电热膜用碳系导电油墨的制备及其应用研究

摘要

电热膜辐射供暖有电热转换效率高、清洁能源、保健、易于控制、舒适性高等优点，是目前国内外公认最理想的采暖方式。其中导电油墨是影响电热膜电热性能的关键因素，导电油墨是一种功能性导电涂料，能将电能直接转化为热能，广泛应用于航天航空、建筑、工业、民用等领域。但普遍存在电热性能不稳定、粘结性不好、易开裂、使用寿命较短等问题。碳系导电油墨由于具有电热转换效率高、成本低、不易氧化等优点，是众多研究者研究的热点。为了解决导电油墨存在的问题，使其更适用于电热采暖，研究一种发热均匀、电热性能优良、附着力强的碳系导电油墨具有重要意义。
　　本论文通过对碳黑和石墨分散剂的筛选和分散方法的研究确定了适当的分散工艺；通过选用水性聚氨酯为粘结剂，石墨和碳黑作为填料制备导电油墨，基于上述导电油墨制备导电织物，并对导电织物的导电性能、微观形貌及油墨附着力等性能进行了测试表征；将导电织物加工成电热元件，研究了导电织物电热元件的电热性能和模拟了实际应用中的传热过程。通过以上研究，可以得到如下结论：
　　（1）分别研究碳黑与石墨在水性体系中的分散性，结果表明：采取球磨方式对碳黑进行分散比超声方式分散可以取得更好的分散效果和沉降稳定性，制备得到的碳黑水性体系中的碳黑颗粒的粒径更小。非离子型分散剂曲拉通X-100的分散效果优于十二烷基苯磺酸钠、聚氧乙烯月桂醚、阿拉伯树胶粉和阴离子聚丙烯酰胺等分散剂，以曲拉通X-100作为分散剂，通过球磨分散制备碳黑水性分散体系，可以得到平均粒径为243.6nm的碳黑颗粒，且碳黑粒径分布较窄。在此基础上，对石墨填料进行了分散性研究，发现在同样工艺条件下，石墨水性分散体系中石墨颗粒的尺寸随球磨时间的增加而减少，石墨水性分散体系的分散效果也越好。
　　（2）分别以石墨和碳黑为填料，制备了电热用导电油墨，浸渍后得到导电织物，研究了填料含量和球磨时间对油墨性能的影响。结果表明：以石墨为导电填料的导电油墨，在球磨4h时比球磨10h获得的体积电阻率更低，导电性更好；其体积电阻率随石墨含量的增加而减小，石墨:聚氨酯的质量比为10:5的导电油墨，其导电性能较好，同时以此导电油墨制备的导电织物的表面平整，涂层均匀且附着力等级较佳。以碳黑为导电填料制备的导电油墨，在碳黑含量增大到某一程度后（碳黑:聚氨酯=10:3），会出现触变现象，致使导电织物表面不均匀；碳黑:聚氨酯的质量比为10:5的导电油墨导电性能最好，导电织物平整度佳。
　　（3）以石墨/碳黑混合物为填料制备导电油墨，研究了石墨和碳黑的配比对油墨性能的影响。结果表明：所制备的导电性能较单一填料的导电油墨好，且导电油墨有着良好的伏安特性。在石墨:碳黑:聚氨酯为6:4:5时，导电织物达到最低体积电阻率1.27Ω·cm，织物表面光滑平整，涂层附着力为2级。
　　（4）基于导电织物制备了导电织物电热元件，研究了其电热性能和工作过程中的换热量。研究表明：所制备的导电织物电热元件具有快速升温速率，升温时间为5min；导电织物电热元件的稳定温升和功率密度之间存在良好的线性关系，温升和功率密度之比的倒数为综合换热系数，其值为0.0022；导电织物表现出优良的自控温性能，在工作过程中辐射换热量占总换热量的64％左右，属于辐射传热。

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1绪论

1.1引言

1.2电热膜辐射供暖系统

1.3电热膜用导电油墨

1.4导电油墨的研究现状

1.5本课题的研究意义与研究内容

2导电填料分散性能的研究

2.1引言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4本章小结

3碳系导电油墨的制备及其性能研究

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4本章小结

4碳系导电织物的电热性能和应用

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4本章小结

5结论

6参考文献

7攻读学位期间的研究成果

7.1已录用的学术论文

7.2获奖项目

致谢