導熱複合薄膜之製作與功能性研究
A Study on Fabrications and Functionality of Thermally
Conductive Composite Films
鄭國彬 (Kuo-Bin Cheng);陳孟揚(Meng-Yang Chen)
From: Department of Fiber and Composite Materials, Feng Chia University (Professor)
Textile and Material Industrial Research Center (Director)
Mail: [email protected]
2018兩岸複合材料論壇
1
Introduction
CONTENT
目錄
01
02
03
04
Experiments
Results and Discussion
Conclusions
以溶劑型聚氨基甲酸酯(DPU)為基材,在基材中添加片狀石墨烯(G/S)做為填充材,使其具有高導熱係數,將G/S加入DPU,經行星攪拌脫泡並研磨塗佈成複合薄膜於蓄熱保溫織物上,以製造具備有絕緣、導熱、撥水、耐水洗與防汙等功能之複合薄膜。
2
研究目的
Fig. 1. PU Thermal Conductive Composite Films
彈性體
合成纖維
泡沫塑料
塗料
運動鞋、登山鞋、汽車零件、傳送帶…
合成纖維:彈性纖維(Spandex)
泡棉、鞋底、吸震吸音材料、服裝、隔熱…
油漆、地板漆、高級運輸材、織物塗層…
黏著劑 皮革、織物接著劑、玻璃、纖維、傢俱…
4
聚氨基甲酸酯之應用
Fig.2 Applications of Polyurethane Polymer
早期電熱相關紡織品以加熱材料為設計基礎,中期則是以紡織材料作為設計基礎,現今以滿足輕、巧、短、薄、小、柔等,發展出可撓式與防水之發熱裝置。
1
Research motivation
Early Midterm Now
FPC柔軟印刷電路板的總稱,基板材料為(聚醯亞胺)PI材質,多數是將薄導電線路結合在軟性高分子片表面而成,包括將銅箔貼合在基板後蝕刻出線路,或是將銀膠印刷或塗布於基板上。
5
Flexible Printed Circuit, FPC
Application
Medical field
Wearable device
3C ProductsThinShort
Small Soft
Advantage
7
剛性佳
楊氏系數:
11000GPa
厚度薄
一個原子層:
2~3 nm
透明性高導電性佳
電阻率:
10-6Ω·cm
電子遷移率:
>15000 m2/V·s
導熱性佳
導熱係數:
5300W/m·K
Graphite Sheet materials
8
高分子複合材料 特性/高導電、導熱性機械與組隔性質熱穩定、透光性
在多種樹脂與塑料基體中,例如:Epoxy, phenolic, PS, PVA, UP, PET,
PMMA、PP、PU、PI,石墨烯可作為功能性填料,開發出各種導電、導熱、耐熱、氣體阻隔與結構增強的複合材料。
塗料/油墨 特性/ 高導電、導熱性、抗腐蝕性
石墨烯可作為功能填料,針對不同的應用領域開發出新型塗料/油墨,例如:重防腐塗料、電磁波屏蔽塗料、LED燈具用的導熱塗料、印刷電路板的導電油墨等。
鋰電池 特性/比表面積大、高導電性石墨烯添加於電極材料中能提升循環壽命與穩定性、電容量並達到快速充放電的性能。
比表面積、高導電性
Applications of Graphene and GS
9
抗菌材料 特性/ 抗菌活性、細菌毒性
氧化石墨烯能抑制大腸桿菌生長,與幾丁聚醣製成複合材料可提升其抗菌能力。
散熱材料 特性/ 高導熱性
石墨烯製成散熱片/散熱膜可作為智慧型手機、筆記型電腦、LED的熱管理應用。
電子元件
石墨烯可縮短元件的開關時間,並達成超高頻率的操作回應。
特性/高電子遷移率、導電性、化學穩定性
Applications of graphene and GS
顆粒空隙空間的幾何形狀影響其不同程度的完全填充特性,空隙取決於填充類型、顆粒和顆粒尺寸分佈。確定這些填充特性確實具有很大的實際意義。一般來說,填充度的評價指標是體積密度填充率和孔隙度等。這些參數之間存在內在聯繫。
11
Principle
堆積效應(Stacking effect)
Fig.7 Stacking effect
12
多層片狀石墨烯(MLGNS)
廠商:安炬科技公司
型號: P-ML20
丁酮(MEK)
廠商:景明化工股份有限公司
型號: YG-064-000000-75NI
溶劑型聚胺基甲酸酯(DPU)
廠商:東允科技股份有限公司
型號:TPU-5515PST
導熱膠(Thermal conductive plastic)
廠商:錦銓國際股份有限公司
封裝膠(Adhesives)
廠商:錦銓國際股份有限公司
防水中空織物
廠商:展邑科技有限公司
成分配比 :T 50D/72F 67%(經)
30′S/1 中空Winwarm Spun33%(緯)
幅寬 : 60 inch
經密:180epi
緯密:140ppi
布重 : 168 g/yd
電鍍錫箔(Tin Foil)
廠商:南良實業股份有限公司
鋁箔(Aluminum Foil)
廠商:名仕有限公司
Experimental Materials
13
電子天秤
廠商:艾安得股份有限公司
型號:GR-200
行星攪拌脫泡機
廠商:Mazerustar
型號:KK-50S
熱風循環烘箱
代理商:弘宇儀器有限公司
型號:DO45
恆溫恆濕箱
廠商:鉑銳科技有限公司
型號:L-50
自動塗佈機廠商:博益精儀股份有限公司型號:PFA 2010
塗佈線棒
廠牌:博益精儀股份有限公司
型號:RDS-11、RDS-22、RDS-44
三輥研磨機廠商:彩寶有限公司型號:S65
Laboratory apparatus
可撓式印刷電路
(Flexible Printed Circuit ; FPC)
廠商:銪德科技有限公司
Length:1332 (mm)
電表
廠商:連騰企業股份有限公司型號:KT-295
電源供應器廠商:固緯電子實業股份有限公司型號:SPS-1230
14
遠紅外線熱影像儀
代理商:強將實業股份有限公司
型號: FLIR-A320
測試規範:FTTS-FA-010
熱性質測試儀
代理商:天祥科學儀器股份有限公司
型號: Alambeta
行動電源(Mobile power)
製造商:ASUS 台灣
型號: ZenPower (10050mAh)
Test instruments
可撓式印刷電路(Flexible Printed Circuit ; FPC)廠商:銪德科技有限公司Length:1332 (mm)
電表廠商:連騰企業股份有限公司型號:KT-295
電源供應器廠商:固緯電子實業股份有限公司型號:SPS-1230
15
Overall experimental flow chart
114
影響電熱功能之影響因素
DPU/G/S composite films
Thermally conductive plastic & matrix
G/S Powder addition
Coating with different thickness
Dispersion & Grinding & Addition
16
1. Acrylic
2. Silicone
1. Tin
2. Aluminum
STEP 1- Selection of matrix and thermal plastic ingredient & FPC
Automatic coating machine
Thickness: 25 μm
Speed: 50 mm/s
Distance: 200 mm
Time: 60 min
Temperature: 60℃
Hot air circulation oven
Thermal conductive plastic
1. Acrylic
2. Silicone
17
實驗流程(1/4)
Experimental parameters
Flexible Printed Circuit
Tin foil
T/C/P
多層結構之貼合圖
5.1V
2.4A
10500 mAh
18
Tin foil
Length:9 (cm)
Width:18.5 (cm)
T/C/P
STEP 2- Fractions of graphene sheet
frequency
Defoaming and stirring
rpm:1003
Frequency: 2
Automatic coating machine
Thickness: 50 μm
Speed: 50 mm/s
Distance: 200 mm
Hot air circulation oven
Time: 60 min
Temperature: 60℃
19
實驗流程(2/4)
Experimental parameters
20
STEP 3- Coating thickness of DPU/Graphene sheet films
Defoaming and Stirring
Rpm:1003
Frequency: 2
Automatic Coating Machine
Thickness: 25、50、100 μm
Speed: 50 mm/s
Distance: 200 mm
Hot air circulation oven
Time: 60 min
Temperature: 60℃
Experimental parameters
實驗流程(3/4)
Fabric Flexible Printed Circuit
Fabric
多層結構之貼合圖
5.1V
2.4A
10500 mAh
21
Fabric
Length:9 (cm)
Width:18.5 (cm)
Area:166.5 (cm2)
DPU/G/S composite films
DPU/G/S composite films
22
STEP 4- DPU/Graphene sheet slurry dispersion & addition
Defoaming and stirring
rpm:1003
Frequency: 2
Automatic coating machine
Thickness: 25、50 μm
Speed: 50 mm/s
Distance: 200 mm
Hot air circulation oven
Time: 60 min
Temperature: 60℃
Experimental parameters
實驗流程(4/4)
Grinding machine
4A 30HZ 220V
23
Graphene sheet percent addition(%) DPU(g) Graphene sheet(g) MEK(g)
1.56
2.50
5.00
6.25
25.00
24.38
23.75
23.44
0.00
0.62
1.25
5.00
5.000.00
5.00
5.00
10.00 90.00 10.00 20.00
DPU/Graphene sheet slurry compositions
Table 1 Graphene slurry compositions
1
Flexible Printed Circuit Heat Source
FPC test
Table 2 Increased and decreased temperature
T0 T20
FPC(1)
FPC(2)
FPC(3)
FPC(4)
T2
0.00
0.00
0.00
0.00
61.7
61.5
61.9
62.0
45.2
45.1
45.2
45.3
Heating behaviors of FPC used in this study
Sample
Area:150 cm2
24
25
T0 T10 T20 ΔT1(T10-T0) ΔT2(T10-T20) ΔT3(T20-T0)
Tin foil 20.8 26.2 21.1 5.4 5.1 0.3
Aluminum foil 19.3 20.2 19.9 0.9 0.3 0.9
Results and Discussion
Matrix Absorption and exothermic temperature time line graph
Table 3 Temperature raising of two different metallic foil
Metallic foil selection
26
y = -7.126ln(x) + 73.66R² = 0.9398
y = -10.49ln(x) + 100.67R² = 0.9891
y = -10.61ln(x) + 101.65R² = 0.9889
23
26
29
32
35
38
41
44
47
50
150 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 1500
Tem
per
atu
re(℃
)
Area(cm2)
Tin foil
Thermal Conductivity Plastic (Acrylic)
Thermal Conductivity Plastic (Silicone)
Results and Discussion
Table 4 Temperature raising of
different thermal conductive pastes
Thermal conductive pastes
Fig.10 The curves of average temperature vs. area of Tin
foil coated with different thermal conductive paste
Area:300 cm2
Sample T0 T20 ΔT3(T20-T0)
Acrylic
Silicone
21.0
19.8
40.9
41.4
19.9
21.6
27
Fig.11 The curves of average temperature vs.
area of composite films with different G/S
contents
Fraction of G/S in composite films
y = -8.45ln(x) + 83.541R² = 0.9414
y = -0.0111x + 43.453R² = 0.9077
y = -8.38ln(x) + 89.987R² = 0.9962
y = 50.912e-4E-04x
R² = 0.9176
20
25
30
35
40
45
50
55
150 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 1500
Tem
per
atu
re(℃
)
Area(cm2)
Pure
G/S 2.5wt%
G/S 5.0wt%
G/S 6.25wt%
Results and Discussion
Table 5 Temperature raising of composite
films with different G/S contents
Sample T0 T20 ΔT3(T20-T0)
Pure DPU
G/S 2.5
G/S 5.0
G/S 6.25
20.7
22.8
21.6
22.5
27.9
35.2
36.0
39.4
Area:600 cm2
7.2
12.4
14.4
16.9
28
熱性質項目 Pure DPU熱性質項目 Pure DPU G/S 2.5wt% G/S 5.0wt% G/S 6.25wt%
λ熱傳導係數(mW/m.K)
a 熱擴散值(mm2/s)
b 熱吸收值(Ws1/2/M2k)
r 熱阻抗值(m2mK/W)
h 厚度(mm)
qm 熱流峰值(W/m2)
P 熱流比值
60.95
0.081
259.90
28.01
0.589
969.10
472.91
73.1873.10
0.089
78.18
0.091
370.47
0.085
340.50323.90
23.27 24.33
1295.31
0.554
24.73
541.18
0.563
1297.87
546.93
0.531
1466.00
573.47
Value in terms of thickness(mm))
Results and Discussion
Table 6 Thermal properties of DPU/G/S Composite films
Alambeta test
29
Results and Discussion
Influences of G/S fractions on the thermal properties of composite
films
Fig.12 Dependence of G/S fractions on various thermal properties of composite films
30
y = 47.138e-3E-04x
R² = 0.9443y = 50.912e-4E-04x
R² = 0.9176y = 43.308e-4E-04x
R² = 0.8963
25
30
35
40
45
50
55
150 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 1500
Tem
per
atu
re(℃
)
Area(cm2)
25μm 50μm 100μm
Results and Discussion
Table 7 Temperature raising of composite
films with different thickness
G/S Composite coating thickness
Fig.13 The curves of average temperature vs. area
of composite films with different thickness
Sample
Area:600 cm2Addition:6.25wt%
25μm
50μm
25μm+T/C/P
T0 T20 ΔT3(T20-T0)
28.5
24.8
25.4
37.8
29.3
39.4
9.3
4.5
14.00
31
Results and Discussion
Film thickness
Fig.14 The curvs of average temperature vs. area of
composite films with different thickness
Table 8 Temperature raising of fabrics
coated with composite films of different
thickness
Sample
Addition:10 wt% Area:1200 cm2
y = -7.68ln(x) + 92.27R² = 0.9934
y = -0.0062x + 36.931R² = 0.9348
y = -9.317ln(x) + 105.6R² = 0.9958
25
30
35
40
45
50
55
60
150 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 1500
Tem
per
atu
re(℃
)
Area(cm2)
25μm 50μm 25μm+T/C/P
Results and Discussion
32
熱性質項目 Pure DPU熱性質項目
λ熱傳導係數(mW/m.K)
a 熱擴散值(mm2/s)
b 熱吸收值(Ws1/2/M2k)
r 熱阻抗值(m2mK/W)
h 厚度(mm)
qm 熱流峰值(W/m2)
P 熱流比值
56.89
0.059
81.50
0.103
328.33 232.69
22.00 18.28
0.979
976.92
497.61
0.600
1380.67
552.27
G/S 10.00wt% 50 μm G/S 10.00wt% 25 μm G/S10.00wt% 25 μm + T/C/P
57.92
0.423
15.38
1.144
759.27
446.35
257.87
Results and Discussion
Value in terms of thickness(mm))
Alambeta test
Table 9 Thermal properties of DPU/G/S Composite films
33
Results and Discussion
Fig.15 Temperature vs. area Pie Chart of electric heating fabric
Temperature vs. Area
0
10
20
30
40
50
60150
300
450
600
750
900
1050
1250
1350
1500 25μm
50μm
25μm+T/C/P
多層結構之貼合圖Flexible Printed Circuit
Fabric
5.1V
2.4A
10500 mAh
34
Fabric
Length:9 (cm)
Width:18.5 (cm)
Area:166.5 (cm2)
T/C/P
T/C/P
DPU/G/S composite films
DPU/G/S composite films
多層結構之貼合圖
35
25
30
35
40
45
50
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Tem
per
atu
re(℃
)
Time(hour)
15.2 (hour)
Results and Discussion
Power consumption test
Fig.16 Power consumption test of electric heating fabric
以FPC為熱源,用高導熱G/S添加於DPU,塗布成具有高導熱、
蓄熱保溫等功能性之DPU/G/S複合薄膜。探討不同粉體添加量及
厚度與疊層,對物性、化性、機械性、熱性質與功能性之影響。
1. 在基材皆使用Tin Foil下,在300cm²下,Acrylic系列導熱膏平
均溫度達38.5℃,而Silicone系列導熱膏為40.8 ℃。
2. 從Alambeta熱性質分析得知,隨著G/S添加量的上升,熱傳導
可由60.95提升至81.50 mW/mK、熱擴散值由0.081提升至0.423
mm2/s、熱阻抗從28.01下降至15.38 m2mK/W,顯示添加石墨
烯粉體及導熱膠,有效影響電熱織物之熱性質。
3. 從織物熱擴散結果可知,石墨烯添加量的上升會及塗布厚度及
疊層差異,在添加量10wt%下,塗布厚度25μm,外層再塗布
壓克力導熱膠,表現出最大熱擴散面積1200 cm2下,平均溫度
達39.4 ℃。 36
Conclusion
4. FPC平均電流0.45 A,電壓平均3.3 V。在10500mAHr
行動電源下,總測試時間為15.2小時,使用電源供應
器測試,耗電量為6840(mAh)。
5.本研究製備出DPU/G/S複合薄膜具有高導熱之效果,
搭配輕量、可撓曲、薄且節能的FPC發熱裝置,可因
產品面積與溫度應用範圍,可選擇不同疊層之搭配,
與不同導熱材料或添加量之選用,未來可應用於保溫
性、保健性與舒適性等之紡織品如家具、車輛、建築
與軍事等應用領域。37
Conclusion
37