CN106752878A

CN106752878A - 一种石墨烯低压发热涂料及其制备方法

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Publication number: CN106752878A
Application number: CN201710045389.5A
Authority: CN
Inventors: 李洪锋; 李贺
Original assignee: Suzhou Carbon Rich Graphene Technology Co Ltd
Current assignee: Suzhou Carbon Rich Graphene Technology Co Ltd
Priority date: 2017-01-20
Filing date: 2017-01-20
Publication date: 2017-05-31

Abstract

本发明公开了一种石墨烯低压发热涂料，包括以下重量份数的各组分：石墨烯碳纳米管浆料：55～75份；丙烯酸改性聚氨酯树脂乳液：18～25份；水：8～12份；二丙二醇二甲醚：0.1～2份；消泡剂：0.1～0.3份；流平剂：0.1～0.3份。本发明的石墨烯低压发热涂料为水性涂料，无毒，环保，废弃物方便处理；成膜效果好，发热均匀，长时间使用涂层不老化、脱皮，该涂料仅需普通充电宝为提供7.4V或5.0V的电压，甚至可以使用手机提供3.7V电压，为室外供暖穿戴设备提供技术可行性，可制作为地暖，发热壁画，低电压的安全性更高，且发热稳定性持续性比较好，热转化率高、使用更持久。

Description

一种石墨烯低压发热涂料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种纳米功能性涂料，具体为一种石墨烯低压发热涂料及其制备方法。

背景技术

电热涂料按照是否添加导电材料分为添加型与非添加型两大类。添加型电热涂料的基料不具有导电能力，必须要掺加导电填料或导电助剂。而非添加型电热涂料的基料自身能够导电，不需要再添加其他导电材料。按粘结剂的种类可分为：无机系电热涂料和有机系电热涂料两类。无机系电热涂料属添加型电热涂料，主要采用贵重金属颗粒填料、金属氧化物填料、炭黑粉、石墨粉、炭纤维和无机盐类材料等作为导电填料，以碱金属硅酸盐作为粘结剂配制而成。有机系电热涂料需要添加一种或一种以上的有机粘结剂才具有导电性。

日本的昭和电工等涂料公司相关研究者研制成的电热涂料，主要是由硅酸盐和有机高分子聚合物作粘结剂，加入炭黑、石墨、金属系或金属氧化物材料制成电热涂料，也称电发热漆。其原理是利用导电涂层的导电性能，将电能转化为热能，但其缺点是涂层发热温度不高、易脱落，粘结剂耐热性不强、局部点易烧焦、导电填料易氧化和涂层脱离结构常出现裂纹，导致涂层在使用过程中存在变质问题。目前由于技术的提升，市场比较常见的几乎都是在成膜基料中加入处理后的超导金属粉末，导电性得到提高，但热转化效率比较低，且长时间还是会出现填料氧化。另外也有用聚苯胺、乙炔炭黑、碳纤维粉做为填料，经过告诉分散于成膜基料中，供电电压有一定的局限性，在24V以下发热效果不是很可观，实用的局限性比较小。还有一种方法是用无电解电镀法在片状云母上镀Ni-P合金而成的导电性粉末，以其为发热原料的面状发热体。将这种原料分散在聚氨酯类树脂中所得的面状发热体，膜厚为100μm，用较低的电压就能获得高发热率，但由于电镀工艺复杂，长时间会出现部分氧化、基底和涂层之间出现膨胀收缩不均匀而处在研发阶段，实用性不强。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有的低压发热涂料长时间使用后涂层氧化，发热温度不均匀的缺陷，提供一种石墨烯低压发热涂料及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

一种石墨烯低压发热涂料，包括以下重量份数的各组分：

石墨烯碳纳米管浆料：55～75份；

丙烯酸改性聚氨酯树脂乳液：18～25份；

水：8～12份；

二丙二醇二甲醚：0.1～2份；

消泡剂：0.1～0.3份；

流平剂：0.1～0.3份。

进一步的，根据具体施工温度，该石墨烯低压发热涂料的配方中还包括丙二醇：0.1～3份。

优选的，一种石墨烯低压发热涂料，包括以下重量份数的各组分：

石墨烯碳纳米管浆料：65份；

丙烯酸改性聚氨酯树脂乳液：21份；

水：10份；

二丙二醇二甲醚：1份；

消泡剂：0.2份；

流平剂：0.1份；

丙二醇：2份。

进一步的，所述的石墨烯碳纳米管浆料，包括以重量百分比计的分散剂PVP 0.2％～0.5％，石墨烯1.5％～2.5％，碳纳米管2.5％～4.5％，其余为溶剂水。

一种石墨烯低压发热涂料的制备方法，包括以下步骤：

1)、将石墨烯碳纳米管加入到纳米研磨机中研磨24h，碾磨至细度＜30um；

2)、缓慢加入丙烯酸改性聚氨酯树脂乳液或丙烯酸改性聚氨酯树脂乳液，充分搅拌2.5h以上，直至充分混合；根据温度情况，加入丙二醇作为防冻剂，冬天加，夏天不加；

3)、缓慢加入消泡剂和二丙二醇二甲醚；

4)、静置至无泡；

5)、加入流平剂，缓慢搅拌1.5h；

6)、静置，质检。

优选的，石墨烯碳纳米管浆料的制备方法为把分散剂PVP溶于水中，分次加入石墨烯和碳纳米，搅拌、分散，直至加完。

本发明选择丙烯酸改性聚氨酯树脂乳液的理论依据：丙烯酸改性聚氨酯树脂是由丙烯酸酯类和甲基丙烯酸酯类及其它烯属单体共聚制成的树脂；丙烯酸改性聚氨具有优良的拉伸强度和断裂伸长率,具有优异的水解稳定性，聚合物溶液通过溶剂挥发、固化、形成致密的高分子膜。

本发明选择二丙二醇二甲醚的理论依据：二丙二醇二甲醚是一种多用途环保型溶剂，有微弱的醚类气味，适当的挥发速度，化学上优异的稳定性，极优异的溶解性能，对人体有较高的安全性。

本发明选择丙二醇的理论依据：丙二醇有着冰点低、能与水任意比例混合的特性，其和水混合后可以大大降低涂料整体的冰点，增强了涂料的抗冻性能，所以常常在涂料中作为防冻剂使用，可以使得涂料在0度时不至于结冰。丙二醇因为与水与其他溶剂的相容性好，沸点高，在水性涂料体系里面容易达到平衡，还可以提供涂料的流动性以及使得涂料慢干。

本发明选择碳纳米管的理论依据：碳纳米管具有良好的传热性能，CNTs具有非常大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换性能很高，相对的其垂直方向的热交换性能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成高各向异性的热传导材料。另外，碳纳米管有着较高的热导率，只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管，该复合材料的热导率将会可能得到很大的改善，这为本发明低温发热涂料提供了理论支持。

本发明选择石墨烯的理论依据：石墨烯由单层碳原子组成，具有蜂窝状二维晶体结构，是目前世界上已知的最薄材料。石墨烯具有较高的比表面积(2600m2/g)，突出的导热性能(3500W/m·K)和极限强度(1100GPa)、室温下具备高速的电子迁移率(15000cm²·V-1·K-1)，在纳米仪器、复合材料、储氢材料等领域得到广泛研究与应用。石墨烯电子迁移率可达到2×10⁵cm²/V·s，约为硅中电子迁移率的140倍，砷化镓的20倍，温度稳定性高，电导率可达108Ω/m，面电阻约为31Ω/sq(310Ω/m²)，比铜或银更低，是室温下导电最好的材料。其次，比表面积大(2630m²/g)，热导率(室温下是5000W·m-1·K-1)是硅的36倍，砷化镓的20倍，是铜(室温下401W·m·K)的十倍多，而且其抗拉强度和弹性模量分别为125GPa和1.1TPa，杨氏模量约为42N/m2，面积为1m²的石墨烯层片可承受4kg的质量，因此，加入石墨烯使涂层导电率得到很大提高，而且石墨烯在涂层中会形成一层致密的薄膜，增强涂层表面的硬度和耐划伤性能。

本发明的石墨烯低压发热涂料为水性涂料，无毒，环保，废弃物方便处理；成膜效果好，发热均匀，长时间使用涂层不老化、脱皮，该涂料仅需普通充电宝为提供7.4V或5.0V的电压，甚至可以使用手机提供3.7V电压，为室外供暖穿戴设备提供技术可行性，可制作为地暖，发热壁画，低电压的安全性更高，且发热稳定性持续性比较好，热转化率高、使用更持久。

具体实施方式

以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种石墨烯低压发热涂料，包括以下重量份数的各组分：

石墨烯碳纳米管浆料：55份；

丙烯酸改性聚氨酯树脂乳液：18份；

水：8份；

二丙二醇二甲醚：0.1份；

消泡剂：0.1份；

流平剂：0.1份；

丙二醇：0.1份。

一种石墨烯低压发热涂料的制备方法，包括以下步骤：

2)、缓慢加入丙烯酸改性聚氨酯树脂乳液，充分搅拌2.5h以上，直至充分混合；

3)、缓慢加入消泡剂和二丙二醇二甲醚；

4)、静置至无泡；

5)、加入流平剂，缓慢搅拌1.5h；

6)、静置，质检。

实施例2

一种石墨烯低压发热涂料，包括以下重量份数的各组分：

石墨烯碳纳米管浆料：75份；

丙烯酸改性聚氨酯树脂乳液：25份；

水：12份；

二丙二醇二甲醚：2份；

消泡剂：0.3份；

流平剂：0.3份。

丙二醇：0.1份；

所述的石墨烯碳纳米管浆料，包括以重量百分比计的分散剂PVP 0.2％，

石墨烯1.5％，碳纳米管4.5％，其余为溶剂水。

一种石墨烯低压发热涂料的制备方法，包括以下步骤：

1)、石墨烯碳纳米管的制备方法为把分散剂PVP溶于水中，分次加入石墨烯和碳纳米，搅拌、分散，直至加完；将石墨烯碳纳米管浆料加入到纳米研磨机中研磨24h，碾磨至细度＜30um；

2)、缓慢加入丙烯酸改性聚氨酯树脂乳液与丙二醇的混合物，充分搅拌2.5h以上，直至充分混合；

3)、缓慢加入消泡剂和二丙二醇二甲醚；

4)、静置至无泡；

5)、加入流平剂，缓慢搅拌1.5h；

6)、静置，质检。

实施例3

一种石墨烯低压发热涂料，包括以下重量份数的各组分：

石墨烯碳纳米管浆料：65份；

丙烯酸改性聚氨酯树脂乳液：21份；

水：10份；

二丙二醇二甲醚：1份；

消泡剂：0.2份；

流平剂：0.1份；

丙二醇：2份；

所述的石墨烯碳纳米管浆料，包括以重量百分比计的分散剂PVP 0.5％，

石墨烯2.5％，碳纳米管2.5％，其余为溶剂水。

本实施例的石墨烯低压发热涂料的制备方法同实施例2。

将上述制备得到的实施例1-3低压发热涂料以及市售现有的发热涂料(对比例)应用于石英石，然后进行性能测试。

测试条件为：涂抹厚度15μm；电压:5V；发热面积40cm×60cm；初始室温：5℃；测试时间：120分钟；断电时间：45min时；

结果见表1：

表1：室温5℃及电压5V下的发热效果测试：

由表1可以看出，本发明的实施例1～3在5min时已经迅速发热，在15min、30min时均远远超出对比例，证明其能够使用低电压进行快速发热，热转化效率高，转化速度快；

在45min时断电，但是在60min、120min时仍旧保持较高的温度，证明发热稳定性持续性比较好。

另外，从表1可以看出，本发明的涂料，其粘稠度、成膜性能及附着力均表现优异。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种石墨烯低压发热涂料，其特征在于，包括以下重量份数的各组分：

石墨烯碳纳米管浆料：55～75份；

丙烯酸改性聚氨酯树脂乳液：18～25份；

水：8～12份；

二丙二醇二甲醚：0.1～2份；

消泡剂：0.1～0.3份；

流平剂：0.1～0.3份。

2.如权利要求1所述的石墨烯低压发热涂料，其特征在于，还包括丙二醇0.1～3重量份。

3.如权利要求2所述的石墨烯低压发热涂料，其特征在于，包括以下重量份数的各组分：

石墨烯碳纳米管浆料：65份；

丙烯酸改性聚氨酯树脂乳液：21份；

水：10份；

二丙二醇二甲醚：1份；

消泡剂：0.2份；

流平剂：0.1份；

丙二醇：2份。

4.如权利要求1所述的石墨烯低压发热涂料，其特征在于，所述的石墨烯碳纳米管浆料，包括以重量百分比计的分散剂PVP 0.2％～0.5％，石墨烯1.5％～2.5％，碳纳米管2.5％～4.5％，其余为溶剂水。

5.一种如权利要求1或2所述的石墨烯低压发热涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2)、缓慢加入丙烯酸改性聚氨酯树脂乳液或丙烯酸改性聚氨酯树脂乳液，充分搅拌2.5h以上，直至充分混合；

3)、缓慢加入消泡剂和二丙二醇二甲醚；

4)、静置至无泡；

5)、加入流平剂，缓慢搅拌1.5h；

6)、静置，质检。

6.如权利要求5所述的石墨烯低压发热涂料的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中石墨烯碳纳米管浆料的制备方法为把分散剂PVP溶于水中，分次加入石墨烯和碳纳米，搅拌、分散，直至加完。