CN111944403A - 一种有利于提高发热效率的导电发热涂料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种有利于提高发热效率的导电发热涂料及制备方法，属于导热涂料领域，导电发热涂料由去离子水120‑140份、成膜树脂50～80份、颜填料10～20份、助剂1～2份、改性碳纤维导电材料20～40份组成，其中改性碳纤维导电材料是由碳纤维和导电云母混合物先制备得到复合材料，然后再其表面沉积修饰Cu层，得到改性碳纤维导电材料，本发明制备得到导电发热涂料发热效率高，可广泛用于地暖和墙体发热。该涂料可在高温下长期使用，不开裂，不脱落，使用寿命长。

Description

一种有利于提高发热效率的导电发热涂料及制备方法
技术领域
本发明涉及一种导电发热涂料及制备方法，属于功能涂料领域。
背景技术
冬季供暖是我国北方地区每年秋冬两季主要的能源消耗源之一，同时引起较严重的空气污染问题，如何在民生及环保和节能中实现平衡成为关乎国计民生的重要问题之一。目前主要的采暖方式包括空调、电暖器、地暖、空气源热泵、燃气采暖炉和电锅炉等。不仅运行费用相对高，而且耗电量高，维修麻烦。所以发热涂料的研究和应用具有积极意义。
发热涂料是能直接将电能通过热辐射的方式转化为热能的涂料，其具有污染小、效率高、一次性投资少等优势。但是目前市场上的此类产品普遍存在一些不足，如附着力不强，使用一段时间后容易出现脱离和局部烧灼；导电填料容易被氧化而导致涂层出现开裂现象。而冬季供暖是一个巨大的市场，其对高性能、低成本、长使用寿命的导电发热涂料将是一个长期的需求，也是今后的趋势。CN201910709970.1一种新型导电可控发热的电热涂料及其制备方法原料至少包含：导电材料、树脂粘结料、水；乳液A包含水、水性树脂乳液。导电材料的原料包含石墨粉、碳纳米管、石墨烯。CN201810578079.4含石墨烯的水性环保导电涂料及其制备方法，包括成膜物质20-70份，石墨烯1-10份，炭系导电填料0.5-40份，成膜助剂0.5-5份，助剂0.1-5份，去离子水1-20份；涂料pH值为7-9，粘度为50-150mpa.s。等导电发热涂料中，使用石墨烯、碳纳米管等材料作为导电材料，通电后，导电材料将电能转化成热能进行传热，提高室内温度，达到供暖的效果。
目前涉及的导电涂料中导电材料占比较大，不仅成本高，而且不利于导电材料在成膜基材中分散均匀，影响成膜均匀性和力学性能。而且大多导电发热涂料中不含绝缘性的无机功能填料，从而严重降低涂料的附着力，长时间加热使用后，会存在脱落等风险，无法继续使用，降低使用寿命等问题。而在传统认知中，加入这些功能填料，虽然能提高力学性能，但会导致导电发热效果降低，所以，如何明显减少导电填料的使用，并且在导电发热涂料中加入填料，在提高力学性能的同时还能不影响供暖效果，这是本申请所要解决的技术问题
为了克服现有导电发热涂料性能的不足，本发明公开了一种碳纤维浆料为基础，结合功能颜填料及有机硅改性的聚氨酯乳液原料合成的功能导电隔热涂料及配方。通电电压范围12-220V，可根据实际使用需要确定；发热效率高达99.7％，工作时涂料温度使用范围为80℃-500℃，通过热辐射方式供热，并且在切断电源后该涂料依然能向外辐射热量；该涂料防酸碱能力强，防水能力优越，可广泛用于地暖和墙体发热。该涂料可在高温下长期使用，不开裂，不脱落，使用寿命长。
发明内容
基于背景技术中的问题，本发明提供了一种导电发热功能涂料及其制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种导电发热涂料，其特征在于：按重量份计，包括以下原料：去离子水120-140份、成膜树脂50～80份、颜填料10～20份、助剂1～2份、改性碳纤维导电材料20～40份。
进一步地，所述的成膜树脂为有机硅改性水性聚氨酯乳液，乳液的固含量为40-60％。采用有机硅改性水性聚氨酯乳液在于聚氨酯树脂具有良好的耐候性和延展性，能同时提高涂料的抗裂性和使用寿命。但是其耐高温性存在不足。而同时加入的有机硅树脂能提高涂料的耐高温性，这是因为其所含Si-O-Si键具有高键能和高稳定性，提高体系在高温条件下的内部结构稳定性。
进一步地，导电浆料的导电填料为经过改性的碳纤维和导电云母混合物，改性方法为：
将二维片状导电云母分散在5mol/L的HCl溶液中，然后加热至110℃保温20～30min,，冷却后将混合物洗涤至中性，加入水，得到悬浮液，然后加入碳纤维，在60℃搅拌混合过滤，并烘干，得到二维片状导电云母-碳纤维复合材料。
按体积比1:20,将质量分数5％的十二烷基苯磺酸添加到1g/L CuSO4溶液中并在黑暗条件下搅拌10分钟，得混合液；
然后混合液和二维片状导电云母-碳纤维复合材料混合，在350Xe灯的反应器中照射40～50min，照射后清洗烘干，得到改性碳纤维导电材料
按质量比10～12：1称取碳纤维和导电云母，CuSO4质量为碳纤维和导电云母总质量的5～10％。
其中二维片状导电云母，制备方法同CN201610671722.9。
采用二维片状导电云母和碳纤维作为主要发热功能原料的理论依据在于，二维片状导电云母来源广泛，可显著降低生产成本，同时采用碳纤维作为支撑材料，使得二维片状导电云母和碳纤维形成具有三维连续结构空间结构，更有利于热量的快速输运通道，实现热量均匀和电学性能的均匀性。而且采用光沉积将Cu层沉积修饰在复合材料表面，相互协同，显著提高材料的导电性和热传递效率，且大大降低导电材料的用来。
碳纤维和二维片状导电云母之间可以形成一个空间结构，碳纤维相当于是立柱，二维片状导电云母相当于是平面，该结构能实现涂层中不同的温度梯度，该温度梯度可以实现红外波的辐射具有一个连续的波长范围，并且同时提高红外发射效率，另外耐高温性也提高了。
进一步地，碳纤维的长度为200-3000um，直径为5-20um，长径比为10-600。
进一步地，颜填料包括碳酸钙和二氧化硅。颜填料的总重量按100％计，碳酸钙55-85％，二氧化硅15-45％。
进一步地，助剂包括分散剂、消泡剂和防腐剂。其中占质量分数30％为分散剂十二甲基硫酸钠，占质量分数30％为消泡剂硅油，占质量分数40％为防腐剂山梨酸钾。
一种导电发热功能涂料的制备方法，将所有颜填料加入去离子水中，逐步加快搅拌速度直到1000转/分，搅拌50分钟，加入助剂，得到分散均匀的混合液；将改性碳纤维导电材料加入混合液中，搅拌30分钟；将搅拌速率降至600转/分，加入成膜树脂并搅拌30分钟，得到含有石墨烯的导电发热涂料。
导电发热功能涂料，可采用高压喷涂设备喷涂，人工刷涂或滚涂等方式。
本发明的有益效果是：(1)通电电压范围12-220V，可根据实际使用需要确定；(2)发热效率高，(3)该涂料防酸碱能力强，防水能力优越，可广泛用于地暖和墙体发热。该涂料可在高温下长期使用，不开裂，不脱落，使用寿命长。
具体实施方式
现在结合具体实施例对本发明作进一步说明，以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。
实施例1
(1)将50g二维片状导电云母分散在5mol/L的HCl溶液中，然后加热至110℃保温20～30min,，冷却后将混合物洗涤至中性，加入水，得到悬浮液，然后加入100g碳纤维，在60℃搅拌混合过滤，并烘干，得到二维片状导电云母-碳纤维复合材料。
(2)按体积比1:20将质量分数5％的十二烷基苯磺酸添加到1g/L CuSO4溶液中并在黑暗条件下搅拌10分钟，得混合液；
(3)混合液和二维片状导电云母-碳纤维复合材料混合，其中CuSO4质量为碳纤维和导电云母总质量的8％，在350Xe灯的反应器中照射45min，照射后清洗烘干，得到改性碳纤维导电材料；
(4)按重量份计，去离子水130份、有机硅改性水性聚氨酯乳液60份、颜填料(55％碳酸钙和45％二氧化硅)15份、助剂1.5份、改性碳纤维导电材料30份，将所有颜填料加入去离子水中，逐步加快搅拌速度直到1000转/分，搅拌50分钟，加入助剂，得到分散均匀的混合液，将改性碳纤维导电材料加入混合液中，搅拌30分钟；将搅拌速率降至600转/分，加入有机硅改性水性聚氨酯乳液成膜树脂并搅拌30分钟，得到导电发热涂料。
实施例2
(1)将50g二维片状导电云母分散在5mol/L的HCl溶液中，然后加热至110℃保温30min,，冷却后将混合物洗涤至中性，加入水，得到悬浮液，然后加入120g碳纤维，在60℃搅拌混合过滤，并烘干，得到二维片状导电云母-碳纤维复合材料。
(2)按体积比1:20将质量分数5％的十二烷基苯磺酸添加到1g/L CuSO4溶液中并在黑暗条件下搅拌10分钟，得混合液；
(3)混合液和二维片状导电云母-碳纤维复合材料混合，其中CuSO4质量为碳纤维和导电云母总质量的5％，在350Xe灯的反应器中照射40min，照射后清洗烘干，得到改性碳纤维导电材料；
(4)按重量份计，去离子水130份、有机硅改性水性聚氨酯乳液80份、颜填料(55％碳酸钙和45％二氧化硅)20份、助剂2份、改性碳纤维导电材料40份，将所有颜填料加入去离子水中，逐步加快搅拌速度直到1000转/分，搅拌50分钟，加入助剂，得到分散均匀的混合液，将改性碳纤维导电材料加入混合液中，搅拌30分钟；将搅拌速率降至600转/分，加入有机硅改性水性聚氨酯乳液成膜树脂并搅拌30分钟，得到导电发热涂料。
实施例3
(1)将50g二维片状导电云母分散在5mol/L的HCl溶液中，然后加热至110℃保温20min,，冷却后将混合物洗涤至中性，加入水，得到悬浮液，然后加入100g碳纤维，在60℃搅拌混合过滤，并烘干，得到二维片状导电云母-碳纤维复合材料。
(2)按体积比1:20将质量分数5％的十二烷基苯磺酸添加到1g/L CuSO4溶液中并在黑暗条件下搅拌10分钟，得混合液；
(3)混合液和二维片状导电云母-碳纤维复合材料混合，其中CuSO4质量为碳纤维和导电云母总质量的10％，在350Xe灯的反应器中照射40min，照射后清洗烘干，得到改性碳纤维导电材料；
(4)按重量份计，去离子水120份、有机硅改性水性聚氨酯乳液80份、颜填料(55％碳酸钙和45％二氧化硅)20份、助剂2份、改性碳纤维导电材料30份，将所有颜填料加入去离子水中，逐步加快搅拌速度直到1000转/分，搅拌50分钟，加入助剂，得到分散均匀的混合液，将改性碳纤维导电材料加入混合液中，搅拌30分钟；将搅拌速率降至600转/分，加入有机硅改性水性聚氨酯乳液成膜树脂并搅拌30分钟，得到导电发热涂料。
对比例1
对比例1与实施例1相比，区别在于：未加入二维片状导电云母，等质量替换成碳纤维材料，其余操作同实施例1。
对比例2
对比例2与实施例1相比，区别在于：未加入碳纤维，等质量替换成二维片状导电云母，其余操作同实施例1。
对比例3
对比例3与实施例1相比，区别在于：未光沉积将Cu层，其余操作同实施例1。
对比例4
对比例4与实施例1相比，区别在于：未先制备得改性碳纤维复合导电材料，而是将碳纤维、二维片状导电云母、Cu等质量加入，得到导电发热涂料。
表1不同实施例1-3制得的导电发热涂料性能测试结果如下表：
样品 半球发射率
实施例1 0.88
实施例2 0.90
实施例3 0.91
表2实施例1制备的样品在不同温度下的温度与辐射波长的关联
Figure BDA0002624552240000071
Figure BDA0002624552240000081
表3不同实施例制备的涂料的附着力
样品 附着力 耐冲击强度
实施例1 0级 ≥50cm·Kg
实施例2 1级 ≥50cm·Kg
实施例3 0级 ≥50cm·Kg
将上述制备得到的导电发热涂料刷上墙(墙体内装有铜带导电物质)，长*宽为3米*1米、待其干燥后再涂刷一遍，总厚度约300um，固化后检测其附着力、涂层电阻率等数据，再其表面涂刷乳胶漆进行覆盖，固化后24V电压下通电发热，设定恒温温度为50℃。
表5不同实施例制备的涂层的发热效率
样品 发热效率
实施例1 99.5％
实施例2 99.6％
实施例3 99.5％
对比例1 75.1％
对比例2 75.0％
对比例3 80.2％
对比例4 85.6％
上表可以看到本发明的涂料各项性能优异，完全符合国家相关标准，并且节能环保。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种有利于提高发热效率的导电发热涂料，其特征在于：按重量份计，由以下原料组成：离子水120～140份、成膜树脂50～80份、颜填料10～20份、助剂1～2份、改性碳纤维导电材料20～40份。
2.根据权利要求1所述有利于提高发热效率的导电发热涂料，其特征在于：所述的成膜树脂为有机硅改性水性聚氨酯乳液，乳液的固含量为40～60％。
3.根据权利要求1所述有利于提高发热效率的导电发热涂料，其特征在于：颜填料总重量按100％计，由碳酸钙55～85％和二氧化硅15～45％组成。
4.根据权利要求1所述有利于提高发热效率的导电发热涂料，其特征在于：改性碳纤维导电材料的制备方法为：
(1)二维片状导电云母分散在5mol/L的HCl溶液中，然后加热至110℃保温20～30min,，冷却后将混合物洗涤至中性，加入水，得到悬浮液，然后加入碳纤维，在60℃搅拌混合过滤，并烘干，得到二维片状导电云母-碳纤维复合材料；
(2)按体积比1:20将质量分数5％的十二烷基苯磺酸添加到1g/L CuSO4溶液中并在黑暗条件下搅拌10分钟，得混合液；
(3)将混合液和二维片状导电云母-碳纤维复合材料混合，在350Xe灯的反应器中照射40～50min，照射后清洗烘干，得到改性碳纤维导电材料。
5.根据权利要求4所述有利于提高发热效率的导电发热涂料，其特征在于：按质量比10～12：1称取碳纤维和导电云母，CuSO4质量为碳纤维和导电云母总质量的5～10％。
6.根据权利要求1-5任一项所述有利于提高发热效率的导电发热涂料的制备方法，其特征在于：将颜填料加入去离子水中，逐步加快搅拌速度直到1000转/分，搅拌50分钟，加入助剂，得到分散均匀的混合液；将改性碳纤维导电材料加入混合液中，搅拌30分钟；将搅拌速率降至600转/分，加入成膜树脂并搅拌30分钟，得到导电发热涂料。
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