一种水性PTC纳米碳电热涂料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种水性PTC纳米碳电热涂料及其制备方法，该水性PTC纳米碳电热涂料由导电碳材料、聚合物微粉、助剂、水性粘结树脂及水组成，其中所述聚合物微粉为结晶型热塑性聚合物粉末。其制备方法包括：将聚合物微粉经过亲水化处理，通过高速剪切在粘结树脂体系中形成均匀稳定的树脂分散浆料，接着将经过研磨分散的纳米碳导电浆料及各种助剂与其混合、消泡后获得成品涂料。本发明专利技术利用结晶型热塑性聚合物热循环中的结晶‑软化转变，带动纳米碳导电网络的变化，从而改变涂层内部的电阻，获得正温度电阻（PTC）效应，实现对电加热涂料功率的调控，获得安全高效的电加热涂层。本发明专利技术的全水性PTC电热涂料具有绿色环保、安全可靠、高效节能的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种水性PTC纳米碳电热涂料及其制备方法
本专利技术涉及一种水性电热油墨，特别涉及一种水性PTC纳米碳电热涂料及其制备方法。
技术介绍
PTC(PositiveTemperatureCoefficient)效应，即正温度系数效应，是指此材料的电阻会随温度的升高而增加。PTC效应在电加热原件中可以有效保护发热体，随着温度升高，电阻增大，功率下降，可实现对温度的自适应调控，是一种安全可靠的过热保护手段。随着近年来电加热产品的不断涌现，采用涂布印刷工艺的面状发热膜由于具有发热均匀、热能利用率高、辐射面积大、电流密度低、电磁辐射低等特点，成为新一代的高效电加热技术。该类产品的核心技术是印刷油墨，其中以碳材料为主要导电填料的碳系电热油墨成为主流产品。但是碳材料本身是一种NTC（负温度系数）材料，随着温度上升，电阻下降，功率不断上升将给使用安全带来巨大问题。中国专利技术专利201410059559.1公开了一种正温度系数电热地膜及其制作方法，其通过外接PTC元器件对加热膜实施调控以实现发热膜的安全使用，并未从油墨本身的配方结构上解决问题。中国专利技术专利201410217613.0公开了一种双控温PTC导电印刷油墨及其制备方法，采用两种树脂：结晶型树脂和非结晶型树脂，通过互配调整油墨的PTC效应。中国专利技术专利201310504189.3公开了一种调节功率的导电油墨及其制备方法和应用，直接采用聚烯烃类树脂为粘结剂，借鉴PTC电阻的原理，通过聚烯烃材料升温降温循环的结晶融化实现PTC功能。但迄今为止水性PTC尚鲜有报道，尤其是随着油墨水性化的大趋势发展，具有PTC功能的水性电热油墨成为迫切所需。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种水性PTC纳米碳电热涂料及其制备方法，以克服现有技术的不足。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种水性PTC纳米碳电热涂料，由导电碳材料、聚合物微粉、助剂、水性粘结树脂及水组成，其基本组成及重量百分比为：导电碳材料1-20%聚合物微粉2-15%助剂1-10%水性粘结树脂10-30%水余量。进一步的，其特征在于所述导电碳材料是至少含碳纳米管、石墨烯、纳米碳纤维等一种或任意组合，且可同时添加导电炭黑、石墨粉等导电碳材料。进一步的，其特征在于所述聚合物微粉是结晶型的热塑性聚合物粉末，粒径200纳米-5微米，可以是聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚对苯二甲酸乙酯、聚对苯二甲酸丁酯、聚甲醛等的任意一种及组合。进一步的，其特征在于所述助剂包括分散剂、润湿剂、增稠剂、流平剂、防沉剂、防霉剂等。进一步的，其特征在于所述分散剂为用于纳米碳材料在水相中的分散剂，可以是各种表面活性剂，包括但不限定为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、辛基酚聚氧乙烯醚、羟甲基纤维素、甲基纤维素钠、乙基纤维素、甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、曲拉通、商业炭黑分散浸润剂中的任意一种或两种以上的组合任意。进一步的，其特征在于所述水性粘结树脂可以是水性聚氨酯、水性丙烯酸树脂、水性酚醛树脂、水性环氧树脂、水性醇酸树脂、水性聚酯树脂的任意一种及组合。一种水性PTC纳米碳电热涂料，其制备方法是：（1）聚合物微粉的亲水处理：首先将聚合物微粉加入亲水处理剂的无水溶剂溶液中，亲水偶联剂浓度0.05-5%，200-500rpm下搅拌30分钟-5小时，随后将其干燥，将无水溶剂挥发除去，获得亲水处理的聚合物微粉；（2）纳米碳水性分散液的制备，按配比将导电碳材料、分散剂、润湿剂在搅拌下混合均匀，超声、研磨、高速剪切、高压均质等工艺制备得到分散均匀的分散液，静置消泡后备用；（3）将亲水处理后的聚合物微粉和水性粘结树脂在高速分散机1000-3500rpm高速搅拌30分钟-5小时，随后按配比将纳米碳水性分散液与其混合，加入流平剂、防霉剂、防沉剂和水，最后加入增稠剂调整粘度至设定范围，而后静置消泡，获得最终产品。进一步的，其特征在于步骤（1）所述无水溶剂为无水乙醇、无水异丙醇、无水甲醇；所述亲水处理剂是化纤纺织品亲水整理剂。与现有技术相比，本专利技术的优点包括：（1）采用结晶型聚合物微粉为填充料，经亲水处理之后能稳定分散与涂层基体中，发挥其PTC效应，从而实现对整体涂层PTC功能的调控；（2）聚合物微粉亲水处理后能获得稳定的表面亲水性，从而与基体树脂具有良好的分散稳定性，较直接添加微粉具有更高的稳定性，涂层具有更优异的均一性和稳定性；（3）水性PTC电热油墨可实现功率自适应调控，具有安全可靠，发热均匀，高效节能的优势；（4）全水性电热油墨具有安全环保的特点，适合工业化大规模生产。本专利技术利用结晶型热塑性聚合物热循环中的结晶-软化转变，带动纳米碳导电网络的变化，从而改变涂层内部的电阻，获得正温度电阻（PTC）效应，实现对电加热涂料功率的调控，获得安全高效的电加热涂层。本专利技术的全水性PTC电热涂料具有绿色环保、安全可靠、高效节能的特点，可广泛应用于各类电加热面状发热膜，在家具采暖、红外理疗、工业加热保温领域具有广阔应用前景。具体实施方式实施例1水性PTC纳米碳电热涂料组成及重量百分比为：碳纳米管5%聚乙烯微粉（粒径1微米）5%十二烷基苯磺酸钠分散剂2%BYK333流平剂0.5%BYK191润湿剂0.5%其他助剂1%水性聚氨酯树脂20%水余量。首先将聚乙烯微粉加入亲水整理剂的无水乙醇溶液中，亲水整理剂浓度1%，200rpm下搅拌2小时，随后将其干燥，将无水乙醇挥发除去，获得亲水处理的聚合物微粉。与此同时，按配比将碳纳米管、十二烷基苯磺酸钠分散剂、BYK191润湿剂在搅拌下混合均匀，研磨工艺制备得到分散均匀的分散液，静置消泡后获得碳纳米管分散液备用。接着，将亲水处理后的聚乙烯微粉和水性聚氨酯树脂在高速分散机1500rpm高速搅拌2小时，随后按配比将碳纳米管分散液与其混合，加入流平剂、防霉剂、防沉剂和水，最后加入增稠剂调整粘度至设定范围，而后静置消泡，获得最终产品。通过刮涂工艺将成品涂布成5厘米×15厘米样条，测试表面电阻为500Ω，采用精密热敏电阻测试仪测试其PTC强度可达5。实施例2水性PTC纳米碳电热涂料组成及重量百分比为：石墨烯10%聚丙烯微粉（粒径0.5微米）5%曲拉通X100分散剂2%BYK331流平剂0.5%BYK190润湿剂0.5%其他助剂1%水性丙烯酸树脂20%水余量。首先将聚丙烯微粉加入亲水整理剂的无水乙醇溶液中，亲水整理剂浓度1%，200rpm下搅拌2小时，随后将其干燥，将无水乙醇挥发除去，获得亲水处理的聚合物微粉。与此同时，按配比将石墨烯、曲拉通X100分散剂、BYK190润湿剂在搅拌下混合均匀，研磨工艺制备得到分散均匀的分散液，静置消泡后获得石墨烯分散液备用。接着，将亲水处理后的聚丙烯微粉和水性丙烯酸树脂在高速分散机1500rpm高速搅拌2小时，随后按配比将石墨烯分散液与其混合，加入流平剂、防霉剂、防沉剂和水，最后加入增稠剂调整粘度至设定范围，而后静置消泡，获得最终产品。通过刮涂工艺将成品涂布成5厘米×15厘米样条，测试表面电阻为600Ω，采用精密热敏电阻测试仪测试其PTC强度可达4。实施例3。水性PTC纳米碳电热涂料组成及重量百分比为：碳纳米管5%导电炭黑5%尼龙微粉（粒径1微米）5%聚乙烯吡本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水性PTC纳米碳电热涂料，其特征在于：由导电碳材料、聚合物微粉、助剂、水性粘结树脂及水组成，其基本组成及重量百分比为：导电碳材料    1‑20%；聚合物微粉    2‑15%；助剂          1‑10%；水性粘结树脂  10‑30%；水            余量。

【技术特征摘要】
1.一种水性PTC纳米碳电热涂料，其特征在于：由导电碳材料、聚合物微粉、助剂、水性粘结树脂及水组成，其基本组成及重量百分比为：导电碳材料1-20%；聚合物微粉2-15%；助剂1-10%；水性粘结树脂10-30%；水余量。2.根据权利要求1所述的一种水性PTC纳米碳电热涂料，其特征在于：所述导电碳材料是至少含碳纳米管、石墨烯、纳米碳纤维一种或任意组合，且能够同时添加导电炭黑、石墨粉导电碳材料。3.根据权利要求1所述的一种水性PTC纳米碳电热涂料，其特征在于：所述聚合物微粉是结晶型的热塑性聚合物粉末，粒径200纳米-5微米，或是聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚对苯二甲酸乙酯、聚对苯二甲酸丁酯、聚甲醛的任意一种及组合。4.根据权利要求1所述的一种水性PTC纳米碳电热涂料，其特征在于：助剂包括分散剂、润湿剂、增稠剂、流平剂、防沉剂、防霉剂。5.根据权利要求4所述的一种水性PTC纳米碳电热涂料，其特征在于：其中分散剂为用于纳米碳材料在水相中的分散剂，可以是各种表面活性剂，包括但不限定为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、辛基酚聚氧乙烯醚、羟甲基纤维素、甲基纤维素钠、乙基纤维素、甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、曲拉通、商业炭黑分散浸润剂...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈名海，张永毅，李清文，张亦驰，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所南昌研究院，
类型：发明
国别省市：江西,36