奈米碳管高分子電熱膠及其應用｜國立清華大學博碩士論文庫

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研究生：	呂俊儀 Lu, Chun-Yi
論文名稱：	奈米碳管高分子電熱膠及其應用 Multi-walled carbon nanotubes/epoxy composites as resistive elements and their application in building materials
指導教授：	徐文光 Hsu, Wen-Kuang
口試委員:	薛森鴻呂昇益
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 材料科學工程學系 Materials Science and Engineering
論文出版年：	2017
畢業學年度：	105
語文別：	中文
論文頁數：	61
中文關鍵詞：	多壁奈米碳管、發熱地暖建材、導電高分子、環氧樹脂、複合材料
外文關鍵詞：	MWCNT, Heating floor, Epoxy, Composite, Conductive polymer
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自90年代初期奈米碳管被發現以來，其良好之導熱、導電、機械性質使科學家爭相研究。環氧樹脂於固化前有著良好的可塑性，可填入各種硬建材之縫隙、接點；固化後性質穩定、不易變形。基於上述之優良性質，將多壁奈米碳管和環氧樹脂以適當比例混合均勻，稱之『奈米碳管高分子電熱膠(MWCNTs/Polymer Composite)』。此複合材有著加熱效率高、溫度分布均勻、易施工、以及成本低等優點。本實驗針對奈米碳管電熱膠分成兩種不同的地暖建材應用及討論：
1. 可升溫暖木地板
2. 可升溫暖水泥地板
於實驗結果中發現相較於使用電阻絲或熱水作為加熱媒介之傳統地暖建材，本實驗之可升溫木地板、水泥試片採用奈米碳管高分子電熱膠作為加熱媒介，確實有較佳之升溫速率、較低之降溫速率(保溫效果佳)、較佳之表面溫度均勻性、較低之成本等優點，因此極具商業潛力，期待能為地暖建材界帶來貢獻。

Owing to their outstanding thermal, electric conductivity and mechanical strength, carbon nanotubes (CNTs), discovered in early 1990’s, have drawn much attention in recent years and become an hot issue in nanotechnology. Study reveals that CNTs can combine with various materials to form composites, such as polymers and oxides. Epoxy has a low volume contraction after curing and form conductive composites with CNTs at low filling fraction. Study here focuses on electro-thermal properties of composites made from epoxy and multi-walled CNTs and results indicate that composites can be used as resistive elements. We then introduce composites into building materials to create heating system embedded in floor timber and floor cement. Results show that composites loaded floors display a greater heating rate, lower cooling rate (i.e. a greater heat preservation), lower temperature gradient (i.e. uniform dispersion of temperature) and lower cost compared with existing devices using resistive filaments and circulating hot water.

目錄
摘要    I
Abstract    II
目錄    III
表目錄    VII
圖目錄    VIII
第一章 文獻回顧    1
1.1奈米碳管    1
1.1.1 奈米碳管簡介與結構性質簡述    1
1.1.2奈米碳管之導電性質    4
1.1.3奈米碳管之導熱性質    8
1.1.4 環氧樹脂    10
1.1.5 環氧樹脂/奈米碳管複合材之導電性質    11
第二章 研究動機    13
第三章 實驗方法    14
3.1 實驗流程    14
3.1.1 電暖木地板製程    14
3.1.2 電暖水泥地板製程    15
3.2 實驗藥品與儀器    16
3.2.1 實驗藥品    16
3.2.2 實驗儀器    17
3.3實驗試片製作    18
3.3.1電暖木地板生產步驟    18
3.3.1.1 製作奈米碳管電熱膠    18
3.3.1.2 製作木地板之溝槽    18
3.3.2 電暖水泥地板製備    20
3.3.2.1 奈米碳管-環氧樹酯-玻璃纖維之電熱複合材製備    20
3.3.2.2 電熱複合材與水泥結合    22
3.4 試片測量    24
3.4.1奈米碳管電熱膠熱擴散度性質測量    24
3.4.2彎曲應力性質測量    24
3.4.2.1 奈米碳管電熱膠    24
3.4.2.2 奈米碳管-環氧樹酯-玻璃纖維之電熱複合材    24
3.4.3 試片升降溫速率量測    25
3.4.3.1 電暖木地板    25
3.4.3.2 電暖水泥地板    25
3.4.4 試片紅外線熱像儀熱分布量測    25
第四章 實驗數據結果與討論    26
4.1 奈米碳管電熱膠電熱性質量測    26
4.1.1電熱膠之奈米碳管含量與加熱速率之關係    26
4.1.2 奈米碳管電熱膠熱擴散係數性質量測    28
4.1.3 奈米碳管電熱膠之發熱性質量測    29
4.1.4電熱複合材電熱性質量測    31
4.2 實驗試片設計    33
4.2.1 電暖木地板之設計    33
4.2.1.1 等效電阻    33
4.2.1.2並聯型等效電路設計    35
4.2.1.3 並聯型電路圖    37
4.2.2電暖水泥地板之設計    38
4.2.2.1 電熱複合材    38
4.2.2.2 電熱膠之電極設計    41
4.3 電暖地板量測    44
4.3.1. 電暖木地板    44
4.3.1.1 電熱性質量測與成本討論    44
4.3.1.2 紅外線熱像儀量測    47
4.3.2 電暖水泥地板    50
4.3.2.1 電熱性質量測與成本討論    50
4.3.2.2 紅外線熱像儀量測    52
4.4 其餘建材應用    55
4.4.1 陶瓷暖地板    55
第五章 結論    58
參考文獻    59












表目錄
表4-1 多壁奈米碳管含量與電阻率、黏度之整理比較    27
表4- 2 常見塑膠材料彎曲強度五彎曲模數比較，發現加入玻璃纖維之塑膠複合材之強度較高    39
表4- 3 奈米碳管電熱膠暖木地板與市面地暖產品之比較    47
表5-1  本實驗產品v.s 傳統地暖系統比較    58

 
圖目錄
Fig. 1-1由m、n與a1 、 a2所建構出之螺旋向量Ch即可歸納出該奈米碳管為何種型態：Armchair、Zigzag 或是Helix。    3
Fig.1-2 平面石墨依照螺旋向量捲曲後之三種不同型態之奈米碳管    4
Fig.1- 3 單壁和多壁奈米碳管之比較    4
Fig.1-4(b) K點位置上視圖    6
Fig.1-4(a) 石墨倒晶格之6個K點    6
Fig.1-4(c) 扶椅(金屬性)型奈米碳管之電子波向量與K點有交會，交會點之2D能帶圖如右，能隙為0。    6
Fig.1-4(d) 半導體型奈米碳管之電子波向量與K點無交會，交會點之能帶圖如右，產生明顯能隙    6
Fig.1-5 m、n之值與奈米碳管導電種類一覽    7
Fig.1-6(a) 奈米碳管之熱導係數數值v.s管長    8
Fig.1-6(c) 奈米碳管之熱導係數數值v.s缺陷濃度    9
Fig.1-6(b) 奈米碳管之熱導係數數值v.s空位濃度    9
Fig.1-7 常見之環氧樹脂包裝外觀    10
Fig.1-8 臨界點附近，奈米碳管導電方式由串聯機制變成並聯機制，導電性忽然大幅提升    12
Fig.1-9 奈米碳管複合材之導電性v.s奈米碳管濃度曲線，可看出在大約5wt%時導電性大幅增加。    12
Fig. 3-2 加工過後之木板背面，溝槽寬0.6cm，深0.5cm，木板厚度：1cm    19
Fig. 3-1 電暖木地板示意圖    19
Fig. 3-3 填入奈米碳管電熱膠及引出電線，黑色部分即為奈米碳管電熱膠    19
Fig. 3-4 完成之電暖木地板測試實況。木板長：40cm，寬：14cm    20
Fig.3-5(b) 放上T字型銅片    21
Fig.3-5(a) 玻璃纖維及脫模紙    21
Fig.3-6 完成之三明治發熱複合材    21
Fig.3.5(c) 填完奈米碳管電熱膠後放上重物靜置    21
Fig.3-7 三明治電熱複合材放入模具中，可見小孔、純環氧樹脂    22
Fig.3-9 電暖水泥地板示意圖    23
Fig.3-8 完成測試中之電暖水泥地板與規格    23
Fig.4-1 奈米碳管含量vs.電熱膠之電阻率關係圖    27
Fig.4-2 奈米碳管電熱膠熱擴散度v.s 奈米碳管濃度曲線圖    28
Fig.4-3奈米碳管電熱膠加熱條    29
Fig.4-5 電熱條通電10分鐘後之紅外線熱成像圖，可看出每條之熱能供給均勻。    30
Fig.4-4 九條並聯電熱條之升溫速率曲線圖，通電10餘分鐘可上升約40度    30
Fig.4-6 加熱2分鐘之三明治電熱複合材紅外線熱成像圖及其規格    31
Fig.4-8 三明治電熱複合材溫度分布，熱均勻性較佳    32
Fig.4-7 傳統電阻絲加熱溫度分布，熱均勻性較差    32
Fig.4-9(a) 串聯型電路    34
Fig.4-9(b) 並聯型電路    34
Fig.4-10(a) 線路一：電流左進右出，電子行經各條加熱絲路徑長略同，可均勻加熱    36
Fig.4-10(b) 線路二：電流上進下出但電流將選擇紅色區域之路徑因路徑長較短，加熱不均勻且易過熱    36
Fig.4-11 設計之之等效電路圖。由對稱之五個相同加熱條並聯之，等效電阻值為R/5。    37
Fig.4-12 奈米碳管電熱膠試片規格及示意圖    38
Fig.4-13 3wt%奈米碳管電熱膠彎曲力-形變曲線圖。由FS=Fmax/A 可得FS=226N/0.01x0.004cm2=5.65Mpa    39
Fig.4-15 三明治電熱複合材試片及規格    40
Fig.4-14 三明治電熱複合材示意圖    40
Fig.4-16 三明治電熱複合材彎曲力-形變曲線圖。由FS=Fmax/A 可得 FS≒7Mpa。    41
圓圈處可明顯看出玻璃纖維之破壞以及韌性之維持。    41
Fig.4-17(a) 銅片寬度不足之情況    41
Fig.4-17(b) 改良後之切齊T字型銅片，熱均勻性較佳    42
Fig.4-18(a) 銅片寬度不足，導致僅局部加溫    42
Fig.4-18(b) 銅片寬度足夠，溫度均勻加熱    43
Fig.4-17電暖木地板規格表    45
Fig.4-19 測試電暖木地板實況    46
Fig.4-18 電暖木地板升降溫速率曲線圖    46
Fig.4-20 電暖木地板參加2016台北建材展實照    47
Fig.4-21(a) 電暖木地板通電5分鐘    48
Fig.4-21(c) 電暖木地板通電15分鐘    48
Fig.4-21(b) 電暖木地板通電10分鐘    48
Fig.4-21(d) 電暖木地板通電20分鐘    49
Fig.4-21(f) 電暖木地板通電30分鐘    49
Fig.4-21(e) 電暖木地板通電25分鐘    49
Fig.4-22 電暖水泥地板升降溫速率曲線圖，升溫快，降溫慢，效率佳。    51
Fig.4-23 電暖水泥地板規格表    51
Fig.4-24(a) 電暖水泥地板通電2分鐘    52
Fig.4-24(b) 電暖水泥地板通電4分鐘    53
Fig.4-24(c) 電暖水泥地板通電6分鐘    53
Fig.4-24(e) 電暖水泥地板通電10分鐘    54
Fig.4-24(d) 電暖水泥地板通電8分鐘    54
Fig.4-25 可升溫暖陶瓷地板(可升溫磁磚)    55
Fig.4-26(a) 加熱條模具圖(使用木條)    56
Fig.4-26(b) 放入鐵網、填入水泥    57
Fig.4-27 成品-可升溫暖水泥地板    57


                                

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