柔性高分子基電熱膜材料的制備與性能研究.pdf

1、自控溫電熱復(fù)合材料是一種基于焦耳效應(yīng)的新型功能材料，能夠?qū)崿F(xiàn)電能向熱能的直接轉(zhuǎn)化。當(dāng)下，全世界對(duì)柔性電熱復(fù)合材料的研制正成為新型功能材料研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。但傳統(tǒng)電熱復(fù)合材料在實(shí)際應(yīng)用過程中還普遍存在自控溫性差、電熱性能不穩(wěn)定和易老化失效等問題，這些問題制約了電熱復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用。因此，對(duì)具有優(yōu)良性能的電熱復(fù)合材料的研究和開發(fā)不論是在科學(xué)研究還是在實(shí)際應(yīng)用上都具有非常重要的意義與價(jià)值。為了克服以上局限性，本文針對(duì)高分子基電熱復(fù)合材料展

2、開了一系列的研究。通過溶液法將不同類型碳系填料和高分子基體進(jìn)行機(jī)械混合制備出了一系列具有優(yōu)良電熱性能及循環(huán)穩(wěn)定性能的電熱復(fù)合材料。主要研究結(jié)果如下:
　　(1)以具有優(yōu)良機(jī)械性能和耐化學(xué)腐蝕性能的熱塑性聚氨酯彈性體(TPU)為基體，采用不同類型碳材料作為導(dǎo)電填料，通過涂膜技術(shù)制備了TPU基電熱復(fù)合膜。本工作首先選用Super-P和多壁碳納米管(MWCNTs)分別作為單組份導(dǎo)電填料，再將導(dǎo)電填料與粘結(jié)劑以一定的質(zhì)量比進(jìn)行機(jī)械研磨，以

3、N-甲基-2吡咯烷酮(NMP)為溶劑，充分?jǐn)嚢韬笈渲瞥蓾{料，最后將漿料涂覆在PET基底上制得柔性電熱膜。此外，本工作對(duì)TPU基體中不同種類碳材料的導(dǎo)電能力及其電熱性能和循環(huán)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。研究結(jié)果表明:兩種不同形態(tài)導(dǎo)電填料Super-P與MWCNTs在PTU基體中的滲流閾值均為15wt.％。當(dāng)導(dǎo)電填料含量在10-20wt.％之間時(shí)，TPU/Super-P復(fù)合材料的電導(dǎo)率更高。但當(dāng)導(dǎo)電填料含量超過25wt.％時(shí)，TPU/MWCNTs復(fù)

4、合材料的導(dǎo)電性要好于TPU/Super-P復(fù)合材料，且其面電阻最低僅為23.91Ωsq-1。當(dāng)復(fù)合材料中導(dǎo)電填料含量在10-20wt.％時(shí)，復(fù)合電熱膜在輸入電壓為5-80V時(shí)，達(dá)到恒定溫度時(shí)間均小于50s。然而，當(dāng)導(dǎo)電填料含量在25-30wt.％時(shí)，復(fù)合電熱膜達(dá)到恒定溫度則需要100s。其中TPU/Super-P復(fù)合電熱膜的恒溫區(qū)穩(wěn)定性高于TPU/MWCNT復(fù)合電熱膜。此外，導(dǎo)電填料含量為20wt.％時(shí)，TPU/Super-P和TPU/

5、MWCNTs兩種電熱膜分別在30V和20V電壓下循環(huán)6次，最高溫度與相對(duì)電阻基本保持不變，電熱循環(huán)性能良好。
　　(2)制備系列以TPU為粘結(jié)劑，混合碳為導(dǎo)電填料的電熱復(fù)合材料。圍繞Super-P和MWCNTs兩種碳材料的混合比例對(duì)電熱復(fù)合材料的電學(xué)性能、電熱性能以及電熱循環(huán)性能的影響展開了研究。研究結(jié)果表明:當(dāng)Super-P與MWCNTs的質(zhì)量比為5∶20時(shí)，其面電阻為30.5Ωsq-1。該結(jié)果較同質(zhì)量分?jǐn)?shù)單一碳為導(dǎo)電填料的電熱

6、復(fù)合材料的面電阻要小。當(dāng)Super-P與MWCNTs的質(zhì)量比為12.5∶12.5時(shí)，所得復(fù)合電熱膜在輸入電壓為5-25V時(shí)均可在50s內(nèi)達(dá)到恒溫，且恒溫區(qū)平臺(tái)穩(wěn)定。該復(fù)合電熱膜在15V電壓下循環(huán)6次，最高溫度均恒定在47℃，表現(xiàn)出較好的電熱循環(huán)穩(wěn)定性。此外，電熱膜的電流(I)-電壓(U)曲線接近線性關(guān)系，符合歐姆定律。
　　(3)考察了以聚氧化乙烯(PEO)和聚氨酯乳液(PU）為復(fù)合基體時(shí)的電熱復(fù)合材料性能。首先以Super-P為

7、導(dǎo)電填料，探究不同粘結(jié)劑配比對(duì)電熱膜材料的電學(xué)性能、電熱性能以及循環(huán)性能的影響，并優(yōu)選出綜合性能較好的組成比例。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)PEO與PU質(zhì)量比為5∶2時(shí)，單一碳基復(fù)合電熱膜在20V下可在25s內(nèi)達(dá)到40℃，恒溫平臺(tái)穩(wěn)定，并且在25V電壓下循環(huán)6次，最高溫度均穩(wěn)定在48℃?；谏鲜鼋Y(jié)果，結(jié)合TPU基電熱膜中的優(yōu)選混合碳配比，進(jìn)一步研究了以混碳作為導(dǎo)電填料制得的電熱膜材料的電熱性能與電熱循環(huán)性能。在混碳電熱膜中，當(dāng)Super-P與MWC

8、NTs的質(zhì)量比為12.5∶12.5時(shí)，樣品在20V下可在25s內(nèi)達(dá)到40℃，并在25V電壓下循環(huán)6次，最高溫度穩(wěn)定在45℃。此外，電流-電壓曲線嚴(yán)格保持線性關(guān)系，符合歐姆定律，且電功率(P)隨電壓滿足P=U2/R關(guān)系。
　　(4)電熱膜材料的應(yīng)用研究。將電熱膜材料與可逆熱致變色材料復(fù)合在一起，構(gòu)成可穿戴新型電熱膜器件。在10V電壓下對(duì)其進(jìn)行通斷電測(cè)試并觀察其變色過程。應(yīng)用測(cè)試結(jié)果表明:新型電熱膜材料在通電過程中顏色的變化是由于通斷