一种低压电热涂料及其制备方法和在风机叶片上的应用与流程

本发明属于功能涂料，具体涉及一种低压电热涂料及制备方法，该材料可广泛应用于风力发电叶片防覆冰、发热穿戴、建筑供暖及设备供暖等领域。

背景技术：

1、电热涂料最早源于1960年代，美国、英国和日本的研究人员首先研发并制备相关产品推向市场，主要成分为硅酸盐粘合剂、炭黑、石墨、金属粉和金属氧化物作为填料制备而成。其原理是利用固化后导电涂层的电阻发热，将电能转化为热能，但缺点是涂层发热温度低、易脱落，局部点易烧焦等，同时固化后的涂料也常出现裂纹，导致其使用寿命较短。我国已成为全球最大风电市场，对相关材料及技术的需求也逐年递增。风电叶片处于高空，在冬季出现大规模覆冰是常见现象，这会导致风电装备面临严重结/覆冰停机问题，造成严重的经济损失，防覆冰技术已经成为保障风电安全运行的关键技术之一，是风电行业提质增效的一项重要举措。目前，防覆冰主要有两条路径，分别为主动除冰和被动除冰。其中被动除冰包括涂装疏水涂料、光热涂料及喷洒化学药品；主动除冰包括热除冰、电除冰和机械除冰等。但是两类方法的除冰效果都不能完全满足实际使用需求，急需相关的新材料和新技术。

2、因此，如何促进其在风力发电叶片的防覆冰应用，并且还能从根本上改进碳材料在水和水性树脂中的分散稳定性以及产品固化后的延展性，是本发明需要深入研究的。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明公开了一种低压电热涂料及制备方法和应用。采用功能碳供热浆料制备的涂料，可长时间保持稳定，涂料供热性能稳定，延展性佳，附着力强。其工作电压为12-24v，安全电压，发热功率可调，使用寿命长。此涂料可广泛用于风力发电叶片防覆冰、室内供暖、工业供暖等领域。另外该功能涂料为水性材料，不含voc和重金属，无毒环保。

2、本发明所述的低压电热涂料及制备方法，以质量份数计，去离子水10-15份、树脂乳液12-25份、功能碳供热浆料20-45份，氧化石墨烯7～12份、助剂2-4份。

3、进一步，功能碳供热浆料按质量百分比，由38～42％碳纳米管、23～28％石墨烯纳米片、18～22％富勒烯纳米颗粒，剩余为去离子水组成。

4、作为优选：其中碳纳米管、石墨烯纳米片和富勒烯纳米颗粒按质量分数分别为40％、25％和20％，另外还含有15％的水。功能碳供热浆料的材料购买于常州蔻庭纳米材料科技有限公司。

5、进一步，碳纳米管为金属型碳纳米管，长度范围3-10um，金属型碳纳米管，也是为了进一步提高碳纳米管的导电能力；石墨烯纳米片厚度为1-3nm，尺寸为200-1000nm。富勒烯纳米颗粒尺寸为20-50nm。上述尺寸限制是为了三者尺寸之间形成梯度，实现尺寸协同作用，充分发挥碳纳米管的框架作用，将氧化石墨烯片和富勒烯纳米颗粒充分充当填隙材料。富勒烯的加入可以降低碳纳米管的含量，降低涂料成本。但是由于富勒烯的成膜效果不如碳纳米管，如果炭黑份数过高，涂料干固过程总容易出现开裂现象(富勒烯相当于“石子”，乳液则发挥“水泥”作用)，而碳纳米管和氧化石墨烯的存在可发挥“钢筋”的作用，其具有较好的延展性能，避免涂料开裂。氧化石墨烯购买于碳烯技术(深圳)有限公司。

6、本发明所述的氧化石墨烯尺寸为300-800nm，厚度为1-10层。氧化石墨烯的加入有利于其他粉料在树脂中的均匀分散，并且其表面官能团和树脂在固化过程中形成化学键。氧化石墨烯的加入并不能代替功能碳供热浆料中的石墨烯，因为氧化石墨烯表面存在大量官能团，使其导电能力较差，加入氧化石墨烯正是为了利用其表面官能团赋予的良好亲水性和其可在树脂中促进钛白粉和石墨烯纳米片等的均匀分散能力。其加入的量对涂料性能也有显著影响，加入量过高会影响涂料的发热效果，而加入量不足则不能更好地促进石墨烯和钛白粉的均匀分布，长时间静置后有可能导致沉淀出现。

7、本发明所述的低压电热涂料中的树脂乳液为环氧乳液，固含量为50％，玻璃化温度为-5℃。钛白粉尺寸为6000目，助剂包括成膜剂、防腐剂、流平剂和增稠剂。按质量份数计，成膜剂1-2份，流平剂1-2份，防腐剂0.5-1份，增稠剂0.5份。成膜剂、流平剂、防腐剂和增稠剂购买于上海鼎和科技有限公司，环氧树脂购买于珠海华大浩宏化工有限公司。加入钛白粉是为了降低成本，增加固体含量，钛白粉的尺寸不易太大，否则静置后可能出现沉淀。

8、本发明所述的低压电热涂料的制备包括以下步骤：将将功能碳供热浆料、氧化石墨烯和钛白粉加入去离子水中，搅拌速度为600rpm，搅拌10min后缓慢加入树脂乳液，并将搅拌速率降至300rpm，保持30min，然后加入成膜剂、流平剂和防腐剂继续搅拌30min，最后加入增稠剂并搅拌5min，得到低压电热涂料。

9、本发明的有益效果是：(1)涂料长久存放稳定性高；(2)工作电压为12-24v，安全电压工作，发热快，功率高；(3)涂料附着力强、使用寿命长等特点；(4)另外该涂料不含重金属，无毒环保，对人体和环境友好。

10、本发明的低压供热涂层材料，其一种较佳的原料配比为：去离子水300克、乳液240克、助剂40克(成膜剂12克，流平剂10克，防腐剂10克，增稠剂8克)、功能碳供热浆料500克，氧化石墨烯140克。在未加额外说明时，碳纳米管的长度范围3-10um，石墨烯纳米片厚度为1-3nm，尺寸为200-1000nm。富勒烯纳米颗粒尺寸为20-50nm，氧化石墨烯尺寸为300-800nm，厚度为1-10层。

技术特征：

1.一种低压电热涂料，其特征在于：以质量份数计，由以下原料制成：去离子水10-15份、树脂乳液12-25份、功能碳供热浆料20-45份，氧化石墨烯7～12份、钛白粉5～10份、助剂2-4份；

2.根据权利要求1所述的一种低压电热涂料，其特征在于：所述碳纳米管为金属型碳纳米管，长度范围3-10um；石墨烯纳米片厚度为1-3nm，尺寸为200-1000nm；富勒烯纳米颗粒尺寸为20-50nm。

3.根据权利要求1所述的一种低压电热涂料，其特征在于，氧化石墨烯尺寸为300-800nm，厚度为1-10层。

4.根据权利要求1所述的一种低压电热涂料，其特征在于，树脂乳液为环氧乳液，固含量为50％，玻璃化温度为-5℃；钛白粉尺寸为6000目。

5.根据权利要求1所述的一种低压电热涂料，其特征在于，助剂包括成膜剂、防腐剂、流平剂和增稠剂；按质量份数计，成膜剂1-2份，流平剂1-2份，防腐剂0.5-1份，增稠剂0.5份。

6.根据权利要求1-5任一项所述方法低压电热涂料的制备方法，其特征在于：将功能碳供热浆料、氧化石墨烯和钛白粉加入去离子水中，搅拌速度为600rpm，搅拌10min后缓慢加入树脂乳液，并将搅拌速率降至300rpm，保持30min，然后加入成膜剂、流平剂和防腐剂继续搅拌30min，最后加入增稠剂搅拌5min，得到低压电热涂料。

7.根据权利要求1-5任一项所述方法低压电热涂料的在风力发电叶片上的应用。

技术总结
本发明涉及一种低压电热涂料及其制备方法和在风机叶片上的应用，本发明以质量份数计，原料为：去离子水10‑15份、树脂乳液12‑25份、功能碳供热浆料20‑45份，氧化石墨烯7～12份、助剂2‑4份，功能碳供热浆料含有碳纳米管、石墨烯纳米片和富勒烯纳米颗粒；得到的上述低压电热涂料供热性能稳定，延展性佳，附着力强。其工作电压为12‑24V，安全电压，发热功率可调，使用寿命长。此涂料可广泛用于风力发电叶片防覆冰、室内供暖、工业供暖等领域。可以对风机叶片进行有效保护，延长风机叶片的工作寿命。

技术研发人员：周如东,刘仲阳,李文凯,陆文明,唐波
受保护的技术使用者：中海油常州涂料化工研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23