专利名称：一种碳素机敏材料及其制备方法和应用的制作方法
技术领域：
本发明关于一种碳素机敏材料，特别是关于一种碳素机敏材料及其制备方法和应用。
背景技术：
传统的供热采暖方式是通过空调、锅炉等设施。该设施靠供电、燃煤、燃气、燃油加热，或制成热水、蒸气进行供热取暖，但其供热取暖的办法存在着使用不方便，供热方式不合理、能源消耗大，运行和综合费用高等问题。本发明提出采用碳素机敏涂层材料应用于纺织面料，室内外装饰工程材料、防冻材料及服装服饰等材料中，它具有能耗少、运行成本低、供热效果好，而且具有无污染及智能化的新型材料，对节能降耗来说是非常必要的。
本发明在碳素机敏材料中加入一定量的导电粒子(碳黑)后，可以制成具有PTC效应(即Positive Temerature Coefficient)的有机PTC材料。这种材料的显著特点是电阻随温度呈非线性变化，并在临界组成区域表现出独特的PTC特性，随温度变化材料的结构和性能具有可回复性，当温度升高或降低，材料能自动沿曲线进行自我调节，因此，可以被称为“正温度系数机敏材料”。利用这一特性制成的材料，在施加一定交流或直流电压后，电能转化为热能，电热转换率高，能迅速升温，并恒定在预定温度，从而起到一种“智能化”的调温功能和灵敏的“开关”效应。
目前，国内外对导电纤维的研究主要采用碳黑、金属粉末作为导电填料，其方法主要是在纺织纤维上镀碳类材料及金属氧化物等，或在纺织材料中进行共混、抽丝等办法，但仍存在有机导电纤维纺丝或混纺困难，纤维受到摩擦或弯折时碳黑及金属粉易脱落，机械性能与普通纤维差异较大，导电导热性能不佳，由于导电填料中的金属粉末易表面氧化，制品遇水易氧化，填充量偏高，价格昂贵等缺点，在其使用上，受到限制。而碳黑类材料来源丰富，价格低廉成本低，不易氧化，因此，PTC材料多采用碳黑类导电材料。
中国专利号CN200310115943.0公开了一种“聚乙烯/乙丙橡胶/碳黑高分子导电复合材料的制备”的发明。该发明采用聚乙烯/二元乙丙橡胶或聚乙烯/三元乙丙橡胶为高分子基体，采用带反应基团的聚氨酯或环氧树脂表面改性剂对碳黑粒子进行表面包覆改性，利用熔融加工方法制得聚乙烯/乙丙橡胶/碳黑高分子导电复合材料，在30℃至60℃温度下放置20至72小时。经上述方法制得的高分子导电复合材料具有体积电阻率低、碳黑含量低的特点。在低填充量(0.5％至5％)下材料的体积电阻率达到106至108Ω·cm。中国专利号CN200410000022.4公开了一种“纳米环保半导绝缘材料”的发明。该发明涉及一种纳米环保半导绝缘材料，它由下述重量配比的原料按常规方法搅拌混合制成弹性体20-28份，阻燃油8-14份，导电炭黑35-50份，氢氧化镁8-12份，纳米改性超细高岭土8-15份，分散剂0.8-1.5份，润滑剂0.8-1.5份，抗氧剂0.8-1.5份。该种材料工作温度为120℃，在超负荷1小时情况下工作温度可达到340℃，短时最高可达360℃，并且照常起到半导绝缘的作用；长期工作温度范围是-40℃至120℃；具有低烟、无毒、无卤的特性；成本低、性能指标好；适合用于电线电缆的绝缘层。上述专利不能应用于各类纺织面料、室内外装饰工程材料中。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供(1)一种碳素机敏材料；(2)一种碳素机敏材料制备方法；(3)碳素机敏材料的应用。
本发明的目的是通过以下技术方法来实现的一种碳素机敏材料，按重量百分比该组合物主要由以下组分组成碳黑材料 5-60％表面改性剂 0.1-3％分散剂 0.1-3％消泡剂 0.1-0.3％水溶性粘合剂 1-7％水 余量。
碳素机敏材料的制备方法先将碳黑类材料先进行微粉化，因为导电率的高低与碳黑粒子大小及其分布、形状、结构、孔隙度有关，当碳黑材料达到微米级后，比表面积增大，表面原子数，表面能及表面张力随着粒径的下降急剧增加，碳黑粒子越小，有利于形成链式导电结构，可大大改变和提高其导电导热性能。
然后，选择不同结构、粒径不同的碳黑材料进行共混，有利于碳黑分散均匀、不团聚、导电导热性及PTC效应较好。并进行表面改性处理，其方法有等离子处理法或气相沉积法、微波等离子聚合法等，可很好的改善其碳黑粒子表面物理化学性质，改变和提高碳黑粒子与基体的界面结合能力和相容性及导电性能。
最后将上述碳黑粒子材料中加入一定量的表面改性剂、分散剂、消泡剂等材料制成水溶性涂料，再进行分散处理，其方法有超声分散或机械分散等方法。分散度越大，其导电性越高，通过上述方法，制备稳定的微米级碳黑涂层材料，有效解决该材料在涂层或浸渍、浸轧中分散性不匀和易团聚问题。
导电类碳黑材料(国内市场有售)主要选用至少三种以上的乙炔碳黑、导电碳黑、石墨碳黑、炉法或槽法碳黑、石墨碳黑。本发明采用乙炔碳黑、导电碳黑、炉法或槽法碳黑、石墨碳黑三种以上碳黑材料进行混合，所占比例不同，其粒径为15-100μm，比表面积＞35m2/g，采用物理或化学的方法对碳黑粉体进行机械形式的表面改性和分散处理。
在本发明中，碳黑采用三种以上的碳黑类材料，加入量5-60％，先将其混合并搅拌均匀，搅拌速度2000转-3000转/分，时间2-3小时，加入0.1-3％的表面改性剂对碳黑粒子表面进行化学吸附，通过高速搅拌机进行搅拌、过滤、干燥、粉碎、筛分等工艺进行表面改性，搅拌速度2000-3000转/分钟，时间3-5小时。然后进行分散处理。分散前加入1-7％的水溶性粘合剂、适量水，加入0.1-0.3％的消泡剂，加入0.1-3％分散剂，一齐置于振动球磨机中，采用振动球磨机分散、振动、球磨机转速2000-3000转/分，时间10-15小时。制成水溶性碳素机敏材料，呈黑色水溶性液体，粘度100-450mpa.s，耐热温度＜150℃，耐低温＜-10℃，PH值为7-8。
在制备碳素机敏材料过程中所使用原料的规格如下导电碳黑5-40％(粒径为15-100μm，比表面积＞35m2/g，上海卡博特化工有限公司生产)。
乙炔碳黑3-30％(粒径为15-100μm，比表面积＞35m2/g，武汉金丹乙炔碳黑厂生产)。
炉法碳黑1-10％(粒径为15-100μm，比表面积＞35m2/g，武汉金丹乙炔碳黑厂生产)。
槽法碳黑1-10％(粒径为15-100μm，比表面积＞35m2/g，南京江北碳黑厂生产)。
石墨碳黑1-10％(粒径为15-100μm，比表面积＞35m2/g，南京江北碳黑厂生产)。
表面改性剂0.1-3％ 市场有售。
分散剂0.1-3％ 市场有售。
消泡剂0.1-0.3％市场有售。
水溶性粘合剂1-7％ 市场有售。
表面改性剂采用钛酸酯或硬酯酸。
分散剂采用聚羧酸钠盐型共聚物、聚羧酸铵盐型共聚物，含氧基共聚物中的一种或其混合物。
消泡剂采用092水性消泡剂。
水溶性粘合剂采用聚氨酯、丙烯酸聚合物、乙烯氯乙烯聚合物、聚酰胺聚合物、聚酯聚合物、丁苯聚合物中的一种或其混合物。
本发明所公开碳素机敏材料，其优点表现在1、工艺先进，可用于各类纺织面料、室内外装饰工程材料、橡塑材料、电缆材料、服装服饰等的涂层及浸渍、浸轧整理或与其它材料混合应用，可应用于建筑节能、现代农业温室、军用产品、油田采油防冻、机场化雪、大型仓库、超市、家庭、学校、医院、宾馆供热采暖及冬季服装服饰等诸多领域，有明显的应用价值。
2、通过碳素机敏材料开发的产品，升温快、电热转换率＞70％，耐折弯和耐摩擦性好，可替代空调、水暖、气暖供热使用，综合费用是空调的50％，节能效果显著。
3、原料来源丰富、碳黑材料不易氧化、遇水不腐蚀、填充量是金属粉末的50％，成本低、无毒无味，无废水废气排出，安全可靠。
4、不生产电磁波，可产生远红外、负离子作用、远红外发射率＞90％，对人体健康十分有益。
具体实施例方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述。
实施例1先将40g导电碳黑、5g乙炔碳黑、5g炉法碳黑混合并搅拌均匀，搅拌速度2000转/分，时间2小时，加入30g的钛酸酯对碳黑粒子表面进行化学吸附，通过高速搅拌机进行搅拌、过滤、干燥、粉碎、筛分等工艺进行表面改性，搅拌速度2000/分钟，时间3小时。加入50g的聚氨酯、10g丙烯酸聚合物、10g乙烯氯乙烯聚合物、817g水，加入3g的092水性消泡剂，加入15g聚羧酸钠盐型共聚物，15g聚羧酸胺盐型共聚物，一齐置于振动球磨机中，采用振动球磨机分散、振动、球磨机转速2000转/分，时间10小时。制成水溶性碳素机敏材料，呈黑色水溶性液体，粘度200mpa.s，耐热温度＜150℃，耐低温＜-10℃，PH值为7。
实施例2先将400g导电碳黑、50g乙炔碳黑、50g炉法碳黑、50g槽法碳黑、50g石墨碳黑混合并搅拌均匀，搅拌速度3000转/分，时间3小时，加入1g的硬酯酸对碳黑粒子表面进行化学吸附，通过高速搅拌机进行搅拌、过滤、干燥、粉碎、筛分等工艺进行表面改性，搅拌速度3000转/分钟，时间5小时。加入10g的聚酰胺聚合物、387g水，加入1g的092水性消泡剂，加入1g聚羧酸钠盐型共聚物，一齐置于振动球磨机中，采用振动球磨机分散、振动、球磨机转速3000转/分，时间15小时。制成水溶性碳素机敏材料，呈黑色水溶性液体，粘度450mpa.s，耐热温度＜150℃，耐低温＜-10℃，PH值为7.5。
实施例3先将300g导电碳黑、40g乙炔碳黑、40g炉法碳黑、20g槽法碳黑混合并搅拌均匀，搅拌速度2500转/分，时间2.5小时，加入5g的钛酸酯、5g的硬酯酸对碳黑粒子表面进行化学吸附，通过高速搅拌机进行搅拌、过滤、干燥、粉碎、筛分等工艺进行表面改性，搅拌速度2500转/分钟，时间4小时。加入30g的聚酰胺聚合物、10g聚酯聚合物、10g丁苯聚合物、517g水，加入3g的092水性消泡剂，加入10g聚羧酸钠盐型共聚物，5g聚羧酸胺盐型共聚物、5g含氧基共聚物，一齐置于振动球磨机中，采用振动球磨机分散、振动、球磨机转速2000转/分，时间12小时。制成水溶性碳素机敏材料，呈黑色水溶性液体，粘度350mpa.s，耐热温度＜150℃，耐低温＜-10℃，PH值为8。
实施例4先将210g导电碳黑、10g乙炔碳黑、10g炉法碳黑、10g槽法碳黑、10g石墨碳黑混合并搅拌均匀，搅拌速度3000转/分，时间3小时，加入30g的硬酯酸对碳黑粒子表面进行化学吸附，通过高速搅拌机进行搅拌、过滤、干燥、粉碎、筛分等工艺进行表面改性，搅拌速度2000转/分钟，时间3小时。加入20g聚氨酯、10g丙烯酸聚合物、10g乙烯氯乙烯聚合物、10g聚酰胺聚合物、10g聚酯聚合物、10g丁苯聚合物、617g水，加入3g的092水性消泡剂，加入30g聚羧酸胺盐型共聚物，一齐置于振动球磨机中，采用振动球磨机分散、振动、球磨机转速3000转/分，时间15小时。制成水溶性碳素机敏材料，呈黑色水溶性液体，粘度250mpa.s，耐热温度＜150℃，耐低温＜-10℃，PH值为7.5。
实施例5
碳素机敏材料应用于面料的制作方法如下(1)导电面料中加入镀银或镀锡紫铜导电丝采用纯棉或棉与化纤混纺的原料12s-30s纱线或股线，面料80-550g/m2要求纱线无杂质和异物，无油污和受潮变质；镀银或镀锡紫铜导电丝采用直径为0.10-0.75mm，抗拉强度300-1400N/mm2，面料径向中导线分布为8-500根/米，各电极边缘的编织线紧缩，以防止电极导线脱边，电极间保持1-2cm，电极接片为冲压紫铜镀银接片，经纬线一定要横平竖直，保持面料平整，以免影响涂层后的电阻。
(2)导电面料进行碳素机敏材料浸轧涂层整理碳素机敏材料采用浸轧法涂层，先把导电面料进行检验并去皱和平整，不需上浆和染色，去掉一切杂质及线头，碳素机敏材料应充分搅拌均匀，然后浸轧，将面料均匀浸透，时间5-10s，后上机烘干整理，烘干温度130-145℃，车速8-10m/min，上胶量＞150％(按重量比)，干燥后重量50-175g/m2。
(3)阻燃涂层整理经过浸轧整理后的导电面料，其两面经聚氨酯(PU)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和三氧化二锑或氮磷类阻燃剂涂层整理，温度125-145℃，车速8-10m/min，涂层厚度为100μm-300μm，形成一种保护膜。
权利要求
1.一种碳素机敏材料，其特征在于按重量百分比该组合物主要由以下组分组成碳黑材料 5-60％表面改性剂 0.1-3％分散剂 0.1-3％消泡剂 0.1-0.3％水溶性粘合剂 1-7％水 余量。
2.根据权利要求1所述的碳素机敏材料，其特征在于碳黑材料选用导电碳黑、乙炔碳黑、炉法碳黑、槽法碳黑、石墨碳黑材料中至少三种以上混合。
3.根据权利要求1所述的碳素机敏材料，其特征在于表面改性剂选自钛酸酯或硬酯酸一种或二种。
4.根据权利要求1所述的碳素机敏材料，其特征在于水溶性粘合剂选自聚氨酯、丙烯酸聚合物、乙烯氯乙烯聚合物、聚酰胺聚合物、聚酯聚合物、丁苯聚合物一种或其混合物。
5.根据权利要求1所述的碳素机敏材料，其特征在于消泡剂选自092水性消泡剂。
6.根据权利要求1所述的碳素机敏材料，其特征在于分散剂选自聚羧酸钠盐型共聚物，聚羧酸胺盐型共聚物、含氧基共聚物中的一种或其混合物。
7.一种碳素机敏材料的制备方法，其步骤如下(1)选用碳黑材料混合、搅拌；(2)加入表面改性剂，进行表面改性；(3)加入水溶性粘合剂、水、消泡剂、分散剂一齐置于磨机中，分散、振动，其中步骤(1)中碳黑材料选用导电碳黑、乙炔碳黑、炉法碳黑、槽法碳黑、石墨碳黑材料中三种或四种或五种混合；步骤(2)中表面改性剂选自钛酸酯或硬酯酸一种或二种；步骤(3)中水溶性粘合剂选自聚氨酯、丙烯酸聚合物、乙烯氯乙烯聚合物、聚酰胺聚合物、聚酯聚合物、丁苯聚合物一种或其混合物，消泡剂选自092水性消泡剂，分散剂选自聚羧酸钠盐型共聚物，聚羧酸胺盐型共聚物、含氧基共聚物中的一种或其混合物。
8.根据权利要求7所述的制备方法，碳黑材料加入量为5-60％，表面改性剂加入量为0.1-3％，分散剂加入量为0.1-3％，消泡剂加入量为0.1-0.3％，水溶性粘合剂加入量为1-7％。
9.根据权利要求7所述的制备方法，步骤(1)中碳黑类材料搅拌速度2000转-3000转/分，时间2-3小时；步骤(3)中磨机转速2000-3000转/分，时间10-15小时。
10.根据权利要求1所述的碳素机敏材料在纺织面料、室内外装饰工程材料中应用。
全文摘要
本发明关于一种碳素机敏材料及其制备方法和应用。该碳素机敏材料，按重量百分比该组合物主要由以下组分组成碳黑材料为5－60％，表面改性剂为0.1－3％，分散剂为0.1－3％，消泡剂为0.1－0.3％，水溶性粘合剂为1－7％，水为余量。本发明碳素机敏材料，其优点表现在工艺先进，可用于各类纺织面料、室内外装饰工程材料、橡塑材料、电缆材料、服装服饰等的涂层及浸渍、浸轧整理或与其它材料混合应用，有明显的应用价值。
文档编号C09D127/06GK1824711SQ20061002389
公开日2006年8月30日 申请日期2006年2月15日 优先权日2006年2月15日
发明者潘跃进, 吴东来 申请人:上海中大科技发展有限公司