用于制备人造石墨构件的组合物、粉末材料及该构件的制法
【专利摘要】一种用于制备人造石墨构件的组合物及该构件的制法，其中，该组合物包括：含碳原料如飞灰、粘合剂及分散剂。本发明人造石墨构件的制法包括：混合上述组合物；烘烤该经混合的组合物以得到具有复数颗粒的粉末；自该粉末筛选出适当粒径的颗粒；将该经筛选的复数颗粒塑形为对象；于500至1000℃加热该对象；以及石墨化该经加热的对象以得到人造石墨构件。本发明的制造简单、成本低廉，且因制得的人造石墨构件具多孔隙特性，该人造石墨具有相当大的比表面积，非常适合做为散热基材。
【专利说明】用于制备人造石墨构件的组合物、粉末材料及该构件的制法
【技术领域】
[0001]本发明关于一种用于制备人造石墨构件的组合物及该构件的制法，更详而言之，关于一种含有飞灰的组合物及使用该组合物制备人造石墨构件的方法。
【背景技术】
[0002]在节能减排趋势下，各国渐渐趋向禁用高耗能的白帜灯泡进而全面使用低耗能、省电、寿命长、耐用的LED照明器具。然而，目前LED照明器具受限于传统的铝质散热材料导热佳但散热速度较慢的问题，迟迟无法推出可以取代传统照明灯具的产品。
[0003]此外，随着科技发展电子产品日益轻薄短小、功率消耗与日俱增，而运作时芯片的微热流所产生热点，若没有及时将热导出，则芯片无法发挥较佳效能、或增加其耗损使用寿命下降进而影响整体品质表现。传统电路板的散热，通常使用铜质散热材料，而铜质散热材料虽然具有较高的导热系数，但其散热系数较低而导致无法有良好散热效果进而产生热瓶颈。
[0004]而且，热能通常通过传导、对流及辐射三种方式传递，而固体散热材料大多选自热传导系数高的材料，再通过与空气接触以对流的方式将热导出。故散热效果与材料本身的表面积息息相关，传统上除了将散热材料制成螺旋散热片、散热鳍片、螺旋式散热鳍片等增加导热材料与空气接触的表面积外，电子工业渐渐改用结构较松散具有质量轻、高导热、高散热等特点的天然石墨作为散热材料。然而，天然石墨成本昂贵且传统散热鳍片体积庞大较不适用于轻薄短小的电子产 品或LED。因此电子工业仍趋向于研发具有较佳散热效果的散热材料。
[0005]目前，为了研发一种适用的散热材料，TWI307145揭露一种含有钻石颗粒、铝金属基质及石墨的碳复合物制成的散热器，其可达到良好的导热及散热效果，但钻石颗粒与铝金属基质仍需通过石墨才能与铝金属达到良好的密合效果，且钻石成本较高、硬度高加工困难，基于对成本的考虑，电子工业大量生产无法合乎经济成本。
[0006]Tff 201114684揭示一种利用未燃碳制成具有石墨性能的粉末材料与多孔性材料的方法，使用该方法制成多孔性石墨材料则需收集含碳的飞灰经过酸洗纯化、研磨、混合、成型、烧结并待其冷却再二次加工制成石墨化材料，其加工步骤繁杂纯化过程中需经酸或碱洗纯化，且纯化后的产物需研磨至50毫米以下才可进行混合以及成型等步骤，且烧结后成品因具有金属氧化物而致平整度不佳，因此需通过切削或研磨等二次加工以使其表面平整，制造步骤过于繁杂，且酸洗纯化后所产生的废液也会对环境造成危害。
[0007]因此，亟需研发一种制造简便、高散热能力的散热件以解决发热物产生的热点散热的问题。
【发明内容】
[0008]本发明提供一种用于制备人造石墨构件的组合物，包括:以该组合物重量计，含量为50至60%的含碳原料；以该组合物重量计，含量为15至45%的粘合剂；以及以该组合物重量计，含量为5至25%分散剂。本发明的组合物中含有粘合剂，其可使含碳原料紧密堆栈结合，而成结实且硬度较佳的状态。本发明的组合物还含有分散剂，使制备人造石墨构件时有效分散粘合剂，尤其在一具体实施例中，使用稠状粘合剂，故分散剂的存在方足以令粘合剂均匀地结合粉体颗粒，免得单一成分团聚，故可提高人造石墨构件的比表面积。
[0009]本发明还揭露一种人造石墨构件的制备方法，包括:混合如上所述的组合物；并于80至200°C烘烤该经混合的组合物I至3小时，得到具有复数颗粒的粉末；自该粉末中筛选出粒径大小介于100至1000微米的颗粒；将该经筛选的复数颗粒塑形为对象；于500至1000°C加热该对象I至3小时；以及于1900至2500°C石墨化该经加热的对象I至5小时以得到人造石墨构件。
[0010]本发明的方法将含碳原料、粘合剂及分散剂混合均匀后，烘烤去除分散剂使粘合剂存在于含碳原料周围，通过粘合剂使塑型后对象的含碳原料排列紧密，接着加热去除对象中的粘合剂，使原粘合剂所在位置产生孔隙，接着将经加热的对象石墨化，而得到具有多孔隙的人造石墨构件。
[0011]本发明还提供一种用于制造人造石墨构件的粉末材料，包括粒径大小介于100至1000微米的复数颗粒，且各颗粒包含含碳原料及粘合剂的混合物。
[0012]本发明人造石墨构件的制法，仅至少需利用燃煤或燃油设备所产生的飞灰，且不需复杂的制造过程即可获得具多孔隙的人造石墨构件。本发明的多孔隙人造石墨构件具多孔性，因此除了可解决LED照明设备高光通量及芯片高功率化所衍生的散热问题外，极佳的平整度无须透过二次加工即可直接接置基板，应用上极为便利。
【具体实施方式】
[0013]以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，该领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻 易地了解本发明的优点及功效。本发明也可通过其它不同的实施方式加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不背离本发明所揭示的精神下赋予不同的修饰与变更。
[0014]本发明的人造石墨构件主要应用于散热要求高的电子产品或灯具，传统业界多使用铝或铜作为散热材料，由于铜或铝皆有导热良好但散热速度较慢的缺点，故大多将散热材料制成螺旋散热片、散热鳍片、螺旋式散热鳍片等增加导热材料与空气接触的表面积，但所增加的散热效果仍碍于散热材料而有所限制。
[0015]本发明提供一种制备人造石墨构件的组合物，包括:含碳原料、粘合剂以及分散剂。于优选实施例中，所述含碳原料以该组合物重量计，含量为50至60%，更佳为54至56% ；粘合剂以该组合物重量计，含量为15至45%，更佳为35至40% ；以及分散剂以该组合物重量计，含量为5至25%，更佳为5至10%。
[0016]本发明的组合物中所述含碳原料包括飞灰。于优选实施例中，该含碳原料包括飞灰及石墨粉体，其中，以该含碳原料重量计，飞灰的含量为85至95%，石墨粉体的含量为5至15%。于更佳实施例中，该含碳原料中飞灰的含量为90至95%，石墨粉体的含量为5至10%。于具体实例中，该石墨粉体可扮演脱模剂角色。
[0017]本发明的组合物中，所使用的粘合剂包括，但不限制于:浙青、聚合物或其组成。于优选实施例中，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:合成树脂、天然树脂、水性树脂或其组成，例如聚氨酯、环氧树脂、酚醛树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨基甲酸酯树脂或其组成，并以酚醛树脂类聚合物为佳。
[0018]本发明组合物中，所使用的分散剂包括，但不限制于:水、醇类化合物或其组成。于优选实施例中，所使用的分散剂包括，但不限制于:饱和醇、不饱和醇、脂环醇及其组合。于更优选实施例中，使用沸点低于水的醇类化合物，以利于后续的移除，故可使用乙醇。
[0019]本发明还提供一种人造石墨构件的制法，该制法是在混合槽中混合上述人造石墨构件的组合物，并烘烤去除经混合的组合物中的分散剂，甚至是可能存在的溶剂，以得到具有复数颗粒的粉末，再自该粉末中筛选出粒径大小介于100至1000微米的颗粒，并将该经筛选的复数颗粒塑形为对象，之后加热该对象以去除粘合剂，最后将去除粘合剂的对象石墨化得到人造石墨构件。
[0020]本发明的制法中，将本发明组合物混合均匀后，以80至200°C烘烤该经混合的组合物I至3小时，得到具有复数颗粒的粉末后；自该粉末中筛选出粒径大小介于100至1000微米的颗粒，以适合塑形使颗粒堆积较为紧密，本发明发现若粒径大于1000微米时，颗粒间的空隙使得热量无法有效传递，粒径小于100微米时，会造成成型的对象部分卡住在成型模具间隙，甚至导致成型的对象龟裂。是以，优选地，粒径大小介于150至500微米，更佳为250至500微米。
[0021]据此，本发明还提供一种用于制造人造石墨构件的粉末材料，包括粒径大小介于100至1000微米的复数颗粒，且各颗粒包含含碳原料及粘合剂的混合物。据此制得的人造石墨构件表面具有较佳的平整度，可直接与基板压合作为芯片或电路板的散热材料。
[0022]得到粉末材料后，紧接着，将该经筛选的复数颗粒以热压或粉末冶金的方式成型，优选为于20吨至150吨压力以粉末冶金成型方式塑形为对象；并于500至1000°C加热该对象I至3小时以去除粘合剂，优选为600至800°C ;最后于1900至2500°C将已去除粘合剂的对象石墨化I至5小时以得到人造石墨构件，于1900至2300°C时，进行石墨化3至5小时，于2300至2500°C时，可进行石墨化I至3小时。
[0023]本发明的制法步骤简单，且制得的人造石墨构件具有高散热系数的特点，此外通过粉末冶金成型方式塑形仅需进行一次填料，成本低廉又具有良好的平整度。
[0024]以下通过特定的具体实施例进一步说明本发明的实施方式，该领域技术人员可由本说明书所揭示的内容了解本发明的其它优点与功效。本发明的实施例如下所示，但本发明并不限于这些实施例。
[0025]本发明利用型号MH-300C的电子比重计测量本发明人造石墨构件的湿密度、孔隙率。
[0026]实施例1
[0027]将95克燃油飞灰、5克天然石墨粉、50克式(I)酚醛树脂及30克乙醇于混合槽中混合均匀，接着于80°C烘烤2小时以去除乙醇。接着以内径Φ210χ H45mm的泰勒筛及振荡机(LS-450A型号)进行筛析，得到粒径介于150至500之间的复数颗粒，紧接着该复数颗粒以粉末冶金成型机(PT-60)于40吨压力条件下压合塑形为对象。接着于通氮气下，将该对象于700°C加热2小时去除酚醛树脂，紧接着于通以氩气的真空石墨化炉(JR-350)中以2500°C进行3小时将该对象石墨化，待其冷却后即可得到人造石墨构件。并以电子比重计测量湿密度、孔隙率，并显示于表1。
【权利要求】
1.一种用于制备人造石墨构件的组合物，包括: 含碳原料，以该组合物重量计，该含碳原料的含量为50至60% ； 粘合剂，以该组合物重量计，该粘合剂的含量为15至45% ；以及 分散剂，以该组合物重量计，该分散剂的含量为5至25%。
2.如权利要求1所述的组合物，其特征在于，该含碳原料包括飞灰。
3.如权利要求2所述的组合物，其特征在于，该含碳原料还包括石墨粉体，且以该含碳原料重量计，该飞灰的含量为85至95%，该石墨粉体的含量为5至15%。
4.如权利要求2所述的组合物，其特征在于，该飞灰为燃煤飞灰、燃油飞灰或其组合。
5.如权利要求1所述的组合物，其特征在于，该粘合剂选自浙青或聚合物。
6.如权利要求5所述的组合物，其特征在于，该聚合物为酚醛树脂类聚合物。
7.如权利要求1所述的组合物，其特征在于，该分散剂为水性分散剂。
8.如权利要求7所述的组合物，其特征在于，该水性分散剂选自水、醇类化合物或其组入口 ο
9.如权利要求8所述的组合物，其特征在于，该水性分散剂为乙醇。·
10.一种人造石墨构件的制备方法，包括: 混合如权利要求1的组合物； 于80至200°C烘烤该经混合的组合物I至3小时，得到具有复数颗粒的粉末； 自该粉末筛选出粒径大小介于100至1000微米的颗粒； 将该经筛选的复数颗粒塑形为对象； 于500至1000°C加热该对象I至3小时；以及 于1900至2500°C石墨化该经加热的对象I至5小时以得到人造石墨构件。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，自该粉末筛选出粒径大小介于100至500微米的颗粒。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，以热压或粉末冶金成型方式塑形该经筛选的复数颗粒。
13.一种用于制造人造石墨构件的粉末材料，包括粒径大小介于100至1000微米的复数颗粒，且各颗粒包含含碳原料及粘合剂的混合物。
14.如权利要求13所述的粉末材料，其特征在于，该含碳原料包括飞灰。
15.如权利要求14所述的粉末材料，其特征在于，该含碳原料还包括石墨粉体，且以该含碳原料重量计，该飞灰的含量为85至95%，该石墨粉体的含量为5至15%。
16.如权利要求14所述的粉末材料，其特征在于，该飞灰为燃煤飞灰、燃油飞灰或其组八口 ο
17.如权利要求13所述的粉末材料,其特征在于,该粘合剂选自浙青或聚合物。
18.如权利要求17所述的粉末材料，其特征在于，该聚合物为酚醛树脂的聚合物。
【文档编号】C01B31/04GK103539100SQ201210334676
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2012年9月11日 优先权日:2012年7月13日
【发明者】萧俊旭 申请人:毅金精密股份有限公司