CN112920638A - 一种MXene基水性纳米电热复合涂料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种MXene基水性纳米电热复合涂料及制备方法，通过使用可水分散的MXene纳米片为导电填料，将水性聚氨酯、水性聚丙烯酸酯或水性环氧树脂和MXene分别配制成一定质量分数的水分散液，按预先设定好的水性树脂与MXene质量比，在搅拌作用下向水性树酯中加入MXene分散液，持续搅拌使得水性树脂大分子充分且均匀地吸附在MXene纳米片上，从而获得水性树脂酯‑MXene纳米电热复合涂料。所制备的涂料可以通过喷涂、浸涂、辊涂或者滴涂等方法施工，此涂料具有优异的电热性能和加热可调控性能，其粘附力强且具备良好的柔韧性，电阻率可按需调控，所需电压低，升温速率快，使用不受基材表面形貌限制，适用面广阔。

Description

一种MXene基水性纳米电热复合涂料及制备方法
技术领域
本发明属于电热涂层材料领域，涉及一种MXene基水性纳米电热复合涂料及制备方法，是一种以Ti3C2Tx MXene为导电填料的纳米复合涂料及其制备方法。
背景技术
电热涂料是一种在外加电压作用下可以产生焦耳热的功能性导电涂料。传统的电热材料一般为金属丝，虽然其发热性能优异，但是由于其布设存在的间隙导致其会产生加热不均匀的情况，同时其无法在异形及微小部件上使用，从而限制了其应用。电热涂料可以在所用部件表面形成均匀的导电薄膜，且不受表面形状的限制，从而在电热材料领域展现出了广阔的应用前景。
目前，大多数电热涂料以金属粉末、金属纳米线、碳纳米管、石墨烯及还原氧化石墨烯等作导电填料。然而，这些填料表面缺少与水和其他有机溶剂有亲和力的官能团，它们很难在水、溶剂和聚合物基体中分散开来而形成均一体系，也无法与聚合物分子链之间形成强的结合力，因此所得涂料的填料量低，相应的导电性也不高。而且基于这些导电填料的涂料大多分散在有机溶剂中，使用时产生的有机挥发气体会对环境带来危害。这些不足都限制了进一步开发出环保高性能的电热涂料。
MXene作为一种型的二维材料，尤其是应用广泛的Ti3C2Tx、Ti2CTx及Ti3CNTx，其展现出超高的导电性。同时通过湿化学法制备的此类MXene纳米片表面含有-OH、＝O及-F等端基，这些官能团的存在不仅赋予了MXene在水及许多极性溶剂中优异的分散性能，而且可以与聚氨酯、聚丙烯酸酯及环氧树脂等高分子形成氢键相互作用。选用合适的水性树脂与MXene复合可得到环保的水性电热涂料，同时还可以使MXene与高分子发生组装获得稳定均一的电热涂料，因此MXene在导电涂料领域拥有广阔的应用前景。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种MXene基水性纳米电热复合涂料及制备方法，以MXene为导电填料，水性高分子为树脂基体，并通过MXene纳米片与高分子的氢键相互作用组装可得到电阻率可调控的环保电热涂料。
技术方案
一种MXene基水性纳米电热复合涂料，其特征在于:以MXene为导电填料，水性高分子为树脂基体，导电填料与水性高分子以质量比60:40～95:5范围内的任意比例混合。
所述MXene为：Ti3C2Tx、Ti2CTx或Ti3CNTx中的一种或几种的任意比例混合；其中：Tx代表-F，-OH及＝O。
所述水性高分子包括但不限于为：水性聚氨酯、水性聚丙烯酸酯或水性环氧树脂的一种或几种的任意比混合。
一种所述MXene基水性纳米电热复合涂料的制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将水性高分子用水稀释成质量分数为1％～30％的水性树脂乳液；
步骤2：将MXene配制成质量分数为0.01％～5％的水分散液；
步骤3：将MXene分散液加入到水性树脂乳液中，持续搅拌2-8h使水性树脂充分吸附在MXene纳米片上；
步骤4：再加入占树脂质量分数0.1-3％的极性有机溶剂，继续搅拌0.5-1h，最终制备成树脂与MXene质量比为9.7:0.3～4:6的复合导电涂料。
所述步骤3是：以500～5000rpm的速度搅拌水性树脂乳液时加入MXene分散液。
所述极性溶剂包括但不限于丁酮、乙酸乙酯、二乙二醇单丁醚、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)中的一种或者几种的任意比例混合。
一种所述的MXene基水性纳米电热复合涂料的使用方法，其特征在于：将电热涂料涂覆于目标基材时的施工方法包括但不限于喷涂、浸涂、辊涂或者滴涂。
有益效果
本发明提出的一种MXene基水性纳米电热复合涂料及制备方法，通过使用可水分散的MXene纳米片为导电填料，将水性聚氨酯、水性聚丙烯酸酯或水性环氧树脂和MXene分别配制成一定质量分数的水分散液，按预先设定好的水性树脂与MXene质量比，在搅拌作用下向水性树酯中加入MXene分散液，持续搅拌使得水性树脂大分子充分且均匀地吸附在MXene纳米片上，从而获得水性树脂酯-MXene纳米电热复合涂料。所制备的涂料可以通过喷涂、浸涂、辊涂或者滴涂等方法施工，此涂料具有优异的电热性能和加热可调控性能，其粘附力强且具备良好的柔韧性，电阻率可按需调控，所需电压低，升温速率快，使用不受基材表面形貌限制，适用面广阔。
本发明的有益效果：通过选用可以水分散的MXene纳米片为导电填料，以水性高分子为树脂基体，制备出了一种环境友好型的电热涂料。此材料不仅弥补了传统电热丝加热不均匀及无法在小型、异形部件上使用的不足。本发名所制备的电热涂料电导率可高达10000S/m,克服了传统碳纳米填料和金属填料无法制备高导电性电热涂料缺点(不超过1000S/m)。基于水性树脂与MXene之间的氢键相互作用，所获得的电热涂料稳定均一，且涂料干燥后涂层附着力强、柔韧性佳。只改变导电填料MXene在涂料中的含量，即可方便简洁地调节涂料的导电性，根据不同的使用需要其导电性可在。复合涂料的使用方法多样，可以根据不同的基材选择不同的施工方法和涂层的厚度，适用面十分广泛。所得涂层电加热响应速度快(在10s内可以加热到温度阈值)，所需电压低，安全节能。
附图说明
图1是水性聚氨酯-Ti3C2Tx MXene(质量比8:2)电热涂料的照片
图2是将水性聚氨酯/水性聚丙烯酸(质量比9:1)-Ti3C2Tx MXene(树脂与MXene质量比7:3)的电热涂料滴涂于涤纶薄膜表面，涂料干燥后涂层在外加10V直流电压下的电加热红外照片。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
实施例1：将水性聚氨酯用水稀释成质量分数为20％的乳液；将Ti3C2Tx MXene配制成质量分数为2％的水分散液；将水性聚氨酯与Ti3C2Tx MXene质量比设定为8：2；以3000rpm的速度搅拌水性聚氨酯乳液，随之将Ti3C2Tx MXene分散液加入到水性聚氨酯乳液中，持续搅拌5h使水性聚氨酯充分吸附在Ti3C2Tx MXene纳米片上；向上述复合分散液中加入0.5％(占树脂质量分数)的丁酮和1％(占树脂质量分数)的二乙二醇单丁醚，继续搅拌0.5h即得到复合导电涂料；取适量导电复合涂料喷涂于铝合金表面，室温干燥24h即可。
实施例2：将水性聚氨酯和水性聚丙烯酸酯分别用水稀释成质量分数为30％的乳液；将两种水性乳液以质量比9:1混合均匀；将Ti3C2Tx MXene配制成质量分数为5％的水分散液；将水性树脂酯与Ti3C2Tx MXene质量比设定为7：3；以3500rpm的速度搅拌水性聚氨酯/水性聚丙烯酸酯混合乳液，随之将Ti3C2Tx MXene分散液加入到水性聚氨酯/水性聚丙烯酸酯混合乳液中，持续搅拌3h使水性聚氨酯/水性聚丙烯酸酯充分吸附在Ti3C2Tx MXene纳米片上；向上述复合分散液中加入0.5％(占树脂质量分数)的乙酸乙酯、0.5％(占树脂质量分数)的NMP和0.5％(占树脂质量分数)的二乙二醇单丁醚，继续搅拌1h即得到复合导电涂料；取适量电热涂料滴涂于涤纶薄膜表面，置于60℃烘箱热风烘干2小时即可。
实施例3：将水性聚氨酯、水性聚丙烯酸酯和水性环氧树脂分别用水稀释成质量分数为30％、30％和10％的乳液；将三种水性乳液以质量比5:3:2混合均匀；将Ti3C2Tx MXene和Ti3CNTx MXene分别配制成质量分数为3％和2％的水分散液；将两种MXene以质量比9:1混合均匀；将水性树脂酯与MXene质量比设定为9：1；以5000rpm的速度搅拌水性混合乳液，随之将MXene混合分散液加入到水性混合乳液中，持续搅拌2h使水性树脂充分吸附在MXene纳米片上；向上述复合分散液中加入0.5％(占树脂质量分数)的乙酸乙酯和1％(占树脂质量分数)的DMF，继续搅拌0.5h即得到复合导电涂料；取适量导电复合涂料喷涂于铝合金表面，置于70℃烘箱热风烘干2小时即可。
实施例4：将水性聚氨酯和水性环氧树脂分别用水稀释成质量分数为30％、30％的乳液；将两种水性乳液以质量比8:2混合均匀；将Ti3C2Tx MXene和Ti2CTx MXene分别配制成质量分数为5％和5％的水分散液；将两种MXene以质量比3:2混合均匀；将水性树脂酯与MXene质量比设定为8：2；以2000rpm的速度搅拌水性混合乳液，随之将MXene混合分散液加入到水性混合乳液中，持续搅拌6h使水性树脂充分吸附在MXene纳米片上；向上述复合分散液中加入0.5％(占树脂质量分数)的乙酸乙酯和1％(占树脂质量分数)的二乙二醇单丁醚，继续搅拌1h即得到复合导电涂料；取适量导电复合涂料喷浸涂与塑料螺杆上，置于80℃烘箱热风烘干1小时即可。
实施例5：将水性聚氨酯和水性聚丙烯酸酯分别用水稀释成质量分数为20％、30％的乳液；将两种水性乳液以质量比6:4混合均匀；将Ti3C2Tx MXene、Ti3CNTx MXene和Ti2CTxMXene分别配制成质量分数为3％、2％和5％的水分散液；将三种MXene以质量比6:2:2混合均匀；将水性树脂酯与MXene质量比设定为8.5:1.5；以1000rpm的速度搅拌水性混合乳液，随之将MXene混合分散液加入到水性混合乳液中，持续搅拌7h使水性树脂充分吸附在MXene纳米片上；向上述复合分散液中加入0.5％(占树脂质量分数)的乙酸乙酯、0.5(占树脂质量分数)的NMP和0.5％(占树脂质量分数)的二乙二醇单丁醚，继续搅拌1h即得到复合导电涂料；取适量导电复合涂料辊涂于聚甲基丙烯酸有机玻璃板上，置于50℃烘箱热风烘干3小时即可。
表1是不同质量比水性聚氨酯-Ti3C2Tx MXene的电导率结果
Figure BDA0002914607220000061

Claims (7)

1.一种MXene基水性纳米电热复合涂料，其特征在于:以MXene为导电填料，水性高分子为树脂基体，导电填料与水性高分子以质量比60:40～95:5范围内的任意比例混合。
2.根据权利要求1所述MXene基水性纳米电热复合涂料，其特征在于：所述MXene为：Ti3C2Tx、Ti2CTx或Ti3CNTx中的一种或几种的任意比例混合；其中：Tx代表-F，-OH及＝O。
3.根据权利要求1所述MXene基水性纳米电热复合涂料，其特征在于：所述水性高分子包括但不限于为：水性聚氨酯、水性聚丙烯酸酯或水性环氧树脂的一种或几种的任意比混合。
4.一种权利要求1～3任一项所述MXene基水性纳米电热复合涂料的制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将水性高分子用水稀释成质量分数为1％～30％的水性树脂乳液；
步骤2：将MXene配制成质量分数为0.01％～5％的水分散液；
步骤3：将MXene分散液加入到水性树脂乳液中，持续搅拌2-8h使水性树脂充分吸附在MXene纳米片上；
步骤4：再加入占树脂质量分数0.1-3％的极性有机溶剂，继续搅拌0.5-1h，最终制备成树脂与MXene质量比为9.7:0.3～4:6的复合导电涂料。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤3是：以500～5000rpm的速度搅拌水性树脂乳液时加入MXene分散液。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述极性溶剂包括但不限于丁酮、乙酸乙酯、二乙二醇单丁醚、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)中的一种或者几种的任意比例混合。
7.一种权利要求1所述的MXene基水性纳米电热复合涂料的使用方法，其特征在于：将电热涂料涂覆于目标基材时的施工方法包括但不限于喷涂、浸涂、辊涂或者滴涂。
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