地聚物基碳系電熱涂料的制備與性能研究

郭 佩，崔學(xué)民，林朝旭，楊思杰，呂學(xué)森

地聚物基碳系電熱涂料的制備與性能研究

郭 佩，崔學(xué)民，林朝旭，楊思杰，呂學(xué)森

(廣西大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，廣西 南寧 530004)

電熱涂料具有優(yōu)異的電熱性能，是一種廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活中的新型功能涂料。傳統(tǒng)有機(jī)電熱涂料VOC(Volatile Organic Compounds)含量高、制備成本高，而傳統(tǒng)無機(jī)電熱涂料制備過程復(fù)雜、涂層發(fā)熱不穩(wěn)定。本文以石墨、炭黑粉、多壁碳納米管作為導(dǎo)電填料分別制備得到三種地聚物基環(huán)保型電熱涂料，并對三種填料制備所得涂層的導(dǎo)電性、電熱性及微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：多壁碳納米管為填料制備所得涂層的電性能及熱性能優(yōu)于石墨和炭黑粉，當(dāng)摻量為4wt.%時(shí)就達(dá)到涂層的體積電阻率，其電阻率可降低至8.956 Ω·cm，36 V交變電流通電480 s其發(fā)熱溫度可升高到84.9 °C，在通電100次后仍保持著優(yōu)良的電熱性能。從涂層SEM可以得知，碳系填料均勻地分散在地聚物三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，這不僅有利于涂層實(shí)現(xiàn)良好的導(dǎo)電性，也有利于其保持良好的機(jī)械性能及耐久性能。

地聚物；電熱涂料；碳系；電熱性能

0 引言

電熱涂料由于優(yōu)良的電熱效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)把電能轉(zhuǎn)換為熱能，是一種具有特殊性能的新型功能材料[1]，無論是在科研領(lǐng)域還是在生產(chǎn)生活中，電熱涂料已經(jīng)受到人們越來越多的關(guān)注。電熱涂料仍存在著一些不足，如傳統(tǒng)有機(jī)型電熱涂料制備工藝復(fù)雜且制備成本高，對環(huán)境造成污染較大，限制了其實(shí)際廣泛應(yīng)用。隨著人們生活質(zhì)量的提高，水性環(huán)保型電熱涂料的應(yīng)用受到越來越多的重視，其以水為分散介質(zhì)，具有無毒、不易燃燒、不污染環(huán)境、節(jié)能、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)[2]。

地質(zhì)聚合物(簡稱地聚物)基涂料作為一種綠色環(huán)保的水性無機(jī)涂料，因其擁有優(yōu)越的熱傳導(dǎo)性能和廣泛的市場空間也備受關(guān)注，如其生產(chǎn)工藝簡單、成本低廉、耐化學(xué)腐蝕、環(huán)保無污染，符合綠色發(fā)展的要求而被應(yīng)用于多種領(lǐng)域[3-5]。地聚物主要是以黏土類礦物和工業(yè)廢棄物等為原料制備得到一種具有玻璃態(tài)到半晶態(tài)硅鋁酸鹽凝膠材料[6,7]，其微觀結(jié)構(gòu)是由硅氧四面體和鋁氧四面體通過氧橋連接構(gòu)成的三維骨架的空腔，其中的陽離子如堿金屬、堿土金屬和其它金屬陽離子填充在構(gòu)架的空腔內(nèi)，晶體內(nèi)的陽離子在骨架中自由移動(dòng)，可以進(jìn)行陽離子交換[8]，地聚物復(fù)合材料的導(dǎo)電機(jī)制是在非晶部分的鏈段運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致地聚物網(wǎng)絡(luò)Na+等離子解離為電荷載流子，借助聚合物的近程鏈段運(yùn)動(dòng)，離子在聚合物介質(zhì)中遷移而表現(xiàn)出離子導(dǎo)電性[8,9]。如果可移動(dòng)離子達(dá)到一定數(shù)量，其離子電導(dǎo)率應(yīng)該很高，因此，地聚物由于其特殊的三維網(wǎng)絡(luò)凝膠結(jié)構(gòu)及電學(xué)性能可以作為成膜物質(zhì)制備導(dǎo)電復(fù)合材料。碳系材料由于其低密度、低電阻率、優(yōu)良的導(dǎo)熱與導(dǎo)電性能、較高的電熱轉(zhuǎn)換效率及發(fā)熱溫度分布均一等特點(diǎn)一直被作為理想的電熱材料使用，以實(shí)現(xiàn)快速升溫及有效產(chǎn)熱，因此碳納米管(CNTs)、石墨、炭黑粉、石墨烯及其復(fù)合材料越來越受到研究者的重視[10-15]，在航空航天、軍事、汽車、醫(yī)療保健和建筑等領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景[16-27]。本研究利用石墨、炭黑粉、碳納米管分別作為導(dǎo)電填料，以地聚物為主要成膜物制備了三種不同碳系的電熱涂料，并對三者的導(dǎo)電性、電熱性、及熱穩(wěn)定性及微觀結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

地聚物基電熱涂料主要原材料與試劑見表1。

1.2 制備過程

將石墨、炭黑粉、多壁碳納米管放在120 °C干燥箱里烘2 h后置于干燥器冷卻至室溫。礦渣、水玻璃和導(dǎo)電填料按一定比例充分混合后，加入適量水(水固比為0.45)在200 rmp下攪拌2 min，添加適量的助劑后以500 rmp的速度勻速攪拌10 min制得導(dǎo)電涂料。將涂料在室溫下陳化5 min后均勻地涂敷于用玻璃基板上，基板在涂刷前應(yīng)用酒精擦試干凈并烘干后使用。涂層共涂刷2道，待第1道表干后涂敷第2道，每道厚度0.1± 0.01 mm。每組樣品平行做3個(gè)樣品。

1.3 測試與表征

將電熱涂料注膜成型固化后，夾在銅片電極之間，用LCR-800測定儀測量電熱膜的電阻，用電子數(shù)顯千分尺測試試樣長、寬、高，根據(jù)下式計(jì)算體積電阻率：

式中，-體積電阻率，單位Ω·cm；-電阻，單位Ω；S-式樣面積，單位cm2；h-試樣厚度(即兩極之間的距離)，單位cm。

通過DM 6801 A熱電偶溫度測試儀對涂層表面發(fā)熱溫度進(jìn)行測試，采用TG-165(武漢高德)熱成像儀觀測涂層整體的發(fā)熱溫度與涂層發(fā)熱溫度的均一性。溫度測試是在(25±2) °C恒溫室內(nèi)進(jìn)行，試樣大小為10 cm×6 cm。采用德國NETZSCH公司的同步熱分析儀對涂層的熱重和差熱信息進(jìn)行測量，觀察涂層的熱穩(wěn)定性。通過MiniFlex600型X-射線衍射分析儀(產(chǎn)自日本Rigaku公司)分析原材料及涂層晶像組成。采用S-3400掃描電子顯微鏡(產(chǎn)自日本Hitachi Limited公司)，觀察涂層的表面形貌及導(dǎo)電填料微粒在地聚物三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中分散狀態(tài)。

表1 電熱涂層的主要原材料

Tab.1 Main raw materials for electrothermal coatings

2 結(jié)果與討論

2.1 導(dǎo)電填料對涂層導(dǎo)電性能的影響

在碳系地聚物復(fù)合材料中主要涉及離子導(dǎo)電、電子導(dǎo)電、空穴導(dǎo)電3種導(dǎo)電方式[28]，其導(dǎo)電機(jī)理遵循滲流理論以及隧道效應(yīng)。隨著填料在復(fù)合材料中的摻量逐步增加，填料粒子間的間距逐步縮短，當(dāng)填料摻量超過某一臨界值時(shí)，填料粒子之間相互接觸，開始形成導(dǎo)電滲流網(wǎng)絡(luò)，使得復(fù)合材料的電導(dǎo)率急劇增大，此臨界值又稱為滲濾閾值[29]。因此導(dǎo)電填料的種類及摻量對碳系電熱涂層的電熱性能有著較大的影響。本實(shí)驗(yàn)固定礦渣、干粉水玻璃、溶劑水及添加劑等的用量，分別制備了三種碳系下不同填料摻量的電熱涂層，研究了在25 °C養(yǎng)護(hù)28 d后不同碳系的導(dǎo)電填料摻量與其體積電阻率的關(guān)系，確定了上述三種填料的滲流值，并對三種涂層的電熱性能(測試電壓為36 V交流電壓)及三者中所得導(dǎo)電性能最優(yōu)涂層的熱穩(wěn)定性等進(jìn)行了研究。

圖1 不同炭黑摻量和石墨摻量的體積電阻率

由圖1可知，當(dāng)導(dǎo)電填料摻量為0wt.%時(shí)，涂層的體積電阻率為1136.53 Ω·cm，當(dāng)添加炭黑粉和石墨導(dǎo)電填料摻量分別為5wt.%時(shí)，涂層的體積電阻率略有增大，隨著導(dǎo)電填料的增加，涂層體積電阻率急劇下降，當(dāng)涂層的體積電阻率到達(dá)某一值時(shí)其體積電阻率不再隨著導(dǎo)電填料摻量的增加而明顯減小，其電阻率基本維持在一恒定值。石墨導(dǎo)電填料摻量在25wt.%時(shí)，涂層達(dá)到了滲流值，其體積電阻率降低至17.684 Ω·cm；而炭黑摻量在20wt.%時(shí)就達(dá)到了涂層的滲流值，其體積電阻率為14.081 Ω·cm，炭黑粉在地聚物基導(dǎo)電涂層中的電學(xué)性能要優(yōu)于石墨。

涂層的導(dǎo)電填料為0wt.%時(shí)，地聚物本身的導(dǎo)電性決定了涂層的電阻率，其導(dǎo)電方式主要為地聚物三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的離子導(dǎo)電及空穴導(dǎo)電，當(dāng)導(dǎo)電填料少量增加時(shí)，增加的導(dǎo)電填料稀疏的分散在地聚物三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，填料粒子之間呈彼此隔離的狀態(tài)，此時(shí)的導(dǎo)電填料對地聚物中粒子的遷移起到了阻礙的作用，導(dǎo)致導(dǎo)電填料摻量為5wt.%時(shí)其涂層的體積電阻率比不摻導(dǎo)電填料的電阻率還要高，此時(shí)涂層的導(dǎo)電方式是以地聚物中的離子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電為主。隨著導(dǎo)電填料摻量的增加，填料粒子由原來的完全不接觸到不完全接觸且填料粒子間距離逐漸縮小，開始形成連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，涂層的體積電阻率開始下降; 當(dāng)導(dǎo)電填料摻量達(dá)到滲流閾值時(shí)，導(dǎo)電填料之間距離足夠接近以至于產(chǎn)生無限大導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)電填料之間形成了較大的隧道電流，體積電阻率急劇下降并趨于一個(gè)恒定值，此時(shí)涂層的導(dǎo)電形式與填料摻量較少時(shí)的導(dǎo)電形式發(fā)生了變化，主要由地聚物中離子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電填料的電子導(dǎo)電的形式。

由圖2可知，隨著多壁碳納米管導(dǎo)電填料摻量的增加，涂層的電阻率在摻量為1wt.%~3wt.%區(qū)間迅速下降，當(dāng)碳納米管摻量增加到4wt.%時(shí)，其體積電阻率減小至8.956 Ω·cm。但繼續(xù)增加碳納米管摻量，不能有效減小涂層的體積電阻率，此時(shí)達(dá)到了涂層的滲流值，涂層的導(dǎo)電形式以電子導(dǎo)電為主。從微觀來看，增加碳納米管在地聚物基體中的摻量，可以認(rèn)為涂層內(nèi)部碳納米管的間距在不斷減小，涂層中碳納米管之間搭接增多，這種搭接為涂層中電子遷移提供有效路徑，提升了電子遷移的速率，當(dāng)碳納米管間距足夠小時(shí)，電子就能穿越勢壘在涂層內(nèi)部形成一個(gè)完全相互連接導(dǎo)通的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而有效降低了涂層的電阻率，此時(shí)隧道效應(yīng)占材料內(nèi)部導(dǎo)電的主導(dǎo)作 用[30]。宏觀表現(xiàn)為增加多壁碳納米管填料的摻量其電阻率不再呈現(xiàn)明顯減小趨勢，而是趨于一個(gè)恒定的值。結(jié)果表明；當(dāng)添加適量的多壁碳納米管時(shí)，碳納米管可均勻分散在由四面體構(gòu)成三維骨架的地聚物空腔內(nèi)，使其導(dǎo)電性能增加，電阻率減小，表現(xiàn)出了優(yōu)良的電學(xué)性能，其電學(xué)性能優(yōu)于石墨和炭黑粉。

圖2 不同碳納米管含量的體積電阻率

2.2 導(dǎo)電填料對涂層熱性能的影響

當(dāng)外界對導(dǎo)電涂層提供電壓組成閉合電路時(shí)，由于導(dǎo)電涂層自身的電阻，涂層的電流產(chǎn)生焦耳熱效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)了電能向熱能的轉(zhuǎn)化。摻和性電熱涂料的發(fā)熱性能遵循Baba等建立的滲流理論，填料微粒均勻的分布在聚合物中，當(dāng)導(dǎo)電填料摻量較少時(shí)，導(dǎo)電填料被基體隔離，沒有形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)導(dǎo)電填料摻量較高時(shí)，它們之間實(shí)現(xiàn)實(shí)際接觸，材料的電阻趨于穩(wěn)定，所產(chǎn)生的熱量也趨于穩(wěn)定[31]。本實(shí)驗(yàn)固定其它試劑用量，分別制備炭黑粉摻量為20wt.%、石墨摻量25wt.%及多壁碳納米管摻量4wt.%時(shí)的涂層分別標(biāo)記為C20、G25及CNT04涂層，并分別對上述三種涂層在36 V交變電流下觀察其通電升溫、穩(wěn)定發(fā)熱和斷電降溫過程，結(jié)果如圖3所示。

圖3 涂層溫度隨時(shí)間變化曲線

在同樣的通電外電壓下，由微觀的滲流效應(yīng)和隧道效應(yīng)形成宏觀的電流作用，涂層的電阻越小，電流越大則其發(fā)熱溫度越高。從圖3可以看出，CNT04涂層的導(dǎo)電發(fā)熱性能最好，36 V交變電流下，通電前期溫度迅速升高，240 s后溫度增加幅度減緩，通電480 s時(shí)溫度升高到84.9 °C，之后溫度基本達(dá)到了平穩(wěn)狀態(tài)。C20涂層的電熱性能稍次之，通電400 s以前，其溫度呈現(xiàn)出連續(xù)升高趨勢，而在400 s后溫度基本保持不變，維持在74.5 °C左右，達(dá)到了穩(wěn)定的發(fā)熱狀態(tài)。G25涂層較前兩者的電熱性能差，其升溫速率較慢且在270 s就達(dá)到穩(wěn)定的發(fā)熱狀態(tài)，此時(shí)溫度維持在約63.1 °C。隨著通電時(shí)間的增加，涂層的溫度呈現(xiàn)出先快速增加后平緩達(dá)到穩(wěn)定的發(fā)熱狀態(tài)，這是由于碳系電熱涂料在宏觀上整體呈現(xiàn)出正溫度系數(shù)的特性[32]。隨著通電時(shí)間不斷增加，以上3種碳系電熱涂層的輸入功率大于輸出功率，涂層本身接收的功率較大，表現(xiàn)為涂層溫度不斷上升。當(dāng)輸入功率與輸出功率相等時(shí)，不再有功率作用在涂層上，輸入功率全部以輻射、傳導(dǎo)、對流的形式散發(fā)到環(huán)境中，宏觀表現(xiàn)為涂層本身的溫度不再上升，此時(shí)達(dá)到了正溫度系數(shù)涂層的穩(wěn)定工作溫度[32]?？梢园l(fā)現(xiàn)3種涂層在36 V交流電壓下的發(fā)熱溫度是CNT04涂層最高，C20涂層發(fā)熱溫度次之，G25涂層發(fā)熱溫度最低。從圖3還可以得知，三種涂層電路處于斷電開路后均表現(xiàn)出：斷電前期溫度降低幅度較大，然后溫度平緩下降，這是碳材料電熱涂層的降溫特點(diǎn)，與碳材料的低電容有關(guān)[33]。從圖3中可以看出，G25涂層的降溫速率最為平緩，CNT04涂層降溫速率最快，C20涂層降溫速率居于倆者之間。本實(shí)驗(yàn)通過紅外成像儀對涂層通電發(fā)熱時(shí)表面整體的溫度分布及涂層發(fā)熱溫度的均一性進(jìn)行了研究。

圖4是G25、C20與CNT04涂層通電時(shí)穩(wěn)定發(fā)熱及CNT04涂層斷電后的紅外成像照片。由于碳系填料均勻的填充在地聚物構(gòu)成的三維空間的空腔間隙內(nèi)，形成了連續(xù)、致密、穩(wěn)定的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，無明顯的裂紋及裂痕出現(xiàn)，使上述三種涂層通電發(fā)熱過程以及斷電降溫過程溫度分布均勻，涂層表面無過熱點(diǎn)。

圖5研究了同一涂層分別通電1次、20次、40次、60次、80次、100次的涂層表面溫度隨時(shí)間的變化曲線圖，由圖5知，同一涂層在反復(fù)加熱、冷卻循環(huán)、通電發(fā)熱工作一百次內(nèi)，其溫度變化基本呈現(xiàn)出一致的變化規(guī)律，材料在升溫加熱的電熱作用下工作仍沒有產(chǎn)生疲勞、開裂，甚至出現(xiàn)膨脹、斷裂的現(xiàn)象，進(jìn)一步說明其具 有穩(wěn)定的電熱性能、抗疲勞性能以及長久的使用壽命。

電熱涂層的發(fā)熱原理遵循焦耳-楞次定律，電流通過電阻發(fā)熱，電熱涂層的電熱轉(zhuǎn)換方式基本全部屬于電阻發(fā)熱。涂層的微觀結(jié)構(gòu)在工作過程中穩(wěn)定，則其宏觀表現(xiàn)出的性能也相對穩(wěn)定。地聚物骨架的硅氧四面體和鋁氧四面體結(jié)構(gòu)是一種穩(wěn)固的鍵合很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)[34]，其中Si-O與Al-O鍵形成致密的交聯(lián)立體網(wǎng)狀涂膜，而Si-O鍵的鍵能高，剛性強(qiáng)，無變形能力，所以本涂料表現(xiàn)出了穩(wěn)定的電熱性能。另一方面，導(dǎo)電填料均勻的填充在地聚物中成為一個(gè)連續(xù)的整體，由于地聚物具有較低的收縮率和膨脹率，且其膨脹系數(shù)可 調(diào)[35]使得地聚物基體與導(dǎo)電填料之間的熱膨脹系數(shù)相同或相近，因此可以防止和降低因熱膨脹系數(shù)不同而導(dǎo)致出現(xiàn)的內(nèi)應(yīng)力，從而可以達(dá)到提高復(fù)合材料的使用壽命。

圖4 三種碳系導(dǎo)電填料的紅外成像

圖5 碳納米管涂層不同通電次數(shù)下表面發(fā)熱溫度

2.3 電熱涂層的TG與DSC分析

熱穩(wěn)定性是電熱涂層的一項(xiàng)重要指標(biāo)，本實(shí)驗(yàn)為了測試制備所得的多壁碳納米電熱涂層的耐熱性能，實(shí)驗(yàn)用DSC/TG熱分析儀對地聚物基多壁碳納米管電熱涂層的熱穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，結(jié)果如圖6示。

圖6 CNT04涂層的DSC/TG

從圖6中可以看出，從室溫到533 °C左右，多壁碳納米管電熱涂料的質(zhì)量基本上是不變的，在DSC曲線中也沒有峰值，在533 °C 時(shí)，發(fā)生較明顯的質(zhì)量損失，DSC曲線上有一個(gè)較大的放熱峰值出現(xiàn)在接近533 °C 的溫度范圍內(nèi)，涂層的質(zhì)量損失為1wt.%時(shí)，溫度約為563 °C。地聚物本身是個(gè)氧化物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系,在1000~1200 °C之間不氧化、不分解；另一方面, 密實(shí)的氧化物網(wǎng)絡(luò)體系可以隔絕空氣，保護(hù)內(nèi)部物質(zhì)不被氧 化[33]。這些都表明：電熱涂層在低于533 °C熱空氣中是穩(wěn)定的，基本不會(huì)引起質(zhì)量的損失，533 °C 附近開始有較明顯的質(zhì)量損失，其質(zhì)量損失溫度已經(jīng)達(dá)到了電加熱涂料所要求的溫度，具有使用價(jià)值。

2.4 電熱涂層的XRD分析

為了研究碳材料在地聚物復(fù)合材料的作用，本實(shí)驗(yàn)分別對地聚物、多壁碳納米管以及地聚物基碳納米管電熱涂層進(jìn)行了XRD表征，結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看到，多壁碳納米管晶面在2θ的24~26°范圍內(nèi)其有較強(qiáng)的特征衍射峰，地聚物2θ約在28~34°范圍內(nèi)有一個(gè)特征彌散峰，表明地聚物結(jié)構(gòu)主要為無定型態(tài)。而地聚物基多壁碳納米管電熱涂層的XRD圖譜分別含有地聚物與多壁碳納米管的特征峰并與之一一對應(yīng)，沒有新的晶相生成，地聚物相態(tài)結(jié)構(gòu)也沒有發(fā)生變化。進(jìn)一步說明了摻雜碳納米管后沒有產(chǎn)生新的相態(tài)，碳系導(dǎo)電填料沒有參與到礦渣基地聚物的聚合反應(yīng)中，導(dǎo)電填料被包覆在地聚物凝膠材料中，二者并沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這也與地聚物基碳系電熱涂層的SEM圖像相符合。

圖7 多壁碳納米管、地聚物及地聚物基多壁碳納米管電熱涂層的XRD圖譜

2.5 電熱涂層導(dǎo)的SEM分析

利用掃描電鏡對地聚物基碳系電熱涂層進(jìn)行表面形貌觀察，研究不同碳系填料對涂層微觀結(jié)構(gòu)及填料微粒在基體中的分散狀態(tài)。制備得到的地聚物基碳系電熱涂層的SEM電鏡照片見圖5。圖8(a)，(b)，(c)分別為C20，G25與CNT04的掃描電鏡圖。

由圖8(a)，(b)，(c)可以清晰的看到固化后的涂層其基體與填料粒子間接觸良好，內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，無明顯團(tuán)聚現(xiàn)象。導(dǎo)電填料之間相互搭接而形成連續(xù)網(wǎng)鏈，載流子可在網(wǎng)鏈中運(yùn)動(dòng)，為降低復(fù)合材料電阻率提供了有效的導(dǎo)電通路，從而使涂層形成了導(dǎo)電填料分散均勻的三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不僅有利于實(shí)現(xiàn)涂層良好的電熱性能，同時(shí)也有利于保持涂層的良好機(jī)械性能與耐久性。

3 結(jié)論

(1) 分別以石墨、炭黑粉與多壁碳納米管為導(dǎo)電填料制備得到地聚物基電熱涂層，上述三種填料摻量分別為25wt.%、20wt.%與4wt.%時(shí)涂層的體積電阻率達(dá)到滲流值；

(2) 分別對三種填料摻量達(dá)的滲流值時(shí)涂層的電阻率進(jìn)行了測試，結(jié)果表明；碳納米管體積電阻率最低，為8.956 Ω·cm；石墨最高，為17.684 Ω·cm；炭黑粉居于倆者之間為15.881 Ω·cm；

(3) 對三種涂層分別在其滲流值摻量下進(jìn)行了熱性能研究，結(jié)果表明；在36 V交流電壓下通電，穩(wěn)定發(fā)熱溫度為多壁碳納米管(84.3 °C)＞炭黑粉(74.2 °C)＞石墨(60.43 °C)；

(4) 分別對三種涂層進(jìn)行SEM測試，結(jié)果表明三種填料都能均勻分散在以地聚物為基體的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，構(gòu)成均勻的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)體系，不僅有利于實(shí)現(xiàn)涂層良好的電熱性能，也有利于保持導(dǎo)電涂層良好的機(jī)械性能及耐久性。

圖8 涂層SEM圖

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Study on Preparation of Geopolymer-carbon Based Electrothermal Coatings and Its Performances

GUO Pei, CUI Xuemin, LIN Chaoxu, YANG Sijie, Lü Xuesen

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, Guangxi, China)

Conductive electrothermal coating is a new type of functional coating with excellent electrothermal properties, which has been widely used in production and common life. To solve the high VOC emission and preparation cost of traditional organic electrothermal coatings, as well as the complex preparation process of some inorganic electrothermal coatings and also unstable heating performance, a geopolymer-based environment-friendly electrothermal coating was prepared by using graphite, carbon powder and multi-walled carbon nanotubes as conductive fillers. The conductivity, electrothermal properties and microstructure of the coatings prepared with the three fillers were studied. The results show that the electrical and thermal properties of the coatings manufactured with multi-walled carbon nanotubes are better than those with graphite and carbon powder. The percolation value was reached and the resistivity of the coatings was reduced to 8.956 Ω·cm when 4% carbon nano-tubes were added into the coatings, the temperature of the sample reached 84.9 °C after being worked in 36 V alternating current for 480 second. The coatings own excellent electrothermal properties after 100 electrification cycles. The SEM of the coating shows that the carbon fillers are uniformly distributed in the three-dimensional network structure of geopolymer, which is beneficial for coatings to achieve excellent conductivity but also conducive to maintaining good mechanical properties and durability.

geopolymers; electrothermal coatings; carbon system; electrothermal properties

date: 2019?03?25.

date:2019?04?25.

國家自然科學(xué)基金(51772055)；國家自然科學(xué)基金國際合作項(xiàng)目(51561135012)。

Correspondent author:CUI Xuemin(1971-), male, Ph.D., Professor. E-mail:cui-xm@tsinghua.edu.cn

TQ174.75

A

1000-2278(2019)04-0469-08

10.13957/j.cnki.tcxb.2019.04.010

2019?03?25。

2019?04?25。

崔學(xué)民(1971-)，男，博士，教授。