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。當下，全世界對柔性電熱復(fù)合材料的研制正成為新型功能材料研究領(lǐng)域的一個熱點。但傳統(tǒng)電熱復(fù)合材料在實際應(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)合材料的實際應(yīng)用。因此，對具有優(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)研究還是在實際應(yīng)用上都具有非常重要的意義與價值。為了克服以上局限性，本文針對高分子基電熱復(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行機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)量比進行機械研磨，以

3、N-甲基-2吡咯烷酮(NMP)為溶劑，充分攪拌后配制成漿料，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.％。當導(dǎo)電填料含量在10-20wt.％之間時，TPU/Super-P復(fù)合材料的電導(dǎo)率更高。但當導(dǎo)電填料含量超過25wt.％時，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。當復(fù)合材料中導(dǎo)電填料含量在10-20wt.％時，復(fù)合電熱膜在輸入電壓為5-80V時，達到恒定溫度時間均小于50s。然而，當導(dǎo)電填料含量在25-30wt.％時，復(fù)合電熱膜達到恒定溫度則需要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，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Super-P與MWCNTs的質(zhì)量比為5∶20時，其面電阻為30.5Ωsq-1。該結(jié)果較同質(zhì)量分數(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Super-P與MWCNTs的質(zhì)量比為12.5∶12.5時，所得復(fù)合電熱膜在輸入電壓為5-25V時均可在50s內(nèi)達到恒溫，且恒溫區(qū)平臺穩(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。實驗結(jié)果表明:當PEO與PU質(zhì)量比為5∶2時，單一碳基復(fù)合電熱膜在20V下可在25s內(nèi)達到40℃，恒溫平臺穩(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Super-P與MWC

8、NTs的質(zhì)量比為12.5∶12.5時，樣品在20V下可在25s內(nèi)達到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電壓下對其進行通斷電測試并觀察其變色過程。應(yīng)用測試結(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