遠紅外導電布的制備及其性能

龔 婷，唐致遠

（天津大學化工學院，天津 300072）

目前銷售的電熱保暖衣、電熱褥和電熱毯［1］等產品都以用金屬電阻絲和棉線混合編織成的導電布為材料，因其安全性低、制備工藝復雜、不能水洗［2］、遇水掉粉［3］，限制了其大規(guī)模使用。

近年來，人們提出了多種制備導電布的新方法。黃曉梅等采用將導電發(fā)熱材料碳纖維織入布中，設計開發(fā)出棉狀發(fā)熱體［4］；宋金昌等利用黏合劑、金屬粉、氧化粉制成漿料噴涂在基體布上并干燥，發(fā)明出一種低電壓發(fā)熱取暖材料［5］；王森林等將導電層涂覆到玻璃纖維布的兩面，研究發(fā)明出一種玻璃纖維電熱布［6］。而以具有水溶性的高分子聚四氟乙烯PTFE（P）作黏合劑，石墨&乙炔黑作導電劑并用普通纖維棉布為基體制備導電布的方法未曾報道。碳元素導電材料隨溫度升高電阻率增大，達到一定溫度時電阻處于穩(wěn)定狀態(tài)，電流相對穩(wěn)定，溫度恒定［7］。石墨（S-O）是一種碳素非金屬導電材料，它具有優(yōu)良的導電、耐高溫等特性［8］。乙炔黑［9］是由碳化鈣法或石腦油熱解時副產氣分解精制得到的質量分數為99%以上的乙炔經連續(xù)熱解后得到的炭黑，具有優(yōu)良的導電性和吸液性。P是一種水溶性的高分子有機物具有較好的黏合作用。利用原料的這些特點，本研究以普通棉布為基體，首次按一定的比例將導電劑（石墨、乙炔黑）與黏合劑P（聚四氟乙烯）混合配制導電漿料，并第一次通過改變遠紅外劑鈦白粉的質量比來考察其對導電布遠紅外效應的影響。

1 實驗

1.1 實驗儀器與材料

BS200S-WE1，電子天平；90-1型，恒溫磁力攪拌器；5DX-FT-iR，Nicolet 5DX傅里葉紅外光譜儀。

石墨、乙炔黑、P（東莞博拓化玻儀器有限公司）；鈦白粉（天津鴻雁天山石業(yè)納米技術有限公司）。

1.2 導電布的制備

導電布制作流程如圖1所示。按一定的比例將導電劑（石墨&乙炔黑）和黏合劑 P混合后置于恒溫磁力攪拌器內攪拌至均勻，再將所得漿料倒入表面皿中。

圖1 制備工藝流程圖Fig.1 Flow diagram of preparation process

將棉布（4cm×4cm）浸入混合漿料中數分鐘取出懸掛晾干。待晾干后置于鋁板上用電熨斗將棉布熨平壓實。

1.3 電阻值的測定

取4cm×4cm的樣品棉布，在其兩邊中點處測量電阻值。

1.4 遠紅外效應的測定

取4cm×4cm的樣品棉布用5DX-FT-iR，Nicolet 5DX傅里葉紅外光譜儀檢測其遠紅外輻射的發(fā)射率。

2 結果與討論

2.1 空白對照試驗

測量4cm×4cm的棉布的電阻值，其電阻值大于20 MΩ。

2.2 初步試探性試驗

對黏合劑P與導電劑融合性未知的情況下做了初步試探性試驗，如表1。

表1 試探性試驗Table 1 Exploratory test

由表1阻值和布面情況記錄分析可知：黏合劑P不僅影響導電布的電阻值而且會影響導電布布面情況，因此為本研究以導電布電阻值和表面情況為實驗的優(yōu)化指標進行以下探索研究。

2.3 單因素試驗

在對導電劑（石墨和乙炔黑）與黏合劑P之間的黏合度、攪拌時間、浸潤時間未知的情況下，做了試探性單因素試驗。

以石墨-黏合劑P和乙炔黑-黏合劑 P為單因素分別考察了二者對導電布布面掉粉發(fā)白情況的影響。

2.3.1 石墨-黏合劑P

以導電劑石墨和黏合劑P為原料做單因素試驗找出導電布布面不掉粉不發(fā)白時，石墨與黏合劑P的質量比，結果數據如表2。

表2 石墨對導電布的影響Table 2 Influence of graphite on conductive cotton

由表2數據分析可知：隨著 m（石墨）/m（黏合劑P）的減小布面由掉粉不發(fā)白到不掉粉不發(fā)白，m（石墨）/m（黏合劑 P）在 1∶7～1∶10之間時，導電布不掉粉不發(fā)白。

2.3.2 乙炔黑-黏合劑P

以導電劑乙炔黑和黏合劑P為原料做單因素試驗找出導電布不掉粉不發(fā)白時乙炔黑與黏合劑P的質量比，結果數據如表3。

表3 乙炔黑對導電布的影響Table 3 Influence of acetylene black on conductive cotton

由表3數據分析可知：隨著乙炔黑與黏合劑P質量比的增大導電布由不掉粉、發(fā)白到不掉粉、不發(fā)白繼而到掉粉、不發(fā)白，m（乙炔黑）/m（黏合劑P）在 6.0∶200.0 ～9.0∶200.0 之間時，導電布不掉粉不發(fā)白。

在不掉粉不發(fā)白的 m（乙炔黑）/m（黏合劑 P）為7.0∶200.0時，分別探討了以攪拌時間和浸潤時間為單因素考察了二者對導電布電阻的影響。

2.3.3 攪拌時間對電阻值的影響

以 m（乙炔黑）/m（黏合劑 P）7.0∶200.0為基礎做單因素試驗，找出攪拌時間對導電布電阻值的影響，結果數據如表4。

由表4數據分析可知：當 T1=50min時，時間較短且電阻也較小，為最適宜攪拌時間。

2.3.4 浸潤時間對電阻值的影響

以乙炔黑和黏合劑P質量比7.0∶200.0為基礎做單因素試驗，找出浸潤時間對導電布電阻值的影響，結果數據如表5。

表4 攪拌時間對導電布的影響Table 4 Influence of stirring time on conductive cotton

表5 浸染時間對導電布的影響Table 5 Influence of infiltration time on conductive cotton

由表5數據分析可知：當T2=6min時，時間最短且電阻最小，為最適宜的浸潤時間。

根據以上4組試驗，得到對導電布電阻影響的各個因素的水平，做了正交優(yōu)化試驗。

2.4 正交試驗

制備導電布的過程中，反應因素較多，常見的有攪拌、浸潤時間、石墨、乙炔和黏合劑 P加入量等。為了優(yōu)化反應條件，盡可能簡化試驗中的盲目操作，本研究選擇 L16（44）正交表［10］，試驗設計見表6。

表6 正交試驗水平因素表Table 6 L16 （44） of orthogonal test

由表2和表3，得到石墨、乙炔黑與黏合劑P（聚四氟乙烯）在不同水平因素下的質量比，故正交試驗中對黏合劑直接采用二者對應量的疊加，試驗結果與直觀分析如表7。

表7 L16（44）正交試驗結果Table 7 L16（44） results of orthogonal test

計算分析試驗結果［11］：1）對 16個試驗結果直接進行比較，找出最適宜的方案，顯然電阻值最小者是 3號方案，電阻值最小為 973Ω，方案為A3B3C3D3，即：攪拌時間 50min，浸潤時間 7min，導電黏合劑 m（石墨）∶m（乙炔黑）∶m（黏合劑 P）為1.5∶0.8∶23.5；2）計算分析，因為 L16（44）正交表，44實際有256個方案，L16（44）僅做了16次試驗，最適宜方案可能在做過的16次試驗中，也可能不在，所以必須計算分析，找出最適宜方案；3）由表7阻值極差分析R值可知：影響導電布電阻值因素的主次順序：乙炔黑質量＞浸潤時間＞攪拌時間＞石墨質量，最適宜反應組合為A4B3C2D3。而正交試驗的16各方案中沒有A4B3C2D3，即第3號方案，這一方案，其是否為最適宜方案，需要通過正式驗證來證明；4）為了與正交試驗選出的最適宜方案進行對比，用A3B3C3D3方案和A4B3C2D3方案各做1次驗證性試驗，電阻值分別為973和834Ω，說明 A4B3C2D3方案確實為最適宜方案，即攪拌時間40min，浸潤時間7min，導電黏合劑 m（石墨）∶m（乙炔黑）∶m（黏合劑 P）為 2∶0.8.0∶23.5。

2.5 遠紅外劑的加入量對發(fā)熱布的遠紅外發(fā)射率的影響

以鈦白粉為遠紅外劑，在制備導電漿料時加入鈦白粉制備導電布，通過對制備的樣品導電布的遠紅外發(fā)射率的檢測結果分析得到遠紅外效應最好的二氧化鈦的質量分數比。

以 m（石墨）∶m（乙炔黑）∶m（黏合劑 P）∶m［阻燃劑 Mg（OH）2］為 2.5∶1.0∶30.0∶0.7 配制基液，成分如表8。

表8 1 500 g基液各成分所占比例Table 8 The proportion of each component in the base fluid

根據試驗中遠紅外劑的加入量計算出純固體顆粒中各成分質量比，如表9，其中遠紅外劑為0作為空白對照。

表9 純固體顆粒所占質量比Table 9 The mass ratio of pure solid particles

2.5.1 空白對照-遠紅外發(fā)射率

純棉布和無遠紅外劑的樣品布的遠紅外效應檢測結果如圖2。

圖2 純棉布、無遠紅外劑樣品的遠紅外發(fā)射率αFig.2 Far infrared emission rate α of cotton cloth and far-infrared agents samples

從圖2中找到純棉布和無遠紅外劑的樣品導電布的在8～15μm范圍內的遠紅外發(fā)射率平均值相同。說明導電劑、黏合劑、阻燃劑沒有遠紅外效應。

2.5.2 鈦白粉對導電布遠紅外效應的影響

鈦白粉做遠紅外劑對導電布遠紅外效應的檢測結果如圖3。

圖3 鈦白粉質量比7.14%、10.35%、14.75%的遠紅外發(fā)射率Fig.3 Far infrared emission rate when titanium dioxide mass ratio is 7.14%，10.35%，14.75%

從圖3中發(fā)射率α平均值大小的比較，發(fā)現(xiàn)鈦白粉做遠紅外劑的樣品導電布的在8～15μm范圍內的遠紅外發(fā)射率平均值分別為0.92、0.90、0.92，均大于0.83。說明加入鈦白粉提高了導電布的遠紅外發(fā)射能力，且在7%時用量最少成本最小同時制備的導電布的遠紅外效應最好。

3 結論

1）研究中利用廉價且導電性良好的石墨和乙炔黑作導電劑，并用具有水溶黏合性的高分子P作黏合劑，按一定的配比制備了混合漿料，將混合漿料涂覆在棉質布上干燥制得導電布。優(yōu)化工藝條件：攪拌時間50min；浸潤時間6min。經優(yōu)化，導電布布面掉粉發(fā)白情況顯著減輕，電阻值降低，大大減少了試驗過程中的盲目性。

2）研究遠紅外材料鈦白粉對導電布遠紅外效應的影響，發(fā)現(xiàn)鈦白粉質量分數為7.14%時遠紅外效應最好，其遠紅外發(fā)射率可達到92%，且比不加遠紅外的樣品的遠紅外發(fā)射率提高了9%。

3）用黏合劑與導電劑石墨、乙炔黑以及輔助劑阻燃劑、遠紅外劑配制混合漿料涂覆在棉布上的方法制備導電布的處理技術，簡便易行，降低了成本，且大大降低了在實際工藝中的難度，另外選擇合適的導電黏合劑、阻燃劑、遠紅外劑的質量比可得不同特性的導電布。

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