地聚物基碳系电热涂料的制备与性能研究

郭 佩，崔学民，林朝旭，杨思杰，吕学森

地聚物基碳系电热涂料的制备与性能研究

郭 佩，崔学民，林朝旭，杨思杰，吕学森

(广西大学 化学化工学院，广西 南宁 530004)

电热涂料具有优异的电热性能，是一种广泛应用于生产和生活中的新型功能涂料。传统有机电热涂料VOC(Volatile Organic Compounds)含量高、制备成本高，而传统无机电热涂料制备过程复杂、涂层发热不稳定。本文以石墨、炭黑粉、多壁碳纳米管作为导电填料分别制备得到三种地聚物基环保型电热涂料，并对三种填料制备所得涂层的导电性、电热性及微观结构进行了研究。结果表明：多壁碳纳米管为填料制备所得涂层的电性能及热性能优于石墨和炭黑粉，当掺量为4wt.%时就达到涂层的体积电阻率，其电阻率可降低至8.956 Ω·cm，36 V交变电流通电480 s其发热温度可升高到84.9 °C，在通电100次后仍保持着优良的电热性能。从涂层SEM可以得知，碳系填料均匀地分散在地聚物三维网络结构中，这不仅有利于涂层实现良好的导电性，也有利于其保持良好的机械性能及耐久性能。

地聚物；电热涂料；碳系；电热性能

0 引言

电热涂料由于优良的电热效应可以实现把电能转换为热能，是一种具有特殊性能的新型功能材料[1]，无论是在科研领域还是在生产生活中，电热涂料已经受到人们越来越多的关注。电热涂料仍存在着一些不足，如传统有机型电热涂料制备工艺复杂且制备成本高，对环境造成污染较大，限制了其实际广泛应用。随着人们生活质量的提高，水性环保型电热涂料的应用受到越来越多的重视，其以水为分散介质，具有无毒、不易燃烧、不污染环境、节能、安全可靠等优点[2]。

地质聚合物(简称地聚物)基涂料作为一种绿色环保的水性无机涂料，因其拥有优越的热传导性能和广泛的市场空间也备受关注，如其生产工艺简单、成本低廉、耐化学腐蚀、环保无污染，符合绿色发展的要求而被应用于多种领域[3-5]。地聚物主要是以黏土类矿物和工业废弃物等为原料制备得到一种具有玻璃态到半晶态硅铝酸盐凝胶材料[6,7]，其微观结构是由硅氧四面体和铝氧四面体通过氧桥连接构成的三维骨架的空腔，其中的阳离子如碱金属、碱土金属和其它金属阳离子填充在构架的空腔内，晶体内的阳离子在骨架中自由移动，可以进行阳离子交换[8]，地聚物复合材料的导电机制是在非晶部分的链段运动导致地聚物网络Na+等离子解离为电荷载流子，借助聚合物的近程链段运动，离子在聚合物介质中迁移而表现出离子导电性[8,9]。如果可移动离子达到一定数量，其离子电导率应该很高，因此，地聚物由于其特殊的三维网络凝胶结构及电学性能可以作为成膜物质制备导电复合材料。碳系材料由于其低密度、低电阻率、优良的导热与导电性能、较高的电热转换效率及发热温度分布均一等特点一直被作为理想的电热材料使用，以实现快速升温及有效产热，因此碳纳米管(CNTs)、石墨、炭黑粉、石墨烯及其复合材料越来越受到研究者的重视[10-15]，在航空航天、军事、汽车、医疗保健和建筑等领域有潜在的应用前景[16-27]。本研究利用石墨、炭黑粉、碳纳米管分别作为导电填料，以地聚物为主要成膜物制备了三种不同碳系的电热涂料，并对三者的导电性、电热性、及热稳定性及微观结构等方面进行了研究。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

地聚物基电热涂料主要原材料与试剂见表1。

1.2 制备过程

将石墨、炭黑粉、多壁碳纳米管放在120 °C干燥箱里烘2 h后置于干燥器冷却至室温。矿渣、水玻璃和导电填料按一定比例充分混合后，加入适量水(水固比为0.45)在200 rmp下搅拌2 min，添加适量的助剂后以500 rmp的速度匀速搅拌10 min制得导电涂料。将涂料在室温下陈化5 min后均匀地涂敷于用玻璃基板上，基板在涂刷前应用酒精擦试干净并烘干后使用。涂层共涂刷2道，待第1道表干后涂敷第2道，每道厚度0.1± 0.01 mm。每组样品平行做3个样品。

1.3 测试与表征

将电热涂料注膜成型固化后，夹在铜片电极之间，用LCR-800测定仪测量电热膜的电阻，用电子数显千分尺测试试样长、宽、高，根据下式计算体积电阻率：

式中，-体积电阻率，单位Ω·cm；-电阻，单位Ω；S-式样面积，单位cm2；h-试样厚度(即两极之间的距离)，单位cm。

通过DM 6801 A热电偶温度测试仪对涂层表面发热温度进行测试，采用TG-165(武汉高德)热成像仪观测涂层整体的发热温度与涂层发热温度的均一性。温度测试是在(25±2) °C恒温室内进行，试样大小为10 cm×6 cm。采用德国NETZSCH公司的同步热分析仪对涂层的热重和差热信息进行测量，观察涂层的热稳定性。通过MiniFlex600型X-射线衍射分析仪(产自日本Rigaku公司)分析原材料及涂层晶像组成。采用S-3400扫描电子显微镜(产自日本Hitachi Limited公司)，观察涂层的表面形貌及导电填料微粒在地聚物三维网络结构中分散状态。

表1 电热涂层的主要原材料

Tab.1 Main raw materials for electrothermal coatings

2 结果与讨论

2.1 导电填料对涂层导电性能的影响

在碳系地聚物复合材料中主要涉及离子导电、电子导电、空穴导电3种导电方式[28]，其导电机理遵循渗流理论以及隧道效应。随着填料在复合材料中的掺量逐步增加，填料粒子间的间距逐步缩短，当填料掺量超过某一临界值时，填料粒子之间相互接触，开始形成导电渗流网络，使得复合材料的电导率急剧增大，此临界值又称为渗滤阈值[29]。因此导电填料的种类及掺量对碳系电热涂层的电热性能有着较大的影响。本实验固定矿渣、干粉水玻璃、溶剂水及添加剂等的用量，分别制备了三种碳系下不同填料掺量的电热涂层，研究了在25 °C养护28 d后不同碳系的导电填料掺量与其体积电阻率的关系，确定了上述三种填料的渗流值，并对三种涂层的电热性能(测试电压为36 V交流电压)及三者中所得导电性能最优涂层的热稳定性等进行了研究。

图1 不同炭黑掺量和石墨掺量的体积电阻率

由图1可知，当导电填料掺量为0wt.%时，涂层的体积电阻率为1136.53 Ω·cm，当添加炭黑粉和石墨导电填料掺量分别为5wt.%时，涂层的体积电阻率略有增大，随着导电填料的增加，涂层体积电阻率急剧下降，当涂层的体积电阻率到达某一值时其体积电阻率不再随着导电填料掺量的增加而明显减小，其电阻率基本维持在一恒定值。石墨导电填料掺量在25wt.%时，涂层达到了渗流值，其体积电阻率降低至17.684 Ω·cm；而炭黑掺量在20wt.%时就达到了涂层的渗流值，其体积电阻率为14.081 Ω·cm，炭黑粉在地聚物基导电涂层中的电学性能要优于石墨。

涂层的导电填料为0wt.%时，地聚物本身的导电性决定了涂层的电阻率，其导电方式主要为地聚物三维网络结构中的离子导电及空穴导电，当导电填料少量增加时，增加的导电填料稀疏的分散在地聚物三维网络结构中，填料粒子之间呈彼此隔离的状态，此时的导电填料对地聚物中粒子的迁移起到了阻碍的作用，导致导电填料掺量为5wt.%时其涂层的体积电阻率比不掺导电填料的电阻率还要高，此时涂层的导电方式是以地聚物中的离子导电和空穴导电为主。随着导电填料掺量的增加，填料粒子由原来的完全不接触到不完全接触且填料粒子间距离逐渐缩小，开始形成连续的导电网络，涂层的体积电阻率开始下降; 当导电填料掺量达到渗流阈值时，导电填料之间距离足够接近以至于产生无限大导电网络，导电填料之间形成了较大的隧道电流，体积电阻率急剧下降并趋于一个恒定值，此时涂层的导电形式与填料掺量较少时的导电形式发生了变化，主要由地聚物中离子导电和空穴导电转变为导电填料的电子导电的形式。

由图2可知，随着多壁碳纳米管导电填料掺量的增加，涂层的电阻率在掺量为1wt.%~3wt.%区间迅速下降，当碳纳米管掺量增加到4wt.%时，其体积电阻率减小至8.956 Ω·cm。但继续增加碳纳米管掺量，不能有效减小涂层的体积电阻率，此时达到了涂层的渗流值，涂层的导电形式以电子导电为主。从微观来看，增加碳纳米管在地聚物基体中的掺量，可以认为涂层内部碳纳米管的间距在不断减小，涂层中碳纳米管之间搭接增多，这种搭接为涂层中电子迁移提供有效路径，提升了电子迁移的速率，当碳纳米管间距足够小时，电子就能穿越势垒在涂层内部形成一个完全相互连接导通的网络结构，从而有效降低了涂层的电阻率，此时隧道效应占材料内部导电的主导作 用[30]。宏观表现为增加多壁碳纳米管填料的掺量其电阻率不再呈现明显减小趋势，而是趋于一个恒定的值。结果表明；当添加适量的多壁碳纳米管时，碳纳米管可均匀分散在由四面体构成三维骨架的地聚物空腔内，使其导电性能增加，电阻率减小，表现出了优良的电学性能，其电学性能优于石墨和炭黑粉。

图2 不同碳纳米管含量的体积电阻率

2.2 导电填料对涂层热性能的影响

当外界对导电涂层提供电压组成闭合电路时，由于导电涂层自身的电阻，涂层的电流产生焦耳热效应，从而实现了电能向热能的转化。掺和性电热涂料的发热性能遵循Baba等建立的渗流理论，填料微粒均匀的分布在聚合物中，当导电填料掺量较少时，导电填料被基体隔离，没有形成导电网络。当导电填料掺量较高时，它们之间实现实际接触，材料的电阻趋于稳定，所产生的热量也趋于稳定[31]。本实验固定其它试剂用量，分别制备炭黑粉掺量为20wt.%、石墨掺量25wt.%及多壁碳纳米管掺量4wt.%时的涂层分别标记为C20、G25及CNT04涂层，并分别对上述三种涂层在36 V交变电流下观察其通电升温、稳定发热和断电降温过程，结果如图3所示。

图3 涂层温度随时间变化曲线

在同样的通电外电压下，由微观的渗流效应和隧道效应形成宏观的电流作用，涂层的电阻越小，电流越大则其发热温度越高。从图3可以看出，CNT04涂层的导电发热性能最好，36 V交变电流下，通电前期温度迅速升高，240 s后温度增加幅度减缓，通电480 s时温度升高到84.9 °C，之后温度基本达到了平稳状态。C20涂层的电热性能稍次之，通电400 s以前，其温度呈现出连续升高趋势，而在400 s后温度基本保持不变，维持在74.5 °C左右，达到了稳定的发热状态。G25涂层较前两者的电热性能差，其升温速率较慢且在270 s就达到稳定的发热状态，此时温度维持在约63.1 °C。随着通电时间的增加，涂层的温度呈现出先快速增加后平缓达到稳定的发热状态，这是由于碳系电热涂料在宏观上整体呈现出正温度系数的特性[32]。随着通电时间不断增加，以上3种碳系电热涂层的输入功率大于输出功率，涂层本身接收的功率较大，表现为涂层温度不断上升。当输入功率与输出功率相等时，不再有功率作用在涂层上，输入功率全部以辐射、传导、对流的形式散发到环境中，宏观表现为涂层本身的温度不再上升，此时达到了正温度系数涂层的稳定工作温度[32]。可以发现3种涂层在36 V交流电压下的发热温度是CNT04涂层最高，C20涂层发热温度次之，G25涂层发热温度最低。从图3还可以得知，三种涂层电路处于断电开路后均表现出：断电前期温度降低幅度较大，然后温度平缓下降，这是碳材料电热涂层的降温特点，与碳材料的低电容有关[33]。从图3中可以看出，G25涂层的降温速率最为平缓，CNT04涂层降温速率最快，C20涂层降温速率居于俩者之间。本实验通过红外成像仪对涂层通电发热时表面整体的温度分布及涂层发热温度的均一性进行了研究。

图4是G25、C20与CNT04涂层通电时稳定发热及CNT04涂层断电后的红外成像照片。由于碳系填料均匀的填充在地聚物构成的三维空间的空腔间隙内，形成了连续、致密、稳定的内部网络结构，无明显的裂纹及裂痕出现，使上述三种涂层通电发热过程以及断电降温过程温度分布均匀，涂层表面无过热点。

图5研究了同一涂层分别通电1次、20次、40次、60次、80次、100次的涂层表面温度随时间的变化曲线图，由图5知，同一涂层在反复加热、冷却循环、通电发热工作一百次内，其温度变化基本呈现出一致的变化规律，材料在升温加热的电热作用下工作仍没有产生疲劳、开裂，甚至出现膨胀、断裂的现象，进一步说明其具 有稳定的电热性能、抗疲劳性能以及长久的使用寿命。

电热涂层的发热原理遵循焦耳-楞次定律，电流通过电阻发热，电热涂层的电热转换方式基本全部属于电阻发热。涂层的微观结构在工作过程中稳定，则其宏观表现出的性能也相对稳定。地聚物骨架的硅氧四面体和铝氧四面体结构是一种稳固的键合很强的结构[34]，其中Si-O与Al-O键形成致密的交联立体网状涂膜，而Si-O键的键能高，刚性强，无变形能力，所以本涂料表现出了稳定的电热性能。另一方面，导电填料均匀的填充在地聚物中成为一个连续的整体，由于地聚物具有较低的收缩率和膨胀率，且其膨胀系数可 调[35]使得地聚物基体与导电填料之间的热膨胀系数相同或相近，因此可以防止和降低因热膨胀系数不同而导致出现的内应力，从而可以达到提高复合材料的使用寿命。

图4 三种碳系导电填料的红外成像

图5 碳纳米管涂层不同通电次数下表面发热温度

2.3 电热涂层的TG与DSC分析

热稳定性是电热涂层的一项重要指标，本实验为了测试制备所得的多壁碳纳米电热涂层的耐热性能，实验用DSC/TG热分析仪对地聚物基多壁碳纳米管电热涂层的热稳定性进行了研究，结果如图6示。

图6 CNT04涂层的DSC/TG

从图6中可以看出，从室温到533 °C左右，多壁碳纳米管电热涂料的质量基本上是不变的，在DSC曲线中也没有峰值，在533 °C 时，发生较明显的质量损失，DSC曲线上有一个较大的放热峰值出现在接近533 °C 的温度范围内，涂层的质量损失为1wt.%时，温度约为563 °C。地聚物本身是个氧化物网络结构体系,在1000~1200 °C之间不氧化、不分解；另一方面, 密实的氧化物网络体系可以隔绝空气，保护内部物质不被氧 化[33]。这些都表明：电热涂层在低于533 °C热空气中是稳定的，基本不会引起质量的损失，533 °C 附近开始有较明显的质量损失，其质量损失温度已经达到了电加热涂料所要求的温度，具有使用价值。

2.4 电热涂层的XRD分析

为了研究碳材料在地聚物复合材料的作用，本实验分别对地聚物、多壁碳纳米管以及地聚物基碳纳米管电热涂层进行了XRD表征，结果如图7所示。从图中可以看到，多壁碳纳米管晶面在2θ的24~26°范围内其有较强的特征衍射峰，地聚物2θ约在28~34°范围内有一个特征弥散峰，表明地聚物结构主要为无定型态。而地聚物基多壁碳纳米管电热涂层的XRD图谱分别含有地聚物与多壁碳纳米管的特征峰并与之一一对应，没有新的晶相生成，地聚物相态结构也没有发生变化。进一步说明了掺杂碳纳米管后没有产生新的相态，碳系导电填料没有参与到矿渣基地聚物的聚合反应中，导电填料被包覆在地聚物凝胶材料中，二者并没有发生化学反应，这也与地聚物基碳系电热涂层的SEM图像相符合。

图7 多壁碳纳米管、地聚物及地聚物基多壁碳纳米管电热涂层的XRD图谱

2.5 电热涂层导的SEM分析

利用扫描电镜对地聚物基碳系电热涂层进行表面形貌观察，研究不同碳系填料对涂层微观结构及填料微粒在基体中的分散状态。制备得到的地聚物基碳系电热涂层的SEM电镜照片见图5。图8(a)，(b)，(c)分别为C20，G25与CNT04的扫描电镜图。

由图8(a)，(b)，(c)可以清晰的看到固化后的涂层其基体与填料粒子间接触良好，内部结构致密，无明显团聚现象。导电填料之间相互搭接而形成连续网链，载流子可在网链中运动，为降低复合材料电阻率提供了有效的导电通路，从而使涂层形成了导电填料分散均匀的三维空间网络结构，该三维网络结构不仅有利于实现涂层良好的电热性能，同时也有利于保持涂层的良好机械性能与耐久性。

3 结论

(1) 分别以石墨、炭黑粉与多壁碳纳米管为导电填料制备得到地聚物基电热涂层，上述三种填料掺量分别为25wt.%、20wt.%与4wt.%时涂层的体积电阻率达到渗流值；

(2) 分别对三种填料掺量达的渗流值时涂层的电阻率进行了测试，结果表明；碳纳米管体积电阻率最低，为8.956 Ω·cm；石墨最高，为17.684 Ω·cm；炭黑粉居于俩者之间为15.881 Ω·cm；

(3) 对三种涂层分别在其渗流值掺量下进行了热性能研究，结果表明；在36 V交流电压下通电，稳定发热温度为多壁碳纳米管(84.3 °C)＞炭黑粉(74.2 °C)＞石墨(60.43 °C)；

(4) 分别对三种涂层进行SEM测试，结果表明三种填料都能均匀分散在以地聚物为基体的三维网络结构中，构成均匀的导电网络体系，不仅有利于实现涂层良好的电热性能，也有利于保持导电涂层良好的机械性能及耐久性。

图8 涂层SEM图

[1] JANAS D, KOZIOL K K. A review of production methods of carbon nanotube and graphene thin films for electrothermal applications [J]. Nanoscale, 2014, 6(6): 3037-3045.

[2] 赵海霞, 夏金童, 王双, 等. 水性炭系电热涂料的 制备及性能研究[J]. 电镀与涂饰, 2015, 34(14): 777-780. ZHAO H X, XIA J T, WANG S, et al. JournalofElectroplating & Finishing, 2015, 34(14): 777-780.

[3] 刘泗东. 地聚物基无机功能涂料的制备与性能研究[D]. 南宁：广西大学硕士论文, 2010.

[4] 张西玲, 陈林, 王献忠, 等. 粉煤灰-锰渣基地质聚合物原位水热法转化NaP型分子筛的工艺研究[J]. 人工晶体学报, 2018, 47(10): 177-183. ZHANG X L, CHEN L, WANG Z X, et al. Journal of Journal of Synthetic Crystals, 2018, 47(10): 177-183.

[5] 柯誉满, 吴怡, 徐梦雪, 等. 聚乙二醇/偏高岭土基地质聚合物复合材料的制备及其力学性能的研究[J]. 陶瓷学报, 2018, (5): 574-578. KE Y M, WU Y, XU M X, et al. Journal of Ceramics, 2018, (5): 574-578.

[6] KOMNITSAS K A. Potential of geopolymer technology towards green buildings and sustainable cities [J]. Procedia Engineering, 2011, 21(3): 1023-1032.

[7] CUI X M, ZHENG G J, HAN Y C, et al. A study on electrical conductivity of chemosynthetic Al2O3–2SiO2geoploymer materials[J]. Journal of Power Sources, 2008, 184(2): 652-656.

[8] 陆秋艳. 偏高岭土在我国的开发和使用前景[J]. 现代矿业, 2004, 20(7): 7-10. LU Q Y. JournalofExpress Information of Mining Industry, 2004, 20(7): 7-10.

[9] 李奇, 熊英, 夏笑虹, 等. SiO2对金属锂盐聚合物电解质导电作用的影响[J]. 湖南冶金, 2005, 33(3): 8-11. LI Q, XIONG Y, XIA X H, et al. JournalofHunan Metallurgy, 2005, 33(3): 8-11.

[10] PAK S, VOSGUERICHIAN M, BAO Z. A review of fabrication and applications of carbon nanotube film-based flexible electronics [J]. Nanoscale, 2013, 5(5): 1727-1752.

[11] LUO J L, DUAN Z, XIAN G, et al. Fabrication and fracture toughness properties of carbon nanotube- reinforced cement composite [J]. The European Physical Journal Applied Physics, 2011, 53(3): 30402.

[12] 陶柳实, 张世超, 高楠, 等. 硬脂酸/多孔碳复合相变材料制备及性能研究[J]. 陶瓷学报,2017, 38(06): 890-893. TAO L S, ZHANG S C, GAO N, et al. Journal of Ceramics, 2017, 38(06): 890-893.

[13] PARK H K, KIM S M, LEE J S, et al. Flexible plane heater: Graphite and carbon nanotube hybrid nanocomposite [J]. Synthetic Metals, 2015, 203: 127-134.

[14] JIANG W, ZHOU W, YING J, et al. Thermal stable perovskite solar cells improved by ZnO/graphene oxide as electron transfer layers [J]. Journal of Inorganic Materials, 2017, 32(1): 96-100.

[15] PARK S, VOSGUERICHIAN M, BAO Z. A review of fabrication and applications of carbon nanotube film-based flexible electronics [J]. Nanoscale, 2013, 5(5): 1727-1752.

[16] ZHENG Z, JIN J, XU G K, et al. Highly stable and conductive microcapsules for enhancement of Joule heating performance [J]. Acs Nano, 2016, 10(4): 4695-4703.

[17] IM K, CHO K, KIM J, et al. Transparent heaters based on solution-processed indium tin oxide nanoparticles [J]. Thin Solid Films, 2010, 518(14): 3960-3963.

[18] AL-SALEH M H, GELVES G A, SUNDARARAJ U. Carbon nanofiber/polyethylene nanocomposite: Processing behavior microstructure and electrical properties [J]. Materials & Design, 2013, 52(24): 128-133.

[19] JUNG H, YU J S, LEE H P, et al. A scalable fabrication of highly transparent and conductive thin films using fluorosurfactant-assisted single-walled carbon nanotube dispersions [J]. Carbon, 2013, 52(52): 259-266.

[20] RAJI A R O, SALTERS S, SAMUEL E L G, et al. Functionalized graphene nanoribbon films as a radiofrequency and optically transparent material [J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2014, 6(19): 16661-1666.

[21] RAJI A R O, SALTERS S, SAMUEL E L, et al. Radio-frequency-transparent, electrically conductive graphene nanoribbon thin films as deicing heating layers [J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2014, 6(19): 298-304.

[22] RAO K D, KULKARNI G U. A highly crystalline single Au wire network as a high temperature transparent heater [J]. Nanoscale, 2014, 6(11): 5645-5651.

[23] PARK G, GUNAWARDHANA N, NAKAMURA H, et al. Suppression of Li deposition on surface of graphite using carbon coating by thermal vapor deposition process [J]. Journal of Power Sources, 2011, 196(22): 9820-9824.

[24] SHIN K Y, HONG J Y, LEE S, et al. High electrothermal performance of expanded graphite nanoplatelet-based patch heater [J]. Journal of Materials Chemistry, 2012, 22(44): 23404-23410.

[25] MENZEL R, BARG S, MIRANDA M, et al. Graphene aerogels: Joule heating characteristics of emulsion‐templated graphene aerogels [J]. Advanced Functional Materials, 2015, 25(1): 1-1.

[26] YAO Y, FU K, YAN C, et al. Three-dimensional printable high-temperature and high-rate heaters [J]. ACS Nano, 2016, 10(5): 5272.

[27] LI C, XU Y T, ZHAO B, et al. Flexible graphene electrothermal films made from electrochemically exfoliated graphite [J]. Journal of Materials Science, 2016, 51(2): 1043-1051.

[28] 孟宪建. 碳纤维对粉煤灰地聚物复合材料性能的影响[J]. 非金属矿, 2018, 2(2): 17-20. MENG X J. Journal of Nonmetallic Mines, 2018, 2(2): 17-20.

[29] SUN M, LI Z, MAO Q, et al. Study on the hole conduction phenomenon in carbon fiber-reinforced concrete [J]. Cement & Concrete Research, 1998, 28(4): 549-554.

[30] 吴献, 崔玉茜, 回国臣,等. 炭黑导电混凝土和碳纤维炭黑导电混凝土电热试验[J]. 沈阳建筑大学学报(自然科学版), 2015, 36(3): 449-457. WU X, CUI Y X, HUI G C, et al. Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science), 2015, 36(3): 449-457.

[31] 艾晓龙, 夏金童, 赵敬利, 等. 导电填料对炭系电热涂料电热性能的影响[J]. 涂料工业, 2012, 42(6): 37-40. AI X L, XIA J T, ZHAO J L, et al. Journal of Paint & Coatings Industry, 2012, 42(6): 37-40.

[32] 谭海龙. 可控温型炭系电热涂料的制备与电热性能研究[D]. 长沙：湖南大学硕士论文, 2010.

[33] 张朋, 刘舒, 魏志凯, 等.纳米碳材料水性电热涂料的制备与性能研究[J]. 涂料工业, 2017, 47(4): 23-28.ZHANG P, LIU S, WEI Z K, et al.Journal of Paint & Coatings Industry, 2017, 47(4): 23-28.

[34] 张书政, 龚克成. 地聚合物[J]. 材料科学与工程, 2003, 21(3) : 430-436. ZHANG S Z, GONG K C. Journal of Materials Science and Engineering, 2003, 21(3): 430-436.

[35] 简家成, 刘峥, 杨宏斌, 等. 地聚物胶凝材料制备及应用研究现状[J]. 矿产综合利用, 2014, (3): 18-22. JIAN J C, LIU Z, YANG H B, et al. Journal of Multipurpose Utilization of Mineral Resources, 2014, (3): 18-22.

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.

国家自然科学基金(51772055)；国家自然科学基金国际合作项目(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。

崔学民(1971-)，男，博士，教授。