CN114316769B

CN114316769B - 石墨烯ptc电热膜浆料及其制备方法和电热膜

Info

Publication number: CN114316769B
Application number: CN202111672355.1A
Authority: CN
Inventors: 丁圣泽; 金莲今
Original assignee: Henze Hanli Graphene Application Technology Wuxi Co ltd
Current assignee: Henze Hanli Graphene Application Technology Wuxi Co ltd
Priority date: 2021-12-31
Filing date: 2021-12-31
Publication date: 2023-04-21
Anticipated expiration: 2041-12-31
Also published as: CN114316769A

Abstract

本发明公开了一种石墨烯PTC电热膜浆料及其制备方法和电热膜，石墨烯PTC电热膜浆料包括以下重量份的组分：石墨烯A 0.5‑2份、石墨烯B 0.1‑0.5份、树脂15‑35份、填料A 15‑35份、填料B 5‑10份、分散剂0.5‑2份、附着力促进剂0.1‑0.5份、定向稳定剂0.1‑0.5份以及溶剂14.25‑63.65份；其中，填料B由随温度升高电阻增大的导电材料制成；石墨烯PTC电热膜浆料具有良好的储存稳定性、导热性、发热均匀性、正温度系数效应以及发热稳定性，综合提高电热膜性能，进而提高电热膜的使用寿命和使用时的安全性。

Description

石墨烯PTC电热膜浆料及其制备方法和电热膜

技术领域

本发明涉及石墨烯电热膜材料技术领域，具体涉及一种石墨烯PTC电热膜浆料及其制备方法和电热膜。

背景技术

石墨烯(Graphene)是一种以sp²杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料；石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。

普通的电热膜以碳晶电热膜为主，碳晶电热膜发热均匀度有一定问题，耐久性一般，使用寿命通常只有3-5年，核心原因还是在于电热膜浆料的问题。

发明内容

本发明针对现有普通的电热膜存在的使用寿命短的问题，提供一种石墨烯PTC电热膜浆料及其制备方法和电热膜。

本发明的技术方案如下：一种石墨烯PTC电热膜浆料，包括以下重量份的组分：发热石墨烯0.6-2.5份、树脂15-35份、填料A 15-35份、填料B 5-10份、分散剂0.5-2份、附着力促进剂0.1-0.5份、定向稳定剂0.1-0.5份以及溶剂14.25-63.65份；

其中，填料B由随温度升高电阻增大的导电材料制成。

本发明中，石墨烯可改善电热膜浆料储存稳定性，提高其导热性，制备的石墨烯电热膜发热均匀，可综合提高电热膜性能，进而提高电热膜的使用寿命；

定向稳定剂能有效防止浆料中填料、尤其石墨烯的沉降，提高体系稳定性，及电热膜稳定性，提高电热膜的使用寿命；

石墨烯是片状的，定向稳定剂可同时提高浆料干燥过程中各填料、尤其石墨烯的定向排列效果，使各填料、石墨烯在一个方向上排列整齐，石墨烯及片状填料平行于面层排列，颗粒状填料定向排列，在形成更均匀更有效的导热网络的基础上，进一步提升电热膜整体的发热性能；良好的平行排列使电荷运行更顺畅，有效降低电热膜衰减率，进一步提高电热膜的使用寿命。

本发明中，通过填料B来实现正温度系数效应，随着电热膜温度上升，填料B自身电阻值逐步变高，在特定温度以上，高电阻使电荷移动减少，加热量相应减少；温度降低自身电阻值相应变低，电荷移动量随之增加，加热量相应增加，能有效提升体系稳定性，保证了电热膜PTC效应的时效性及电热膜使用寿命；PTC效应能有效防止整体电热膜过热问题，及因覆盖物导致的局部过热问题，自限温防止过热，由此相应的电热膜、地暖、加热场景的安全可靠节能。

作为优选地，所述定向稳定剂为乙烯-醋酸乙烯共聚物(如：LRH668)、聚醚有机硅(如：RKZ3001)、聚乙烯蜡(如：德谦201P)以及聚酰胺蜡(如：德谦229)、定向树脂(如树脂AK-160、树脂B-864)中至少一种。

作为优选地，所述发热石墨烯包括以下重量份的组分：石墨烯A 0.5-2份和石墨烯B 0.1-0.5份，其中石墨烯A的粒径大于石墨烯B的粒径；

本发明中，两种石墨烯中，石墨烯A粒径大，石墨烯B粒径小，均匀分散在电热膜浆料中，在制备的石墨烯电热膜中大小粒径的石墨烯牢牢填充了整个面层，使其中的各导电粒子能形成更均匀更有效的导热网络，提高发热稳定性，有效降低电热膜衰减率，提高电热膜的使用寿命。

作为优选地，所述石墨烯A中D90≤6μm，800nm≤D50≤2μm，所述石墨烯A的层数＜5；所述石墨烯B中D90≤2μm，200nm≤D50≤800nm，所述石墨烯B的层数＜5；石墨烯A和石墨烯B均可由各种物理法或化学法生产得到，物理法如液相剥离法生产石墨烯，化学法如氧化还原法生产石墨烯。

作为优选地，所述填料B为锰粉、铁粉、镍粉、铜粉、锡粉、锌粉、钨粉及其氧化物中的至少一种。

作为优选地，所述树脂为聚氨酯树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂、聚酯树脂、乙烯-丙烯酸共聚物、乙烯-丙烯酸乙脂共聚物、乙烯-丙烯酸丁酯共聚物、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、聚氧化乙烯以及氨基甲酸乙酯树脂中至少一种。

作为优选地，所述填料A为石墨、导电炭黑以及碳纳米管中至少一种。

作为优选地，所述分散剂为烷基苯磺酸钠(如：十二烷基苯磺酸钠)、烷基磺酸钠(如：十二烷基磺酸钠)、烷基硫酸钠(如：十二烷基硫酸钠)、聚乙烯醇、含颜料亲和基团的高分子型分散剂(如：BYK161、BYK163、BYK-167)、高分子量分散剂(例：Afcona4010、Afcona4000、Afcona4401)、低分子量分散剂(如：AKN2211、BYK111)、共聚物分散剂(如：Afcona5008、Afcona5280、Afcona5285)、改性类分散剂(如：Afcona5210、Afcona5251、Afcona6220)以及盐类分散剂(如：Afcona5009、Afcona5044)中至少一种；

优选地，所述附着力促进剂为偶联剂(如：硅烷偶联剂，钛酸酯偶联剂，铝酸酯偶联剂、磷酸酯偶联剂)、极性聚酯聚合物(如：KMT-9000)、小分子有机硅化合物(如：KMT-9713)、环氧磷酸酯聚合物(如：BETTERSOL 7277)、改性聚酯类(例：迪高LTH)以及改性丙烯酸类(例：

FM135)中至少一种。

优选地，所述溶剂为乙醇、丙酮、四氢呋喃、乙二醇、二乙二醇、丙二醇、丙三醇、二甲苯、三甲苯、正丁醇、乙酸乙酯、乙酸丁酯、异丙醇、正丁醇、异辛醇、环己酮、乙二醇丁醚醋酸酯、丙二醇甲醚醋酸酯以及高沸点溶剂(如：DBE)中至少一种；

本发明还公开了一种所述石墨烯PTC电热膜浆料的制备方法，包括以下步骤：

将发热石墨烯、部分分散剂、部分附着力促进剂、部分定向稳定剂以及部分溶剂混合且分散得到石墨烯预分散液；

将树脂、填料、剩余分散剂、剩余附着力促进剂、剩余定向稳定剂以及剩余溶剂混合后进行研磨分散得到浆料中间体；

将所述石墨烯预分散液加入到所述浆料中间体中且混合，即得所述石墨烯PTC电热膜浆料。

如果制备方法过程中采用一般石墨烯，将石墨烯A和石墨烯B替换成相应的石墨烯即可。

本发明还公开了一种电热膜，由所述石墨烯PTC电热膜浆料涂覆或印刷在基材表面后两侧加上电极制成；电热膜使用时直接通电施加电压即可发热，所述电压为5-250V。

优选地，所述基材为无机非金属材(如：云母板、大理石板)、高分子基材(如：PET膜、PI膜、环氧树脂板)中一种。

本发明的有益效果：石墨烯PTC电热膜浆料具有良好的储存稳定性、导热性、发热均匀性、正温度系数效应以及发热稳定性，综合提高电热膜性能，进而提高电热膜的使用寿命和使用时的安全性。

附图说明

图1为本发明制备石墨烯PTC电热膜的工艺流程图。

具体实施方式

以下各实施例或对比例中，石墨烯A和石墨烯B均是由氧化还原法制备得到，由于氧化还原法制备石墨烯是现有的技术，此处不再详细阐述；其中，石墨烯A满足D90≤6μm，800nm≤D50≤2μm，石墨烯A的层数为4层；石墨烯B满足D90≤2μm，200nm≤D50≤800nm，石墨烯B的层数为3层。

实施例1

本实施例提供一种石墨烯PTC电热膜浆料，包括如表1所示的重量份组分。

表1

原料	重量份
		石墨烯A	0.5
石墨烯B	0.1
		树脂	15
填料A	15
		填料B	5
分散剂	0.5
		附着力促进剂	0.1
定向稳定剂	0.1
		溶剂	63.7

石墨烯PTC电热膜浆料的制备，其特征在于包括以下步骤：

(1)石墨烯预分散液：将石墨烯A、石墨烯B、分散剂十二烷基苯磺酸钠0.2份、附着力促进剂硅烷偶联剂KH550的0.03份、定向稳定剂乙烯-醋酸乙烯共聚物复合物LRH6680.07份、溶剂乙醇40份进行石墨烯的预分散；

(2)浆料中间体的制备：将树脂聚氨酯树脂、填料A石墨、填料B锰粉、剩余分散剂十二烷基苯磺酸钠0.3份、剩余附着力促进剂硅烷偶联剂KH550 0.07份、剩余定向稳定剂乙烯-醋酸乙烯共聚物复合物LRH668 0.03份、剩余溶剂乙醇23.7份进行研磨分散，研磨刮板细度≤10μm；

(3)石墨烯PTC电热膜浆料的制备：将石墨烯预分散液加入到浆料中间体中制备石墨烯PTC电热膜浆料。

将石墨烯PTC电热膜浆料涂覆或印刷在无机非金属基材云母板表面，两侧加上电极，再制备成相应的电热膜，通电施加电压250V即可发热。

实施例2

本实施例提供一种石墨烯PTC电热膜浆料，包括如表2所示的重量份组分。

表2

石墨烯PTC电热膜浆料的制备，其特征在于包括以下步骤：

(1)石墨烯预分散液：将石墨烯A、石墨烯B、分散剂BYK161 1份、附着力促进剂KMT-9000 0.2份、定向稳定剂聚醚有机硅RKZ3001 0.4份、溶剂丙酮4.5份进行石墨烯的预分散；

(2)浆料中间体的制备：将树脂丙烯酸树脂、填料A导电炭黑、填料B氧化锡、剩余分散剂Afcona4010 1份、剩余附着力促进剂KMT-9713 0.3份、剩余定向稳定剂201P 0.1份、剩余溶剂二甲苯10份进行研磨分散，研磨刮板细度≤10μm；

将石墨烯PTC电热膜浆料涂覆或印刷在高分子基材环氧树脂板表面，两侧加上电极，再制备成相应的电热膜，通电施加电压5V即可发热。

实施例3

本实施例提供一种石墨烯PTC电热膜浆料，包括如表3所示的重量份组分。

表3

石墨烯PTC电热膜浆料的制备，其特征在于包括以下步骤：

(1)石墨烯预分散液：将石墨烯A、石墨烯B、分散剂十二烷基磺酸钠0.5份、Afcona5008 0.5份、附着力促进剂钛酸酯偶联剂101 0.2份、定向稳定剂聚酰胺蜡229 0.3份、定向稳定剂201P 0.03份、溶剂四氢呋喃5份、乙二醇10份进行石墨烯的预分散；

(2)浆料中间体的制备：将聚酯树脂20份、乙烯醋酸乙烯酯共聚物5份、填料A石墨26份、碳纳米管4份、填料B锡粉5.5份、氧化锌粉1.5份、剩余分散剂AKN2211 0.5份、剩余附着力促进剂钛酸酯偶联剂101 0.1份、BETTERSOL 7277 0.1份、剩余定向稳定剂聚酰胺蜡229 0.02份、剩余溶剂三甲苯2份、乙酸乙酯15份、乙酸丁酯2.55份进行研磨分散，研磨刮板细度≤10μm；

将石墨烯PTC电热膜浆料涂覆或印刷在高分子基材PET膜表面，两侧加上电极，再制备成相应的电热膜，通电施加电压220V即可发热。此电热膜功率制备为220W/㎡。

对比例1

与实施例3相比，本对比例中缺少定向稳定剂，涂覆或印刷在高分子基材PET膜表面，此电热膜功率制备为220W/m²。

对比例2

与实施例3相比，只加石墨烯A，缺少石墨烯B，缺少定向稳定剂；涂覆或印刷在高分子基材PET膜表面，此电热膜功率制备为220W/m²。

性能测试

一、现对实施例1-3得到的石墨烯电热膜，在稳定工作状态下，电热膜表面温度8个点的测试结果，结果如表4所示。

表4(单位℃)

项目	①	②	③	④	⑤	⑥	⑦	⑧
									实施例1	55.1	55.1	55.0	54.9	55.1	54.9	55.1	55.0
实施例2	58.0	58.1	58.1	58.0	57.9	57.9	58.1	58.0
									实施例3	60.9	61.0	61.1	61.0	61.1	60.9	60.9	61.1

由表4可知，实施例1-3制备得到的石墨烯PTC电热膜发热均匀且温度较低。

二、使用寿命的测试

将实施例3、对比例1-2以及市场HG石墨烯PTC电热膜功率进行加速老化实验对比，电压300V通电360h、720h、1080h、1440h，电热膜功率变化结果如表5所示。

注：电压300V通电360h，电热膜功率正负偏差不超过10％，换算为在电压220V通电正常工作30000h，后面以此类推。

表5(单位W/m²)

由表5可知，由实施例3和对比例1相比，虽然360h时的电热膜功率相差不大，但是随着时间的增加，对比例1的电热膜的功率衰减速度明显大于实施例3，说明添加定向稳定剂能够明显降低功率的衰减速度，从而延长使用寿命。

三、石墨烯电热膜的耐高低温循环性能

因为石墨烯电热膜经常用于电地暖领域，在实际使用过程中，石墨烯电地暖加热快，即开即用，可分区、分房间控制，因此受到消费者的青睐，但是采暖季，石墨烯电地暖应用环境存在低温环境，北方冬天普遍在-10℃～-20℃，南方也普遍在0℃左右，存在高温和低温交替等环境；因此需测试本发明提供的石墨烯浆料制备得到的石墨烯电热膜的耐高低温循环性能。

将实施例3制备得到的石墨烯PTC电热膜进行高低温循环处理，即在90℃温度的环境中放置8h，再在-40℃温度的环境中放置16h，这样处理称为一个循环；处理若干个循环后测试其功率的变化，结果如表6所示。

表6

由表6可知，在高低温交替循环，随着循环次数的增加，功率有所下降，但是下降速率很慢，说明本发明公开的石墨烯电热膜的使用寿命长。

四、防过热性能测试

将本发明实施例3制备得到的石墨烯PTC电热膜浆料和市场普通石墨烯电热膜通电后，电热膜功率对比，结果如表7所示。

表7(单位W/㎡)

项目	10℃	20℃	30℃	40℃	50℃	60℃
							实施例3	220	211	193	182	169	158
市场石墨烯电热膜	220	220	219	217	218	219

由表7可知，添加填料B，填料B具有PTC效应，自限温防止过热。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1. 一种石墨烯PTC电热膜浆料，其特征在于，包括以下重量份的组分：发热石墨烯0.6-2.5份、树脂15-35份、填料A 15-35份、填料B 5-10份、分散剂0.5-2份、附着力促进剂0.1-0.5份、定向稳定剂0.1-0.5份以及溶剂14.25-63.65份；

所述发热石墨烯包括以下重量份的组分：石墨烯A 0.5-2份和石墨烯B 0.1-0.5份，其中石墨烯A的粒径大于石墨烯B的粒径；

所述石墨烯A中D90≤6µm，800nm≤D50≤2µm，所述石墨烯A的层数＜5；所述石墨烯B中D90≤2µm，200nm≤D50≤800nm，所述石墨烯B的层数＜5；

其中，填料B由随温度升高电阻增大的导电材料制成；

所述填料B为锰粉、或氧化锡、或锡粉与氧化锌粉；

所述定向稳定剂为乙烯-醋酸乙烯共聚物复合物LRH668、德谦229或德谦201P；

所述填料A为石墨和/或碳纳米管；

所述树脂为聚氨酯树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂、聚酯树脂、乙烯-丙烯酸共聚物、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物、乙烯-丙烯酸丁酯共聚物、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、聚氧化乙烯中至少一种。

2.根据权利要求1所述的石墨烯PTC电热膜浆料，其特征在于，所述分散剂为烷基苯磺酸钠、烷基磺酸钠、烷基硫酸钠、聚乙烯醇、共聚物分散剂中至少一种。

3.根据权利要求1所述的石墨烯PTC电热膜浆料，其特征在于，所述附着力促进剂为偶联剂、极性聚酯聚合物、小分子有机硅化合物、环氧磷酸酯聚合物、改性聚酯类以及改性丙烯酸类中至少一种。

4.根据权利要求1所述的石墨烯PTC电热膜浆料，其特征在于，所述溶剂为乙醇、丙酮、四氢呋喃、乙二醇、二乙二醇、丙二醇、丙三醇、二甲苯、三甲苯、正丁醇、乙酸乙酯、乙酸丁酯、异丙醇、异辛醇、环己酮、乙二醇丁醚醋酸酯、丙二醇甲醚醋酸酯中至少一种。

5.一种权利要求1-4任一项所述石墨烯PTC电热膜浆料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.一种电热膜，其特征在于，由权利要求1-4任一项所述的石墨烯PTC电热膜浆料涂覆或印刷在基材表面后两侧加上电极制成。

7.根据权利要求6所述的一种电热膜，其特征在于，所述基材为无机非金属基材、高分子基材中一种。