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: kbcheng@fcu.edu.tw

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