CN109370370A - 一种石墨烯发热涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石墨烯发热涂料及其制备方法。本发明包括按重量百分比计的以下组分：石墨烯2％‑7％，稀释剂20％‑40％，分散剂0.15％‑2％，环氧树脂20％‑40％，固化剂1.6％‑6.6％，填料10％‑50％，偶联剂0.2％‑1％，石墨烯发热涂料的细度为30‑60μm，固含量为30‑60％。本发明的石墨烯发热涂料具有优异的综合性能，对基材的附着力强，制备成发热膜后，可实现整体面发热，发热性能好，弯折性能强，工作寿命大幅度提升。本发明具有均匀的细度以及合适的固含量，制备成发热膜后，发热膜的外观好、单位涂覆面积较大、成本低。本发明通过简单的步骤即可生产并应用到发热膜的制备中。

Description

一种石墨烯发热涂料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种石墨烯发热涂料及其制备方法。

背景技术

沿长江以南地区的冬季取暖问题，一直困扰着政府以及广大民众。由于该类地区没有集中供热，多年来人们只能使用家用空调或铺装电热地板进行冬季取暖。然而，这些取暖方式大部分通过传统线发热产品发热，成本高、功耗大、发热不均匀，取暖效果并不理想。

石墨烯是一种二维的碳纳米材料，具有优异的电热性能而被广泛关注。石墨烯发热涂料无毒无害，安全持久，性能优良。将石墨烯发热涂料制备成发热膜，通电后整体均匀发热，能够克服传统发热产品功耗大，发热不均匀的缺点。然而，目前的石墨烯发热涂料仍然存在不足，例如石墨烯涂料对基材附着力弱、制备成发热膜后的发热效果不稳定、升温时间长、弯折性能差、工作寿命短等问题都限制了石墨烯发热涂料的进一步应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种石墨烯的发热涂料及其制备方法。本发明的石墨烯发热涂料具有优异的综合性能，对基材的附着力强，制备成发热膜后，可实现整体面发热，发热性能好，弯折性能强，工作寿命大幅度提升。

本发明采用以下技术方案：

一种石墨烯发热涂料，包括按重量百分比计的以下组分：

所述的石墨烯发热涂料的细度为30-60μm，固含量为30-60％。

优选地，所述的石墨烯通过全液态物理剥离法制备；所述的石墨烯的层数为1-9层。

优选地，所述的稀释剂为甲苯、二甲苯、异丙醇、正丁醇、丙酮中的一种或多种。

优选地，所述的分散剂为聚乙烯吡咯烷酮、丙二醇甲醚醋酸酯、聚醚碳酸酯、聚丙烯酸酯中的一种或多种。

优选地，所述的环氧树脂为环氧树脂901-75、环氧树脂128、环氧树脂144中的一种或多种。

优选地，所述的固化剂为芳香族多胺、有机酸酐、二甲基咪唑中的一种或多种；所述的芳香族多胺为二氨基二苯砜；所述的有机酸酐为顺丁烯二酸酐、邻苯二甲酸酐中的一种。

优选地，所述的填料为石墨烯、碳纳米管、超导电炭黑、电气石粉中的一种或多种。

优选地，所述的偶联剂为环氧改性硅烷、有机酸、氨基改性的有机酸中的一种或多种；所述的环氧改性硅烷为氨基改性烷氧基聚硅氧烷、环氧改性多烷氧基聚硅氧烷。

上述的石墨烯发热涂料的制备方法，包括以下步骤：

(1)对石墨烯进行超声分散处理；

(2)将步骤(1)处理后的石墨烯、稀释剂、分散剂混合均匀，形成石墨烯分散液；

(3)将环氧树脂、固化剂、填料、偶联剂与石墨烯分散液混合均匀，形成混合料；

(4)将混合料研磨，得到细度为30-60μm，固含量为30-60％的石墨烯发热涂料。

上述的石墨烯发热涂料应用于制备成发热膜，包括以下步骤：

(1)通过50μm的线棒涂布器将石墨烯发热涂料均匀涂覆至PI膜上，形成发热膜半成品；

(2)发热膜半成品在温度120℃下烘干10min，即得到发热膜。

本发明的石墨烯通过全液态物理剥离法制备。

更具体的，全液态水相物理剥离制备石墨烯的方法，包括以下步骤：

(1)采用超纯水浸泡碳含量为99.99％，膨胀度为200倍的膨胀石墨，进行润湿浸泡处理，采用的超纯水的体积与膨胀石墨的质量比为8-15mL:1g，润湿浸泡处理的时间为18-25h；

(2)将步骤(1)中润湿浸泡处理后的膨胀石墨放入砂磨机搅拌，再放入胶体磨处理，得到膨胀石墨浸泡液，其中，研磨处理的具体操作为：将润湿浸泡处理后的膨胀石墨放入装有少量锆珠的砂磨机中搅拌处理1.5-4h，砂磨机的转速设置为1000-2000rad/min，再放入胶体磨处理3-6h，胶体磨的功率为1-2kW，处理量为18-25L/h；

(3)将步骤(2)中的膨胀石墨浸泡液放入高压均质机进行高压均质处理，接着用高剪切乳化泵处理，再用超高压临界装置处理，得到石墨烯分散液，其中，高压均质处理的条件为：时间1.5-3h，压力为50-100MPa，乳化处理的时间为2.5-5h，超高压临界处理的条件为：时间2.5-5h，压力120-180MPa；

(4)将步骤(3)处理得到的石墨烯分散液静置分层，在温度为180-250℃下喷雾干燥，即得到石墨烯。

采用全液态物理剥离法制备得到的石墨烯晶格结构完整，同时含有少量的-OH等亲水基团，具有较好的分散性能，其比表面积为679m²/g，石墨烯碳含量为99.99wt％，金属离子含量≤100ppm，导热系数为3800W/(m·K)。

本发明的有益效果：

(1)本发明通过超声分散石墨烯，可以使石墨烯与填料更好地搭建导电网络；石墨烯发热涂料加入了高添量的填料，有助于降低本发明的电阻；同时本发明采用了特定的偶联剂，既增加了本发明对填料的附着力，减少使用过程中掉粉的现象，也增强了本发明对基材的附着力；

(2)本发明的石墨烯发热涂料具有优异的发热性能，制备成发热膜后，可实现整体面发热，发热功耗低，耐低温性能好，升温时间短，发热温度高；同时弯折性强，工作寿命长；

(3)本发明的石墨烯发热涂料具有均匀的细度以及合适的固含量，制备成发热膜后，发热膜的外观好、单位涂覆面积较大、成本低；

(4)本发明的石墨烯发热涂料制备过程简单，易操作，通过简易的步骤即可应用到发热膜的制备中。

具体实施方式

下面通过实施例详细说明本发明。

实施例1

一种石墨烯发热涂料，包括按重量百分比计的以下组分：

石墨烯发热涂料的细度为40μm，固含量为55.8％。

上述的石墨烯发热涂料的制备方法，包括以下步骤：

(1)对石墨烯进行超声分散；

(2)将步骤(1)处理后的石墨烯、甲苯、异丙醇、聚乙烯吡咯烷酮加入到搅拌机中搅拌30min，搅拌速度为1000r/min，形成石墨烯分散液；

(3)将环氧树脂901-75、二甲基咪唑、超导电炭黑、氨基改性烷氧基聚硅氧烷与石墨烯分散液混合搅拌，搅拌速度为1000r/min，形成混合料；

(4)通过研磨机将混合料研磨，当混合料达到细度为40μm，固含量为55.8％。即得到石墨烯发热涂料。

实施例2

一种石墨烯发热涂料，包括按重量百分比计的以下组分：

石墨烯发热涂料的细度为40μm，固含量为55.5％。

上述的石墨烯发热涂料的制备方法，包括以下步骤：

(1)对石墨烯进行超声分散；

(2)将步骤(1)处理后的石墨烯、二甲苯、异丙醇、丙二醇甲醚醋酸酯加入到搅拌机中搅拌30min，搅拌速度为1000r/min，形成石墨烯分散液；

(3)将环氧树脂901-75、二甲基咪唑、碳纳米管、环氧改性多烷氧基聚硅氧烷与石墨烯分散液混合搅拌，搅拌速度为1000r/min，形成混合料；

(4)通过研磨机将混合料研磨，当混合料达到细度为40μm，固含量为55.5％。即得到石墨烯发热涂料。

实施例3

一种石墨烯发热涂料，包括按重量百分比计的以下组分：

石墨烯发热涂料的细度为40μm，固含量为54.9％。

上述的石墨烯发热涂料的制备方法，包括以下步骤：

(1)对石墨烯进行超声分散；

(2)将步骤(1)处理后的石墨烯、二甲苯、异丙醇、聚醚碳酸酯加入到搅拌机中搅拌30min，搅拌速度为1000r/min，形成石墨烯分散液；

(3)将环氧树脂128、二氨基二苯砜、电气石粉、环氧改性多烷氧基聚硅氧烷与石墨烯分散液混合搅拌，搅拌速度为1000r/min，形成混合料；

(4)通过研磨机将混合料研磨，当混合料达到细度为40μm，固含量为54.9％。即得到石墨烯发热涂料。

实施例4

一种石墨烯发热涂料，包括按重量百分比计的以下组分：

石墨烯发热涂料的细度为40μm，固含量为54.5％。

上述的石墨烯发热涂料的制备方法，包括以下步骤：

(1)对石墨烯进行超声分散；

(2)将步骤(1)处理后的石墨烯、异丙醇、丙酮、聚乙烯吡咯烷酮加入到搅拌机中搅拌30min，搅拌速度为1000r/min，形成石墨烯分散液；

(3)将环氧树脂901-75、二甲基咪唑、超导电炭黑、环氧改性多烷氧基聚硅氧烷与石墨烯分散液混合搅拌，搅拌速度为1000r/min，形成混合料；

(4)通过研磨机将混合料研磨，当混合料达到细度为40μm，固含量为54.5％。即得到石墨烯发热涂料。

对比例1

一种石墨烯发热涂料，包括按重量百分比计的以下组分：

石墨烯发热涂料的细度为40μm，固含量为55.8％。

上述的石墨烯发热涂料的制备方法，包括以下步骤：

(1)对石墨烯进行超声分散；

(2)将步骤(1)处理后的石墨烯、二甲苯、正丁醇、聚丙烯酸酯加入到搅拌机中搅拌30min，搅拌速度为1000r/min，形成石墨烯分散液；

(3)将环氧树脂144、二甲基咪唑、电气石粉、氨基改性烷氧基聚硅氧烷与石墨烯分散液混合搅拌，搅拌速度为1000r/min，形成混合料；

(4)通过研磨机将混合料研磨，当混合料达到细度为40μm，固含量为55.8％。即得到石墨烯发热涂料。

对比例2

一种发热涂料，包括按重量百分比计的以下组分：

发热涂料的细度为40μm，固含量为54.7％。

上述的发热涂料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将甲苯、异丙醇、聚乙烯吡咯烷酮加入到搅拌机中搅拌30min，搅拌速度为1000r/min，形成分散液；

(2)将环氧树脂901-75、二甲基咪唑、超导电炭黑、环氧改性多烷氧基聚硅氧烷与分散液混合搅拌，搅拌速度为1000r/min，形成混合料；

(3)通过研磨机将混合料研磨，当混合料达到细度为40μm，固含量为54.7％。即得到发热涂料。

实验例1

将实施例1-4、对比例1的石墨烯发热涂料、对比例2的发热涂料制备成发热膜，对发热膜性能进行测试，测试结果如表1所示：

表1发热膜性能测试

从表1可知，由实施例1-4的石墨烯发热涂料所制得的发热膜的弯折性能、耐低温性能都具有明显的提升，且具有升温时间短、发热温度高、电阻低、工作寿命长等优点。实施例中，石墨烯的添加量为5％时，所制得的发热膜在输入电压为5V时具有优异的综合性能，折叠1000次以上仍然不影响产品的使用，适用于可穿戴产品。本发明的附着力的强弱与成膜物和填料的配比有关，如涂料的颜基比；也与基材的极性、偶联剂的种类有关；本发明的升温时间主要受电阻的影响，电阻的大小与成膜物和石墨烯、填料的配比有关，由于成膜物是绝缘的，石墨烯和填料是导电的，因此不同配比的石墨烯、填料会导致产品的电阻不同，也会导致产品的发热性能不同。本发明通过对不同的物料进行选择以及配比，制备出性能合适的产品。

以上实施例没有优劣之分，只是根据不同的市场需求采用不同的配方，得到不同性能的产品。

Claims (10)

1.一种石墨烯发热涂料，其特征在于，包括按重量百分比计的以下组分：

所述的石墨烯发热涂料的细度为30-60μm，固含量为30-60％。

2.根据权利要求1所述的石墨烯发热涂料，其特征在于，所述的石墨烯通过全液态物理剥离法制备；所述的石墨烯的层数为1-9层。

3.根据权利要求1所述的石墨烯发热涂料，其特征在于，所述的稀释剂为甲苯、二甲苯、异丙醇、正丁醇、丙酮中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的石墨烯发热涂料，其特征在于，所述的分散剂为聚乙烯吡咯烷酮、丙二醇甲醚醋酸酯、聚醚碳酸酯、聚丙烯酸酯中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的石墨烯发热涂料，其特征在于，所述的环氧树脂为环氧树脂901-75、环氧树脂128、环氧树脂144中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的石墨烯发热涂料，其特征在于，所述的固化剂为芳香族多胺、有机酸酐、二甲基咪唑中的一种或多种；所述的芳香族多胺为二氨基二苯砜；所述的有机酸酐为顺丁烯二酸酐、邻苯二甲酸酐中的一种。

7.根据权利要求1所述的石墨烯发热涂料，其特征在于，所述的填料为石墨烯、碳纳米管、超导电炭黑、电气石粉中的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的石墨烯发热涂料，其特征在于，所述的偶联剂为环氧改性硅烷、有机酸、氨基改性的有机酸中的一种或多种；所述的环氧改性硅烷为氨基改性烷氧基聚硅氧烷、环氧改性多烷氧基聚硅氧烷。

9.权利要求1-8中任一项所述的石墨烯发热涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对石墨烯进行超声分散处理；

(2)将步骤(1)处理后的石墨烯、稀释剂、分散剂混合均匀，形成石墨烯分散液；

(3)将环氧树脂、固化剂、填料、偶联剂与石墨烯分散液混合均匀，形成混合料；

(4)将混合料研磨，得到细度为30-60μm，固含量为30-60％的石墨烯发热涂料。

10.权利要求1-8中任一项所述的石墨烯发热涂料应用于制备成发热膜。