CN108793820A - 一种建筑取暖用含石墨烯的发热板材及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种建筑取暖用含石墨烯的发热板材及制备方法。将硫酸铝溶液、硅酸液、羟基化处理的无机纤维、氧化石墨烯、还原剂混合，制得石墨烯包覆无机纤维导电材料，接着与竹木粉、聚丙烯、偶联剂、润滑剂、色母粒混合,进行挤出，即得取暖用发热板材。该方法通过氧化石墨烯与硫酸铝溶液、硅酸液辅助包覆羟基化处理的无机纤维，进而与木粉、聚丙烯等共挤时硫酸铝膨胀并变成海绵状物质，将石墨烯包覆的无机纤维均匀分散形成网络状的发热板材。

Description

一种建筑取暖用含石墨烯的发热板材及制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料领域，具体涉及发热板材的制备，特别是涉及一种建筑取暖用含石墨烯的发热板材及制备方法。

背景技术

随着人们生活水平的提高，对居住环境的舒适要求越来越高，空调、取暖器等取暖设备不能满足人们的需求，地热取暖方式已经被消费者普遍接受，因此对导电发热材料的要求越来越高，随着对环保要求的进一步提高，传统的使用燃油、燃气、燃煤的供暖方式消耗大量的能源并产生大量的污染物，且热转换效率较低，其中导电发热复合板材领域主要起到导电发热的作用，越来越受到人们欢迎。

常规的导电发热材料是将导电发热填料涂布在塑料膜、布或纸张上，或吸附在布或纸张上，其中石墨烯是较为常见的导电发热填料。石墨烯时已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300W/m•K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm²/V•s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10^-8Ω•m，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料，成为导电发热材料领域的研究热点。

中国发明专利申请号201510226619.9公开了一种用导电发热胶膜制成的导电发热复合板材和制备方法及其制品，制备步骤如下：将导电发热填料、聚丙烯树脂、乙烯共聚物、分散剂、抗氧化剂在混合装置中进行充分混合，得到以上材料的共聚物；将上述得到的共聚物放入造粒装置中进行造粒，得到树脂颗粒；将上述得到的树脂颗粒放入成膜装置，得到导电发热胶膜。

中国发明专利申请号201710515218.4公开了一种石墨烯银纳米线复合柔性可折叠导电发热布及其制备方法，其是由导电发热浆料通过流延法成膜制得，其中导电发热浆料的原料包括银纳米线分散液、石墨烯粉体、炭黑、水性聚氨酯树脂、水性环氧树脂、水性丙烯酸树脂、水、分散剂及固化剂己二胺。

中国发明专利申请号201710401642.6公开了一种石墨烯复合纤维远红外负离子柔性导电发热板及制作工艺。该导电发热板包括热熔胶膜、发热芯、装饰层、平衡层，具体结构如下：平衡层的顶部设置热熔胶膜，热熔胶膜的顶部设置发热芯，发热芯的顶部设置热熔胶膜，热熔胶膜的顶部设置装饰层，发热芯为石墨烯纳米远红外负离子复合纤维导电发热膜。

中国发明专利申请号201510646949.3公开了一种导电发热材料的制造技术，具体地说是一种高导电石墨烯碳纤维导电纸及其制备方法。该发明包括短切碳纤维、涤纶超短纤维、石墨烯粉、木浆纤维，将上述材料经过渗透化处理、疏解分散、开浆处理、混合以及抄纸制造得到高导电石墨烯碳纤维导电纸。

根据上述，现有方案中用于发热材料的将导电发热填料涂层，在使用于复合材料时需要另外施胶，无法长期保持发热均匀，导电涂层易脱落，发热不均匀，使用安全性差。鉴于此，本发明提出了一种建筑取暖用含石墨烯的发热板材及制备方法，可有效解决上述技术问题。

发明内容

针对目前应用较广的导电发热材料存在导电涂层易脱落、发热不均匀等缺陷，本发明提出一种建筑取暖用含石墨烯的发热板材及制备方法，从而有效实现了导电纤维的安全、稳定，并且发热稳定，应用前景好。

本发明涉及的具体技术方案如下：

一种建筑取暖用含石墨烯的发热板材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将硫酸铝溶液、硅酸液与羟基化处理的无机纤维混合，使硫酸铝、硅酸液吸附于无机纤维表面，再加入氧化石墨烯混合，使氧化石墨烯包覆在改性无机纤维表面，然后加入还原剂，使氧化石墨烯还原为石墨烯，干燥，制得石墨烯包覆无机纤维导电材料；

（2）将步骤（1）制得的石墨烯包覆无机纤维导电材料与竹木粉、聚丙烯、偶联剂、润滑剂、色母粒混合，加入挤出机中，进行挤出成型，得到建筑取暖用发热板材。

步骤（1）所述无机纤维为玻璃纤维、硼纤维、石英纤维、硅酸钙纤维中的至少一种。羟基化处理的无机纤维是采用有机酸为改性剂，与无机纤维采用超声波处理后，使表面具有羟基特性的无机纤维。其更有利于硅酸将石墨烯粘附在其表面。

步骤（1）所述还原剂为水合肼、苯肼、对甲基磺酰肼中的至少一种。

步骤（1）所述各原料的重量份为，硫酸铝溶液4~6重量份、硅酸液1-2重量份、无机纤维77~85重量份、氧化石墨烯10~15重量份、还原剂1~2重量份；其中硫酸铝溶液的质量浓度为8%；硅酸液的质量浓度为25%。

步骤（2）中，各原料按重量份计为：石墨烯包覆无机纤维导电材料20~30重量份、竹木粉5~10重量份、聚丙烯38~61重量份、偶联剂1~2重量份、润滑剂1~3重量份、色母粒0.1-0.2重量份。

步骤（2）所述偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷中的至少一种；所述润滑剂为硅油、脂肪酸酰胺、油酸中的至少一种。

色母料根据具体的颜色需求选择添加，如铁红母料、钻蓝母料、草绿母料等。

本发明还提供一种上述制备方法制备得到的建筑取暖用含石墨烯的发热板材。先利用硫酸铝溶液和硅酸溶液处理羟基化的无机纤维。进一步将氧化石墨烯粘附在无机纤维表面进行改性，经还原得到导电复合纤维。特别是硫酸铝粘附于无机纤维的表面，进而与木粉、聚丙烯等共挤时硫酸铝在高温下膨胀并变成海绵状物质，将石墨烯包覆的无机纤维均匀分散，并促进板材形成网络状的发热板材。该板材可以用于建筑拼装于墙面后通电即可达到取暖效果，安全、稳定、发热均匀。

本发明提供了一种建筑取暖用含石墨烯的发热板材及制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：

1、提出以氧化石墨烯与硫酸铝、硅酸包覆改性无机纤维制备建筑取暖用含石墨烯的发热板材的方法。

2、通过氧化石墨烯与硫酸铝结合包覆改性无机纤维，挤时硫酸铝在高温下膨胀并变成海绵状物质，将石墨烯包覆的无机纤维均匀分散，并促进板材形成网络状的发热板材。

3、本发明制得的发热板材安装后，通电即可达到良好的取暖效果，发热稳定，使用安全，应用前景好。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。

实施例1

一种建筑取暖用含石墨烯的发热板材的制备方法，包括以下步骤：

（1）将硫酸铝溶液、硅酸液与羟基化处理的玻璃纤维混合，使硫酸铝、硅酸液吸附于无机纤维表面，再加入氧化石墨烯混合，使氧化石墨烯包覆在改性无机纤维表面，然后加入还原剂，使氧化石墨烯还原为石墨烯，干燥，制得石墨烯包覆无机纤维导电材料；还原剂为水合肼；各原料的重量份为，硫酸铝溶液6重量份、硅酸液1重量份、无机纤维77重量份、氧化石墨烯10重量份、还原剂1重量份；其中硫酸铝溶液的质量浓度为8%；硅酸液的质量浓度为25%。

（2）将步骤（1）制得的石墨烯包覆无机纤维导电材料与竹木粉、聚丙烯、偶联剂、润滑剂、色母粒混合，加入锥形挤出机中，在220℃进行挤出成型，平压定型，得到建筑取暖用发热板材。所述偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷；所述润滑剂为脂肪酸酰胺；各原料按重量份计为：石墨烯包覆无机纤维导电材料25重量份、竹木粉10重量份、聚丙烯50重量份、偶联剂2重量份、润滑剂1重量份、色母粒0.1重量份。

测试方法为：

将实施例1得到的发热板材制成边长为50cm的正方形、厚度为0.5cm的试样板材，底层为隔热层，免测为绝缘层，接通电源采用500W功率进行加热，设置中心控制温度为36℃。分别测定试样中心点位置的中间温度、以及试样边缘的温度，衡量加热分布均匀性。以判断石墨烯网络分散的均匀性。如表1所示。

实施例2

一种建筑取暖用含石墨烯的发热板材的制备方法，包括以下步骤：

（1）将硫酸铝溶液、硅酸液与羟基化处理的硅酸钙纤维混合，使硫酸铝、硅酸液吸附于无机纤维表面，再加入氧化石墨烯混合，使氧化石墨烯包覆在改性无机纤维表面，然后加入还原剂，使氧化石墨烯还原为石墨烯，干燥，制得石墨烯包覆无机纤维导电材料；还原剂为水合肼；各原料的重量份为，硫酸铝溶液6重量份、硅酸液2重量份、无机纤维85重量份、氧化石墨烯15重量份、还原剂2重量份；其中硫酸铝溶液的质量浓度为8%；硅酸液的质量浓度为25%。

（2）将步骤（1）制得的石墨烯包覆无机纤维导电材料与竹木粉、聚丙烯、偶联剂、润滑剂、色母粒混合，加入锥形挤出机中，在260℃进行挤出成型，平压定型，得到建筑取暖用发热板材。所述偶联剂为乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷；所述润滑剂为油酸；各原料按重量份计为：石墨烯包覆无机纤维导电材料30重量份、竹木粉8重量份、聚丙烯55重量份、偶联剂2重量份、润滑剂1重量份、色母粒0.2重量份。

测试方法为：

将实施例2得到的发热板材制成边长为50cm的正方形、厚度为0.5cm的试样板材，底层为隔热层，免测为绝缘层，接通电源采用500W功率进行加热，设置中心控制温度为36℃。分别测定试样中心点位置的中间温度、以及试样边缘的温度，衡量加热分布均匀性。以判断石墨烯网络分散的均匀性。如表1所示。

实施例3

一种建筑取暖用含石墨烯的发热板材的制备方法，包括以下步骤：

（1）将硫酸铝溶液、硅酸液与羟基化处理的玻璃纤维混合，使硫酸铝、硅酸液吸附于无机纤维表面，再加入氧化石墨烯混合，使氧化石墨烯包覆在改性无机纤维表面，然后加入还原剂，使氧化石墨烯还原为石墨烯，干燥，制得石墨烯包覆无机纤维导电材料；还原剂为水合肼；各原料的重量份为，硫酸铝溶液4重量份、硅酸液1重量份、无机纤维77重量份、氧化石墨烯10重量份、还原剂1重量份；其中硫酸铝溶液的质量浓度为8%；硅酸液的质量浓度为25%。

（2）将步骤（1）制得的石墨烯包覆无机纤维导电材料与竹木粉、聚丙烯、偶联剂、润滑剂、色母粒混合，加入锥形挤出机中，在220℃进行挤出成型，平压定型，得到建筑取暖用发热板材。所述偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷；所述润滑剂为肪酸酰胺；各原料按重量份计为：石墨烯包覆无机纤维导电材料20重量份、竹木粉10重量份、聚丙烯38重量份、偶联剂1重量份、润滑剂1重量份、色母粒0.1重量份。

测试方法为：

将实施例3得到的发热板材制成边长为50cm的正方形、厚度为0.5cm的试样板材，底层为隔热层，免测为绝缘层，接通电源采用500W功率进行加热，设置中心控制温度为36℃。分别测定试样中心点位置的中间温度、以及试样边缘的温度，衡量加热分布均匀性。以判断石墨烯网络分散的均匀性。如表1所示。

实施例4

一种建筑取暖用含石墨烯的发热板材的制备方法，包括以下步骤：

（1）将硫酸铝溶液、硅酸液与羟基化处理的硅酸钙纤维混合，使硫酸铝、硅酸液吸附于无机纤维表面，再加入氧化石墨烯混合，使氧化石墨烯包覆在改性无机纤维表面，然后加入还原剂，使氧化石墨烯还原为石墨烯，干燥，制得石墨烯包覆无机纤维导电材料；还原剂为水合肼；各原料的重量份为，硫酸铝溶液6重量份、硅酸液2重量份、无机纤维85重量份、氧化石墨烯15重量份、还原剂2重量份；其中硫酸铝溶液的质量浓度为8%；硅酸液的质量浓度为25%。

（2）将步骤（1）制得的石墨烯包覆无机纤维导电材料与竹木粉、聚丙烯、偶联剂、润滑剂、色母粒混合，加入锥形挤出机中，在250℃进行挤出成型，平压定型，得到建筑取暖用发热板材。所述偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷；所述润滑剂为油酸；各原料按重量份计为：石墨烯包覆无机纤维导电材料30重量份、竹木粉5重量份、聚丙烯40重量份、偶联剂2重量份、润滑剂1重量份、色母粒0.1重量份。

测试方法为：

将实施例4得到的发热板材制成边长为50cm的正方形、厚度为0.5cm的试样板材，底层为隔热层，免测为绝缘层，接通电源采用500W功率进行加热，设置中心控制温度为36℃。分别测定试样中心点位置的中间温度、以及试样边缘的温度，衡量加热分布均匀性。以判断石墨烯网络分散的均匀性。如表1所示。

对比例1

一种建筑取暖用含石墨烯的发热板材的制备方法，包括以下步骤：

（1）将硅酸液与羟基化处理的硅酸钙纤维混合，使硅酸液吸附于无机纤维表面，再加入氧化石墨烯混合，使氧化石墨烯包覆在改性无机纤维表面，然后加入还原剂，使氧化石墨烯还原为石墨烯，干燥，制得石墨烯包覆无机纤维导电材料；还原剂为水合肼；各原料的重量份为，硅酸液2重量份、无机纤维85重量份、氧化石墨烯15重量份、还原剂2重量份；硅酸液的质量浓度为25%。

（2）将步骤（1）制得的石墨烯包覆无机纤维导电材料与竹木粉、聚丙烯、偶联剂、润滑剂、色母粒混合，加入锥形挤出机中，在250℃进行挤出成型，平压定型，得到建筑取暖用发热板材。所述偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷；所述润滑剂为油酸；各原料按重量份计为：石墨烯包覆无机纤维导电材料30重量份、竹木粉5重量份、聚丙烯40重量份、偶联剂2重量份、润滑剂1重量份、色母粒0.1重量份。

对比例1未使用硫酸铝处理无机纤维，因此负载石墨烯的无机纤维在热挤出板材时没有膨胀，无机纤维的分散性有所降低，致使加热均匀性受限。

测试方法为：

将对比例1得到的发热板材制成边长为50cm的正方形、厚度为0.5cm的试样板材，底层为隔热层，免测为绝缘层，接通电源采用500W功率进行加热，设置中心控制温度为36℃。分别测定试样中心点位置的中间温度、以及试样边缘的温度，衡量加热分布均匀性。以判断石墨烯网络分散的均匀性。如表1所示。

表1：

Claims (7)

1.一种建筑取暖用含石墨烯的发热板材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将硫酸铝溶液、硅酸液与羟基化处理的无机纤维混合，使硫酸铝、硅酸液吸附于无机纤维表面，再加入氧化石墨烯混合，使氧化石墨烯包覆在改性无机纤维表面，然后加入还原剂，使氧化石墨烯还原为石墨烯，干燥，制得石墨烯包覆无机纤维导电材料；

（2）将步骤（1）制得的石墨烯包覆无机纤维导电材料与竹木粉、聚丙烯、偶联剂、润滑剂、色母粒混合，加入挤出机中，进行挤出成型，得到建筑取暖用发热板材。

2.根据权利要求1所述一种建筑取暖用含石墨烯的发热板材的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述无机纤维为玻璃纤维、硼纤维、石英纤维、硅酸钙纤维中的至少一种。

3.根据权利要求1所述一种建筑取暖用含石墨烯的发热板材的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述还原剂为水合肼、苯肼、对甲基磺酰肼中的至少一种。

4.根据权利要求1所述一种建筑取暖用含石墨烯的发热板材的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述各原料的重量份为，硫酸铝溶液4~6重量份、硅酸液1-2重量份、无机纤维77~85重量份、氧化石墨烯10~15重量份、还原剂1~2重量份；其中硫酸铝溶液的质量浓度为8%；硅酸液的质量浓度为25%。

5.根据权利要求1所述一种建筑取暖用含石墨烯的发热板材的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，各原料按重量份计为：石墨烯包覆无机纤维导电材料20~30重量份、竹木粉5~10重量份、聚丙烯38~61重量份、偶联剂1~2重量份、润滑剂1~3重量份、色母粒0.1-0.2重量份。

6.根据权利要求1所述一种建筑取暖用含石墨烯的发热板材的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷中的至少一种；所述润滑剂为硅油、脂肪酸酰胺、油酸中的至少一种。

7.权利要求1~6任一项所述制备方法制备得到的一种建筑取暖用含石墨烯的发热板材。