CN108934089B - 一种工民建建筑底层除雪化冰石墨烯发热膜的制备方法 - Google Patents
一种工民建建筑底层除雪化冰石墨烯发热膜的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种工民建建筑底层除雪化冰石墨烯发热膜的制备方法，该石墨烯发热膜按质量百分量计，包括10‑30％石墨烯、3‑15％碳纳米管、2‑10％碳纤维。本发明通过石墨烯、碳纳米管、碳纤维的配合使用，能够实现发热的膜高耐热疲劳和热损伤性能，达到100次热循环后，产品电阻变化小于5.4％，表面温度变化率小于1.5％，能够实现长期稳定使用，并保持快速升温，实现快速融雪化冰，降低了长期使用电损耗性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种工民建建筑底层除雪化冰石墨烯发热膜的制备方法，设计膜材料制备领域。
背景技术
随着近年我国高速公路运营里程的快速增长和运行流量的急剧增加,每年的高速公路除冰雪显得越来越不可或缺。对高速公路除冰雪的研究也显得越来越重要。我国34个省、市、自治区中,有26个不同程度受冰雪灾害影响。
高速公路的冰雪根据其密度和含水率不同一般分为三种形式,即自然积雪、压实积雪和融冻冰雪。清除冰雪的方法有物理除冰雪、化学除冰雪和机械除冰雪等。物理除冰雪包括洒水融雪、自应力除雪和热融雪等，物理除冰雪功耗大、效率低、除雪费用高,不适合大范围推广。化学除冰雪包括积雪路面撒盐、撒融雪剂等,但是,化学除冰雪对环境的污染十分严重,不适合于所有的冰雪情况，机械除冰雪产生的效果快而直接,但是对路面的损伤也是显而易见的。
传统热融雪方式包括加装发热电缆、安装发热膜等方式，利用发热膜进行融雪，具有融雪速度快，适应性强，安装简便等优点。但是发热膜在使用过程中会经过多次加热、冷却、加热、冷却循环，传统发热膜容易出现热损伤以及热疲劳现象，进而导致发热膜电阻增大、以及表面温度降低等现象，这不利于节约能耗，以及实现快速融雪化冰等。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中上述问题，提供一种工民建建筑底层除雪化冰石墨烯发热膜。石墨烯发热膜具有升温速率快，电热转换率高等特点，适合用于制备发热膜，实现化冰融雪，同时通过石墨烯、碳纳米管以及碳纤维的配合使用，能够提高发热膜的耐热损伤和热疲劳性能，提供具有稳定电阻和表面发热温度发热膜，实现提高热融雪发热膜使用寿命以及降低能耗，节约成本的目的。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种工民建建筑底层除雪化冰石墨烯发热膜的制备方法：
（1）将石墨烯、碳纳米管、分散剂加入适量溶剂中混合，机械搅拌2h，超声分散至颜色均匀无分层,得石墨烯分散液；
（2）将碳纤维、分散剂加入适量溶剂中，机械搅拌分散一段时间，加入成膜物质，机械搅拌2h，得碳纤维分散液;
（3）将步骤（1）和步骤（2）中石墨烯分散液以及碳纤维分散液，混合，加入成膜物质，机械搅拌一段时间，至均匀分散，补充适量溶剂，至所需粘度，涂布于基材制膜，烘干，即得，所述发热膜经热循环测试，电阻变化率小于5.4%，表面温度变化率小于1.5%。
所述发热膜包括10-30%石墨烯、3-15%碳纳米管、2-10%碳纤维。优选包括15%石墨烯、5%碳纳米管、5%碳纤维。
所述碳纳米管是单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。
所述单壁碳纳米管和多壁碳纳米管以质量比为1-5：5-10。
采用本发明的优点在于：采用石墨烯材料作为电热转换材料，导热性好，电热转换性能稳定。通过石墨烯、碳纳米管、碳纤维的配合使用，能够实现发热的膜高耐热疲劳和热损伤性能，达到100次热循环后，产品电阻变化小于5.4%，表面温度变化率小于1.5%，能够实现长期稳定使用，并保持快速升温，实现快速融雪化冰，降低了长期使用电损耗性能。
具体实施方式
实施例1
一种工民建建筑底层除雪化冰石墨烯发热膜除雪化冰石墨烯发热膜，包括15%石墨烯、5%碳纳米管、5%碳纤维、74%成膜物质、1%分散剂。
本实施例中，碳纳米管是单壁碳纳米管和多壁碳纳米管按质量比为1：5进行配比。发热膜的制备方法为：（1）将石墨烯、碳纳米管、分散剂加入适量溶剂中混合，机械搅拌2h，超声分散至颜色均匀无分层,得石墨烯分散液；
（2）将碳纤维、分散剂加入适量溶剂中，机械搅拌分散一段时间，加入成膜物质，机械搅拌2h，得碳纤维分散液;
（3）将步骤（1）和步骤（2）中石墨烯分散液以及碳纤维分散液，混合，加入成膜物质，机械搅拌一段时间，至均匀分散，补充适量溶剂，至所需粘度，涂布于基材制膜，烘干，即得。
实施例2
一种工民建建筑底层除雪化冰石墨烯发热膜，包括10%石墨烯、5%碳纳米管、8%碳纤维、76%成膜物质、1%分散剂。
本实施例中，碳纳米管是单壁碳纳米管和多壁碳纳米管按质量比为1：5进行配比。发热膜的制备方法为：（1）将石墨烯、碳纳米管、部分分散剂加入适量溶剂中混合，机械搅拌2h，超声分散至颜色均匀无分层,得石墨烯分散液；
（2）将碳纤维、剩余分散剂加入适量溶剂中，机械搅拌分散一段时间，加入成膜物质，机械搅拌2h，得碳纤维分散液;
（3）将步骤（1）和步骤（2）中石墨烯分散液以及碳纤维分散液，混合，加入成膜物质，机械搅拌一段时间，至均匀分散，补充适量溶剂，至所需粘度，涂布于基材制膜，烘干，即得。
对比例1
一种除雪化冰石墨烯发热膜，包括15%石墨烯、10%碳纤维、74%成膜物质、1%分散剂。
本实施例中，发热膜的制备方法为：（1）将石墨烯、部分分散剂加入适量溶剂中混合，机械搅拌2h，超声分散至颜色均匀无分层,得石墨烯分散液；
（2）将碳纤维、剩余分散剂加入适量溶剂中，机械搅拌分散一段时间，加入成膜物质，机械搅拌2h，得碳纤维分散液;
（3）将步骤（1）和步骤（2）中石墨烯分散液以及碳纤维分散液，混合，加入成膜物质，机械搅拌一段时间，至均匀分散，补充适量溶剂，至所需粘度，涂布于基材制膜，烘干，即得。
对比例2
一种除雪化冰石墨烯发热膜，包括15%石墨烯、10%碳纤维、74%成膜物质、1%分散剂。
本实施例中，发热膜的制备方法为：（1）将石墨烯、部分分散剂加入适量溶剂中混合，机械搅拌2h，超声分散至颜色均匀无分层,得石墨烯分散液；
（2）将碳纤维、剩余分散剂加入适量溶剂中，机械搅拌分散一段时间，加入成膜物质，机械搅拌2h，得碳纤维分散液;
（3）将步骤（1）和步骤（2）中石墨烯分散液以及碳纤维分散液，混合，加入成膜物质，机械搅拌一段时间，至均匀分散，补充适量溶剂，至所需粘度，涂布于基材制膜，烘干，即得。
对比例3
一种除雪化冰石墨烯发热膜，包括5%碳纳米管、5%碳纤维、89%成膜物质、1%分散剂。
本实施例中，碳纳米管是单壁碳纳米管和多壁碳纳米管按质量比为1：5进行配比。发热膜的制备方法为：（1）将碳纳米管、部分分散剂加入适量溶剂中混合，机械搅拌2h，超声分散至颜色均匀无分层,得混合分散液；
（2）将碳纤维、剩余分散剂加入适量溶剂中，机械搅拌分散一段时间，加入成膜物质，机械搅拌2h，得碳纤维分散液;
（3）将步骤（1）和步骤（2）中混合分散液以及碳纤维分散液，混合，加入成膜物质，机械搅拌一段时间，至均匀分散，补充适量溶剂，至所需粘度，涂布于基材制膜，烘干，即得。
评价方法
本发明中，分别对实施1-2和对比例1-3中的发热膜进行测试，其中发热膜电阻变化率通过在额定功率下，升温至100℃，再进行低温处理，降温至0℃，热平衡后，取出，恢复至室温，继续对其进行加热，如此循环往复100次。检测经过100次热循环后发热膜电阻（Ω1）与热循环前电阻（Ω0）变化率（h%）,电阻变化率如式（1）：
h%=(Ω1-Ω0) ×100%/ Ω0 （1）
表面温度变化率，检测热循环测试前，额定功率下，加热2min后，发热膜表面温度T0，以及经过上述100次热循环后，相同额定功率下，加热2min后，发热膜表面温度T1，表面温度变化率(T%)如式（2）
T%=( T1- T0)×100%/ T0 (2)
按照式1、2中公式，对实施例以及对比例中电阻以及表面温度进行测试，得到表1中测试结果。
表 1
实验编号 实施例1 实施例2 对比例1 对比例2 对比例3
石墨烯 15% 10% 15% 15% —
碳纳米管 5% 5% — 10% 5%
碳纤维 5% 8% 10% — 5%
h% 5.2 5.4 7.2 6.8 9.9
T% 1.3 1.5 2.1 1.9 3.2
从表1可以看出，发热膜中石墨烯、碳纳米管、碳纤维三者配合作用，进而达到提高发热膜抗热疲劳以及热损伤性能，使得发热膜在经过100次热循环实验后，电阻升高率小于5.4%，表面温度降低率小于1.5%，实现了发热膜产品高使用寿命、高耐受性能，同时实现了节能减耗的作用。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (2)
1.一种工民建建筑底层除雪化冰石墨烯发热膜的制备方法，其特征在于：
(1)将石墨烯、碳纳米管、分散剂加入适量溶剂中混合，机械搅拌2h，超声分散至颜色均匀无分层,得石墨烯分散液；所述碳纳米管是单壁碳纳米管和多壁碳纳米管；
(2)将碳纤维、分散剂加入适量溶剂中，机械搅拌分散一段时间，加入成膜物质，机械搅拌2h，得碳纤维分散液；
(3)将步骤(1)和步骤(2)中石墨烯分散液以及碳纤维分散液，混合，加入成膜物质，机械搅拌一段时间，至均匀分散，补充适量溶剂，至所需粘度，涂布于基材制膜，烘干，即得，所述发热膜经100次热循环测试，电阻变化小于5.5％，表面温度变化率小于1.5％；
所述发热膜中含有15％石墨烯、5％碳纳米管、5％碳纤维。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述单壁碳纳米管和多壁碳纳米管以质量比为1-5：5-10。
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