奈米碳管塑膠複合材料薄膜的製程

一般電磁屏蔽複合材料的製造方式大致分為三種[18]，第一，添 加導電性物質的複合材料，優點為射出加工成形較不費時，大量製作 時可降低成本，但會降低成品機械性質。第二，金屬性屏蔽材料直接 加工，屏蔽效果最佳，但複雜形狀加工成本高，質量重以及外觀需做 塗裝整理。第三，無電解電鍍，電鍍液可滲透入狹縫中，可應用於具 有複雜外型的成品，其缺點是設備費用較貴及環保問題。為了降低成 本及縮短製程時間，故本研究採用將導電性物質添加到複合材料中，

以符合業界的期待。

本研究方法是物理的分散方式，如圖 3.10 電磁屏蔽複合材料製 程架構圖所示，將離子液體當分散劑加入多層壁奈米碳管中，用研缽 研磨的方式使離子液體與多層壁奈米碳管磨碎混合，溶入二甲基咯酮 (N-Methylpyrrolidone，NMP)溶液中，再經由超音波震盪機震盪，使 得溶液能混合均勻。之後將聚亞醯胺的預聚體(Precursor)，稱為聚醯

胺酸(Poly(amic acid)，PAA)，加入多層壁奈米碳管與離子液體混合 液，製成多層壁奈米複合材料預聚體(MWCNT-PAA Precursor)，以多 層壁奈米碳管與聚醯胺酸的重量百分比為10 ~ 30 wt%所配置，為圖 3.11 所示。再將多層壁奈米複合材料預聚體用刮刀塗抹於玻璃上。

如圖3.12 所示，刮刀與玻璃之間有距離 100 μm 的間隙，利用機 台上小洞連接機械幫浦吸住玻璃，防止成膜時滑動，之後將黑色稠狀 多層壁奈米複合材料預聚體倒置刮刀前。機台上有個連桿，設定適當 的轉速，按下開始，連桿會穩定等速推著刮刀，使刮刀將多層壁奈米 複合材料預聚體均勻的塗抹於玻璃上，而形成為一層黑色薄膜附著於 在玻璃上，之後將薄膜放置烘箱內烘烤，將烘箱內溫度緩慢調升至 365 ℃，其目的是為了不讓複合材料再與其它物質產生化學反應，使 多 層 壁 奈 米 複 合 材 料 預 聚 體 產 生 熱 亞 醯 胺 化 (Thermal Imidization)[24] ， 轉 變 成 多 層 壁 奈 米 複 合 材 料 聚 亞 醯 胺 (MWCNT-PI)，也就是多層壁奈米碳管塑膠複合材料。最後再經過脫 膜過程，使多層壁奈米碳管塑膠複合材料薄膜從玻璃脫落下來，為圖 3.13 所示。圖 3.14 為多層壁奈米碳管塑膠複合材料薄膜的 SEM 觀測 下微結構圖片，可看出薄膜中多層壁奈米碳管的確均勻的分散在聚亞 醯胺中。

表3.1 奈米碳管的物理特性[15]

表3.3 聚醯亞胺的物理特性[24]

熱穩定性 熱裂解溫度Td= 560 ℃

電氣特性

介電強度：4500 V/m 介電常數：3.5 導電率：10^-16 S/cm 機械特性

密度：1430 kg/m³ 楊氏係數：3200 Mpa 拉伸強度：75-90 Mpa

圖3.1 常溫下奈米碳管實體圖

圖 3.2 (a)為單層壁奈米碳管結構圖 (b)為多層壁奈米碳管結構圖[14]

(a) SWCNT (b) MWCNT

T

(n,0) 鋸齒型

(n,n) 扶手型 圖 3.3 組成奈米碳管之石墨結構示意圖

aρ1

aρ2

2 1

h na ma

Cρ ρ ρ

+

=

結構型態 奈米碳管指數(n，m) 電子特性 能隙

扶手型(armchair) n＝m 導體

鋸齒型(zigzag) ^{m=0 n=3q} 3q n 0

m= ≠

導體

半導體 -0.5 eV 螺旋型(chiral/helix) ^{n ≠m n-m=3q}

3q m -n m

n ≠ ≠

導體

半導體 -0.5 eV 圖 3.4 奈米碳管排列結構及特性[20]

(armchair) 扶手型奈米碳管

(zigzag) 鋸齒型奈米碳管

(chiral/helix) 螺旋型奈米碳管

圖 3.5 電弧氣化法實驗架構圖[20]

圖3.6 電弧氣化法實驗儀器實體圖

圖 3.7 用電爐加熱化學氣相沉積法實驗架構圖[22]

圖3.8 用電弧放電沉積法所製成碳棒實體圖

10nm

30nm 40nm

60nm

圖3.9 (a) 以 ADM 所製程奈米碳管之 SEM 微結構照片 (b) 以 CVD 所製程奈米碳管之 SEM 微結構照片

(a) ADM (b) CVD

1.將 MWCNT 與 IL 研磨混合，再加入 NMP 中並使用超音波震盪機震盪

2.再加入 PAA 於 MWCNT-IL 混合液中，以 MWCNT 與 PI 重量百分比為 30wt%所配置

3.將 MWCNT-PAA Precursor 用刮刀塗抹於玻璃上，放置烘

箱內溫度緩慢升至365℃，使其產生熱醯亞胺化

4.製成 MWCNT-PI Composite 薄膜 圖3.10 電磁屏蔽複合材料製程架構圖

圖 3.11 以重量百分比為 10~30 wt%所配置，多層壁奈米 複合材料預聚體的實體圖

圖3.13 多層壁奈米碳管塑膠複合材料薄膜實體圖 100 cm

40 cm

30 cm

玻璃 刮刀

圖 3.12 多層壁奈米複合材料預聚體用刮刀塗抹於玻璃 上的實體圖

圖3.14 多層壁奈米碳管塑膠複合材料薄膜的 SEM 微結構照片

MWCNTs

Polyimide