电热涂料自控温性能研究进展.pdf

第 卷第 期 年 月应 用 化 工 .收稿日期:修改稿日期:基金项目:吉林省科技发展计划项目()吉林省教育厅产业化研究项目()作者简介:胡洪亮()男吉林长春人副教授博士从事有机无机功能复合材料研究 电话:.电热涂料自控温性能研究进展胡洪亮王春辉李晶辉(吉林建筑大学 材料科学与工程学院吉林 长春)摘 要:综述了电热涂料的应用领域自控温机理、自控温性能的影响因素分析了隧道效应理论、热膨胀理论等多种控温机理分析了导电填料、聚合物基体的种类以及占比、球磨、丝网印刷等制备工艺以及辐照交联和偶联剂等改性技术对电热涂料控温性能的影响 提出了现阶段电热涂料存在自控温性能、耐久性、工作稳定性差的问题对电热涂料未来的发展趋势进行了展望关键词:电热涂料控温机理影响因素中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.:电热涂料是区别于防腐、防水等涂料具有控温性能的新型涂料 如何通过技术和新的导电材料等多个方面提高电热涂料的控温性能成为目前国内外研究的热点话题 导电材料的种类与基体材料本身的固有性质均会对电热涂料的性能产生不同的影响 电热涂料除具有良好的导电性能外还具有热效率高、环保、低成本、低能耗等优点能够作为发热体用于建筑行业的房屋保温设施在化工领域可作为石油输送管道的保温层此外还可以应用于道路施工例如在冬季清除飞机跑道与道路积雪 电热涂料的研发符合我国“十四五”循环经济发展规划中提出的节能环保要求前景广阔市场空间大 而想要更好地发挥它的效用则需要对加入其中的导电填料、粘结剂以及施工工艺等有更深入的了解 本文综述了电热涂料性能及目前的应用情况总结概括了电热涂料的控温机理以及影响因素探讨了电热涂料存在的问题并对未来的发展方向进行了展望 电热涂料自控温机理分析目前关于电热涂料导电机理的说法有很多其中隧道效应理论是具有最高信服度的理论之一该理论指出导电填料在涂层中有两个任务需要完成其一是它们彼此触碰形成导电网络另一部分是要想产生隧道电流还需要一部分导电填料分散于涂层中并以热振动方式使导电粒子活化进而使电荷可以接触到附近的导电粒子 王晨等认为当导电粒子的体积分数增大到超越其临界值后其电导率突然增大导电通道形成载流子可在其中自在移动使涂层具有导电性能在控温机理方面认为 材料的控第 期胡洪亮等:电热涂料自控温性能研究进展温机制是与材料的热膨胀相关随着涂料的升温在热膨胀应力的作用下其内部的导电颗粒相互分开致使涂层电阻逐渐变大随着温度升高热膨胀应力增幅变缓趋于稳定 此时导电颗粒基本停止运动该涂层的输出功率和电阻率也逐渐平稳实现控温 等认为随着温度的升高当达到涂料中聚合物基体熔融温度时以聚合物为基础的晶相开始变化导电颗粒发生重组排列 等在研究聚乙烯材料中所通过的电压与电流之间的关系时表现出相当清晰的直线特性这似乎违背了 坚持的理论 等认为在温度未达到聚合物熔融温度时炭黑()等导电填料在聚合物机体内部的分布取决于高分子链之间的几何排列和结晶性 同时大量的研究表明基于以上机理电热材料采用炭黑、石墨、聚乙烯、聚丙烯等材料作为发热体进行主动热控制材料研究是切实可行的 电热涂料自控温性能的影响因素.导电填料的影响导电填料为赋予电热涂料导电功能的关键成分导电填料种类、含量等与电热涂料功能性的好坏密不可分 王晨等通过实验得出加入丙烯酸乳液后石墨烯()质量分数为.碳纤维质量分数为.炭黑的质量分数为.时的电热涂料的温度可达.且性能稳定 赵海霞等经过实验对比得出最适合的配比为 份水性丙烯酸树脂 份石墨和 份煅后焦/炭黑所组成的电热涂料在 的电压下 电热涂料能迅速达到 黄坤等将 作为导电填料分别应用于环氧、环氧改性有机硅和乙烯基树脂三种体系研究了不同含量的 对以上体系的作用 结果表明在环氧改性有机硅体系中 质量分数为 时涂料性能最佳 在 电压下 涂料温度可上升到 左右功率./且当温度继续上升至 时涂层性能依旧平稳 郭佩等通过实验得出当多壁碳纳米管的质量分数为 时涂层的电阻率由.迅速下降到.左右当质量分数为 时电阻率减少至.左右且涂层在多次试验后性能依旧稳定 耿家钰等研究表明制作电热涂料时石墨掺量为 且基体为乙烯基改性树脂涂层每分钟可升高 涂层表面温度稳定的范围在 之间电热性能优良 另外 的加入也可提升其性能且当占比为导电填料的/时可使涂层温度上升的速度达 /等研究的电热涂料以 作填料在 低电压下涂料的温度可上升到 .聚合物基体的影响粘结剂作为涂料中必不可少的一部分也在其中起着重要的支撑作用 赵海霞等以水性丙烯酸树脂作粘结剂制备了电热涂料 结果表明当水性丙烯酸树脂与石墨的含量相同时电热性能处于最佳状态 在 电压下涂料温度可上升到 左右当实验配比为 份水性丙烯酸树脂 份石墨 份炭黑时在 电压下涂层的表面温度能很快达到 以上并具有良好的耐水性、耐热性等粘结剂含量过多或过少都会导致涂料电热性能的降低 谭海龙等以水玻璃为粘结剂制备的电热涂料较改性树脂作粘结剂具有更优越的性能在相同的电压下经过 涂料温度分别达到 和 左右 涂川俊等就电热涂料可能存在受热条件下性能降低或者温度上升缓慢等问题选取无机粘结剂而非改性树脂制备出性能更优良的电热涂料 实验得出 电压下室温中经过 测得涂料的温度已处在 左右而以改性树脂制得的则在 左右 艾骁龙等研究的电热涂料涂覆之后发热效果较好采取 份炭黑 份碳化硅 份石墨和 份酚醛树脂制成的在我国标准电压 下可维持在 当取 份石墨 份二氧化硅 份煅后焦 份水性丙烯酸树脂制成的涂料在 电压下经过 涂层温度可达 功率为.制备工艺的影响夏金童等采用涂敷法制备的电热涂料性能突出 值得一提的是该涂料在自然固化后又经过一次固化且在室温 电压下经过 导电填料分别选自占比为/和/的涂层其温度可稳定在 和 左右 谢万茂等将粘结剂、石墨、添加剂等按比例称好在 型球磨机中先高速研磨.再低速搅拌制成的电热涂层在 功率下温度从 上升到 只需要 当固化温度为 时电阻率为 当固化温度超过 时电阻率就基本稳定在 等提出了一种新型自组装制备多孔电热涂层()的方法 通过实验验证了采用基于热阻在 下固化 得到的 加热功率密度较小在动态抗冰试验中当功率密度增加到./时 将试验箱原本温度()控制在 以上完全阻止了冰的积累能耗比干式多孔电加热涂层和超疏水多孔电加热涂层分别降低 和 且耐久性优于超疏水多孔电加热涂层 张春艳等通过各种工艺加之最 佳 配 比 制 成 的 电 热 涂 层 就 可 升 高应用化工第 卷 功率为 而当最优制备工艺的转速保持不变(/)剪切时间由 转变为 后体积电阻率也由.提高到 左右 张林等通过乳化剂乳化并伴有以转速 /的转速制备的电热涂料具有优异的控温功能 用丝网印刷在导电涂层上制成电热膜样品将电极片夹在样品后开始测试升温速率可达 /.改性技术的影响为了提高电热涂料的工作性能相对普遍的办法有氧化改性、偶联剂改性和辐照交联等等 陈春亮等为了探求表面改性后聚丙烯腈基碳纤维在电热涂料里的作用在其中加入了环氧树脂和 并通过加热、保温和冷却等方式改进碳纤维的构造来增加涂料的功能性 实验结果表明改性完成后该电热涂料在 电压下升温速率可达 /并且经过 次使用测试后性能依旧稳定 涂川俊等采用炭系粉末和炭(石墨)纤维互相搭配而成的复合炭系填料与改性环氧树脂相复合而成的新型电发热涂料具有良好的电热性能 研究表明该涂料在改性树脂的加持下在经过多次使用后依旧保持优异的稳定性且功率可上升到将近./在 电压下经过 涂料温度可达 以上 以后温度可上升到高达 左右 于晓辉等对导电涂料的导电性能进行了深入研究结果表明偶联剂改性是导电涂料中不可或缺的并且在有机硅烷偶联剂或者有机钦酸醋偶联剂的加入量在.时涂料的电阻率最低且漆膜的附着力和表观都可以达到很好的状态 另外偶联剂的添加量应适量才可发挥其效用比如该涂料在加入钛酸酯偶联剂后其量控制在/左右最佳少于该值电阻降低多了则会伴随着掺量的增多使得电阻升高 等在研究电热涂料导电填料性能时通过实验得出对于炭黑填充的半结晶聚合物复合材料通过辐照交联可显著降低炭黑颗粒在高温下的运动自由度提高涂料的工作稳定性能使它较好地用于有关温度的自控元件领域中 结语与展望近年来我国电热涂料的各项性能尤其是控温性能都得到了很大的提升同时我们也不会忘记国家“节能增效绿色环保”的政策指引力求从导电填料、工艺要求和改性技术等多方面对其进行深入探索 目前电热涂料的重点探究方向:根据大量研究在一定范围内调节电热涂料的配方、工艺等进一步提高电热涂料的温控性能改进传统电热涂料耐盐碱性、耐洗刷性、热循环稳定性差等弊端落实我国绿色发展规划:研发出更节能、资源利用率高、低挥发性有机物的“绿色”电热涂料充分发挥涂料中各个成分的优势提高性价比减少成本使其在制造业、建筑业、热力以及电力等诸多行业能更好的发挥效用参考文献:涂川俊夏金童张文皓.炭系导电涂料的研究进展.炭素技术():.陈君姚建涛王颖等.一种新型换热器用导热防腐涂料的制备与性能研究.应用化工():.高娅楠王鑫安浩然等.导电聚合物/石墨烯复合材料在防腐涂料中的研究进展.应用化工():.赵凯莉苏晓磊王艳萍等.水性聚氨酯树脂防水涂料复合材料的制备及性能研究.应用化工():./.:.():./.():.():.王晨程相林赵建宏等.复合炭系电热涂料的制备及电热性能研究.涂料工业():.耿家钰.碳系电热涂料的制备工艺及性能研究.哈尔滨:哈尔滨工程大学.().():.夏英林立华.聚合物基 热敏材料的研究.弹性体():.():.():.:.第 期胡洪亮等:电热涂料自控温性能研究进展 .():.():.:.赵海霞.炭系导电涂料电热及电磁屏蔽性能研究.长沙:湖南大学.黄坤曾宪光裴嵩峰等.低压高效石墨烯复合涂料的电热性能研究.涂料工业():.郭佩崔学民林朝旭等.地聚物基碳系电热涂料的制备与性能研究.陶瓷学报():.():.张春艳.石墨基电热涂料制备工艺及性能研究.哈尔滨:哈尔滨工程大学.谭海龙.可控温型炭系电热涂料的制备与电热性能研究.长沙:湖南大学.涂川俊夏金童李焰等.复合型无机炭系电热涂料的研究.炭素技术():.艾晓龙.可印刷新型抗老化炭系电热涂料的研究.长沙:湖南大学.夏金童涂川俊陈振华等.炭系电热涂料的制备及其自控温性能研究.矿冶工程():.谢万茂.电热涂料的研制与应用.涂料工业():.:.张林王家京宗宪波等.水性石墨烯/碳纳米管/炭黑 电热涂料的制备.广州化学():.余晓军.炭系自控温电热复合材料的制备与性能研究.杭州:浙江工业大学.陈春亮董雄伟陈志军等.石墨烯/环氧树脂表面工艺增强碳纤维电热性能及结构稳定性.电子显微学报():.涂川俊夏金童卢学峰.复合型炭系导电发热涂料的研究.中南大学学报(自然科学版)():.于晓辉.导电涂料的研制开发与应用.昆明:昆明理工大学./.():.(上接第 页)./:.:.:/:.():.贺德华朱起明若狭氵.顺酐及其衍生物加氢合成 丁内酯的研究 负载型钯催化剂的性能以及分子筛的添加效果.天然气化工():.贺德华李宣文袁为民等.顺丁烯二酸酐加氢合成丁内酯催化剂的研究.工业催化():./.():./:.:():.():.():./.:():./.():.高志燕张凤周娅芬.掺镧 基催化剂催化顺酐加氢制备 丁内酯反应条件研究.应用化工():.().():.:.