2016-08-03

會有靈感去驗證這個專案，多半是從不同樹脂以相同材料配方要測導電、導熱效能有不同結果，因引發好奇而找出相關機理來解釋。我們先來看這些測試資料。

環氧樹脂

（熱固型樹脂 +

5wt%

石墨烯）

尼龍 （熱塑型樹脂 +

15wt%

石墨烯）

可以看出箇中奧妙嗎？我幫各位整理一下。

接著，依慣例我們先從機理來分析。

熱塑性塑膠（

thermoplastic plastics

）的分子結構多為直煉型（

linear

）。而熱固性塑膠（

thermosetting plastics

）的分子初為鏈狀結構，加熱後軟化成流動性，惟此時分子間引起反應，稱為

架橋反應

（

cross-linking

），使分子變成三度空間之結構。這裡我們以目前試樣的環氧樹脂（散熱粉體塗料）及尼龍（導電塑膠）做比較。

環氧樹脂是目前樹脂基複合材料中常用的熱固性樹脂基體之一

，具有粘結強度高、固化收縮率小、無小分子揮發物、工藝成型性好、耐熱性、化學穩定性及成本低等優點，但是，固化後交聯密度大，導致三維網狀結構存在內應力大、質脆、抗衝擊性差及電絕緣性等缺點。環氧樹脂固化物具有抗衝擊性差的問題，需對其進行增韌來提高抗衝擊能力。

一般採用新增有機填料、製作半互穿網路或引入柔性鏈段等方式來增韌

。具有高比表面積、高強、高模的石墨烯作為增強體可增韌、增強環氧樹脂基複合材料，使其具有良好的綜合性能。

聚醯胺 （

PA

，俗稱尼龍）是美國

DuPont

公司最先開發用於纖維的樹脂，於

20

世紀

50

年代開始開發和生產注塑製品，以取代金屬滿足下游工業製品輕量化、降低成本的要求。聚醯胺主鏈上含有許多重複的醯胺基，用作塑膠時稱尼龍，用作合成纖維時我們稱為錦綸，聚醯胺可由二元胺和二元酸製取，也可以用

ω-

氨基酸或環內醯胺來合成。根據二元胺和二元酸或氨基酸中含有碳原子數的不同，可製得多種不同的聚醯胺，

聚醯胺品種多達幾十種，其中以聚醯胺-6、聚醯胺-66 和聚醯胺-610 的應用最廣泛

。

導熱塑膠

為一種普通塑膠之變性材料，

以工程塑膠和通用塑膠為基材，在塑膠中填充某些金屬氧化物粉末、碳、纖維或陶瓷粉末而成

，使塑膠從幾無任何熱傳導性，提升至具備基本的

熱傳導

效果。即便如此，由於導熱塑膠的

熱傳導係數

與金屬相比仍有落差，導致在傳統應用上無法大量取代金屬；因此透過創新的技術結合，運用導熱塑膠原料將散熱元件採「一體成型」設計、並射出成各式應用散熱器，免除任何金屬組裝焊接製程，同時保有塑膠本身重量輕、製程簡單、易加工成形、設計有彈性等特性，甚至可做到

絕緣效果

，開發出高效能、低成本之

散熱模組

。

過去曾有學者以石墨烯╱PA66 復材測出以下資料，目前看來在

熱導率與我們接近，但在導電性我們還是略勝一籌

。

但另一篇專利用高滲濾閾值及

熱壓工藝

可以在熱導率接近

4

，表示提高滲濾閾值還是能有效提高熱導率。

但我們以 ISOMET 2114 測試結果還不到 2

。

這可怎麼辦，我們不是在熱固型樹脂上做得很好嗎？為此，我又去找了市面上導熱塑膠的技術資料發現：同樣以

導熱 PA 也可以做到熱導率大於 15

。

首先，找了

深圳卓尤

網站才發現與事實有出入，原來只有做到 1。7W╱m。k。

佛山寶利瑪

連個象樣網站都沒有，無法查證是否屬實？那就找

東莞兆科

吧，

熱導率在 5 W╱m.k，資料看來也比較靠譜，至少比純尼龍 66 熱導率（0.243W╱m.K） 提升了近 20倍

。

日本出光興業（

IDEMITSU

）的導熱性

PPS╱G131J1

的熱導率為

12W╱m。K

，但價格偏高達到每公斤

100

美元。所以，我決定開發出

熱導率超過 15W╱m.K，售價每公斤 30 美元，成本應該會在每公斤 9 美元以內做目標

。要做到「進口替代」以石墨烯而言真的不難呀！

而

Ganguli （2008）

以化學改質石墨烯複合環氧樹脂，在石墨烯新增量達

20wt%

時，其熱導率可達

5。8W╱m。K

。

傳統散熱產品以採用金屬散熱材料或填充熱固環氧樹脂為主，雖然有良好的散熱效果

，但加工困難、成本高昂、材質重，且其材料性質在加工及生產製程上均相當複雜且缺乏彈性。而熱導型塑膠不僅具有金屬和陶瓷的熱傳遞效能，同時還保留了普通塑膠在設計、效能和成本方面的其他優點，如散熱均勻、重量輕（比鋁材輕

30~40

%）、多種基礎樹脂選擇、成型加工經濟方便、提高設計自由度等。

最後，我來說明環氧樹脂散熱塗料與尼龍導電塑膠在結構上不同如何影響了導電及導熱效能？前面提到

熱固型樹脂是網狀分子鏈，而熱塑型樹脂是線性分子鏈是最根本的問題

。其次，我們以雙螺桿加工成母粒後進行後段工藝，這間接也幫助了提升了石墨烯優異特性。

在摻合型石墨烯導電覆材是認為：

複合材料中導電機理包括導電通路的形成與導電通路形成後的導電過程兩個方面

。導電通路之形成，是指導電填料透過適當混摻工序加入基材中，並於成形過程中彼此相接，達到接觸導電的過程。導電過程中的載流電子遷移過程是復材中導電通路形成後，影響復材整體電性的關鍵因素。

一般熟知複合材料中載流電子遷移過程之導電機理可分成：臨界滲流作用、穿隧效應及場發射效應，而「臨界滲流作用」架構於導電填料相互接連結成鏈，電子從而在導電鏈間移動產生導電作用

，所以，

「線型」分子鏈比較匹配導電機理

。

反觀，在摻合型石墨烯導熱復材中，由於石墨烯是具有高度異向性的二維板狀結構材料，其具有優異導熱性之原因源自於沿基面上以 sp2

共價鍵

組成高度對稱性六角苯環結構，使熱流可快速傳遞，而垂直方向則因弱凡得瓦力制約熱流移動。所以

看來「網狀」分子鏈比較匹配導熱機理

。另外，Chun （2013） 發現

石墨烯平整度對熱導率有決定性之影響

。

這就表示我可以接著朝兩個方向來改善導熱塑膠的功能。第一，

提高滲濾閾值

。這也涉及實際工藝能容許摻入的最高極限，當然，

這也與石墨烯種類與型態有著密不可分的關係

。第二，

將熱塑型樹脂改成熱固型樹脂

，當然

，這涉及加工方式、行業使用習慣及上述提到的制約

。就讓我們繼續拭目以待囉。

至於導電塑膠的用途也是不少，我們也已經在各類功能中找到適合的石墨烯組份了，這裡就不多介紹了。

分類

：

材料

>>

高分子

>>

技術