CN108610950A - 一种高温发热涂料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温发热涂料，其特征在于，按重量份数计，所述涂料包括成膜基料20‑35份、石墨烯碳纳米管浆料45‑65份、助剂A 0.4‑1.5份、二甲苯2‑25份和乙二醇甲醚2‑5份。本发明还公开了该高温发热涂料的制备方法。本发明具有发热温度高、不易脱落、耐热性强，耐氧化、耐老化等性能。

Description

一种高温发热涂料及其制备方法
技术领域
本发明属于导电发热涂料领域，特别涉及一种高温发热涂料及其制备方法。
背景技术
发热涂料是一种新型的功能性涂料，最主要功能体现在通电后能将电能转化为热能来供暖，是一种非常有前景的涂料。目前常用的发热涂料主要包括导电油墨和导电涂料；导电油墨是一种或多种树脂、导电粉和助剂，按配方比例机械混合研磨而成，也称发热漆，其中导电粉主要是采用贵重金属粉末、金属氧化物粉、炭黑粉、碳纤维等作为填料；导电涂料是由一种或多种乳液、导电粉和助剂，按配方比例混合研磨而成。
上述发热涂料的原理是利用导电涂层的导电性能，将电能转化为热能。目前导电油墨作为涂层导电发热一般应用于在200度以下使用，而即使在200度以下使用该导电发热涂层，也有很多不足，如易脱落、粘结剂耐热性不强、局部点易烧灼、导电填料易氧化和涂层结构常出现裂纹，导致涂层在使用过程中存在变质问题，近几年虽经过一系列的改善，但始终都没有从涂层耐高温、耐老化性能上有显著地进步，而市场上对性能好、耐高温、成本低的导电发热涂料的需求是今后的趋势。
发明内容
鉴于上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种高温发热涂料，该涂料具有发热温度高、不易脱落、耐热性强，耐氧化、耐老化等性能。
本发明的另一个目的还提供了一种高温发热涂料的制备方法。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：
一种高温发热涂料，按重量份数计，所述涂料包括成膜基料20-35份、石墨烯碳纳米管浆料45-65份、助剂A 0.4-1.5份、二甲苯2-25份和乙二醇甲醚2-5份。
上述的一种高温发热涂料，其中，所述成膜基料为改性有机硅苯基树脂。
上述的一种高温发热涂料，其中，以所述石墨烯碳纳米管复合浆料的总重量为100％计，该复合浆料包括碳纳米管2-4wt％，石墨烯1-2.5wt％，助剂B0.5wt％，二甲苯94.5wt％；所述助剂B包括消泡剂和分散剂。
上述的一种高温发热涂料，其中，所述碳纳米管为多壁工业级碳纳米管；所述石墨烯为工业级石墨烯；
以所述石墨烯碳纳米管复合浆料的总重量为100％计，所述碳纳米管与所述石墨烯之和为5wt％。
上述的一种高温发热涂料，其中于，所述助剂A包括消泡剂HR-6001和流平剂HR-6355。
上述的一种高温发热涂料，其中，以所述涂料组合物的总重量100％计，所述消泡剂HR-6001为0.2-0.5wt％，流平剂HR-6355为0.2-1wt％。
一种制备上述的高温发热涂料的方法，将成膜基料、石墨烯碳纳米管浆料、助剂A、二甲苯和乙二醇甲醚混合，通过涂料高速分散机均匀混合后，再通过纳米研磨机研磨至30μm～50μm，即得。
本发明选择碳纳米管的理论依据：碳纳米管(CNTs)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，通电后产生电流，便可将电能转化为热能，最主要的是当碳纳米管通电时，其附近的物体会发热，而碳纳米管本身仍然是冷却的，这种现象是″遥感焦耳效应″，这为本发明高温发热涂料提供了理论支持。
本发明选择碳纳米管的理论依据：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。
本发明选择改性有机硅苯基树脂作为本发明成膜基料(成膜树脂)理论依据：
改性有机硅以Si-O-Si键为主链，具有优异的耐热性能，这主要是由于Si-O具有很高的键能和离子化倾向，Si-C键的键能比C-C键键能低，但在Si-C中可形成dπ-pπ配键，使体系的能量下降，树脂的热氧化稳定性得到提高，而且硅原子上连接的其他基团受热裂解后，也能生成-Si-O-Si-键，减轻高温对高聚物内部结构的影响，因此使涂料使用温度界限得到充分扩展。
与现有技术相比，本发明提供的一种高温发热涂料及其制备方法，达到的技术效果是：以石墨烯和碳纳米管复合材料为填料，可解决发热温度高，发热均匀，高温下填料不氧化，使用时间持久，无衰竭；石墨烯碳纳米管热膨胀系数低，涂层长期高温下也不会出现脱落现象；以改性有机硅苯基树脂为成膜基料，耐高温性能好，350度热失重几乎为零，且超高温裂解后耐高温性能反而会提高。
以下便结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使技术方案更易于理解、掌握。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行说明，但本发明并不局限于此。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得，下面实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本专利保护范围中。
以下实施例中使用的碳纳米管为多壁工业级碳纳米管；所述石墨烯为工业级石墨烯。
实施例1
制备方法：将各组分根据表1所示的比例混合在一起通过涂料高速分散机均匀混合后，再通过纳米研磨机研磨至30μm～50μm，即得试验例1-5的高温发热涂料。
表1试验例1-5高温发热涂料的组分
将上述制备得到的试验例1-5高温发热涂料应用于石英石，然后进行性能测试，测试条件均为：涂抹厚度30μm；电压220V；发热面积40cm×60cm；测试时间：30分钟，结果见表2，
表2试验例1-5高温发热涂料应用的性能测试
检测指标 试验例1 试验例2 试验例3 试验例4 试验例5
表面电阻(Ω) 20 22 22 21 22
发热温度(℃) 280 310 350 320 310
由表2可知，本发明石墨烯作为导电填料，碳纳米管作为发热填料，两者含量不同，高温发热涂料表现的性能也不一样，可根据两者的比重来调节发热系数和电阻值，功率等物理参数。
实施例2
制备方法：将各组分根据表3所示的比例混合在一起通过涂料高速分散机均匀混合后，再通过纳米研磨机研磨30μm到50μm之间即得编号分别为1-5的高温发热涂料；其中表3中石墨烯碳纳米管浆料，其各组分的比例以表1中试验例3所示为例。
表3编号1-5高温发热涂料的组分
将上述制备的编号1-5高温发热涂料应用于石英石，然后进行性能测试，测试条件均为：涂抹厚度30μm；电压220V；发热面积40cm×60cm；测试时间：30分钟，结果见表4
表4编号1-5高温发热涂料应用的性能测试
1 2 3 4 5
粘稠度 适中 适中 适中 略稠 稠
成膜性能 非常好 非常好 非常好 好 好
附着力 1级 1级 1级 2级 3级
本发明将成膜性能判定标准分为非常好、好两个级别。
由表3、4可知，本发明有机硅苯基树脂重量份在20-35份范围内，其高温发热涂料的成膜性能、附着力、粘稠度均符合规定。
实施例3
制备方法：将各组分根据表5所示的比例混合在一起通过涂料高速分散机均匀混合后，再通过纳米研磨机研磨至30μm～50μm，即得编号为A-E的高温发热涂料；其中表5中石墨烯碳纳米管浆料，其各组分的比例以表1中试验例3所示为例。
表5编号A-E高温发热涂料的组分
A B C D E
石墨烯碳纳米管浆料 45 50 55 60 65
有机硅苯基树脂 30 30 30 30 30
二甲苯 22.6 17.6 12.6 7.6 2.6
乙二醇甲醚 2 2 2 2 2
消泡剂HR-6001 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
流平剂HR-6355 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
将上述制备的编号A-E的高温发热涂料应用于石英石然后进行性能测试，测试条件均为：涂抹厚度30μm；电压220V；发热面积40cm×60cm；测试时间：30分钟，结果见表6。
表6编号A-E高温发热涂料应用的性能测试
A B C D E
粘稠度 适中 适中 略稠 稠 稠
方块电阻(Ω) 60 28 25 25 24
发热温度(℃) 220 330 340 342 345
由表5、6可知，本发明石墨烯碳纳米管浆料重量份在45-65份范围内，，其高温发热涂料的粘稠度、方块电阻、发热温度均符合规定。
实施例4选取表1试验例3制备的高温发热涂料进行基本性能测试，其中，附着力依据漆膜附着力测定法GB/T 1720-1979(1989)，该高温发热涂料附着力为1级，耐热温度350℃，在低于350℃条件下，具有耐老化性能，电阻值为24Ω，350度热失重几乎为零。
综上所述，本发明的高温发热涂料发热温度高，发热均匀，高温下填料不氧化，使用时间持久，无衰竭；涂层长期高温下也不会出现脱落现象，以及以改性有机硅苯基树脂为成膜基料，耐高温性能好，350度热失重几乎为零，且超高温裂解后耐高温性能反而会提高。
本发明可以根据实际需要调整涂层厚度，涂层面积，涂层电阻、供电电压来调节发热温度，涂料发热温度范围可延伸25度-350度。
本发明的高温发热涂料还可以用于其他基材，为通用型基材，包括：塑料、金属、玻璃等基材。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种高温发热涂料，其特征在于，按重量份数计，所述涂料包括成膜基料20-35份、石墨烯碳纳米管浆料45-65份、助剂A 0.4-1.5份、二甲苯2-25份和乙二醇甲醚2-5份。
2.根据权利要求1所述的一种高温发热涂料，其特征在于，所述成膜基料为改性有机硅苯基树脂。
3.根据权利要求2所述的一种高温发热涂料，其特征在于，以所述石墨烯碳纳米管复合浆料的总重量为100％计，该复合浆料包括碳纳米管2-4wt％，石墨烯1-2.5wt％，助剂B0.5wt％，二甲苯94.5wt％；所述助剂B包括消泡剂和分散剂。
4.根据权利要求3所述的一种高温发热涂料，其特征在于，所述碳纳米管为多壁工业级碳纳米管；所述石墨烯为工业级石墨烯；
以所述石墨烯碳纳米管复合浆料的总重量为100％计，所述碳纳米管与所述石墨烯之和为5wt％。
5.根据权利要求4所述的一种高温发热涂料，其特征在于，所述助剂A包括消泡剂HR-6001和流平剂HR-6355。
6.根据权利要求5所述的一种高温发热涂料，其特征在于，以所述涂料组合物的总重量100％计，所述消泡剂HR-6001为0.2-0.5wt％，流平剂HR-6355为0.2-1wt％。
7.一种制备权利要求1-6任一项所述的高温发热涂料的方法，其特征在于，将成膜基料、石墨烯碳纳米管浆料、助剂A、二甲苯和乙二醇甲醚混合，通过涂料高速分散机均匀混合后，再通过纳米研磨机研磨至30μm～50μm，即得。
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