一种低压发热碳纤维布/石墨烯复合材料及其制备方法与流程

1.本发明属于发热复合材料技术领域，尤其涉及一种低压发热碳纤维布/石墨烯复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.碳纤维是一种良好的发热材料，化学稳定性好，电热转化效率高，常常作为复合材料的导电填料，导电橡胶就是其中一种，具有良好的产热能力，但是现有的导电橡胶制备技术存在温敏、压敏以及拉敏等特性。随着温度、压力和拉力的改变，复合材料的电阻会增加，影响其产热效果。常常需要在高压的环境下使用，容易引发用电危险。
3.目前，发热复合材料的导电性受导电填料的添加量影响较大，随着导电填料用量增加，复合材料的导电性增加，但其力学性能会显著降低。复合材料在填料配合比设计上往往需要考虑复合材料导电性以及力学性能的平衡，限制了高导电性的发热复合材料发展。
4.综上所述，如何解决发热复合材料在复杂环境下的电阻稳定性、高导电性以及高压用电安全性的问题，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种低压发热碳纤维布/石墨烯复合材料及其制备方法，本发明中的低压发热碳纤维布/石墨烯复合材料在低电压作用下，即可产生大量热量，且具有优良的力学性能、耐久性和绝缘性。
6.本发明提供一种低压发热碳纤维布/石墨烯复合材料，包括依次接触的三元乙丙橡胶层a、石墨烯涂层、碳纤维布和三元乙丙橡胶层b；
7.所述石墨烯涂层由石墨烯浆料制成，所述石墨烯浆料包括5～8wt％的石墨烯、0.5～1wt％的cwf-6028抗氧化剂、10～15wt％的双酚f型环氧树脂和10～15wt％的环氧固化剂。
8.优选的，所述三元乙丙橡胶层a的厚度为2～4.5mm；
9.所述三元乙丙橡胶层b的厚度为2～4.5mm。
10.优选的，所述碳纤维布是由12k碳纤维原丝编织而成的pan基碳纤维布，厚度为0.1～0.2mm。
11.优选的，所述低压发热碳纤维布/石墨烯复合材料的厚度为5～10mm。
12.本发明提供如上文所述的低压发热碳纤维布/石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
13.a)将石墨烯浆料涂布在碳纤维布上，得到表面改性的碳纤维布；
14.b)将三元乙丙橡胶层a、表面改性的碳纤维布和三元乙丙橡胶层b依次接触，进行硫化，得到低压发热碳纤维布/石墨烯复合材料。
15.优选的，所述步骤a)中，将石墨烯浆料涂布在碳纤维布上，静置30～40min，得到表面改性的碳纤维布。
16.优选的，所述石墨烯浆料的涂布量为0.1～0.15l/m2。
17.优选的，所述步骤b)中，硫化的温度为180～200℃；硫化的压力为10～15mpa；硫化的时间为10～15min。
18.本发明提供了一种低压发热碳纤维布/石墨烯复合材料，包括依次接触的三元乙丙橡胶层a、石墨烯涂层、碳纤维布和三元乙丙橡胶层b；所述石墨烯涂层由石墨烯浆料制成，所述石墨烯浆料包括5～8wt％的石墨烯、0.5～1wt％的cwf-6028抗氧化剂、10～15wt％的双酚f型环氧树脂和10～15wt％的环氧固化剂。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
20.1、该复合材料选择三元乙丙橡胶作为载体，其具有优良的力学性能、耐久性以及绝缘性，可以保护复合材料在使用过程中的用电安全性。
21.2、该复合材料选择石墨烯浆液涂层改性碳纤维布，增加了碳纤维布的导电性以及导热性，具备更小的电阻率，在低电压36v的作用下，可以产生大量的热量。
22.3、该复合材料作为一种低压发热材料，具有高导电性、电阻稳定性好、产热效率快、用电安全性好、力学性能优良以及耐久性好等特点，可以应用于多个领域，例如：除冰雪路面、发热地毯以及车用坐垫等。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
24.图1为本发明中低压发热碳纤维布/石墨烯复合材料的结构示意图；
25.1为碳纤维布，2为石墨烯涂层，3-1为三元乙丙橡胶层a，3-2为三元乙丙橡胶层b。
具体实施方式
26.本发明提供了一种低压发热碳纤维布/石墨烯复合材料，包括依次接触的三元乙丙橡胶层a、石墨烯涂层、碳纤维布和三元乙丙橡胶层b；
27.所述石墨烯涂层由石墨烯浆料制成，所述石墨烯浆料包括5～8wt％的石墨烯、0.5～1wt％的cwf-6028抗氧化剂、10～15wt％的双酚f型环氧树脂和10～15wt％的环氧固化剂。
28.在本发明中，所述的“依次接触”可以是依次直接接触，也可以是是依次间接的接触，只要层叠顺序符合本发明即可。
29.在本发明中，所述三元乙丙橡胶层a的厚度优选为2～4.5mm，更优选为2.5～4mm，如2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm，优选为以上述任意数值为上限或下限的范围值；所述三元乙丙橡胶层b的厚度优选为2～4.5mm，更优选为2.5～4mm，如2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm，优选为以上述任意数值为上限或下限的范围值。在本发明中，所述三元乙丙橡胶层a和三元乙丙橡胶层b的厚度可以相同也可以不同。
30.在本发明中，所述碳纤维布优选为由12k碳纤维原丝编织而成的pan基碳纤维布，厚度优选为0.1～0.2mm，更优选为0.167～0.18mm。
31.在本发明中，所述碳纤维布表面优选使用石墨烯浆料进行涂布改性，在所述碳纤维布表面形成石墨烯涂层。
32.在本发明中，所述石墨烯浆料中包括5～8wt％的石墨烯、0.5～1wt％的cwf-6028抗氧化剂、10～15wt％的双酚f型环氧树脂和10～15wt％的环氧固化剂。所述石墨烯浆料中的溶剂为水。
33.在本发明中，所述石墨烯的质量分数优选为5～8wt％，更优选为6～7wt％；所述cwf-6028抗氧化剂是一种石墨材料的抗氧化浸渍剂，由纳米级别二氧化硅、阻燃抗氧化材料等陶瓷微粒子经过特殊的工艺处理而形成的一种稳定分散溶液。在石墨模具气孔及表面形成纳米抗氧化保护膜，能有效的隔绝空气直接与石墨模具接触而发生氧化反应。所述cwf-6028抗氧化剂的质量分数优选为0.5～1wt％，更优选为0.6～0.9wt％，如0.5wt％、0.6wt％、0.7wt％、0.8wt％、0.9wt％、1.0wt％，优选为以上述任意数值为上限或下限的范围值；所述双酚f型环氧树脂的质量分数优选为10～15wt％，更优选为11～14wt％，如10wt％、11wt％、12wt％、13wt％、14wt％、15wt％，优选为以上述任意数值为上限或下限的范围值；
34.所述环氧固化剂的成分为环氧树脂，能够与双酚f型环氧树脂发生化学反应，形成网状立体聚合物，把复合材料骨材包络在网状体之中，促成固化反应。具体的，在本发明的实施例中，可以使用艾力克牌b650型号的环氧固化剂；所述环氧固化剂的质量分数优选为10～15wt％，更优选为11～14wt％，如10wt％、11wt％、12wt％、13wt％、14wt％、15wt％，优选为以上述任意数值为上限或下限的范围值。
35.在本发明中，所述低压发热碳纤维布/石墨烯复合材料的厚度为5～10mm，更优选为6～9mm。
36.本发明还提供了一种低压发热碳纤维布/石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
37.a)将石墨烯浆料涂布在碳纤维布上，得到表面改性的碳纤维布；
38.b)将三元乙丙橡胶层a、表面改性的碳纤维布和三元乙丙橡胶层b依次接触，进行硫化，得到低压发热碳纤维布/石墨烯复合材料。
39.本发明将石墨烯、cwf-6028抗氧化剂、双酚f型环氧树脂和环氧固化剂按照上文中所述配比加入水中，混合均匀后，得到石墨烯浆料。
40.得到石墨烯浆料后，本发明将所述石墨烯浆料均匀涂布在碳纤维布表面，自然环境下静置30～40min，得到表面改性的碳纤维布。
41.然后在模具中依次放置三元乙丙橡胶层a、表面改性的碳纤维布和三元乙丙橡胶层b依次接触，进行硫化，得到低压发热碳纤维布/石墨烯复合材料。
42.在本发明中，所述硫化的温度优选为180～200℃，更优选为190～195℃；所述硫化的时间优选为10～15min，更优选为11～14min，最优选为12～13min；所述硫化的压力优选为10～15mpa，更优选为11～14mpa，最优选为12～13mpa。
43.本发明中的低压发热碳纤维布/石墨烯复合材料可应用于低压发热领域，如除冰雪路面、发热地毯以及车用坐垫等。
44.本发明提供了一种低压发热碳纤维布/石墨烯复合材料，包括依次接触的三元乙丙橡胶层a、石墨烯涂层、碳纤维布和三元乙丙橡胶层b；所述石墨烯涂层由石墨烯浆料制
成，所述石墨烯浆料包括5～8wt％的石墨烯、0.5～1wt％的cwf-6028抗氧化剂、10～15wt％的双酚f型环氧树脂和10～15wt％的环氧固化剂。
45.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
46.1、该复合材料选择三元乙丙橡胶作为载体，其具有优良的力学性能、耐久性以及绝缘性，可以保护复合材料在使用过程中的用电安全性。
47.2、该复合材料选择石墨烯浆液涂层改性碳纤维布，增加了碳纤维布的导电性以及导热性，具备更小的电阻率，在低电压36v的作用下，可以产生大量的热量。
48.3、该复合材料作为一种低压发热材料，具有高导电性、电阻稳定性好、产热效率快、用电安全性好、力学性能优良以及耐久性好等特点，可以应用于多个领域，例如：除冰雪路面、发热地毯以及车用坐垫等。
49.为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种低压发热碳纤维布/石墨烯复合材料及其制备方法进行详细描述，但不能将其理解为对本发明保护范围的限定。
50.实施例1
51.s1、通过质量百分比，将5％的石墨烯，配合0.5％的cwf-6028抗氧化剂、10％双酚f型环氧树脂、10％环氧固化剂以及足量的水溶液进行均匀混合，以制得石墨烯浆液。
52.s2、将石墨烯浆液涂层用刷子均匀的涂在碳纤维布上进行改性，所述碳纤维布是由12k碳纤维原丝编织而成的pan基碳纤维布，厚度为0.167mm。石墨烯浆液涂层用量为0.1l/m2，室温环境下放置30分钟，得到经过表面石墨烯浆液改性的碳纤维布。
53.s3、在模具中按照从下到上的顺序依次放入2mm厚的三元乙丙橡胶、经过表面石墨烯浆液涂层改性的碳纤维布以及2mm厚的三元乙丙橡胶，然后进行硫化，硫化温度为180℃，硫化压力10mpa，硫化时间为10min，得到一种5mm厚的低压发热碳纤维布/石墨烯复合材料。
54.实施例2
55.s1、通过质量百分比，将5％的石墨烯，配合0.5％的cwf-6028抗氧化剂、10％双酚f型环氧树脂、10％环氧固化剂以及足量的水溶液进行均匀混合，以制得石墨烯浆液。
56.s2、将石墨烯浆液涂层用刷子均匀的涂在碳纤维布上进行改性，所述碳纤维布是由12k碳纤维原丝编织而成的pan基碳纤维布，厚度为0.167mm。石墨烯浆液涂层用量为0.12l/m2，室温环境下放置30分钟，得到经过表面石墨烯浆液改性的碳纤维布。
57.s3、在模具中按照从下到上的顺序依次放入2mm厚的三元乙丙橡胶、经过表面石墨烯浆液涂层改性的碳纤维布以及2mm厚的三元乙丙橡胶，然后进行硫化，硫化温度为180℃，硫化压力12mpa，硫化时间为12min，得到一种5mm厚的低压发热碳纤维布/石墨烯复合材料。
58.实施例3
59.s1、通过质量百分比，将5％的石墨烯，配合0.5％的cwf-6028抗氧化剂、10％双酚f型环氧树脂、10％环氧固化剂以及足量的水溶液进行均匀混合，以制得石墨烯浆液涂层。
60.s2、将石墨烯浆液涂层用刷子均匀的涂在碳纤维布上进行改性，所述碳纤维布是由12k碳纤维原丝编织而成的pan基碳纤维布，厚度为0.167mm。石墨烯浆液涂层用量为0.15l/m2，室温环境下放置30分钟，得到经过表面石墨烯浆液改性的碳纤维布。
61.s3、在模具中按照从下到上的顺序依次放入2mm厚的三元乙丙橡胶、经过表面石墨烯浆液涂层改性的碳纤维布以及2mm厚的三元乙丙橡胶，然后进行硫化，硫化温度为200℃，
硫化压力15mpa，硫化时间为15min，得到一种5mm厚的低压发热碳纤维布/石墨烯复合材料。
62.对比例1
63.与实施例1中原料和制备方法相同，不同的是：石墨烯浆液涂层里树脂为双酚a型环氧树脂。
64.对比例2
65.与实施例1中原料和制备方法相同，不同的是：石墨烯浆液涂层里没有双酚f型环氧树脂。
66.对比例3
67.与实施例1中原料和制备方法相同，不同的是：石墨烯浆液涂层里抗氧化剂为rlhy-305。
68.所述抗氧化剂rlhy-305为石墨转子防氧化涂料，即rlhy-305的具体成分是纳米陶瓷微珠、无机化合物、氧化物、氮化物；是用无机纳米技术，经材料聚合反应、高温烧结、破碎、研磨耐高温陶瓷涂层，该涂层以纳米复合粘接剂为成膜剂，加入各种纳米功能性填料物质，形成一种致密的防氧化涂层。
69.对比例4
70.与实施例1中原料和制备方法相同，不同的是：石墨烯浆液涂层里没有抗氧化剂。
71.将以上实施例1-3以及对比例1-3中的复合材料进行性能测试，电阻率、抗压强度以及拉伸强度测试结果见表1，从表中可知，碳纤维布表面涂刷添加cwf-6028抗氧化剂和双酚f型环氧树脂的石墨烯浆液之后导电性大幅增加。不同涂层用量的复合材料力学性能和导电性能变化不大。
72.表1复合材料性能测试结果
[0073][0074][0075]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。