CN110868769B - 一种新型加热膜及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及二维材料应用领域，具体涉及一种新型加热膜及其制备方法与应用，该新型加热膜的组成包括二维纳米复合材料、碳纳米管和高分子材料，涂层厚度为1～100μm，热扩散系数为5～20cm2/S，导热系数为1000～3000W/(m〃k)。在制备时，先将二维纳米复合材料、碳纳米管和高分子材料制成复合材料，再进行制膜，即得。该新型加热膜可作为电热膜应用于电热领域，具有优异的热效率和导热能力，同时具有优异的稳定性和机械性能。且制备时原料成本较低，且制备工艺重复性高、过程简单、耗时少，适于工业化生产。

Description

一种新型加热膜及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及二维材料应用领域，具体涉及一种新型加热膜及其制备方法与应用。
背景技术
当前常用加热材料存在电阻率低(～10–6Ω/m)，电热转化效率低，加热速率小，使用寿命短等问题。而二维纳米材料，如石墨烯具有优异性能，如、电学性能：室温下电子迁移率可达2×105cm2/Vs，导热性能：5000W/(mK)，超常的比表面积(2630m2/g)，杨氏模量(1100GPa)和断裂强度(125GPa)；石墨烯良好的机械性能和较低的密度更让其具备了在电热材料领域取代金属的潜力。
目前，市面上出现了石墨烯电热膜或加热膜，在加热膜中添加组分易出现分布不均，或与石墨烯接触不佳的情况，因此往往需要较大的添加量，造成成膜重量大、柔韧性差等缺陷，且加热体整体采用石墨烯分散液，制造成本也较高。鉴于这种技术缺陷，开发一种基于新型二维纳米复合材料，结构简单，使用方便，制造成本低，分散均匀，重量轻盈，电热效率好的新型加热膜及其生产方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种结构简单，使用方便，柔韧性好，制造成本低，分散均匀，重量轻盈，电热效率好的新型加热膜及其制备方法与应用。
本发明第一目的在于提供一种新型加热膜，技术方案如下：
一种新型加热膜，组成包括二维纳米复合材料、碳纳米管和高分子材料，涂层厚度为1～100μm，热扩散系数为5～20cm2/S，导热系数为1000～3000W/(m〃k)；
所述二维纳米复合材料的质量占总质量的0.1％-10％；所述碳纳米管的质量占总质量的0.1％-10％，所述高分子材料的质量占总质量的99.8％-20％。
优选所述二维纳米复合材料的质量占总质量的0.5％-2％。
优选所述碳纳米管的质量占总质量的0.5％-2％。
优选所述高分子的质量占总质量的90％-98％。
作为本发明的一种优选方案，所述二维纳米复合材料具有三明治结构，由中间层和上下层组成，所述中间层的材料为石墨烯、BN、黑鳞、二维硫化物、二维碳化物的一种或其混合物；优选为石墨烯；所述上下层的材料为银、铁、铜、氮化铝、氧化铝、导电高分子、纤维素的一种或其混合物。
作为本发明的一种优选方案，所述高分子材料为聚酰胺、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯中的一种或其混合物；优选聚酰胺、聚酰亚胺。
本发明第二目的在于提供一种新型加热膜的制备方法，技术方案如下：
一种新型加热膜的制备方法，将二维纳米复合材料、碳纳米管和高分子单体在溶剂中混合后，加入引发剂，聚合反应后得到复合材料，用所述复合材料制膜，即得。
或采用以下技术方案：
一种新型加热膜的制备方法，将二维纳米复合材料、碳纳米管和高分子材料混合后得到复合材料，用所述复合材料制膜，即得。
作为本发明的一种优选方案，所述高分子单体为芳香族二胺，芳香族二酐，偏氟乙烯中的一种或其混合物；优选芳香族二胺，芳香族二酐。
作为本发明的一种优选方案，所述溶剂为乙醇，甲醇，四氢呋喃，N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜等中的一种或其混合物；优选为N-甲基吡咯烷酮。
作为本发明的一种优选方案，所述高分子材料为聚酰胺、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯中的一种或其混合物；优选聚酰胺、聚酰亚胺。
作为本发明的一种优选方案，混合方法为超声、搅拌、球磨中的一种或一种以上。
作为本发明的一种优选方案，制膜方法为挤出、喷涂、刷涂、打印、挤压中的一种或一种以上。
本发明进一步提供了上述新型加热膜在电热领域的应用。
优选作为电热膜用于制备电热地暖、电热帐篷、电热服装、电热画、电热墙、电热器、电热毯中的任一种。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可以相互组合，即得本发明各较佳实例。
本发明有益效果如下：
(1)本发明中的新型加热膜具有优异的热效率和导热能力，同时具有优异的稳定性，可实现热循环10000次；且具有良好的机械性能，可广泛应用于各种电动汽车以及航空航天等领域。
(2)本发明中的制备方法，原料成本较低，且制备工艺重复性高、过程简单、耗时少，适于工业化生产。
附图说明
图1为实施例1的新型加热膜的形貌扫描电镜表征结果顶视图，膜层均匀致密平整；
图2为实施例1的新型加热膜的形貌扫描电镜截面图，表明其厚度约为2微米；
图3为实施例1的新型加热膜电加热时的红外图像。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在以下实施方式中，所述二维复合纳米材料的制备过程如下：将中间层材料，上下层材料在辊压机中进行反复对折辊压，然后在IPA中超声即可得。
实施例1
(1)在室温和氮气气氛中，将10g 4,4'-二氨基二苯醚、4,4'-二氨基二苯基甲烷或4,4'-二氨基-2,2'-双三氟甲基联苯和0.2g银-石墨烯-银二维复合纳米材料以及0.2g碳纳米管在N-甲基吡咯烷酮机械搅拌均匀，加入10g1,2,4,5-均苯四甲酸二酐，继续搅拌反应6～12小时，得到石墨烯/聚酰胺溶液；
(2)将所述石墨烯/聚酰胺溶液刷涂成膜，然后放置于真空干燥箱中，真空干燥，得到新型加热膜。
经检测得到该加热膜的形貌扫描电镜表征结果顶视图(见附图1)，膜层均匀致密平整；并获得其形貌扫描电镜截面图(见附图2)，表明其厚度约为2微米；其加热时的红外图像见附图3，升温速度快，温区分布较为均匀。
实施例2
(1)将13g的1,2,6-己三醇，30g三乙胺和6g氧化铝-BN-氧化铝二维复合纳米片以及1g碳纳米管超声搅拌于500ml的丙酮中，混合均匀，再加入30g的戊二酰氯，继续搅拌反应3-4小时，旋蒸除去溶剂，然后用蒸馏水洗涤，得到二维复合纳米片纳米片-聚酯混合物。
(2)将所述二维复合纳米片纳米片-聚酯混合物辊压成膜，然后放置于干燥箱中干燥，得到新型加热膜。
实施例3
(1)在室温和氮气气氛中，将10g 4,4'-二氨基二苯基甲烷和0.02g聚吡咯-二硫化钼-聚吡咯二维纳米片以及0.5g碳纳米管在四氢呋喃超声搅拌均匀，加入10g的2,3,3',4'-二苯醚四甲酸二酐，继续搅拌反应6～12小时，得到二硫化钼二维复合纳米片/聚酰胺溶液；
(2)将所述二硫化钼二维复合纳米片/聚酰胺溶液喷涂成膜，然后经超临界干燥干燥，得到新型加热膜。
实施例4
(1)在室温和氮气气氛中，将50g的双酚A二醚四甲酸二酐和26g二甲基二苯甲烷二异氰酸酯和5g铁-石墨烯-铁二维复合纳米片以及5g碳纳米管在N-甲基吡咯烷酮机械搅拌均匀，70℃反应1.5小时后，加入1g的均三嗪，升温至160℃下继续反应12-16小时，加入10g1,2,4,5-均苯四甲酸二酐，继续搅拌反应6～12小时，过滤，干燥得到二维复合纳米片/聚酰亚胺混合物；
(2)将所述二维复合纳米片/聚酰亚胺混合物挤压成膜，然后放置于真空干燥箱中，真空干燥，得到新型加热膜。
实施例5
(1)将1g纤维素-石墨烯-纤维素二维复合纳米片，1g碳纳米管和8g聚乙烯采用搅拌分散混合均匀；
(2)然后将(1)中得到的复合材料采用挤出成型进行制膜，经热处理得到该新型加热膜。
实施例6
(1)1g氮化铝-黑鳞-氮化铝二维复合纳米片，1g碳纳米管和98g聚酰亚胺采用球磨方法进行分散混合均匀；
(2)然后将(1)中得到的复合材料采用辊压方法进行制膜，经热处理得到该新型加热膜。
实施例7
(1)0.1g铜-MXene-铜二维复合纳米片，0.1g碳纳米管和99.8g聚氯乙烯采用搅拌方法进行分散混合均匀；
(2)然后将(1)中得到的复合材料采用挤压方法进行制膜，经热处理得到该新型加热膜。
实施例8
(1)10g氧化铝-BN-氧化铝二维复合纳米片，10g碳纳米管和80g聚丙烯采用超声搅拌方法进行分散混合均匀；
(2)然后将(1)中得到的复合材料采用挤出方法进行制膜，经热处理得到该新型加热膜。
实施例9
(1)10g氧化铝–石墨烯-氧化铝二维复合纳米片，1g碳纳米管和89g聚偏氟乙烯采用球磨方法进行分散混合均匀；
(2)然后将(1)中得到的复合材料采用打印方法进行制膜，经热处理得到该新型加热膜。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种新型加热膜，其特征在于，组成包括二维纳米复合材料、碳纳米管和高分子材料，涂层厚度为1～100μm，热扩散系数为5～20cm2/S，导热系数为1000～3000W/(m〃k)；
所述二维纳米复合材料的质量占总质量的0.1％-10％；所述碳纳米管的质量占总质量的0.1％-10％，所述高分子材料的质量占总质量的99.8％-20％；
所述二维纳米复合材料具有三明治结构，由中间层和上下层组成，所述中间层的材料为石墨烯、BN、黑鳞、二维硫化物、二维碳化物的一种或其混合物；所述上下层的材料为银、铁、铜、氮化铝、氧化铝、导电高分子、纤维素的一种或其混合物。
2.根据权利要求1所述的加热膜，其特征在于，所述高分子材料为聚酰胺、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯中的一种或其混合物。
3.权利要求1或2所述的加热膜的制备方法，其特征在于，将所述二维纳米复合材料、碳纳米管和高分子单体在溶剂中混合后，加入引发剂，聚合反应后得到复合材料，用所述复合材料制膜，即得。
4.权利要求1或2所述的新型加热膜的制备方法，其特征在于，将所述二维纳米复合材料、碳纳米管和高分子材料混合后得到复合材料，用所述复合材料制膜，即得。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述高分子单体为芳香族二胺，芳香族二酐，偏氟乙烯中的一种或其混合物；
所述溶剂为乙醇，甲醇，四氢呋喃，N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜中的一种或其混合物。
6.根据权利要求3～5中任一项所述的方法，其特征在于，混合方法为超声、搅拌、球磨中的一种或一种以上。
7.根据权利要求3～5中任一项所述的方法，其特征在于，制膜方法为挤出、喷涂、刷涂、打印、挤压中的一种或一种以上。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，制膜方法为挤出、喷涂、刷涂、打印、挤压中的一种或一种以上。
9.权利要求1或2所述的加热膜或权利要求3～8中任一项所述的方法制备得到的加热膜在电热领域的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，将所述的加热膜作为电热膜用于制备电热地暖、电热帐篷、电热服装、电热画、电热墙、电热器、电热毯中的任一种。
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