用于制備人造石墨構件的組合物、粉末材料及該構件的制法
【專利摘要】一種用于制備人造石墨構件的組合物及該構件的制法，其中，該組合物包括：含碳原料如飛灰、粘合劑及分散劑。本發明人造石墨構件的制法包括：混合上述組合物；烘烤該經混合的組合物以得到具有復數顆粒的粉末；自該粉末篩選出適當粒徑的顆粒；將該經篩選的復數顆粒塑形為對象；于500至1000℃加熱該對象；以及石墨化該經加熱的對象以得到人造石墨構件。本發明的制造簡單、成本低廉，且因制得的人造石墨構件具多孔隙特性，該人造石墨具有相當大的比表面積，非常適合做為散熱基材。
【專利說明】用于制備人造石墨構件的組合物、粉末材料及該構件的制法
【技術領域】
[0001]本發明關于一種用于制備人造石墨構件的組合物及該構件的制法，更詳而言之，關于一種含有飛灰的組合物及使用該組合物制備人造石墨構件的方法。
【背景技術】
[0002]在節能減排趨勢下，各國漸漸趨向禁用高耗能的白幟燈泡進而全面使用低耗能、省電、壽命長、耐用的LED照明器具。然而，目前LED照明器具受限于傳統的鋁質散熱材料導熱佳但散熱速度較慢的問題，遲遲無法推出可以取代傳統照明燈具的產品。
[0003]此外，隨著科技發展電子產品日益輕薄短小、功率消耗與日俱增，而運作時芯片的微熱流所產生熱點，若沒有及時將熱導出，則芯片無法發揮較佳效能、或增加其耗損使用壽命下降進而影響整體品質表現。傳統電路板的散熱，通常使用銅質散熱材料，而銅質散熱材料雖然具有較高的導熱系數，但其散熱系數較低而導致無法有良好散熱效果進而產生熱瓶頸。
[0004]而且，熱能通常通過傳導、對流及輻射三種方式傳遞，而固體散熱材料大多選自熱傳導系數高的材料，再通過與空氣接觸以對流的方式將熱導出。故散熱效果與材料本身的表面積息息相關，傳統上除了將散熱材料制成螺旋散熱片、散熱鰭片、螺旋式散熱鰭片等增加導熱材料與空氣接觸的表面積外，電子工業漸漸改用結構較松散具有質量輕、高導熱、高散熱等特點的天然石墨作為散熱材料。然而，天然石墨成本昂貴且傳統散熱鰭片體積龐大較不適用于輕薄短小的電子產 品或LED。因此電子工業仍趨向于研發具有較佳散熱效果的散熱材料。
[0005]目前，為了研發一種適用的散熱材料，TWI307145揭露一種含有鉆石顆粒、鋁金屬基質及石墨的碳復合物制成的散熱器，其可達到良好的導熱及散熱效果，但鉆石顆粒與鋁金屬基質仍需通過石墨才能與鋁金屬達到良好的密合效果，且鉆石成本較高、硬度高加工困難，基于對成本的考慮，電子工業大量生產無法合乎經濟成本。
[0006]Tff 201114684揭示一種利用未燃碳制成具有石墨性能的粉末材料與多孔性材料的方法，使用該方法制成多孔性石墨材料則需收集含碳的飛灰經過酸洗純化、研磨、混合、成型、燒結并待其冷卻再二次加工制成石墨化材料，其加工步驟繁雜純化過程中需經酸或堿洗純化，且純化后的產物需研磨至50毫米以下才可進行混合以及成型等步驟，且燒結后成品因具有金屬氧化物而致平整度不佳，因此需通過切削或研磨等二次加工以使其表面平整，制造步驟過于繁雜，且酸洗純化后所產生的廢液也會對環境造成危害。
[0007]因此，亟需研發一種制造簡便、高散熱能力的散熱件以解決發熱物產生的熱點散熱的問題。

【發明內容】

[0008]本發明提供一種用于制備人造石墨構件的組合物，包括:以該組合物重量計，含量為50至60%的含碳原料；以該組合物重量計，含量為15至45%的粘合劑；以及以該組合物重量計，含量為5至25%分散劑。本發明的組合物中含有粘合劑，其可使含碳原料緊密堆棧結合，而成結實且硬度較佳的狀態。本發明的組合物還含有分散劑，使制備人造石墨構件時有效分散粘合劑，尤其在一具體實施例中，使用稠狀粘合劑，故分散劑的存在方足以令粘合劑均勻地結合粉體顆粒，免得單一成分團聚，故可提高人造石墨構件的比表面積。
[0009]本發明還揭露一種人造石墨構件的制備方法，包括:混合如上所述的組合物；并于80至200°C烘烤該經混合的組合物I至3小時，得到具有復數顆粒的粉末；自該粉末中篩選出粒徑大小介于100至1000微米的顆粒；將該經篩選的復數顆粒塑形為對象；于500至1000°C加熱該對象I至3小時；以及于1900至2500°C石墨化該經加熱的對象I至5小時以得到人造石墨構件。
[0010]本發明的方法將含碳原料、粘合劑及分散劑混合均勻后，烘烤去除分散劑使粘合劑存在于含碳原料周圍，通過粘合劑使塑型后對象的含碳原料排列緊密，接著加熱去除對象中的粘合劑，使原粘合劑所在位置產生孔隙，接著將經加熱的對象石墨化，而得到具有多孔隙的人造石墨構件。
[0011]本發明還提供一種用于制造人造石墨構件的粉末材料，包括粒徑大小介于100至1000微米的復數顆粒，且各顆粒包含含碳原料及粘合劑的混合物。
[0012]本發明人造石墨構件的制法，僅至少需利用燃煤或燃油設備所產生的飛灰，且不需復雜的制造過程即可獲得具多孔隙的人造石墨構件。本發明的多孔隙人造石墨構件具多孔性，因此除了可解決LED照明設備高光通量及芯片高功率化所衍生的散熱問題外，極佳的平整度無須透過二次加工即可直接接置基板，應用上極為便利。
【具體實施方式】
[0013]以下通過特定的具體實施例說明本發明的實施方式，該領域技術人員可由本說明書所揭示的內容輕 易地了解本發明的優點及功效。本發明也可通過其它不同的實施方式加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基于不同觀點與應用，在不背離本發明所揭示的精神下賦予不同的修飾與變更。
[0014]本發明的人造石墨構件主要應用于散熱要求高的電子產品或燈具，傳統業界多使用鋁或銅作為散熱材料，由于銅或鋁皆有導熱良好但散熱速度較慢的缺點，故大多將散熱材料制成螺旋散熱片、散熱鰭片、螺旋式散熱鰭片等增加導熱材料與空氣接觸的表面積，但所增加的散熱效果仍礙于散熱材料而有所限制。
[0015]本發明提供一種制備人造石墨構件的組合物，包括:含碳原料、粘合劑以及分散劑。于優選實施例中，所述含碳原料以該組合物重量計，含量為50至60%，更佳為54至56% ；粘合劑以該組合物重量計，含量為15至45%，更佳為35至40% ；以及分散劑以該組合物重量計，含量為5至25%，更佳為5至10%。
[0016]本發明的組合物中所述含碳原料包括飛灰。于優選實施例中，該含碳原料包括飛灰及石墨粉體，其中，以該含碳原料重量計，飛灰的含量為85至95%，石墨粉體的含量為5至15%。于更佳實施例中，該含碳原料中飛灰的含量為90至95%，石墨粉體的含量為5至10%。于具體實例中，該石墨粉體可扮演脫模劑角色。
[0017]本發明的組合物中，所使用的粘合劑包括，但不限制于:浙青、聚合物或其組成。于優選實施例中，所使用的浙青包括，但不限制于:煤焦浙青、石油浙青、天然浙青，所使用的聚合物包括，但不限制于:合成樹脂、天然樹脂、水性樹脂或其組成，例如聚氨酯、環氧樹脂、酚醛樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨基甲酸酯樹脂或其組成，并以酚醛樹脂類聚合物為佳。
[0018]本發明組合物中，所使用的分散劑包括，但不限制于:水、醇類化合物或其組成。于優選實施例中，所使用的分散劑包括，但不限制于:飽和醇、不飽和醇、脂環醇及其組合。于更優選實施例中，使用沸點低于水的醇類化合物，以利于后續的移除，故可使用乙醇。
[0019]本發明還提供一種人造石墨構件的制法，該制法是在混合槽中混合上述人造石墨構件的組合物，并烘烤去除經混合的組合物中的分散劑，甚至是可能存在的溶劑，以得到具有復數顆粒的粉末，再自該粉末中篩選出粒徑大小介于100至1000微米的顆粒，并將該經篩選的復數顆粒塑形為對象，之后加熱該對象以去除粘合劑，最后將去除粘合劑的對象石墨化得到人造石墨構件。
[0020]本發明的制法中，將本發明組合物混合均勻后，以80至200°C烘烤該經混合的組合物I至3小時，得到具有復數顆粒的粉末后；自該粉末中篩選出粒徑大小介于100至1000微米的顆粒，以適合塑形使顆粒堆積較為緊密，本發明發現若粒徑大于1000微米時，顆粒間的空隙使得熱量無法有效傳遞，粒徑小于100微米時，會造成成型的對象部分卡住在成型模具間隙，甚至導致成型的對象龜裂。是以，優選地，粒徑大小介于150至500微米，更佳為250至500微米。
[0021]據此，本發明還提供一種用于制造人造石墨構件的粉末材料，包括粒徑大小介于100至1000微米的復數顆粒，且各顆粒包含含碳原料及粘合劑的混合物。據此制得的人造石墨構件表面具有較佳的平整度，可直接與基板壓合作為芯片或電路板的散熱材料。
[0022]得到粉末材料后，緊接著，將該經篩選的復數顆粒以熱壓或粉末冶金的方式成型，優選為于20噸至150噸壓力以粉末冶金成型方式塑形為對象；并于500至1000°C加熱該對象I至3小時以去除粘合劑，優選為600至800°C ;最后于1900至2500°C將已去除粘合劑的對象石墨化I至5小時以得到人造石墨構件，于1900至2300°C時，進行石墨化3至5小時，于2300至2500°C時，可進行石墨化I至3小時。
[0023]本發明的制法步驟簡單，且制得的人造石墨構件具有高散熱系數的特點，此外通過粉末冶金成型方式塑形僅需進行一次填料，成本低廉又具有良好的平整度。
[0024]以下通過特定的具體實施例進一步說明本發明的實施方式，該領域技術人員可由本說明書所揭示的內容了解本發明的其它優點與功效。本發明的實施例如下所示，但本發明并不限于這些實施例。
[0025]本發明利用型號MH-300C的電子比重計測量本發明人造石墨構件的濕密度、孔隙率。
[0026]實施例1
[0027]將95克燃油飛灰、5克天然石墨粉、50克式(I)酚醛樹脂及30克乙醇于混合槽中混合均勻，接著于80°C烘烤2小時以去除乙醇。接著以內徑Φ210χ H45mm的泰勒篩及振蕩機(LS-450A型號)進行篩析，得到粒徑介于150至500之間的復數顆粒，緊接著該復數顆粒以粉末冶金成型機(PT-60)于40噸壓力條件下壓合塑形為對象。接著于通氮氣下，將該對象于700°C加熱2小時去除酚醛樹脂，緊接著于通以氬氣的真空石墨化爐(JR-350)中以2500°C進行3小時將該對象石墨化，待其冷卻后即可得到人造石墨構件。并以電子比重計測量濕密度、孔隙率，并顯示于表1。
【權利要求】
1.一種用于制備人造石墨構件的組合物，包括: 含碳原料，以該組合物重量計，該含碳原料的含量為50至60% ； 粘合劑，以該組合物重量計，該粘合劑的含量為15至45% ；以及 分散劑，以該組合物重量計，該分散劑的含量為5至25%。
2.如權利要求1所述的組合物，其特征在于，該含碳原料包括飛灰。
3.如權利要求2所述的組合物，其特征在于，該含碳原料還包括石墨粉體，且以該含碳原料重量計，該飛灰的含量為85至95%，該石墨粉體的含量為5至15%。
4.如權利要求2所述的組合物，其特征在于，該飛灰為燃煤飛灰、燃油飛灰或其組合。
5.如權利要求1所述的組合物，其特征在于，該粘合劑選自浙青或聚合物。
6.如權利要求5所述的組合物，其特征在于，該聚合物為酚醛樹脂類聚合物。
7.如權利要求1所述的組合物，其特征在于，該分散劑為水性分散劑。
8.如權利要求7所述的組合物，其特征在于，該水性分散劑選自水、醇類化合物或其組入口 ο
9.如權利要求8所述的組合物，其特征在于，該水性分散劑為乙醇。·
10.一種人造石墨構件的制備方法，包括: 混合如權利要求1的組合物； 于80至200°C烘烤該經混合的組合物I至3小時，得到具有復數顆粒的粉末； 自該粉末篩選出粒徑大小介于100至1000微米的顆粒； 將該經篩選的復數顆粒塑形為對象； 于500至1000°C加熱該對象I至3小時；以及 于1900至2500°C石墨化該經加熱的對象I至5小時以得到人造石墨構件。
11.如權利要求10所述的方法，其特征在于，自該粉末篩選出粒徑大小介于100至500微米的顆粒。
12.如權利要求10所述的方法，其特征在于，以熱壓或粉末冶金成型方式塑形該經篩選的復數顆粒。
13.一種用于制造人造石墨構件的粉末材料，包括粒徑大小介于100至1000微米的復數顆粒，且各顆粒包含含碳原料及粘合劑的混合物。
14.如權利要求13所述的粉末材料，其特征在于，該含碳原料包括飛灰。
15.如權利要求14所述的粉末材料，其特征在于，該含碳原料還包括石墨粉體，且以該含碳原料重量計，該飛灰的含量為85至95%，該石墨粉體的含量為5至15%。
16.如權利要求14所述的粉末材料，其特征在于，該飛灰為燃煤飛灰、燃油飛灰或其組八口 ο
17.如權利要求13所述的粉末材料,其特征在于,該粘合劑選自浙青或聚合物。
18.如權利要求17所述的粉末材料，其特征在于，該聚合物為酚醛樹脂的聚合物。
【文檔編號】C01B31/04GK103539100SQ201210334676
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2012年9月11日 優先權日:2012年7月13日
【發明者】蕭俊旭 申請人:毅金精密股份有限公司