本發(fā)明涉及一種納米功能性涂料，具體為一種石墨烯低壓發(fā)熱涂料及其制備方法。
背景技術(shù)：
電熱涂料按照是否添加導(dǎo)電材料分為添加型與非添加型兩大類。添加型電熱涂料的基料不具有導(dǎo)電能力，必須要摻加導(dǎo)電填料或?qū)щ娭鷦?。而非添加型電熱涂料的基料自身能夠?qū)щ?，不需要再添加其他?dǎo)電材料。按粘結(jié)劑的種類可分為：無(wú)機(jī)系電熱涂料和有機(jī)系電熱涂料兩類。無(wú)機(jī)系電熱涂料屬添加型電熱涂料，主要采用貴重金屬顆粒填料、金屬氧化物填料、炭黑粉、石墨粉、炭纖維和無(wú)機(jī)鹽類材料等作為導(dǎo)電填料，以堿金屬硅酸鹽作為粘結(jié)劑配制而成。有機(jī)系電熱涂料需要添加一種或一種以上的有機(jī)粘結(jié)劑才具有導(dǎo)電性。
日本的昭和電工等涂料公司相關(guān)研究者研制成的電熱涂料，主要是由硅酸鹽和有機(jī)高分子聚合物作粘結(jié)劑，加入炭黑、石墨、金屬系或金屬氧化物材料制成電熱涂料，也稱電發(fā)熱漆。其原理是利用導(dǎo)電涂層的導(dǎo)電性能，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，但其缺點(diǎn)是涂層發(fā)熱溫度不高、易脫落，粘結(jié)劑耐熱性不強(qiáng)、局部點(diǎn)易燒焦、導(dǎo)電填料易氧化和涂層脫離結(jié)構(gòu)常出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致涂層在使用過(guò)程中存在變質(zhì)問(wèn)題。目前由于技術(shù)的提升，市場(chǎng)比較常見(jiàn)的幾乎都是在成膜基料中加入處理后的超導(dǎo)金屬粉末，導(dǎo)電性得到提高，但熱轉(zhuǎn)化效率比較低，且長(zhǎng)時(shí)間還是會(huì)出現(xiàn)填料氧化。另外也有用聚苯胺、乙炔炭黑、碳纖維粉做為填料，經(jīng)過(guò)告訴分散于成膜基料中，供電電壓有一定的局限性，在24V以下發(fā)熱效果不是很可觀，實(shí)用的局限性比較小。還有一種方法是用無(wú)電解電鍍法在片狀云母上鍍Ni-P合金而成的導(dǎo)電性粉末，以其為發(fā)熱原料的面狀發(fā)熱體。將這種原料分散在聚氨酯類樹(shù)脂中所得的面狀發(fā)熱體，膜厚為100μm，用較低的電壓就能獲得高發(fā)熱率，但由于電鍍工藝復(fù)雜，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)出現(xiàn)部分氧化、基底和涂層之間出現(xiàn)膨脹收縮不均勻而處在研發(fā)階段，實(shí)用性不強(qiáng)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有的低壓發(fā)熱涂料長(zhǎng)時(shí)間使用后涂層氧化，發(fā)熱溫度不均勻的缺陷，提供一種石墨烯低壓發(fā)熱涂料及其制備方法。
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了如下的技術(shù)方案：
一種石墨烯低壓發(fā)熱涂料，包括以下重量份數(shù)的各組分：
石墨烯碳納米管漿料：55～75份；
丙烯酸改性聚氨酯樹(shù)脂乳液：18～25份；
水：8～12份；
二丙二醇二甲醚：0.1～2份；
消泡劑：0.1～0.3份；
流平劑：0.1～0.3份。
進(jìn)一步的，根據(jù)具體施工溫度，該石墨烯低壓發(fā)熱涂料的配方中還包括丙二醇：0.1～3份。
優(yōu)選的，一種石墨烯低壓發(fā)熱涂料，包括以下重量份數(shù)的各組分：
石墨烯碳納米管漿料：65份；
丙烯酸改性聚氨酯樹(shù)脂乳液：21份；
水：10份；
二丙二醇二甲醚：1份；
消泡劑：0.2份；
流平劑：0.1份；
丙二醇：2份。
進(jìn)一步的，所述的石墨烯碳納米管漿料，包括以重量百分比計(jì)的分散劑PVP 0.2％～0.5％，石墨烯1.5％～2.5％，碳納米管2.5％～4.5％，其余為溶劑水。
一種石墨烯低壓發(fā)熱涂料的制備方法，包括以下步驟：
1)、將石墨烯碳納米管加入到納米研磨機(jī)中研磨24h，碾磨至細(xì)度＜30um；
2)、緩慢加入丙烯酸改性聚氨酯樹(shù)脂乳液或丙烯酸改性聚氨酯樹(shù)脂乳液，充分?jǐn)嚢?.5h以上，直至充分混合；根據(jù)溫度情況，加入丙二醇作為防凍劑，冬天加，夏天不加；
3)、緩慢加入消泡劑和二丙二醇二甲醚；
4)、靜置至無(wú)泡；
5)、加入流平劑，緩慢攪拌1.5h；
6)、靜置，質(zhì)檢。
優(yōu)選的，石墨烯碳納米管漿料的制備方法為把分散劑PVP溶于水中，分次加入石墨烯和碳納米，攪拌、分散，直至加完。
本發(fā)明選擇丙烯酸改性聚氨酯樹(shù)脂乳液的理論依據(jù)：丙烯酸改性聚氨酯樹(shù)脂是由丙烯酸酯類和甲基丙烯酸酯類及其它烯屬單體共聚制成的樹(shù)脂；丙烯酸改性聚氨具有優(yōu)良的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率,具有優(yōu)異的水解穩(wěn)定性，聚合物溶液通過(guò)溶劑揮發(fā)、固化、形成致密的高分子膜。
本發(fā)明選擇二丙二醇二甲醚的理論依據(jù)：二丙二醇二甲醚是一種多用途環(huán)保型溶劑，有微弱的醚類氣味，適當(dāng)?shù)膿]發(fā)速度，化學(xué)上優(yōu)異的穩(wěn)定性，極優(yōu)異的溶解性能，對(duì)人體有較高的安全性。
本發(fā)明選擇丙二醇的理論依據(jù)：丙二醇有著冰點(diǎn)低、能與水任意比例混合的特性，其和水混合后可以大大降低涂料整體的冰點(diǎn)，增強(qiáng)了涂料的抗凍性能，所以常常在涂料中作為防凍劑使用，可以使得涂料在0度時(shí)不至于結(jié)冰。丙二醇因?yàn)榕c水與其他溶劑的相容性好，沸點(diǎn)高，在水性涂料體系里面容易達(dá)到平衡，還可以提供涂料的流動(dòng)性以及使得涂料慢干。
本發(fā)明選擇碳納米管的理論依據(jù)：碳納米管具有良好的傳熱性能，CNTs具有非常大的長(zhǎng)徑比，因而其沿著長(zhǎng)度方向的熱交換性能很高，相對(duì)的其垂直方向的熱交換性能較低，通過(guò)合適的取向，碳納米管可以合成高各向異性的熱傳導(dǎo)材料。另外，碳納米管有著較高的熱導(dǎo)率，只要在復(fù)合材料中摻雜微量的碳納米管，該復(fù)合材料的熱導(dǎo)率將會(huì)可能得到很大的改善，這為本發(fā)明低溫發(fā)熱涂料提供了理論支持。
本發(fā)明選擇石墨烯的理論依據(jù)：石墨烯由單層碳原子組成，具有蜂窩狀二維晶體結(jié)構(gòu)，是目前世界上已知的最薄材料。石墨烯具有較高的比表面積(2600m2/g)，突出的導(dǎo)熱性能(3500W/m·K)和極限強(qiáng)度(1100GPa)、室溫下具備高速的電子遷移率(15000cm2·V-1·K-1)，在納米儀器、復(fù)合材料、儲(chǔ)氫材料等領(lǐng)域得到廣泛研究與應(yīng)用。石墨烯電子遷移率可達(dá)到2×105cm2/V·s，約為硅中電子遷移率的140倍，砷化鎵的20倍，溫度穩(wěn)定性高，電導(dǎo)率可達(dá)108Ω/m，面電阻約為31Ω/sq(310Ω/m2)，比銅或銀更低，是室溫下導(dǎo)電最好的材料。其次，比表面積大(2630m2/g)，熱導(dǎo)率(室溫下是5000W·m-1·K-1)是硅的36倍，砷化鎵的20倍，是銅(室溫下401W·m·K)的十倍多，而且其抗拉強(qiáng)度和彈性模量分別為125GPa和1.1TPa，楊氏模量約為42N/m2，面積為1m2的石墨烯層片可承受4kg的質(zhì)量，因此，加入石墨烯使涂層導(dǎo)電率得到很大提高，而且石墨烯在涂層中會(huì)形成一層致密的薄膜，增強(qiáng)涂層表面的硬度和耐劃傷性能。
本發(fā)明的石墨烯低壓發(fā)熱涂料為水性涂料，無(wú)毒，環(huán)保，廢棄物方便處理；成膜效果好，發(fā)熱均勻，長(zhǎng)時(shí)間使用涂層不老化、脫皮，該涂料僅需普通充電寶為提供7.4V或5.0V的電壓，甚至可以使用手機(jī)提供3.7V電壓，為室外供暖穿戴設(shè)備提供技術(shù)可行性，可制作為地暖，發(fā)熱壁畫(huà)，低電壓的安全性更高，且發(fā)熱穩(wěn)定性持續(xù)性比較好，熱轉(zhuǎn)化率高、使用更持久。
具體實(shí)施方式
以下對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實(shí)施例僅用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
實(shí)施例1
一種石墨烯低壓發(fā)熱涂料，包括以下重量份數(shù)的各組分：
石墨烯碳納米管漿料：55份；
丙烯酸改性聚氨酯樹(shù)脂乳液：18份；
水：8份；
二丙二醇二甲醚：0.1份；
消泡劑：0.1份；
流平劑：0.1份；
丙二醇：0.1份。
一種石墨烯低壓發(fā)熱涂料的制備方法，包括以下步驟：
1)、將石墨烯碳納米管加入到納米研磨機(jī)中研磨24h，碾磨至細(xì)度＜30um；
2)、緩慢加入丙烯酸改性聚氨酯樹(shù)脂乳液，充分?jǐn)嚢?.5h以上，直至充分混合；
3)、緩慢加入消泡劑和二丙二醇二甲醚；
4)、靜置至無(wú)泡；
5)、加入流平劑，緩慢攪拌1.5h；
6)、靜置，質(zhì)檢。
實(shí)施例2
一種石墨烯低壓發(fā)熱涂料，包括以下重量份數(shù)的各組分：
石墨烯碳納米管漿料：75份；
丙烯酸改性聚氨酯樹(shù)脂乳液：25份；
水：12份；
二丙二醇二甲醚：2份；
消泡劑：0.3份；
流平劑：0.3份。
丙二醇：0.1份；
所述的石墨烯碳納米管漿料，包括以重量百分比計(jì)的分散劑PVP 0.2％，
石墨烯1.5％，碳納米管4.5％，其余為溶劑水。
一種石墨烯低壓發(fā)熱涂料的制備方法，包括以下步驟：
1)、石墨烯碳納米管的制備方法為把分散劑PVP溶于水中，分次加入石墨烯和碳納米，攪拌、分散，直至加完；將石墨烯碳納米管漿料加入到納米研磨機(jī)中研磨24h，碾磨至細(xì)度＜30um；
2)、緩慢加入丙烯酸改性聚氨酯樹(shù)脂乳液與丙二醇的混合物，充分?jǐn)嚢?.5h以上，直至充分混合；
3)、緩慢加入消泡劑和二丙二醇二甲醚；
4)、靜置至無(wú)泡；
5)、加入流平劑，緩慢攪拌1.5h；
6)、靜置，質(zhì)檢。
實(shí)施例3
一種石墨烯低壓發(fā)熱涂料，包括以下重量份數(shù)的各組分：
石墨烯碳納米管漿料：65份；
丙烯酸改性聚氨酯樹(shù)脂乳液：21份；
水：10份；
二丙二醇二甲醚：1份；
消泡劑：0.2份；
流平劑：0.1份；
丙二醇：2份；
所述的石墨烯碳納米管漿料，包括以重量百分比計(jì)的分散劑PVP 0.5％，
石墨烯2.5％，碳納米管2.5％，其余為溶劑水。
本實(shí)施例的石墨烯低壓發(fā)熱涂料的制備方法同實(shí)施例2。
將上述制備得到的實(shí)施例1-3低壓發(fā)熱涂料以及市售現(xiàn)有的發(fā)熱涂料(對(duì)比例)應(yīng)用于石英石，然后進(jìn)行性能測(cè)試。
測(cè)試條件為：涂抹厚度15μm；電壓:5V；發(fā)熱面積40cm×60cm；初始室溫：5℃；測(cè)試時(shí)間：120分鐘；斷電時(shí)間：45min時(shí)；
結(jié)果見(jiàn)表1：
表1：室溫5℃及電壓5V下的發(fā)熱效果測(cè)試：
由表1可以看出，本發(fā)明的實(shí)施例1～3在5min時(shí)已經(jīng)迅速發(fā)熱，在15min、30min時(shí)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出對(duì)比例，證明其能夠使用低電壓進(jìn)行快速發(fā)熱，熱轉(zhuǎn)化效率高，轉(zhuǎn)化速度快；
在45min時(shí)斷電，但是在60min、120min時(shí)仍舊保持較高的溫度，證明發(fā)熱穩(wěn)定性持續(xù)性比較好。
另外，從表1可以看出，本發(fā)明的涂料，其粘稠度、成膜性能及附著力均表現(xiàn)優(yōu)異。
最后應(yīng)說(shuō)明的是：以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。