面状发热体及其用水性导电浆料和制备方法技术

本发明专利技术提供一种水性导电浆料、面状发热体及其制备方法与应用。水性导电浆料包含成膜树脂和导电组分，其中，导电组分至少包含碳纳米管，水性导电浆料还包含带有极性基团的有机相变材料以及交联剂，有机相变材料、交联剂与成膜树脂在设定温度下能够反应构成交联网络。面状发热体包括基体、形成于基体上的碳膜层和电极，碳膜层由本发明专利技术水性导电浆料制成。本发明专利技术的水性导电浆料及面状发热体，环保且PTC强度高，循环寿命长且耐高温稳定性得到明显提升，适用于各种加热产品中使用。适用于各种加热产品中使用。

【技术实现步骤摘要】
面状发热体及其用水性导电浆料和制备方法


[0001]本专利技术涉及水性导电浆料及其制备方法，本专利技术同时还涉及面状发热体及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着科技的进步和生活水平的提高，人们对供暖设备的安全性、舒适度要求也越来越高。寒冷季节经常会使用到一些供暖设施(如电地暖系统)和产品如加热座垫、电热毯等。碳系面状发热体作为一种新兴的面状导电发热材料，在通电后能够辐射远红外线，以辐照方式供暖，具有发热效率高、健康舒适、节能环保、安全无污染等优点，受到越来越多消费者的青睐。
[0003]现有技术中，以电地暖采用的碳系面状发热体为例，其不具有自限温功能，在被覆盖时其覆盖位置的表面温度会发生显著的提升，一般会超过设定温度的2倍(90℃以上)，存在安全隐患。为了解决这个问题，通常另外设置限温系统来控制加热温度，具体主要通过将热敏电阻(温度传感器)粘贴至电热膜表面对电热膜温度进行监测从而起到过热保护作用。然而，这种热敏电阻只能实现点状监测，不能大范围、全面监测电热膜表面的温度，无法避免电热膜因局部覆盖而出现温度过高进而引发的安全问题，而大面积布设温度传感器会造成成本的大幅上升和潜在的线路隐患。
[0004]目前，碳系面状发热体主要通过采用涂覆、印刷等方式将导电涂料分布在基材上制成，其中导电涂料是决定碳系面状发热体性能的核心。开发具有自限温功能的导电涂料能够赋予面状发热体自限温功能。
[0005]已知，现有技术中已经存在具有自限温效应或者正温度系数(PTC)效应的导电材料。这类导电材料，当超过一定的温度时，其电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高，在负载电压不变情况下，能够大大降低导电材料的发热功率，使其温度逐渐回落；当降低至某一温度后，导电材料又可恢复至较低的电阻而正常工作。但是，这些导电材料无法直接应用于制备例如电地暖系统等中应用的面状发热体。
[0006]有专利提出了具有PTC效应的面状发热体材料。其中一些专利所公开的面状发热体材料，PTC效应明显较差，抑制升温效果不明显，且在多次使用后或在一定温度时存在负温度系数(NTC)效应，实际使用中会导致加热膜的加热缓慢，而一旦出现过热后又不能迅速回落。有一些专利(如CN110437690A)虽然制备了PTC强度高的水性导电浆料，但未对发热膜的稳定性进行相关测试和说明，而结合配方以及经过实验可知由其制备的发热膜的工作稳定性并不好。还有一些专利中，面状发热体材料采用的导电浆料为非水性的或者是完全基于石墨的，存在不环保、时间使用后开裂、功率衰减严重、成本高等不足。

技术实现思路

[0007]本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种适于制备自限温面状发热体的水性导电涂料、由其制备的自限温面状发热体以及电地暖系统。
[0008]本专利技术同时还提供一种自限温面状发热体的制备方法，由其制备的自限温面状发热体具有改善的耐高温稳定性。
[0009]为解决以上技术问题，本专利技术采取的一种技术方案是：
[0010]一种用于制备面状发热体的水性导电浆料，包含成膜树脂和导电组分，其中，导电组分至少包含碳纳米管，水性导电浆料还包含带有极性基团的有机相变材料以及交联剂，有机相变材料、所述交联剂与所述成膜树脂在设定温度下能够反应构成交联网络，每摩尔所述有机相变材料含有不高于4摩尔的极性基团。
[0011]进一步地，所述的有机相变材料的极性基团可以为选自羟基、羧基、羰基、氨基中的一种或多种的组合。
[0012]进一步地，所述有机相变材料的相变温度优选为40～180℃，所述水性导电浆料中可以只含有一种有机相变材料，也可以含有相变温度不同的多种有机相变材料。优选地，当含有多种有机相变材料时，各相变材料之间的相变温度差在10℃以上。根据本专利技术的进一步优选方案，水性导电浆料中包含几种不同相变温度的有机相变材料，各相变材料之间的相变温度差在20℃以上。
[0013]优选地，根据本专利技术的一个具体实施方面，所述水性导电浆料中含有一种相变温度材料，其相变温度优选为40～150℃，进一步优选为50～140℃。经证实，当采取一种相变温度材料时，相变温度越高，所制备的发热体的负温度系数效应降低，发热体的循环稳定性更好。
[0014]根据本专利技术的又一具体实施方面，所述水性导电浆料中采取多种相变材料的组合时，使得能够在实际使用温度区间获得相应的多种PTC效应，并且同时整体上避免了使用温度区间的负温度系数效应，保证了发热体在整个使用温度区间内的PTC效应以及提高发热体的循环稳定性。
[0015]在根据本专利技术的一些实施方式中，所述水性导电浆料中含有的所述有机相变材料包括相变温度为50～90℃的第一有机相变材料和相变温度为90～150℃的第二有机相变材料，其中第二有机相变材料的相变温度比第一有机相变材料的相变温度高50℃～70℃。
[0016]在一些特别优选的实施方式中，所述水性导电浆料中包含相变温度为50～80℃的第一有机相变材料和相变温度为120～140℃的第二有机相变材料。
[0017]进一步地，当相变材料有不止一种时，多种相变材料的具体比例可以根据目标使用温度区间及相应的PTC效应来确定。在存在二种相变材料的体系中，这二种相变材料的质量比优选为0.3～3:1。
[0018]优选地，所述设定温度为120～160℃。在一些实施方式中，有机相变材料、交联剂与成膜树脂在140℃下能够反应构成交联网络。
[0019]进一步地，所述成膜树脂优选为选自聚氨酯分散体、丙烯酸乳液、水性环氧乳液中的一种或多种的组合。
[0020]进一步地，所述交联剂优选为选自水性异氰酸酯、氮丙啶、水性聚碳化二亚胺中的一种或多种的组合。
[0021]进一步地，所述的有机相变材料优选为选自脂肪酸类相变材料或醇类相变材料中的一种或多种的组合。其中，脂肪酸类相变材料可以是饱和脂肪酸，也可以是不饱和脂肪酸。对于脂肪酸的碳数没有特别限制，只要是具有相变特性即可。在一些具体实施方式中，
有机相变材料优选是碳数为12～36的脂肪酸。醇类相变材料可以是小分子形式或聚合物形式的。根据本专利技术的一个优选方面，醇类相变材料为聚乙二醇、聚乙二醇之外的其他聚醚多元醇以及小分子多元醇，且小分子多元醇优选是二元醇相变材料或三元醇相变材料，当所述醇类相变材料是小分子多元醇时，羟基的含量不宜过大(优选每摩尔分子中羟基的摩尔数少于5，优选少于4)，否则会导致过高的交联度，而不利于成膜和提高PTC效应。所述“小分子”并非限制分子量，而是指与聚合物相对而言的、非聚合物形式的分子，通常，小分子多元醇的分子量不超过1000。
[0022]在一些具体实施方式中，所述的有机相变材料为选自月桂酸、硬脂酸、月桂二酸、棕榈酸、二十烷基酸、数均分子量为200～4000的聚乙二醇、数均分子量为200～4000的聚乙二醇之外的其他聚醚多元醇中的一种或多种的组合。选用聚乙二醇时，其分子量优选为500～3000，更优选500～2000，具体例如PEG200、PEG400、PEG600、PEG8本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于制备面状发热体的水性导电浆料，包含成膜树脂和导电组分，其特征在于，所述导电组分至少包含碳纳米管，所述水性导电浆料还包含带有极性基团的有机相变材料以及交联剂，所述有机相变材料、所述交联剂与所述成膜树脂在设定温度下能够反应构成交联网络，每摩尔有机相变材料含有不高于4摩尔的极性基团。2.根据权利要求1所述的水性导电浆料，其特征在于：所述的有机相变材料的极性基团为羟基、羧基、羰基、氨基中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的水性导电浆料，其特征在于，所述有机相变材料的相变温度为40～180℃，所述水性导电浆料中含有一种有机相变材料或相变温度不同的多种有机相变材料，当含有多种有机相变材料时，各相变材料之间的相变温度差在10℃以上。4.根据权利要求1所述的水性导电浆料，其特征在于，所述水性导电浆料中含有的有机相变材料为一种，且相变温度在50～140℃之间；或者，所述水性导电浆料中包含几种不同相变温度的有机相变材料，各相变材料之间的相变温度差在20℃以上。5.根据权利要求1所述的水性导电浆料，其特征在于，所述成膜树脂为选自聚氨酯分散体、丙烯酸乳液、水性环氧乳液中的一种或多种的组合；和/或，所述交联剂为选自水性异氰酸酯、氮丙啶、水性聚碳化二亚胺中的一种或多种的组合；和/或，所述的有机相变材料为选自脂肪酸类相变材料或醇类相变材料中的一种或多种的组合；和/或，当所述的有机相变材料为水溶性材料时，所述水性导电浆料的制备过程中，直接向体系中投加所述有机相变材料；当所述的有机相变材料为水难溶或不溶性材料时，所述水性导电浆料的制备过程中，向体系中投加包含有机相变材料的水性分散体；和/或，所述设定温度为120～160℃。6.根据权利要求1至5中任一项权利要求所述的水性导电浆料，其特征在于，所述的有机相变材料包含选自碳数为12～36的饱和或不饱和脂肪酸、聚乙二醇、聚乙二醇之外的其他聚醚多元醇以及小分子二元醇相变材料或小分子三元醇相变材料中的一种或多种。7.根据权利要求6所述的水性导电浆料，其特征在于，所述的有机相变材料包含选自月桂酸、硬脂酸、月桂二酸、棕榈酸、二十烷基酸、数均分子量为200～4000的聚乙二醇、数均分子量为200～4000的聚乙二醇之外的其他聚醚多元醇中的一种或多种。8.根据权利要求1所述的水性导电浆料，其特征在于，所述导电组分由碳纳米管、炭黑、石墨和/或石墨烯按质量比1～2：2～7：0...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈新江，王闯，袁芳，李峰，沈珍辉，王振威，周红波，
申请(专利权)人：浙江汉纳新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：