光氣(phosgene)、鹵素甲酸鹽(halogen formate)或碳酸二酯(diester carbonate) 而製得。二酚化合物之分子結構式(1)表示如下：
其中，A係為一單鍵、C1 －C5 亞烴基(alkylene)、C1 －C5 亞烷基(alkylidene)、C5 －C6 亞環烷基(cycloalkylidene)、硫鍵(－S－)或二氧硫鍵(－SO2 －)。X係為鹵素(halogen)。n係為0、1或2。
聚碳酸酯樹脂之一重量平均分子量(weight average molecular weight，Mw)可以介於每莫爾15,000~50,000克。
在電磁波屏蔽熱塑性樹脂組成物中，不銹鋼纖維可以包括肥粒鐵系不銹鋼纖維及沃斯田鐵系不銹鋼纖維。
不銹鋼纖維之一厚度可以介於4~25 μm，不銹鋼纖維之一長度可以介於3~15mm。
在電磁波屏蔽熱塑性樹脂組成物中，碳奈米管可以是單層壁碳奈米管或多層壁碳奈米管。
碳奈米管之一厚度可以介於1~50nm，碳奈米管之一長度可以介於1~25 μm。
根據本發明之另一方面，提出一種由上述電磁波屏蔽熱塑性樹脂組成物製成的塑料品。
根據本發明之再一方面，提出一種塑料品，其包括一熱塑性樹脂基材、不銹鋼纖維與碳奈米管。熱塑性樹脂基材係由選自於一聚碳酸酯樹脂、一聚酯樹脂、以及前述兩者之一混合物之中的一種材料製作而成。不銹鋼纖維與碳 奈米管分散在熱塑性樹脂基材中。
為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
以下係搭配實施範例更詳細地說明本發明內容，以供熟悉本發明技術領域者據以實施之參考。然而，實施範例僅為舉例說明本發明之用，並非用以限縮本發明欲保護之範圍與精神。
根據本發明之一實施例，提出一種電磁波屏蔽熱塑性樹脂組成物，其包括100重量份(parts by weight)熱塑性樹脂、1~30重量份不銹鋼纖維、以及0.01~10重量份碳奈米管。熱塑性樹脂係選自於一聚碳酸酯樹脂(polycarbonate resin)、一聚酯樹脂(polyester resin)、以及前述兩者之一混合物之中的一種材料。
如上所述，電磁波屏蔽熱塑性樹脂組成物除了包括有不銹鋼纖維與碳奈米管之外，還包括有選自於聚碳酸酯樹脂、聚酯樹脂及前述兩者混合物之其中一者的熱塑性樹脂。其中，不銹鋼纖維與碳奈米管會互相影響而產生協同效應(synergic effect)。因此，即使只使用相當少量的組成成分，也能給予電磁波屏蔽熱塑性樹脂非常良好的電磁波屏蔽效果。另外，相對地減少這些組成成分，可以減低電磁波屏蔽熱塑性樹脂之固有特性的劣化，例如電磁波屏蔽熱塑性樹脂之抗衝擊性。
以下將詳細地說明電磁波屏蔽熱塑性樹脂組成物之各組成成分。
電磁波屏蔽熱塑性樹脂組成物包括一熱塑性樹脂。此熱塑性樹脂係選自於一聚碳酸酯樹脂、一聚酯樹脂、以及前述兩者之一混合物之中的一種材料。
舉例來說，熱塑性樹脂可以包括一芳香族聚碳酸酯樹脂(aromatic polycarbonate resin)。芳香族聚碳酸酯樹脂可以利用一種二酚化合物(diphenol compound)反應於光氣(phosgene)、鹵素甲酸鹽(halogen formate)或碳酸二酯(diester carbonate)而製得。二酚化合物之分子結構式(1) 表示如下：
其中，A係為一單鍵、C1 －C5 亞烴基(alkylene)、C1 －C5 亞烷基(alkylidene)、C5 －C6 亞環烷基(cycloalkylidene)、硫鍵(－S－)或二氧硫鍵(－SO2 －)。X係為鹵素(halogen)。n係為0、1或2。
分子結構式(1)之二酚化合物，例如包括4,4’－二羥二苯基(4,4’－dihydroxydiphenyl)、2,2－雙－(4－羥苯基)－丙烷(2,2－bis－(4－hydroxyphenyl)－propane)、2,4－雙－(4－羥苯基)－2－甲基丁烷(2,4－bis－(4－hydroxyphenyl)－2－methylbutane)、1,1－雙－(4－羥苯基)－環己烷(1,1－bis－(4－hydroxyphenyl)－cyclohexane)、2,2－雙－(3－氯－4－羥苯 基)－丙烷(2,2－bis－(3－chrolo－4－hydroxyphenyl)－propane)、以及2,2－雙－(3,5－二氯－4－羥苯基)－丙烷(2,2－bis－(3,5－dichrolo－4－hydroxyphenyl)－propane)。
較佳地，例如包括2,2－雙－(4－羥苯基)－丙烷(2,2－bis－(4－hydroxyphenyl)－propane)、2,2－雙－(3,5－氯－4－羥苯基)－丙烷(2,2－bis－(3,5－dichrolo－4－hydroxyphenyl)－propane)、以及1,1－雙－(4－羥苯基)－環己烷(1,1－bis－(4－hydroxyphenyl)－cyclohexane)。
更佳地，例如包括2,2－雙－(4－羥苯基)－丙烷(2,2－bis－(4－hydroxyphenyl)－propane)，其亦稱為「雙酚A」(bisphenol－A，BPA)。
聚碳酸酯樹脂之重量平均分子量(weight averag emolecular weight，Mw)可以介於每莫爾15,000~50,000克。
於本發明之實施例中，係不限定使用某一種聚碳酸酯樹脂。具體而言，聚碳酸酯樹脂可以是線狀聚碳酸酯樹脂或是支鏈狀聚碳酸酯樹脂，亦或是聚酯碳酸酯共聚樹脂(polyester－carbonate copolymer resin)。支鏈狀聚碳酸酯樹脂可以利用二酚化合物總莫爾之0.05~2莫爾百分比(mol%)的三官能基化合物或多官能基化合物來製備，例如利用三官能基酚化合物或多官能基酚化合物。聚酯碳酸酯共聚樹脂可以在含有一種酯類前驅物的條件下將聚碳酸酯聚合而獲得，酯類前驅物例如為二羧酸(carboxylic acid)。在本實施例中，可以單獨使用聚酯碳酸酯共聚樹脂，或是搭配聚碳酸酯來使用。
對於聚碳酸酯樹脂而言，本發明實施例係可以使用均聚碳酸酯(homopolycarbonate)樹脂或共聚碳酸酯(copolycarbonate)樹脂，或是使用前述兩者之組合，而無特別的限制。
在本發明之替代實施例中，可以將聚酯樹脂作為熱塑性樹脂。
聚酯樹脂可以在一聚合物鏈中含有一酯類鍵聯，且可以藉由加熱而熔化。聚酯樹脂係以二羧基酸(dicarboxylic acid)和一種二羥基化合物(dihydroxy compound)縮聚(polycondensation)而獲得，並不限定於某一種聚酯樹脂的製備方法。因此，在本發明之實施例中，係可以使用以任何一種習知方法所製備而得的聚酯樹脂。再者，本發明實施例係可使用任何一種聚酯樹脂，例如為均聚酯(homopolyester)樹脂或共聚酯(copolyester)樹脂，而無特別的限制。
電磁波屏蔽熱塑性樹脂組成物包括不銹鋼纖維。不銹鋼纖維會與碳奈米管互相影響，而產生協同效應。因此，可以使電磁波屏蔽熱塑性樹脂具有良好的電磁波屏蔽效果。
不銹鋼纖維是一種合金纖維，係以鐵(Fe)為基底金屬，並以大量的鉻(Cr)或鎳(Ni為主要金屬。不銹鋼纖維係可以透過模具而抽拉出一束以不銹鋼為原料的連續細絲來製造。雖然，不銹鋼纖維中含有的鐵(Fe)是其主要的成分。但是，在一般環境溫度下，不銹鋼纖維所具有 之強鐵磁特性(ferromagneticity)，還有優越的耐蝕性及耐熱性，係能給予電磁波屏蔽熱塑性樹脂良好的電磁波屏蔽效果，這點是難以從一般鋼鐵上可以獲得的。
不銹鋼纖維之一厚度可以介於4~25 μm，不銹鋼纖維之一長度可以介於3~15mm。於是，不銹鋼纖維係均勻地分散在電磁波屏蔽熱塑性樹脂之中，從而確保電磁波屏蔽熱塑性樹脂之電磁波屏蔽效果的均勻性。
在電磁波屏蔽熱塑性樹脂組成物中，當使用100重量份選自於聚碳酸酯樹脂、聚酯樹脂及前述兩者混合物的熱塑性樹脂時，係使用1~30重量份不銹鋼纖維，且較佳地係使用5~25重量份不銹鋼纖維。不銹鋼纖維的量若少於1重量份，將難以確保電磁波屏蔽熱塑性樹脂能具有足夠的電磁波屏蔽效果。不銹鋼纖維的量若超於30重量份，將會造成熱塑性樹脂之固有特性的劣化，例如抗衝擊性。
電磁波屏蔽熱塑性樹脂組成物更包括碳奈米管。碳奈米管會與不銹鋼纖維互相影響，而產生協同效應。因此，可以使電磁波屏蔽熱塑性樹脂具有良好的電磁波屏蔽效果。
碳奈米管具有優越的機械強度、高初始楊氏模數、以及大縱深比(aspectratio)。另外，碳奈米管具有優越的導電次及熱穩定性。根據這些特性，混合碳奈米管與熱塑性樹脂，可給予熱塑性樹脂優越的電磁波屏蔽效果。
碳奈米管可以利用電弧放電、熱裂解(pyrolysis)、雷射剝削、電漿輔助化學氣相沉積、熱化學氣相沉積、電 解法、或燃燒合成法(flame synthesis)來合成，本發明實施例並不限定於某一種碳奈米管之合成方法。因此，以任何一種方法合成而得的碳奈米管均可應用於本發明實施例之電磁波屏蔽熱塑性樹脂，而無特別的限制。
根據碳奈米管構成之層壁數，碳奈米管可分為單層壁碳奈米管、雙層壁碳奈米管、以及多層壁碳奈米管。任何一種碳奈米管均可應用於電磁波屏蔽熱塑性樹脂，而無特別的限制。
碳奈米管之一厚度可以介於1~50nm，碳奈米管之一長度可以介於1~25 μm。於是，碳奈米管係均勻地分散在電磁波屏蔽熱塑性樹脂之中，從而確保電磁波屏蔽熱塑性樹脂之電磁波屏蔽效果的均勻性。
在電磁波屏蔽熱塑性樹脂組成物中，當使用100重量份選自於聚碳酸酯樹脂、聚酯樹脂及前述兩者混合物的熱塑性樹脂時，係使用0.01~10重量份碳奈米管，且較佳地係使用0.5~5重量份碳奈米管。碳奈米管的量若少於0.01重量份，將難以確保電磁波屏蔽熱塑性樹脂能具有足夠的電磁波屏蔽效果。碳奈米管的量若超於10重量份，將會造成熱塑性樹脂之固有的機械性質劣化。
電磁波屏蔽熱塑性樹脂組成物更可以包括一適切的添加劑，添加於上述提及的組成成分之中。舉例來說，適切的添加劑包括潤滑劑(lubricant)、安定劑(stabilizer)、無機添加劑(inorganic additive)、顏料及染料。當使用100重量份熱塑性樹脂時，添加劑的用量，係不超過5重量份， 且較佳地係為0.1~2重量份。
電磁波屏蔽熱塑性樹脂可以利用一般的方法來製備獲得，此方法包括：混合各組成成分，以調製出一電磁波屏蔽熱塑性樹脂組成物；以及在一擠製機(extruder)中，將此樹脂組成物熱熔擠出(melt－extruding)。塑料品可以利用電磁波屏蔽熱塑性樹脂來製作獲得。
根據本發明之另一實施例，提出一種由電磁波屏蔽熱塑性樹脂組成物製成的塑料品。具體而言，塑料品包括一熱塑性樹脂基材、不銹鋼纖維與碳奈米管。熱塑性樹脂基材係由選自於一聚碳酸酯樹脂、一聚酯樹脂、以及前述兩者之一混合物之中的一種材料製作而成。不銹鋼纖維與碳奈米管分散在熱塑性樹脂基材之中。
由於不銹鋼纖維與碳奈米管之間的協同效應，不銹鋼纖維與碳奈米管係分散在熱塑性樹脂基材之中，僅管組成成分的用量相當地少，塑料品也能具有較強的電磁波屏蔽效果。不銹鋼纖維與碳奈米管的用量少，甚至可以減低熱塑性樹脂之機械特性的劣化，例如減低抗衝擊性的劣化。
塑料品具有優越的電磁波屏蔽效果，例如介於60~90dB。另外，塑料品根據美國材料試驗協會(ASTM)之塑膠耐衝擊強度試驗(D256)所量測之一缺口式艾氏衝擊強度(1/8")係介於5~30kgf．cm/cm，此顯示出塑料品具有優越的抗衝擊性。
根據本發明之再一實施例，提出一種塑料品，其包括一熱塑性樹脂基材、不銹鋼纖維與碳奈米管。熱塑性樹脂 基材係由選自於一聚碳酸酯樹脂、一聚酯樹脂、以及前述兩者之一混合物之中的一種材料製作而成。不銹鋼纖維與碳奈米管分散在熱塑性樹脂基材之中。其中，塑料品之一電磁波屏蔽效果係介於60~90dB。塑料品根據美國材料試驗協會(ASTM)之塑膠耐衝擊強度試驗(D256)所量測之一缺口式艾氏衝擊強度(1/8")係介於5~30kgf．cm/cm。
基於優越的抗衝擊性，還有良好的電磁波屏蔽效果，此塑料品將可以廣泛地利用於各類應用中，例如在汽車、電器、電子組件、電纜線等應用領域中予以電磁波屏蔽效果。
<實驗例>
透過以下提出之實驗例，係可以使本發明更容易瞭解。然而，以下實驗例並非用以限縮本發明欲保護之範圍。
在以下實驗例與比較例中，所使用之(A)聚碳酸酯樹脂、(B)不銹鋼纖維、以及(C)碳奈米管的詳細資料如下：(A)聚碳酸酯樹脂聚碳酸酯樹脂係使用雙酚A聚碳酸酯。雙酚A聚碳酸酯之重量平均分子量(Mw)為25,000g/mol。
(B)不銹鋼纖維不銹鋼纖維係使用GR－75/C20。GR－75/C20係從「比利時(Belgium)貝卡爾特纖維科技(Bekaert Fiber Technologies)」處購買。不銹鋼纖維厚度為11 μm，不銹 鋼纖維長度為6mm。
(C)碳奈米管碳奈米管係使用多層壁碳奈米管Ctube 100。Ctube 100係從「碳奈米管有限公司(CNT Co.,Ltd.)」處購買。碳奈米管厚度為10~50nm，碳奈米管長度為1~25 μm。
<實驗例1~2與比較例1~5>
在以下實驗例與比較例中所使用之各組成成分係如表1所示。根據表1所示之成分，將各組成混合，以調製出電磁波屏蔽熱塑性樹脂組成物。在雙螺旋擠製機(L/D＝35，Φ＝45mm)中，將此組成物擠出而形成多個小球。在注射成型機(10 oz)中，於300℃下，將這些小球注射成型而製備出樣品，以進行物理性質與電磁波屏蔽效果的量測。
<電磁波屏蔽效果之評估>
使樣品處於相對濕度為50%、且溫度為23℃之條件下24小時。之後，以電網分析儀(network analyzer)E5071C，來量測3mm厚度樣品的電磁波屏蔽效果。E5071C係從「安捷倫科技(Agilent Technologies Inc.)」處購買。
<抗衝擊性之評估>
根據美國材料試驗協會(ASTM)之塑膠耐衝擊強度 試驗(D256)，來量測樣品的缺口式艾氏衝擊強度(1/8")。「ASTM D256」係為一種美國標準試驗方法，其係以制定重量的擺錘來量測塑膠的艾氏衝擊強度。
抗衝擊性與電磁波屏蔽效果的量測結果係如表1所示。
如表1所示之數據，相較於僅包括不銹鋼纖維或碳奈米管之其中一者的比較例2至比較例4而言，同時包括不銹鋼纖維與碳奈米管兩者的實驗例1及實驗例2，係顯現出非常良好的電磁波屏蔽效果。而且，實驗例1及實驗例2幾乎不會造成抗衝擊性的劣化。
同樣地，相較於都不包括不銹鋼纖維與碳奈米管兩者的比較例1而言，同時包括不銹鋼纖維與碳奈米管兩者的實驗例1及實驗例2，係顯現出非常良好的電磁波屏蔽效果。
在實驗例1的樣品及實驗例2的樣品中，不銹鋼纖維與碳奈米管的使用量均在較佳的範圍內，故幾乎不會造成抗衝擊性的劣化。換言之，在比較例5的樣品中，不銹鋼纖維與碳奈米管的使用量均超過範圍，而造成抗衝擊性的急遽劣化。因此，比較例5的樣品係不適合於實際應用。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (7)

  1. 一種電磁波屏蔽熱塑性樹脂組成物，包括：100重量份(parts by weight)熱塑性樹脂，其中該熱塑性樹脂係一聚碳酸酯樹脂(polycarbonate resin)；1~30重量份不銹鋼纖維，該不銹鋼纖維係為肥粒鐵系不銹鋼纖維、沃斯田鐵系不銹鋼纖維或上述之組合，該不銹鋼纖維之一厚度係介於4~25μm，該不銹鋼纖維之一長度係介於3~15mm；以及0.01~10重量份碳奈米管。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電磁波屏蔽熱塑性樹脂組成物，其中該熱塑性樹脂包括一芳香族聚碳酸酯樹脂(aromatic polycarbonate resin)，該芳香族聚碳酸酯樹脂係以一種二酚化合物(diphenol compound)反應於光氣(phosgene)、鹵素甲酸鹽(halogen formate)或碳酸二酯(diester carbonate)而製得，該二酚化合物之分子結構式(1)表示如下： 其中，A係為一單鍵、C1 -C5 亞烴基(alkylene)、C1 -C5 亞烷基(alkylidene)、C5 -C 6亞環烷基(cycloalkylidene)、硫鍵(-S-)或二氧硫鍵(-SO2 -)；X係為鹵素(halogen)；且n係為0、1或2。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電磁波屏蔽熱塑性 樹脂組成物，其中該聚碳酸酯樹脂之一重量平均分子量(weight average molecular weight，Mw)係介於每莫爾15,000~50,000克。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電磁波屏蔽熱塑性樹脂組成物，其中該碳奈米管係為單層壁碳奈米管或多層壁碳奈米管。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電磁波屏蔽熱塑性樹脂組成物，其中該碳奈米管之一厚度係介於1~50nm，該碳奈米管之一長度係介於1~25μm。
  6. 一種塑料品，包括：一熱塑性樹脂基材，其中該熱塑性樹脂基材係由100重量份(parts by weight)的熱塑性樹脂製作而成，其中該熱塑性樹脂係一聚碳酸酯樹脂；以及1~30重量份的不銹鋼纖維與0.01~10重量份的碳奈米管，各自分散在該熱塑性樹脂基材中，其中該不銹鋼纖維係為肥粒鐵系不銹鋼纖維、沃斯田鐵系不銹鋼纖維或上述之組合，該不銹鋼纖維之一厚度係介於4~25μm，該不銹鋼纖維之一長度係介於3~15mm。
  7. 一種塑料品，包括：一熱塑性樹脂基材，係由一熱塑性樹脂製作而成，其中該熱塑性樹脂係一聚碳酸酯樹脂；以及不銹鋼纖維與碳奈米管，各自分散在該熱塑性樹脂基材中，其中該不銹鋼纖維係為肥粒鐵系不銹鋼纖維、沃斯田鐵系不銹鋼纖維或上述之組合，該不銹鋼纖維之一厚度 係介於4~25μm，該不銹鋼纖維之一長度係介於3~15mm；其中，該塑料品之一電磁波屏蔽效果係介於70~90dB，該塑料品根據美國材料試驗協會(ASTM)之塑膠耐衝擊強度試驗(D256)所量測之一缺口式艾氏衝擊強度(1/8")係介於5~30kgf．cm/cm。
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