石墨烯電熱窗簾的制備及性能研究

高冰雁，李 博，高陽(yáng)陽(yáng)

(黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150022)

1 石墨烯電熱窗簾的制備

石墨烯是一種新型的二維碳納米材料，是構(gòu)筑其他維數(shù)石墨材料的基本結(jié)構(gòu)單元，在各個(gè)領(lǐng)域都有著重要的發(fā)展前景，被認(rèn)為是一種革命性的材料。石墨烯因其優(yōu)異的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能及良好的力學(xué)性能具有重要的研究?jī)r(jià)值。將無(wú)水乙醇作為溶劑，以石墨烯作為填充材料，調(diào)配出石墨烯基導(dǎo)電油墨，再印刷出石墨烯電熱膜，進(jìn)一步制備出石墨烯電熱窗簾成品。

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)流程所需原材料如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)原材料Tab.1 Experiment raw materials

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)所需儀器如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)儀器Tab.2 Experimental apparatus

1.3 石墨烯基導(dǎo)電油墨的制備

以去離子水作為無(wú)機(jī)溶劑、無(wú)水乙醇為有機(jī)溶劑、偏聚氟乙烯為黏結(jié)劑、N-甲基吡咯烷酮作為分散劑，將稱量好的干粉石墨烯倒入規(guī)格為25×40的高型稱量瓶中，混合均勻，根據(jù)需求調(diào)節(jié)所需黏度，放入B型聚四氟乙烯磁力攪拌子，將其置于數(shù)顯定時(shí)磁力攪拌器上，轉(zhuǎn)速設(shè)置為900 r/min，攪拌時(shí)間設(shè)置為30 min，即可得到石墨烯基導(dǎo)電油墨[1]。

1.4 石墨烯電熱膜的制備工藝

實(shí)驗(yàn)采用絲網(wǎng)印刷法制備石墨烯電熱膜，將聚酰亞胺薄膜作為材料載體，按照控制變量原則將其分隔出150 mm×200 mm的區(qū)域，用酒精棉擦除聚酰亞胺薄膜表面的雜質(zhì)，待其干燥后取出置于絲網(wǎng)印刷機(jī)臺(tái)面工作部位，設(shè)定設(shè)備參數(shù)，取配制完成的導(dǎo)電油墨加注到印刷刮板運(yùn)行軌跡前方[2]，啟動(dòng)設(shè)備，將油墨均勻地涂布于聚酰亞胺基質(zhì)材料上，再將載有均勻油墨涂層的薄膜整體放入已提前預(yù)熱至230℃的真空干燥箱內(nèi)，烘干30 min，樣品制備完畢。對(duì)石墨烯電熱膜樣品進(jìn)行導(dǎo)電性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3、表4所示。

表3 黏結(jié)劑和分散劑對(duì)石墨烯電熱膜電阻的影響Tab.3 Influence of binder and dispersing agent on grapheme electrothermal film resistor

表4 加工工藝對(duì)石墨烯電熱膜電阻的影響Tab.4 Influence of processing technology on grapheme electrothermal film resistor

1.5 石墨烯電熱窗簾的制備

將測(cè)試后導(dǎo)電性能符合預(yù)期結(jié)果的樣品試劑用量作為標(biāo)準(zhǔn)，采用沿用相同工藝流程制備得到尺寸為600 mm×600 mm的石墨烯電熱膜。利用雙面導(dǎo)電柔性銅箔膠帶將石墨烯電熱膜發(fā)熱的條狀發(fā)熱帶以并聯(lián)方式進(jìn)行連接，將并聯(lián)好的電熱膜放置在塑封機(jī)工作臺(tái)上，利用預(yù)涂膜對(duì)其進(jìn)行密封處理。采用手工釬焊工藝對(duì)密封完整的電熱膜進(jìn)行接線操作，得到導(dǎo)電性能良好的石墨烯電熱膜。以石墨烯電熱膜作為內(nèi)襯，表面噴涂裝飾圖案的阻燃布作為夾層制作石墨烯電熱窗簾。利用膨脹石墨自制導(dǎo)電滑環(huán)將導(dǎo)線整合到卷軸內(nèi)部與窗簾智能控制模塊相連，以優(yōu)化因?qū)Ь€外露導(dǎo)致的安全隱患問(wèn)題，由此得到石墨烯電熱窗簾。

2 石墨烯電熱窗簾的性能分析

2.1 熱穩(wěn)定性能

在室溫條件下，一片尺寸大小為600 mm×600 mm的石墨烯電熱窗簾的電阻為240 Ω，經(jīng)檢測(cè)，其電熱轉(zhuǎn)化率高達(dá)75%。接通電源后，窗簾溫度持續(xù)上升，其內(nèi)襯電熱膜的電阻趨于穩(wěn)定，熱穩(wěn)定性能優(yōu)異。

2.2 升溫速度及發(fā)熱均勻性

石墨烯電熱窗簾在保持通電的狀態(tài)下，其表層阻布溫度快速升溫。經(jīng)檢測(cè)，其在室溫下接通220 V電源的條件下的加熱速度可達(dá)到5 s上升至40℃，15 s后達(dá)到60℃。利用紅外線測(cè)溫儀對(duì)石墨烯電熱窗簾進(jìn)行溫度檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)窗簾表層最低溫度為63℃，最高溫度為67℃，平均溫度達(dá)到65℃；而石墨烯電熱膜內(nèi)襯的最低溫度為82℃，最高溫度為88℃，平均溫度高達(dá)85℃。由此可見(jiàn)，石墨烯電熱窗簾在適宜的工作條件下，具備升溫快、發(fā)熱均勻的優(yōu)異性能。圖1為石墨烯電熱窗簾內(nèi)膜溫度測(cè)試，圖2為窗簾表層溫度。

圖1 石墨烯電熱窗簾內(nèi)膜溫度Fig.1 Graphene electrothermal curtain intima temperature

圖2 石墨烯電熱窗簾表層溫度Fig.2 Graphene electrothermal curtain surface temperature

2.3 熱舒適性能

石墨烯作為一種新型的碳納米材料，其能輻射和吸收高達(dá)40%的遠(yuǎn)紅外線。人體是良好的遠(yuǎn)紅外線吸收體，能夠吸收主要范圍為3～15 μm的波長(zhǎng)。經(jīng)檢測(cè)，石墨烯電熱膜的發(fā)散光波波長(zhǎng)穩(wěn)定在6～18 μm，故在石墨烯電熱面膜加熱的同時(shí)，人體能夠大量吸收其發(fā)散出的遠(yuǎn)紅外線，起到加速血液循環(huán)、促進(jìn)新陳代謝的作用。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)石墨烯電熱窗簾的制備工藝與性能進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，石墨烯電熱窗簾具有良好的熱穩(wěn)定性能，其升溫速度快，瞬時(shí)溫度高，熱響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)短，溫度分布均勻性良好。不僅如此，其發(fā)散出的遠(yuǎn)紅外線能夠充分被人體吸收，可以達(dá)到促進(jìn)新陳代謝、美容養(yǎng)顏的保健作用。

利用新型材料石墨烯對(duì)傳統(tǒng)窗簾進(jìn)行性能提升，使得窗簾功能更加多樣化。窗簾作為家居的必備品，其與石墨烯材料的結(jié)合，加快了窗簾市場(chǎng)的發(fā)展，大大解決了供熱行業(yè)高污染、高耗能、高排放的問(wèn)題。各行各業(yè)的發(fā)展都離不開(kāi)材料，材料表征技術(shù)不斷強(qiáng)大，石墨烯未來(lái)在各個(gè)領(lǐng)域都將具有重要的應(yīng)用前景。