石墨烯電熱窗簾的制備及性能研究

高冰雁，李 博，高陽陽

(黑龍江科技大學 材料科學與工程學院，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，是構筑其他維數石墨材料的基本結構單元，在各個領域都有著重要的發(fā)展前景，被認為是一種革命性的材料。石墨烯因其優(yōu)異的導熱、導電性能及良好的力學性能具有重要的研究價值。將無水乙醇作為溶劑，以石墨烯作為填充材料，調配出石墨烯基導電油墨，再印刷出石墨烯電熱膜，進一步制備出石墨烯電熱窗簾成品。

1.1 實驗材料

實驗流程所需原材料如表1所示。

表1 實驗原材料Tab.1 Experiment raw materials

1.2 實驗儀器

實驗所需儀器如表2所示。

表2 實驗儀器Tab.2 Experimental apparatus

1.3 石墨烯基導電油墨的制備

以去離子水作為無機溶劑、無水乙醇為有機溶劑、偏聚氟乙烯為黏結劑、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，根據需求調節(jié)所需黏度，放入B型聚四氟乙烯磁力攪拌子，將其置于數顯定時磁力攪拌器上，轉速設置為900 r/min，攪拌時間設置為30 min，即可得到石墨烯基導電油墨[1]。

1.4 石墨烯電熱膜的制備工藝

實驗采用絲網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，待其干燥后取出置于絲網印刷機臺面工作部位，設定設備參數，取配制完成的導電油墨加注到印刷刮板運行軌跡前方[2]，啟動設備，將油墨均勻地涂布于聚酰亞胺基質材料上，再將載有均勻油墨涂層的薄膜整體放入已提前預熱至230℃的真空干燥箱內，烘干30 min，樣品制備完畢。對石墨烯電熱膜樣品進行導電性能測試，測試結果如表3、表4所示。

表3 黏結劑和分散劑對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

將測試后導電性能符合預期結果的樣品試劑用量作為標準，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)熱帶以并聯方式進行連接，將并聯好的電熱膜放置在塑封機工作臺上，利用預涂膜對其進行密封處理。采用手工釬焊工藝對密封完整的電熱膜進行接線操作，得到導電性能良好的石墨烯電熱膜。以石墨烯電熱膜作為內襯，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電滑環(huán)將導線整合到卷軸內部與窗簾智能控制模塊相連，以優(yōu)化因導線外露導致的安全隱患問題，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，經檢測，其電熱轉化率高達75%。接通電源后，窗簾溫度持續(xù)上升，其內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。經檢測，其在室溫下接通220 V電源的條件下的加熱速度可達到5 s上升至40℃，15 s后達到60℃。利用紅外線測溫儀對石墨烯電熱窗簾進行溫度檢測，發(fā)現窗簾表層最低溫度為63℃，最高溫度為67℃，平均溫度達到65℃；而石墨烯電熱膜內襯的最低溫度為82℃，最高溫度為88℃，平均溫度高達85℃。由此可見，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膜溫度測試，圖2為窗簾表層溫度。

圖1 石墨烯電熱窗簾內膜溫度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40%的遠紅外線。人體是良好的遠紅外線吸收體，能夠吸收主要范圍為3～15 μm的波長。經檢測，石墨烯電熱膜的發(fā)散光波波長穩(wěn)定在6～18 μm，故在石墨烯電熱面膜加熱的同時，人體能夠大量吸收其發(fā)散出的遠紅外線，起到加速血液循環(huán)、促進新陳代謝的作用。

3 結語

對石墨烯電熱窗簾的制備工藝與性能進行研究。實驗結果表明，石墨烯電熱窗簾具有良好的熱穩(wěn)定性能，其升溫速度快，瞬時溫度高，熱響應時長短，溫度分布均勻性良好。不僅如此，其發(fā)散出的遠紅外線能夠充分被人體吸收，可以達到促進新陳代謝、美容養(yǎng)顏的保健作用。

利用新型材料石墨烯對傳統(tǒng)窗簾進行性能提升，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合，加快了窗簾市場的發(fā)展，大大解決了供熱行業(yè)高污染、高耗能、高排放的問題。各行各業(yè)的發(fā)展都離不開材料，材料表征技術不斷強大，石墨烯未來在各個領域都將具有重要的應用前景。