炭系自控溫電熱復(fù)合材料的制備與性能研究.pdf

1、電熱復(fù)合材料是一種方便加工并能進行高效電熱轉(zhuǎn)化的功能性材料。如今，特別是具有智能控溫功能的柔性電熱復(fù)合材料正成為新型功能材料中的熱門研究對象。然而，目前電熱復(fù)合材料在實際使用過程中還普遍存在自控溫性差，粘結(jié)劑耐熱、耐候性不強和易老化失效等問題。因此，研究和開發(fā)新型高性能電熱復(fù)合材料不僅具有重要的科學(xué)研究意義，更具有重要的實際應(yīng)用價值。本文主要針對上述難題，開展了對炭系智能控溫型電熱復(fù)合材料的研究。通過對不同種導(dǎo)電及非導(dǎo)電性填料、不同結(jié)晶

2、性粘結(jié)劑的篩選、混合等方式研制出了在24V安全電壓下具有優(yōu)良電熱穩(wěn)定性能的復(fù)合材料配方。并在此基礎(chǔ)上進行了生產(chǎn)工藝設(shè)計。主要研究內(nèi)容如下：
　?。?）將幾種不同類型的炭材料作為單組份導(dǎo)電填料進行了研究。選用熱裂解炭N991、乙炔黑和多壁炭納米管分別作為單組份導(dǎo)電填料，以具有強環(huán)境耐受性的聚偏氟乙烯（PVDF）為粘結(jié)劑，二者以一定的質(zhì)量梯度比進行研磨共混后配制成漿料，并以PET預(yù)涂膜為基底，制得炭系柔性電熱膜。系統(tǒng)研究了不同炭材料在

3、PVDF中的滲流閾值及其首次電熱性能。實驗研究結(jié)果表明：以熱裂解炭 N991為導(dǎo)電填料時的滲流閾值高達總質(zhì)量的80％，而以乙炔黑和多壁炭納米管為導(dǎo)電填料時則迅速降為總質(zhì)量的40%；且以乙炔黑為單組份導(dǎo)電填料時其電阻率隨含量增加下降最快；在24V的電壓下，所得電熱膜的發(fā)熱率隨電阻率的降低而升高，且首次電熱穩(wěn)定性均在高電阻率、低發(fā)熱率情況下較好。
　?。?）將混合炭材料作為導(dǎo)電填料進行了研究。在以單組份炭材料作為導(dǎo)電填料對其電熱性能進

4、行了研究的基礎(chǔ)上，將其按特定比例分配混合作為導(dǎo)電填料，仍以PVDF為粘結(jié)劑，并添加了少量的二氧化硅作為非導(dǎo)電性分散填料，將其復(fù)合制成電熱膜。探究了不同種類和比例的炭材料混合以及改變粘結(jié)劑的含量對電熱膜的導(dǎo)電性、首次電熱性能和耐老化循環(huán)性能的影響。研究結(jié)果表明：當(dāng)粘結(jié)劑的添加量為總質(zhì)量的60%，乙炔黑與多璧炭納米管的質(zhì)量比為2:5時，其表現(xiàn)出了優(yōu)良的首次電熱穩(wěn)定性能，但升溫速率和耐老化循環(huán)性能均有待進一步提高。
　?。?）考察了以高

5、度結(jié)晶性的聚氧化乙烯（PEO）為粘結(jié)劑的電熱復(fù)合材料性能。在以PVDF為粘結(jié)劑的探究實驗中選取了三組優(yōu)化配方，用PEO替代其中的PVDF進行進一步實驗研究，并對電熱復(fù)合材料中的非導(dǎo)電性分散填料種類（SiO2、MgO、ZnO和CaCO3）及其添加量進行了研究。實驗結(jié)果顯示，當(dāng)PEO的含量為總質(zhì)量的50%，熱裂解炭N991和多壁炭納米管質(zhì)量比為4:5時，其首次電熱性能和耐老化性能相對較好；當(dāng)以SiO2為非導(dǎo)電性分散填料時，首次電熱穩(wěn)定性最佳

6、，而以ZnO為非導(dǎo)電性分散填料時，其耐老化循環(huán)性能最好；且當(dāng)SiO2的添加量為2%和5%時，其表現(xiàn)出較好的綜合電熱性能。
　?。?）電熱復(fù)合材料的應(yīng)用探究。將電熱復(fù)合材料與可逆熱致變色材料進行復(fù)合，形成一種新型復(fù)合材料，在24V的安全電壓下進行通斷電測試，觀察其變色過程并記錄了溫度—時間和電流—時間變化曲線。測試結(jié)果表明：新型復(fù)合材料通電后隨著表面溫度不斷升高，逐漸發(fā)生變色。當(dāng)通電加熱五分鐘后新型復(fù)合材料的溫度升至43℃左右，試樣