CN107880758A - 一种低电压驱动石墨烯加温材料的制备及其应用 - Google Patents

Abstract

一种石墨烯涂料，包括：5％‑30％的水性树脂，50‑70％的石墨烯分散液，10‑30％的导电碳系分散液。优选还包括，0.2‑1％的润湿分散剂，0.1‑0.5％的消泡剂，0.2‑1.0％的流平剂，0.1‑1.0％的增稠剂，0.5‑2％的溶剂以及0‑6％的去离子水，优选各组分之和为100％。本发明的石墨烯加温涂料是一种绿色环保的水性涂料，相比于现在市售的油性体系对环境更友好。在涂覆和使用过程中对生产人员无害且环境友好，无污染。施工中产生的废水少且易处理。同时适用于小型成产及工业化大生产。石墨烯涂料的适用性广，可适用于大多数的高分子薄膜和化纤长丝，使普通高分子材料具有导电的性能。由于各组份材料的精确选择，涂料中的石墨烯和碳系导电材料作为功能粒子能够充分附着在高分子表面形成导电层、制备的石墨烯导电加温材料仅需接通36V的安全电压即可快速、高效和均匀的产生热量。利用现有的涂覆技术制备的导电材料电阻值稳定。

Description

一种低电压驱动石墨烯加温材料的制备及其应用

技术领域

本发明涉及本发明属于导电涂料领域，具体地，本发明涉及一种石墨烯导电涂料及其制备方法，以及该石墨烯导电涂料在电磁屏蔽、电子线路、电加热等领域的应用。

背景技术

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，所以又叫做单原子层石墨。英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。由于其十分良好的强度、柔韧、导电、导热、光学特性，在物理学、材料学、电子信息、计算机、航空航天等领域都得到了长足的发展。

石墨烯加温涂料是一类水性纳米涂料，在水溶液中与分散剂相互作用可呈均一分散状态，是一种用于高分子薄膜和合成纤维上的功能性涂料，直接涂覆在高分子薄膜和合成纤维表面,形成一层导电膜，具有导电、发热、辐射红外线的功能。该涂料可以均匀的涂覆于高分子材料表面，以氢键和范德华力相结合的形式覆盖于材料表面，结合力好，导电层不易脱落。

通常标准状态下(20℃,65％RH)电阻率小于10⁷Ω·cm的高分子复合材料即可成为导电材料，根据导电成分可分为：金属系，碳系，金属化合物系和有机高分子系。碳系导电成分一般包括：炭黑、石墨、碳纤维、碳纳米管和石墨烯。从结构上来讲又可分为导电成分包覆型,均一分布型和复合型。

炭黑系导电复合材料是发明较早的一种导电复合材料20世纪60年代末期,日本帝人公司、德国BASF公司等率先开发了表面涂敷碳黑的有机导电材料。但因炭黑粒子颗粒大均匀性差，中高电阻不稳定。使用石墨烯作为替代品，可以很好的解决这些问题并且推动碳系列导电高分子材料的发展。

现有利用无机导电纳米粒子制备导电高分子材料的方法主要有两类，第一类是导电粒子与聚合物共混法，制备高分子复合导电母粒，由母粒形成导电高分子膜或导电纤维。第二类为无化学反应导电粒子与高分子材料结合型，利用涂覆技术将导电粒子(碳纳米管，纳米石墨粉，石墨烯)涂覆在高分子表面上达到导电的目的。

通过导电粒子与聚合物共混法，制备的高分子复合导电材料，随着功能导电填料含量的增高，复合材料力学性急剧降低，制备的功能复合材料因力学性能差无法实际应用，存在输入电压高，中高电阻不稳定，产品发热均匀性差有局部过热的现象出现，不利于产品的安全应用。

采用本方法制备的石墨烯加热材料，所需输入电压低(36伏安全电压)，电热转换效率高，升温速度快(30秒即可达到设定温度)，发热均匀度好，可实现精准控温等特点，克服了传统制备方法制备的高分子发热材料性能上的缺点，能够保证使用过程中的安全性，拓宽了高分子导电材料的应用领域。

发明内容

为了克服上述现有激发方式的不足，本发明提供了一种石墨烯加温材料，主要功能成分为石墨烯。

本发明提供一种石墨烯涂料，包括：5％-30％的水性树脂，50-70％的石墨烯分散液，10-30％的导电碳系分散液。优选还包括，0.2-1％的润湿分散剂，0.1-0.5％的消泡剂，0.2-1.0％的流平剂，0.1-1.0％的增稠剂，0.5-2％的溶剂以及0-6％的去离子水，优选各组分之和为100％。

本发明还提供一种石墨烯涂料的制备方法，包括：在搅拌状态下，在石墨烯分散液和导电炭系分散液中加入水性树脂，并充分搅拌均匀；其中，各组分的含量为：5％-30％的水性树脂，50-70％的石墨烯分散液，10-30％的导电碳系分散液，0.5-2％的润湿分散剂。优选组分中还包括，0.1-1.0％的消泡剂，0.2-1.0％的流平剂，0.1-1.0％的增稠剂以及0.5-2％的溶剂，优选各组分之和为100％。

优选为，所述石墨烯分散液中固体份含量质量分数为1％-10％，优选为5％。所述石墨烯分散液为水性分散浆料，石墨烯平均层数为1-10层。所述导电碳系分散液为导电炭黑、碳纳米管和石墨的一种或多种的混合物。所述导电碳系分散液为导电炭黑、碳纳米管和石墨的一种或多种的混合物。所述导电碳系分散液中固体份含量质量分数为10％-30％。

优选为，所述石墨烯分散液质量分数为55％，水性树脂质量分数为20％，所述导电碳系分散液质量分数为20％，润湿分散剂为0.2％，消泡剂为0.2％，流平剂为0.4％，增稠剂为0.5％，溶剂为1.5％，去离子水为2.2％；其中，所述石墨烯分散液为固含量为5％的水性分散液，导电碳系分散液为固含量为20％的分散液。

优选为，所述水性树脂为聚氨酯树脂、丙烯酸树脂、氟碳树脂、聚酯树脂和聚醚树脂的一种或多种的混合物。所述导电碳系分散液为导电炭黑、碳纳米管和石墨的一种或多种的混合物。所述溶剂为水或有机溶剂，所述有机溶剂选自乙二醇丁醚，二乙二醇丁醚，丙二醇甲醚或乙二醇苯醚的一种或多种的组合。所述搅拌转速不超过600RPM，优选为500RPM下搅拌1H。

本发明还涉及一种石墨烯涂料的制备方法，包括：在搅拌状态下，在石墨烯分散液和导电炭系分散液中加入水性树脂、润湿分散剂、消泡剂、流平剂、增稠剂和溶剂充分搅拌均匀；其中，各组分的含量为：5％-30％的水性树脂，50-70％的石墨烯分散液，10-30％的导电碳系分散液，0.2-1％的润湿分散剂，0.1-0.5％的消泡剂，0.2-1.0％的流平剂，0.1-1.0％的增稠剂，0.5-2％的溶剂以及0-6％去离子水各组分之和为100％。

与现有技术相比，本发明的石墨烯加温涂料是一种绿色环保的水性涂料，相比于现在市售的油性体系对环境更友好。在涂覆和使用过程中对生产人员无害且环境友好，无污染。施工中产生的废水少且易处理。同时适用于小型成产及工业化大生产。石墨烯涂料的适用性广，可适用于大多数的高分子薄膜和化纤长丝，使普通高分子材料具有导电的性能。由于各组份材料的精确选择，涂料中的石墨烯和碳系导电材料作为功能粒子能够充分附着在高分子表面形成导电层、制备的石墨烯导电加温材料仅需接通36V的安全电压即可快速、高效和均匀的产生热量。利用现有的涂覆技术制备的导电材料电阻值稳定。

本发明提供了一种低电压驱动、操作简易、安全环保的石墨烯加温高分子材料的制备方法，并且产品加温速度快、稳定性高且成本低廉。解决传统加温材料升温速度慢，通电电压高(220V)，安全性差和热转化效率低的问题。

附图说明

图1为本发明方法制备的石墨烯涂料。

图2为本发明方法制备的石墨烯涂料涂覆形成的石墨烯纤维示意图。

图3为本发明方法制备的石墨烯涂料涂覆形成的石墨烯纤维编织而成的石墨烯织物示意图。

图4为本发明方法制备的石墨烯涂料涂覆形成的石墨烯导电膜。

具体实施方式

为制备以石墨烯为主要功能成分的石墨烯涂料，具体包括以下步骤：

步骤一：准备材料。按以下组分含量分别称取各以下材料，5％-30％的水性树脂，50-70％的石墨烯分散液，10-30％的导电碳系分散液，0.2-1％的润湿分散剂，0.1-0.5％的消泡剂，0.2-1.0％的流平剂，0.1-1.0％的增稠剂，0.5-2％的溶剂以及0-6％的去离子水，各组分之和为100％。

其中，所述石墨烯分散液为水性分散浆料，石墨烯平均层数为1-10层。所述石墨烯浆料固体份含量质量分数为1％-10％。所述导电碳系分散液为导电炭黑、碳纳米管和石墨的一种或多种的混合物。所述导电碳系分散液浆料固体份含量质量分数为10％-30％。石墨烯分散液优选固含量为5％的水性分散液，所述石墨烯分散液质量分数优选为55％，水性树脂质量分数优选为20％，导电碳系分散液优选固体份含量为20％的分散液，所述导电碳系分散液质量分数优选为20％，润湿分散剂优选为0.2％，消泡剂优选为0.2％，流平剂优选为0.4％，增稠剂优选为0.5％，溶剂优选为1.5％，去离子水2.2％。

所述水性树脂优选为聚氨酯树脂、丙烯酸树脂、氟碳树脂、聚酯树脂和聚醚树脂的一种或多种的混合物。其中包括1)同种类树脂，不同型号树脂的混合配用；2)不同种类树脂的混合配用。

所述导电碳系分散液优选为导电炭黑、碳纳米管和石墨的一种或多种的混合物，浆料固体份含量质量分数为10％-30％。

所述润湿分散剂优选为非离子性有机高分子表面活性剂。

所述的流平剂优选为丙烯酸类、有机硅类和氟碳化合物类中的一种或多种的混合物。

所述消泡剂优选为有机硅类消泡剂、矿物油类消泡剂和聚醚类消泡剂中的一种或多种的混合物。

所述溶剂可分为水或有机溶剂，有机溶剂为乙二醇丁醚，二乙二醇丁醚，丙二醇甲醚或乙二醇苯醚的一种或几种组合。

步骤二：在搅拌状态下，在石墨烯分散液和导电炭系分散液中缓慢加入水性树脂搅拌时间优选为20分钟，再依次加入润湿分散剂、消泡剂、流平剂、增稠剂、溶剂和水后充分搅拌且搅拌时间不低于30分钟，待涂料呈均匀无分层状，停止搅拌，搅拌转速不宜超过600RPM。

此外，也可通过涂覆工艺将此石墨烯涂料涂覆至高分子基材以形成高分子导电材料，所述高分子基材为化学纤维或高分子薄膜，形成的所述高分子导电材料为石墨烯导电纤维或石墨烯导电膜。本发明方法制备的石墨烯涂料形成的导电层内的石墨烯均匀分布且连续紧密，涂覆形成的如图2所示的石墨烯导电纤维均匀性好，导电性好。所述石墨烯导电纤维可编织成如图3所示的织物，作为柔性屏蔽材料和/或加热材料，应用于衣服、被褥等的电磁屏蔽和/或加热材料，也可以应用于。本发明方法制备的石墨烯涂料形成的如图4所示的石墨烯高分子导电膜，同样可以作为柔性屏蔽材料和/或加热材料，应用于衣服、被褥等的电磁屏蔽和/或加热材料。

实施例1：

称取600g固体份含量为5％的石墨烯分散液(平均层数：1-10)于容器中，使用IKA欧洲之星4cm四叶搅拌棒，200RPM下搅拌10min。浆料均匀后缓慢依次加入100g固体份含量为20％的导电炭黑分散液，2g EFKA-4560分散剂，100g帝斯曼NeoRez R-605水性聚氨酯树脂和170g WaterBased WBD-987型水性聚氨酯增韧树脂，1g Foamaster111型消泡剂，2gBYK410流平剂，2g罗门哈斯ASE-60增稠剂，15g乙二醇丁醚和8g去离子水转速增加至500RPM下搅拌1H，制成石墨烯涂料。

实施例2：

称取520g固体份含量5％的石墨烯分散液(平均层数：1-10)于容器中，使用IKA欧洲之星4cm四叶搅拌棒，200RPM下搅拌10min。浆料均匀后缓慢依次加入210g固体份含量为20％的导电炭黑分散液，3g EFKA-4560分散剂，220g帝斯曼NeoRez R-605水性聚氨酯树脂，2g Foamaster111型消泡剂，5g BYK410流平剂,5g罗门哈斯ASE-60增稠剂，10g乙二醇丁醚和25g去离子水转速增加至500RPM下搅拌1H，制成石墨烯涂料。

实施例3：

称取420g固体份含量5％的石墨烯分散液(平均层数：1-10)于容器中，使用IKA欧洲之星4cm四叶搅拌棒，200RPM下搅拌10min。浆料均匀后缓慢依次加入300g固体份含量为20％的导电炭黑分散液，2g EFKA-4560分散剂，200g帝斯曼NeoRez R-605水性聚氨酯树脂，3g Foamaster111型消泡剂，4g BYK410流平剂,5g罗门哈斯ASE-60增稠剂，20g乙二醇丁醚，46g去离子水转速增加至500RPM下搅拌1H，制成石墨烯涂料。

上面所述的只是用于说明本发明一种石墨烯导电涂料的一些实施方式，由于对相同技术领域的普通技术人员来说很容易在此基础上进行若干修改和改动，因此本说明书并非是要将本发明一种机械式震源局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。

Claims (14)

1.一种石墨烯涂料，包括：5％-30％的水性树脂，50-70％的石墨烯分散液，10-30％的导电碳系分散液。

2.一种石墨烯涂料的制备方法，包括：在搅拌状态下，在石墨烯分散液和导电炭系分散液中加入水性树脂，并充分搅拌均匀；

其中，各组分的含量为：5％-30％的水性树脂，50-70％的石墨烯分散液，10-30％的导电碳系分散液。

3.如权利要求1所述的石墨烯涂料或者权利要求2所述的石墨烯涂料的制备方法，其特征在于：所述石墨烯涂料的组分中进一步包括，0.5-2％的润湿分散剂，0.1-1.0％的消泡剂，0.2-1.0％的流平剂，0.1-1.0％的增稠剂以及0.5-2％的溶剂。

4.如权利要求1-3中任一项所述的石墨烯涂料或者石墨烯涂料的制备方法，其特征在于：所述石墨烯分散液为水性分散浆料，石墨烯平均层数为1-10层。

5.如权利要求1-4中任一项所述的石墨烯涂料或者石墨烯涂料的制备方法，所述导电碳系分散液为导电炭黑、碳纳米管和石墨的一种或多种的混合物。

6.如权利要求1-5中任一项所述的石墨烯涂料或者石墨烯涂料的制备方法，所述导电碳系分散液中固体份含量质量分数为10％-30％。

7.如权利要求1-6中任一项所述的石墨烯涂料或者石墨烯涂料的制备方法，所述石墨烯分散液质量分数为55％，水性树脂质量分数为20％，所述导电碳系分散液质量分数为20％，润湿分散剂为0.2％，消泡剂为0.1％，流平剂为0.2％，增稠剂为0.2％，溶剂为1.5％；其中，所述石墨烯分散液为固含量为5％的水性分散液，导电碳系分散液为固含量为20％的分散液。

8.如权利要求1-7中任一项所述的石墨烯涂料或者石墨烯涂料的制备方法，所述水性树脂为聚氨酯树脂、丙烯酸树脂、氟碳树脂、聚酯树脂和聚醚树脂组成的组的一种或多种的混合物。

9.如权利要求1-8中任一项所述的石墨烯涂料或者石墨烯涂料的制备方法，所述导电碳系分散液为导电炭黑、碳纳米管和石墨组成的组中的一种或多种的混合物。

10.如权利要求1-9中任一项所述的石墨烯涂料或者石墨烯涂料的制备方法，所述润湿分散剂为非离子性有机高分子表面活性剂。

11.如权利要求1-10中任一项所述的石墨烯涂料或者石墨烯涂料的制备方法，所述消泡剂为有机硅类消泡剂、矿物油类消泡剂和聚醚类消泡剂组成的组中的一种或多种的混合物。

12.如权利要求1-11中任一项所述的石墨烯涂料或者石墨烯涂料的制备方法，所述溶剂为水或有机溶剂，所述有机溶剂选自乙二醇丁醚，二乙二醇丁醚，丙二醇甲醚和乙二醇苯醚组成的组中的一种或多种的组合。

13.如权利要求1-12中任一项所述的石墨烯涂料或者石墨烯涂料的制备方法，所述搅拌转速不超过600RPM，优选为500RPM下搅拌1H。

14.如权利要求1-13中任一项所述的石墨烯涂料或者石墨烯涂料的制备方法，所述石墨烯分散液中固体份含量质量分数为1％-10％，优选为5％。