複合配製物和電子組件的製作方法

2023-05-19 06:31:31

本發明涉及配製物及製造的產品。更具體地，本發明涉及複合配製物和電子組件，所述電子組件具有由具有被加工助劑處理過的金屬粒子的複合配製物形成的複合產品。

發明背景

導電材料可用於各種組件。對於改進這樣的組件來說，降低電阻率並且因此增加導電性是理想的。延長這樣的組件的使用壽命也是理想的。對這樣的組件的進一步改進允許在更多環境中更廣泛的用途。

可以在材料中使用銅粒子，以製造相對良好導電的複合配製物。然而，歸因於銅對氧化的敏感性以及因此複合材料的導電性的損失，這樣的材料不能在某些應用中使用，並且不像包括銀在內的材料一樣導電。然而，銀是昂貴的並且由於經濟原因對於某些應用來說可能是不實際的。

在不犧牲成本、操作複雜性或功能性的情況下降低材料的電阻率並且因此增加材料的導電性仍然是在本領域中理想的。

與現有技術相比顯示出一種或多種改進的複合配製物和複合產品將會是在本領域中理想的。

發明簡述

在一個實施方案中，複合配製物包含具有至少15％結晶度的聚合物基質，和與聚合物基質共混的被加工助劑處理過的金屬粒子，其包含第一粒子和第二粒子，其中第一粒子具有第一長徑比並且第二粒子具有第二長徑比，並且第一長徑比大於第二長徑比。對於複合配製物來說，當通過擠出或成型加工時，第一粒子和第二粒子產生降低的逾滲閾值(percolation threshold)，所述降低的逾滲閾值是與沒有包含第一粒子和第二粒子的相似組合物相比的。

在另一個實施方案中，電子組件包括由複合配製物製造的複合產品，複合配製物具有具有至少15％結晶度的聚合物基質，和與聚合物基質共混的被加工助劑處理過的金屬粒子，其包含第一粒子和第二粒子，其中第一粒子具有第一長徑比並且第二粒子具有第二長徑比，並且第一長徑比大於第二長徑比。對於複合配製物來說，當通過擠出或成型加工時，第一粒子和第二粒子產生降低的逾滲閾值，所述降低的逾滲閾值是與沒有包含第一粒子和第二粒子的相似組合物相比的。電子組件選自由下列各項組成的組：天線、電磁幹擾(EMI)屏蔽器、連接器外殼、以及它們的組合。

根據以下更詳細的描述，連同舉例說明本發明的原理的附圖，本發明的其他特徵和優點將會是顯而易見的。

附圖簡述

圖1是根據本公開的實施方案的具有聚合物基質和被加工助劑處理過的金屬粒子的複合配製物的示意圖。

圖2是根據本公開的實施方案的作為由複合配製物形成的複合產品的EMI屏蔽器的透視圖。

圖3是根據本公開的實施方案的作為由複合配製物形成的複合產品的電連接器的透視圖。

圖4是根據本公開的實施方案的作為由複合配製物形成的複合產品的天線的透視圖。

圖5示出了根據本公開的實施方案的第一粒子和第二粒子的掃描電子顯微照片，所述第一粒子和第二粒子是在複合配製物的聚合物基質內共混的被加工助劑處理過的金屬粒子的成分。

圖6示出了根據本公開的實施方案的第一粒子和第二粒子的示意性截面圖，所述第一粒子和第二粒子是在複合配製物的聚合物基質內共混的被加工助劑處理過的金屬粒子的成分。

在任何可能的情況下，將會在整個附圖中使用相同的附圖編號以表示相同的部件。

發明詳述

提供了複合配製物和由複合配製物製造的複合產品。例如，與沒有公開在這裡公開的一個或多個特徵的相似概念相比，本公開的實施方案具有在聚合物基質內形成導電網絡的均勻分散的粒子，通過選擇被加工助劑處理過的金屬粒子的形態和長徑比和這樣的粒子的負載水平而在不損害可加工性的情況下具有高導電性，具有增加的抗氧化性和延長的運行壽命(例如，基於老化數據)，能夠被焊接，能夠被擠出，能夠被成型，和/或能夠具有根據本公開顯而易見的其他優點和區別。

參照圖1，複合配製物100包含聚合物基質101和被加工助劑處理過的金屬粒子103(例如，均勻共混的和/或與聚合物基質101一起的)，其分別具有按體積計對於聚合物基質來說40％至75％之間和對於被加工助劑處理過的金屬粒子來說25％至50％之間的濃度。共混藉助任何適合的技術，如雙螺杆擠出或碗(bowl)混合。

聚合物基質101包括能夠具有共混在其內的被加工助劑處理過的金屬粒子103的任何適合的材料。適合的材料包括但不限於：含氟聚合物(例如，聚偏二氟乙烯(PVDF)、PVDF/六氟丙烯(HFP)共聚物、PVDF/HFP四氟乙烯(TFE)三元共聚物、氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)、乙烯四氟乙烯共聚物(ETFE))、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、液晶聚合物(LCP)、聚碳酸酯(PC)、聚醯胺(PA)和聚苯硫醚(PPS)。聚合物基質101允許複合配製物100被擠出、成型(例如，注塑成型、壓塑成型、真空成型、或它們的組合)、或它們的組合。

聚合物基質101具有在適合範圍內的結晶度，用於提供對於良好可加工性和對於輔助形成導電填料網絡以實現所需的高導電率來說理想的物理性質。取決於具體的聚合物材料，聚合物的結晶度是至少15％。如在本文中所使用的，術語「結晶度」是指分子的與無規取向和/或結構相對的有序取向和/或結構。分子的有序結構還包括其中分子以三維晶格存在但是不具有旋轉秩序的晶體中間相，如在LCP的情況下。對於除LCP外的聚合物來說，聚合物的最佳結晶度應當是複合配製物中導電填料和其他添加劑的總濃度的平衡(balance)或小於所述平衡。

複合配製物100包含任何其他對於可加工性來說適合的成分。在一個實施方案中，加工助劑以例如按體積計5％至12％之間的濃度在聚合物基質101內共混。優選的是，以複合配製物的體積計，存在至少5％、優選至少6％、尤其是至少7％的加工助劑。增塑劑的選擇確保增塑劑與聚合物基質和從商業供應商接收的金屬粒子的任何表面處理的相容性。在一個實施方案中，加工助劑是癸二酸二辛酯(DOS)。在另一個實施方案中，加工助劑是聚酯增塑劑。在加入至聚合物基質之前，將加工助劑翻滾共混至金屬粒子上。這樣的處理的得到的優點包括：金屬粒子在聚合物基質中的均勻分散，複合配製物的熔體粘度的明顯降低，和複合配製物的導電率的提高。在一個實施方案中，包含被DOS處理過的金屬粒子和PVDF基質的複合配製物的粘度低於純淨PVDF基質的粘度。

能夠在聚合物基質101內共混的其他適合成分包括但不限於：潤滑劑(例如，硬脂酸、或油酸)、交聯劑、抗氧化劑、金屬鈍化劑、偶聯劑、固化劑(例如，用於化學固化和/或用於輻射固化)、潤溼劑、阻燃劑、顏料或染料、或它們的組合。

參照圖5-6，複合配製物100中的被加工助劑處理過的金屬粒子103包含第一粒子501和第二粒子503。在一個實施方案中，按體積計，第一粒子501佔被加工助劑處理過的金屬粒子103的濃度高於第二粒子503的濃度。對於複合配製物中的第一粒子501來說適合的濃度在15％-30％的範圍內。對於複合配製物中的第二粒子503來說適合的濃度在10％-20％的範圍內。在一個實施方案中，第一粒子501的長徑比與第二粒子503的長徑比相比至少為兩倍大。在一個實施方案中，選擇第一粒子501和第二粒子503的長徑比以降低逾滲閾值，從而產生降低的逾滲閾值。如在本文中所使用的，短語「降低的逾滲閾值」指的是與沒有包含第一粒子501和第二粒子503的相似組合物相比的。在一個實施方案中，例如，在複合配製物中的被加工助劑處理過的金屬粒子103的濃度為按體積計20％至30％之間的情況下，逾滲閾值在20％至30％之間。

參照圖5-6，根據本發明的金屬粒子的長徑比的定義是：對於薄片來說是扁平表面的最大尺寸與最小尺寸的比率，對於枝晶來說是長度與初生(primary)枝晶寬度的比率，對於纖維來說是長度與直徑的比率，對於類球體來說是基於限定類球體的兩個凹表面之間的最大和最短距離確定的最大尺寸與最小尺寸的比率。

被加工助劑處理過的金屬粒子103包含兩種以上類型的金屬，其中之一是銅或銅合金。在一個實施方案中，被加工助劑處理過的金屬粒子103還包含錫、鋁、不鏽鋼、銀、鎳、包含這樣的材料的金屬合金、或它們的組合。

第一粒子501和第二粒子503尺寸不同。第一粒子501的適合的最大尺寸是小於400μm。第二粒子503的適合的最大尺寸是小於100μm。

第一粒子501和第二粒子503形態不同。被加工助劑處理過的金屬粒子103的適合的形態包括但不限於：枝晶、類球體粒子、薄片、纖維、或它們的組合。在一個實施方案中，第一粒子501包括枝晶、薄片、纖維、或它們的組合。在一個實施方案中，第二粒子503包括類球體、薄片、枝晶、或它們的組合的形態。在一個實施方案中，被加工助劑處理過的金屬粒子103包括兩種形態(因此是二元的)、三種形態(因此是三元的)、或四種形態(因此是四元的)。

在一個實施方案中，金屬粒子103的選擇允許產生獨特的性能。例如，如在圖6中所示，在一個實施方案中，金屬粒子503在表面上被提供有潤滑劑塗層，或者可以被在表面上的潤滑劑塗層處理，具有低於金屬粒子501的振實密度的振實密度，並且可以位於複合產品102的表面605的近側。潤滑劑形成了屏障，其增加了耐氧化性，並且作為結果，如在85℃的乾燥空氣中測試的，複合配製物可以在21天以上的時間段內維持高導電性。相比之下，不具有這樣的潤滑劑處理的金屬粒子503的複合配製物在數小時內喪失導電性。

在複合配製物中按體積計30％的被加工助劑處理過的金屬粒子的情況下，複合配製物100提供在23℃下小於0.004歐姆·cm的體電阻率和根據ASTM B539-02在200克的力下測量的小於500毫歐姆的接觸電阻，以及適用於擠出或成型的可加工性。基於這樣的導電性和可加工性，複合配製物100能夠用於複合產品102，例如EMI屏蔽器201(參見圖2)、電連接器301(參見圖3)如集成連接器、天線401(參見圖4)、或其他適合的電子器件。

實施例

在第一實施例中，聚合物基質是具有30％-35％的結晶度的PVDF和HFP的共聚物，金屬粒子包括在加入至聚合物基質之前用DOS處理的銅枝晶和銅薄片。銅枝晶的長徑比在5∶1至10∶1之間，並且Cu薄片的長徑比在2∶1至5∶1之間。銅枝晶的尺寸是12-50μm並且銅薄片的尺寸是40-140μm。在複合配製物中的銅枝晶的濃度是按體積計15％-20％並且銅薄片的濃度是按體積計10％-15％。在複合配製物中的DOS的濃度是按體積計5-12％。這樣的複合配製物的電阻率是在23℃下0.003歐姆.cm以下。這樣的複合配製物的接觸電阻是500mΩ以下，其根據ASTM B539-02在200克的力下測量。

在第二實施例中，聚合物基質是具有30％-35％的結晶度的PVDF和HFP的共聚物，金屬粒子包括在加入至聚合物基質之前用DOS處理的銅枝晶和銅薄片。銅枝晶的長徑比在5∶1至10∶1之間，並且Cu薄片的長徑比在2∶1至5∶1之間。銅枝晶的尺寸是12-50μm並且銅薄片的尺寸是40-140μm。在複合配製物中的銅枝晶的濃度是按體積計22％-26％並且銅薄片的濃度是15％-20％。在複合配製物中的DOS的濃度是5-12％。這樣的複合配製物的電阻率是在23℃下0.001歐姆.cm以下。這樣的複合配製物的接觸電阻是150mΩ以下，其根據ASTM B539-02在200克的力下測量。

在第三實施例中，聚合物基質是LCP，金屬粒子包括在加入至聚合物基質之前用DOS處理的銅枝晶和銅薄片。銅枝晶的長徑比在5∶1至10∶1之間，並且Cu薄片的長徑比在2∶1至5∶1之間。銅枝晶的尺寸是12-50μm並且銅薄片的尺寸是40-140μm。在複合配製物中的銅枝晶的濃度是按體積計22％-26％並且銅薄片的濃度是14％-18％。在複合配製物中的DOS的濃度是5-12％。這樣的複合配製物的電阻率是在23℃下0.0005歐姆.cm以下。這樣的複合配製物的接觸電阻是500毫歐姆以下，其根據ASTM B539-02在200克的力下測量。

在第四實施例中，聚合物基質是LCP，金屬粒子包括在加入至聚合物基質之前用DOS處理的銅枝晶和銅薄片。銅枝晶的長徑比在5∶1至10∶1之間，並且Cu薄片的長徑比在2∶1至5∶1之間。銅枝晶的尺寸是12-50μm並且銅薄片的尺寸是40-140μm。在複合配製物中的銅枝晶的濃度是按體積計25％-30％並且銅薄片的濃度是16％-20％。在複合配製物中的DOS的濃度是5-12％。這樣的複合配製物的電阻率是在23℃下0.0002歐姆.cm以下。這樣的複合配製物的接觸電阻是200毫歐姆以下，其根據ASTM B539-02在200克的力下測量。

儘管已經參照一個或多個實施方案描述了本發明，本領域技術人員應理解的是，可以作出各種改變並且多種等同物可以代替其多種要素而不背離本發明範圍。另外，可以做出許多修改以使特定的情況或材料適應本發明的教導而不背離其基本範圍。因此，預期的是，本發明不限於作為預期用於實施本發明的最佳模式而公開的具體實施方案，而是本發明將會包括落在所附權利要求的範圍內的全部實施方案。另外，應當如同明確地確定了精確值和近似值二者一樣來解釋在詳細描述中確定的全部數值。