CN108441066A - 一种阻燃高温型石墨烯电热涂料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种阻燃高温型石墨烯电热涂料，包括按质量百分比计的如下组分：5～20％石墨烯滤饼，40～60％树脂混合物，20～50％助剂和0.5～2％pH调节剂；所述石墨烯滤饼包括石墨烯微片、高导炭黑、疏水改性的高分子盐分散剂和去离子水，所述树脂混合物包括含氮阻燃耐温型环氧树脂和含磷阻燃型固化剂。该石墨烯电热涂料中以含氮阻燃耐温型环氧树脂和含磷阻燃型固化剂作为涂料的基础树脂体系，以石墨烯滤饼为电热填料，得到的复合型石墨烯电热涂料具有高电热、高附着、高阻燃及耐高温等特性，有效克服了现有石墨烯涂料在涂料主体的电热性能、涂料主体的分散性及粘结性能、附着力、阻燃效果及耐高温特性方面不够理想的问题。
Description
技术领域
本发明属于导静电涂料技术领域，具体涉及一种阻燃高温型石墨烯电热涂料及其制备方法。
背景技术
电热涂料是一种由银、铜、镍、炭黑或其它复合粒子制成的防电磁波干扰油漆，单组份、省工、省时、便捷、附着力好、平整、内聚力强、无疏松粒子，可应用于金属、复合材料为基材的手机、计算器、精密仪器等壳体内壁喷涂材料。干燥固化后漆层性能稳定，喷涂在工件表面细腻平滑和纯银电热漆一样有优良的电热性能、细腻的电热粒子保证了电子元器件的安全性。
电热填料是在电热涂料的基础上开发的一种具有优异电热特性的新型功能涂料，在生产和生活的各个方面都有着广泛的应用前景，如用于建筑取暖、工业烘箱干燥、石油化工管道保温等。电热填料赋予电热涂料电热性能，电热填料主要有金属系、碳系等几类，金属系中金、银、铂电热性能优越，但价格昂贵，仅局限用于军事及航天领域；铜、铝易氧化导致性能下降而限制了其用处；镍粉比重大、易沉底使用不便；碳系填料具有质轻、无毒无害、不易氧化、价格低廉等优点，在国内外电热涂料均应用较多，但碳系电热性能与金属仍具有差距，电阻率较银、铜、镍、铝等金属大，致使碳系电热涂料升温较慢、温度不高而难以广泛应用。
石墨烯是迄今为止发现的最薄的二维材料，是由碳六元环组成的二维周期性结构，在物理、化学等方面具有独特的、优异的性能，例如：优异的电导率、较高的比表面积、较高的抗拉强度、较高的光透过率、较高的稳定性、较高的热导率等。近年来，石墨烯作为新型电热填料的研究在国内外都掀起了研究热潮并取得了令人瞩目的成果；虽然如此，将石墨烯用于电热涂料的研究却报道不多，相关专利更是少见，本发明使用石墨烯微片为电热填料与阻燃耐高温型环氧树脂复合制备出具有优异性能的石墨烯电热涂料。
然而，现有石墨烯涂料在涂料主体的电热性能、涂料主体的分散性及粘结性能、附着力、阻燃效果及耐高温特性方面还有待于进一步改进。
因此，现有技术中需要一种改进的石墨烯涂料，至少克服现有技术中存在的上述一个或多个问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有石墨烯涂料在涂料主体的电热性能、涂料主体的分散性及粘结性能、附着力、阻燃效果及耐高温特性方面不够理想的问题。
为此，本发明实施例提供了一种阻燃高温型石墨烯电热涂料，包括按质量百分比计的如下组分：5～20％石墨烯滤饼，40～60％树脂混合物，20～50％助剂和0.5～2％pH调节剂；所述石墨烯滤饼包括石墨烯微片、高导炭黑、疏水改性的高分子盐分散剂和去离子水，所述树脂混合物包括含氮阻燃耐温型环氧树脂和含磷阻燃型固化剂。
进一步的，所述石墨烯微片中不含金属离子，且其厚度小于2.0nm，层数为2～5层，片径为0.5～2.3μm；所述高导炭黑的粒径为20～80nm。
进一步的，所述石墨烯滤饼的固含量为10～25％，且石墨烯滤饼中石墨烯微片、高导炭黑、疏水改性的高分子盐分散剂和去离子水的质量比为0.1～0.3:0.1～0.5:0.005～0.02:1。
进一步的，所述含氮阻燃耐温型环氧树脂与含磷阻燃型固化剂质量比为2～6:1。
进一步的，所述含氮阻燃耐温型环氧树脂为A1、A2、A3中至少一种，
其中，A1为
A2为
A3为
进一步的，所述含磷阻燃型固化剂为所述含磷阻燃型固化剂为B1或B2；
其中，B1为
B2为
进一步的，所述助剂包括润湿剂、分散剂、消泡剂、流平剂、增稠剂中的至少一种。
另外，本发明还提供了上述阻燃高温型石墨烯电热涂料的制备方法，包括如下步骤：
1)将石墨烯微片、高导炭黑、疏水改性的高分子盐分散剂和去离子水按照设计比例进行混合，并以固定转速在高速均质机下进行分散一段时间后，通过蒸发或抽滤掉一定比例的去离子水，得到粒径≤20μm的石墨烯滤饼；
2)将含氮阻燃耐温型环氧树脂、含磷阻燃型固化剂和助剂按照设计比例混合后进行搅拌，并加入pH调节剂调节pH值至8.5，得到混合树脂初料；
3)将制得的石墨烯滤饼、混合树脂初料以及有机硅偶联剂一起搅拌分散，得到石墨烯电热粗料；
4)将石墨烯电热粗料在三辊研磨机上进行研磨至其粒径≤10μm，得到阻燃高温型石墨烯电热涂料。
进一步的，所述石墨烯微片采用压燃法制得，其过程为采用乙炔和氧气为原料在四冲程往复活塞式内燃机燃烧室内经欠氧压燃反应，再经真空石墨烯收集罐收集。
进一步的，所述步骤4)中阻燃高温型石墨烯电热涂料的粒径≤5μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)本发明提供的这种阻燃高温型石墨烯电热涂料中以含氮阻燃耐温型环氧树脂和含磷阻燃型固化剂作为涂料的基础树脂体系，以石墨烯滤饼为电热填料，得到的复合型石墨烯电热涂料具有高电热、高附着、高阻燃及耐高温等特性，有效克服了现有石墨烯涂料在涂料主体的电热性能、涂料主体的分散性及粘结性能、附着力、阻燃效果及耐高温特性方面不够理想的问题。
(2)本发明提供的这种阻燃高温型石墨烯电热涂料中石墨烯微片以廉价易得的乙炔和氧气为生产原料，采用压燃法制得，一步实现石墨烯的规模化制备，工艺简单，生产成本低，且制得的石墨烯相较于现有的石墨烯微片无任何金属杂质，层数少，超大的片径比，导电导热性能优，易于分散于常规溶剂中(水、乙醇、NMP等)，进一步提高了该复合材料的电热转化率。
(3)本发明提供的阻燃高温型石墨烯电热涂料的制备方法，工艺简单、施工工艺成熟稳定、施工设备熟练易操作，所制得的阻燃高温型石墨烯电热涂料涂层可控，电热性可控、高附着性、高阻燃及耐高温，具有发热均匀、使用寿命长及电热转化效率高等优点，而且所制得的电热涂层可应用于建筑取暖、工业烘箱干燥、石油化工管道保温及风电除冰等领域，有广泛的市场应用前景。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是实施例2中阻燃高温型石墨烯电热涂料的微观形貌图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
本实施例提供了一种阻燃高温型石墨烯电热涂料，其具体制备过程如下：
首先，将20g层数为2～3层，厚2.0nm以下的片径为0.5～2.3μm的片状石墨烯微片，20g粒径20nm的高导炭黑(德固赛型号HIBLACK-40B2)，2g分散剂疏水改性的聚丙烯酸铵盐，2g分散剂SDBS，2g润湿剂Sago-3240和200g的去离子水混合后加入到高速均质分散机中，在15000rpm转速下均质0.5h后，通过旋转蒸发仪蒸发掉一定比例的去离子水或通过布氏漏斗抽滤掉一定比例的去离子水，得到固含量为10％、粒径≤20μm的石墨烯滤饼。
其中，石墨烯微片采用压燃法制得，具体过程如下：
在四冲程往复活塞式内燃机燃烧室内,经重力自由落体活塞对混合气体(氧气和乙炔)压缩,到达压缩比超过10时发生爆燃,根据氧气及乙炔占比不同,压燃反应温度可以在500℃～3200℃之间,压燃爆炸压力在1.2～8.0Mpa之间，乙炔含量2.0％～80.0％(vo1),氧气含量2.0％～50.0％(vo1)，由于压燃反应含物理爆炸及化学爆炸,物理爆炸产生的稳定爆轰波,气体在短时间内辐射性高速胀大(压力急剧变化),爆轰波是爆炸时所产生的气体膨胀速度高于音速所致。氧气和可燃性气体的混合气体的爆炸属于化学爆炸,发生氧化反应，在缺氧条件下压燃,反应产物有碳、氧化碳、二氧化碳和水，而压燃反应新生成的碳微粒,在爆轰波的剪切作用下,碳微粒发生剥离,生成石墨烯微片；压燃后的气体爆燃的压力、压燃燃室的温度可以通过调节安全阀的压力设定调整,压燃爆炸力反弹活塞回到的高度按照20倍气体膨胀空间设置,第二次回落再次启动安全阀开启,由气动拉杆提升重力自由落体活塞,回复到初始状态,同时,第二次的混合气体吸入,形成一次循环,类同四冲程发动机，重复四冲程循环保持石墨烯连续生产运行。而爆燃反应产生的石墨烯微片则通过真空石墨烯收集罐进行收集并迅速冷却，避免石墨烯回叠及团聚,同时设置真空石墨烯收集罐可以避免排气阀积碳现象。采用该压燃法制得的石墨烯微片中不含金属离子，且其厚度小于2.0nm，层数少，片径分布适中(0.5～2.3μm)。
其次，将50g环氧树脂A1、50g环氧树脂A2、20g环氧固化剂B1、1.5g流平剂Sago-3228、1g分散剂Sago-3615、1g消泡剂Sago-1850和150g去离子水混合加入到高速搅拌机中，在1000rpm下搅拌0.5h，同时加入pH调节剂二乙烯三胺，调节pH值为8.5，粘度为100mPa·S，混合后得到混合树脂初料。
然后，取100g上述制得的石墨烯滤饼(固含量10％左右)、100g上述制得的混合树脂初料(固含量40％)和1g有机硅烷偶联剂KH-540混合后加入高速均质机中，在12000rpm下均质1h，混合后得到石墨烯电热粗液。
最后，将石墨烯电热粗液倒入到三辊研磨机进行研磨，通过调节滚筒间隙和利用细度刮板仪来控制涂料的粒径大小，使其粒径≤5μm，得到石墨烯电热涂料的表观粘度为200～400mPa·S。
另外，上述制得的石墨烯电热涂料可通过喷涂、刮涂、浸涂或刷涂的工艺成型到阻燃耐高温的绝缘片、布料或板材上(例如PI膜、玻纤环氧板、玻纤布、碳纤维板或陶瓷片等)，放入烘箱中在120℃+20min烘烤，其中，干膜厚度均为15μm。
实施例2：
本实施例提供了一种阻燃高温型石墨烯电热涂料，其具体制备过程如下：
首先，将10g层数为3～4层，厚2.0nm以下的片径为0.5～2.3μm的片状石墨烯微片，10g粒径50nm的高导炭黑(德固赛型号HIBLACK-40B2)，1.5g分散剂疏水改性的聚丙烯酸铵盐，1g分散剂PVP-60，1g润湿剂BYK-306和150g的去离子水混合后加入到高速均质分散机中，在12000rpm转速下均质1h后，通过旋转蒸发仪蒸发掉一定比例的去离子水或通过布氏漏斗抽滤掉一定比例的去离子水，得到固含量为10％、粒径≤20μm的石墨烯滤饼。其中，石墨烯微片采用压燃法制得，具体过程为同实施例1一致。
其次，将80g环氧树脂A1、80g环氧树脂A3、80g环氧固化剂B2、1.5g流平剂BYK-052、1g分散剂Sago-3615、1g消泡剂BYK-066N和100g去离子水混合加入到高速搅拌机中，在12000rpm下搅拌1h，同时加入pH调节剂三乙醇胺，调节pH值为8.5，粘度为150mPa·S，混合后得到混合树脂初料。
然后，取100g上述制得的石墨烯滤饼(固含量10％)、100g上述制得的混合树脂初料(固含量55％)和2g增韧剂邻苯二甲酸二丁酯混合后加入高速均质机中，在12000rpm下均质1h，混合后得到石墨烯电热粗液。
最后，将石墨烯电热粗液倒入到三辊研磨机进行研磨，通过调节滚筒间隙和利用细度刮板仪来控制涂料的粒径大小，使其粒径≤5μm，得到石墨烯电热涂料的表观粘度为300～400mPa·S；该石墨烯电热涂料的微观形貌如图1所示。
另外，上述制得的石墨烯电热涂料可通过喷涂、刮涂、浸涂或刷涂的工艺成型到阻燃耐高温的绝缘片、布料或板材上(例如PI膜、玻纤环氧板、玻纤布、碳纤维板或陶瓷片等)，放入烘箱中在120℃+20min烘烤，其中，干膜厚度均为15μm。
实施例3：
本实施例提供了一种阻燃高温型石墨烯电热涂料，其具体制备过程如下：
首先，将15g层数为4～5层，厚2.0nm以下的片径为0.5～2.3μm的片状石墨烯微片，15g粒径80nm的高导炭黑(德固赛型号HIBLACK-40B2)，1.5g分散剂疏水改性的聚丙烯酸铵盐，1g分散剂PVP-25，1g润湿剂BYK-333和180g的去离子水混合后加入到高速均质分散机中，在10000rpm转速下均质1h后，通过旋转蒸发仪蒸发掉一定比例的去离子水或通过布氏漏斗抽滤掉一定比例的去离子水，得到固含量为20％、粒径≤20μm的石墨烯滤饼。其中，石墨烯微片采用压燃法制得，具体过程为同实施例1一致。
其次，将60g环氧树脂A2、60g环氧树脂A3、20g环氧固化剂B1、1.5g流平剂BYK-052、1g分散剂Sago-3615、1g消泡剂BYK-1850和180g去离子水混合加入到高速搅拌机中，在12000rpm下搅拌1h，同时加入pH调节剂三乙醇胺，调节pH值为8.5，粘度为80mPa·S，混合后得到混合树脂初料。
然后，取100g上述制得的石墨烯滤饼(固含量20％)、100g上述制得的混合树脂初料(固含量45％)和1g增韧剂聚丙二醇二缩水甘油醚混合后加入高速均质机中，在10000rpm下均质1h，混合后得到石墨烯电热粗液。
最后，将石墨烯电热粗液倒入到三辊研磨机进行研磨，通过调节滚筒间隙和利用细度刮板仪来控制涂料的粒径大小，使其粒径≤5μm，得到石墨烯电热涂料的表观粘度为100～200mPa·S。
另外，上述制得的石墨烯电热涂料可通过喷涂、刮涂、浸涂或刷涂的工艺成型到阻燃耐高温的绝缘片、布料或板材上(例如PI膜、玻纤环氧板、玻纤布、碳纤维板或陶瓷片等)，放入烘箱中在120℃+20min烘烤，其中，干膜厚度均为15μm。
实施例4：
本实施例提供了一种阻燃高温型石墨烯电热涂料，其具体制备过程如下：
首先，将30g层数为4～5层，厚2.0nm以下的片径为0.5～2.3μm的片状石墨烯微片，30g粒径50nm的高导炭黑(德固赛型号HIBLACK-40B2)，1.5g分散剂疏水改性的聚丙烯酸铵盐，1g分散剂PVP-15，1g润湿剂Sago-3240和160g的去离子水混合后加入到高速均质分散机中，在14000rpm转速下均质0.5h后，通过旋转蒸发仪蒸发掉一定比例的去离子水或通过布氏漏斗抽滤掉一定比例的去离子水，得到固含量为25％、粒径≤20μm的石墨烯滤饼。其中，石墨烯微片采用压燃法制得，具体过程为同实施例1一致。
其次，将50g环氧树脂A1、50g环氧树脂A2、50g环氧树脂A3、50g环氧固化剂B1、1.5g流平剂Sago-3882、1g分散剂Sago-9760、1g消泡剂Sago-1630和150g去离子水混合加入到高速搅拌机中，在14000rpm下搅拌1h，同时加入pH调节剂二甲基乙醇胺，调节pH值为8.5，粘度为80mPa·S，混合后得到混合树脂初料。
然后，取100g上述制得的石墨烯滤饼(固含量25％)、100g上述制得的混合树脂初料(固含量50％)和1g有机硅烷偶联剂KH-560混合后加入高速均质机中，在12000rpm下均质0.5h，混合后得到石墨烯电热粗液。
最后，将石墨烯电热粗液倒入到三辊研磨机进行研磨，通过调节滚筒间隙和利用细度刮板仪来控制涂料的粒径大小，使其粒径≤5μm，得到石墨烯电热涂料的表观粘度为200～300mPa·S。
另外，上述制得的石墨烯电热涂料可通过喷涂、刮涂、浸涂或刷涂的工艺成型到阻燃耐高温的绝缘片、布料或板材上(例如PI膜、玻纤环氧板、玻纤布、碳纤维板或陶瓷片等)，放入烘箱中在120℃+20min烘烤，其中，干膜厚度均为15μm。
对上述各实施例中制备的阻燃高温型石墨烯电热涂料进行性能测试，其测试的性能指标结果如表1所示。其中，导电涂层的电阻测试采用数字式四探针测试仪或非接触式方阻测试仪；导电涂料的粒度测试采用刮板细度仪(细度刮板仪)；导电涂料的表观粘度测试参照GB/T 10247-2008粘度测量方法中的旋转粘度法；涂层的附着力测试参照GB/T9286-1998色漆和清漆漆膜的划格试验(百格法)；涂层的表面硬度测试参照GB/T 6739-1996涂膜硬度铅笔测定法；涂层阻燃等级测试参照UL94或GB/T2408-2008塑料垂直水平燃烧标准。
表1：
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种阻燃高温型石墨烯电热涂料，其特征在于，包括按质量百分比计的如下组分：5～20％石墨烯滤饼，40～60％树脂混合物，20～50％助剂和0.5～2％pH调节剂；所述石墨烯滤饼包括石墨烯微片、高导炭黑、疏水改性的高分子盐分散剂和去离子水，所述树脂混合物包括含氮阻燃耐温型环氧树脂和含磷阻燃型固化剂。
2.如权利要求1所述的阻燃高温型石墨烯电热涂料，其特征在于，所述石墨烯微片中不含金属离子，且其厚度小于2.0nm，层数为2～5层，片径为0.5～2.3μm；所述高导炭黑的粒径为20～80nm。
3.如权利要求1所述的阻燃高温型石墨烯电热涂料，其特征在于，所述石墨烯滤饼的固含量为10～25％，且石墨烯滤饼中石墨烯微片、高导炭黑、疏水改性的高分子盐分散剂和去离子水的质量比为0.1～0.3:0.1～0.5:0.005～0.02:1。
4.如权利要求1所述的阻燃高温型石墨烯电热涂料，其特征在于，所述含氮阻燃耐温型环氧树脂与含磷阻燃型固化剂质量比为2～6:1。
5.如权利要求4所述的阻燃高温型石墨烯电热涂料，其特征在于，所述含氮阻燃耐温型环氧树脂为A1、A2、A3中至少一种，
其中，A1为
A2为
A3为
6.如权利要求4所述的阻燃高温型石墨烯电热涂料，其特征在于，所述含磷阻燃型固化剂为B1或B2；
其中，B1为
B2为
7.如权利要求1所述的阻燃高温型石墨烯电热涂料，其特征在于，所述助剂包括润湿剂、分散剂、消泡剂、流平剂、增稠剂中的至少一种。
8.一种阻燃高温型石墨烯电热涂料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将石墨烯微片、高导炭黑、疏水改性的高分子盐分散剂和去离子水按照设计比例进行混合，并以固定转速在高速均质机下进行分散一段时间后，通过蒸发或抽滤掉一定比例的去离子水，得到粒径≤20μm的石墨烯滤饼；
2)将含氮阻燃耐温型环氧树脂、含磷阻燃型固化剂和助剂按照设计比例混合后进行搅拌，并加入pH调节剂调节pH值至8.5，得到混合树脂初料；
3)将制得的石墨烯滤饼、混合树脂初料以及有机硅偶联剂一起搅拌分散，得到石墨烯电热粗料；
4)将石墨烯电热粗料在三辊研磨机上进行研磨至其粒径≤10μm，得到阻燃高温型石墨烯电热涂料。
9.如权利要求8所述的阻燃高温型石墨烯电热涂料的制备方法，其特征在于，所述石墨烯微片采用压燃法制得，其过程为采用乙炔和氧气为原料在四冲程往复活塞式内燃机燃烧室内经欠氧压燃反应，再经真空石墨烯收集罐收集。
10.如权利要求8所述的阻燃高温型石墨烯电热涂料的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中阻燃高温型石墨烯电热涂料的粒径≤5μm。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109593321A (zh) * | 2018-11-23 | 2019-04-09 | 新沂市汇力精细化工有限公司 | 一种阻燃型纳米复合环氧树脂组合物及其制备方法 |
| CN109911963A (zh) * | 2019-03-26 | 2019-06-21 | 广东国源环保机电设备工程有限公司 | 一种基于石墨烯纳米技术的有机废水蒸发装置及方法 |
| CN116081608A (zh) * | 2022-12-12 | 2023-05-09 | 中国铝业股份有限公司 | 石墨烯剥离系统及石墨烯剥离方法 |
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