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摘要：

石墨烯電熱涂料以其高電熱轉(zhuǎn)換效率及節(jié)能環(huán)保等特性，引發(fā)了廣泛關(guān)注。文中綜述了石墨烯電熱涂料的制備技術(shù)，分析了導(dǎo)電性能和穩(wěn)定性的關(guān)鍵影響因素，提出了優(yōu)化石墨烯含量、復(fù)合填料設(shè)計(jì)、基料選擇和提高分散性是提升石墨烯電熱涂料性能的核心策略。結(jié)合其在家居采暖、工業(yè)溫控等領(lǐng)域的應(yīng)用前景，指出高溫穩(wěn)定性與綜合性能優(yōu)化仍是當(dāng)前研究重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：

石墨烯；電熱涂料；導(dǎo)電性能；工作穩(wěn)定性

電熱是將電能轉(zhuǎn)化為熱能并加以利用的過程，它的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展對(duì)人類的生活具有重要的意義。相比以煤、石油、天然氣、煤氣為能源的傳統(tǒng)加熱方式，電熱因其熱轉(zhuǎn)換率較高、易控制等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于人們生活和工業(yè)領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟(jì)中顯示出重要的地位。電熱轉(zhuǎn)換方式主要有感應(yīng)式、電阻式、微波等，其中應(yīng)用最廣泛的是電阻式加熱，主要包括電熱絲、電熱棒和電熱盤等。盡管這類加熱元件具有發(fā)熱溫度高和耐熱性好等優(yōu)點(diǎn)，但也存在壽命短、安全性差、熱損耗大及不節(jié)能環(huán)保等缺點(diǎn)，限制了其進(jìn)一步發(fā)展。近幾十年來，電熱涂料是基于導(dǎo)電涂料所開發(fā)的一類新型功能材料，可直接涂覆在絕緣基體上形成電熱涂層，并作為電熱元件使用。電熱涂層的面狀加熱方式，有利于更加高效的傳熱與散熱，表現(xiàn)出良好的電熱轉(zhuǎn)化性能，可廣泛應(yīng)用于家居生活、工農(nóng)業(yè)、航天等領(lǐng)域。

按照導(dǎo)電原理，電熱涂料分為本征型和添加型2類。本征型電熱涂料制備困難，成本較高，不適用于實(shí)際生產(chǎn)；添加型電熱涂料主要是在基料中加入導(dǎo)電填料，使之具有電熱性能。但以金屬和金屬氧化物為代表的導(dǎo)電填料，存在成本高、易腐蝕及安全性較差等缺點(diǎn)，極大阻礙了電熱涂料的應(yīng)用。以石墨烯為代表的碳基材料的發(fā)現(xiàn)，推進(jìn)了電熱涂料快速發(fā)展與應(yīng)用。石墨烯是一類由單層碳原子排列而成的二維材料，不僅導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性極高，且具有優(yōu)異的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，使之成為電熱涂料中最理想的導(dǎo)電填料之一。隨著研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)石墨烯電熱涂料具有紅外輻射率高、節(jié)能環(huán)保、使用壽命長(zhǎng)等特性，在電熱涂料領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

本文概述了石墨烯電熱涂料的制備方法，從導(dǎo)電性能和電熱穩(wěn)定性兩方面，探討了電熱性能的影響因素，總結(jié)了石墨烯電熱涂料的應(yīng)用場(chǎng)景，并論述了該領(lǐng)域存在的問題和發(fā)展前景。

1、 石墨烯電熱涂料的制備

石墨烯電熱涂料主要由導(dǎo)電填料、基料、溶劑和助劑組成。其中，導(dǎo)電填料為石墨烯或其復(fù)合導(dǎo)電材料，是影響電熱涂料導(dǎo)電性能最主要的因素；基料，即成膜物質(zhì)，直接決定電熱涂層的物理化學(xué)性能，包括有機(jī)樹脂（環(huán)氧樹脂、有機(jī)硅樹脂、丙烯酸樹脂等）與無機(jī)化合物（硅酸鹽、磷酸鹽等）；溶劑為水或有機(jī)溶劑，主要起到分散介質(zhì)作用；助劑包括潤(rùn)濕劑、流平劑、消泡劑等，盡管添加量少，但可提升其綜合性能。

石墨烯電熱涂料的制備一般分為3個(gè)步驟：（1）導(dǎo)電漿料的制備；（2）電熱涂料的制備；（3）電熱涂層的制備。徐晶璐等將石墨烯、碳纖維、水及分散劑混合，得到導(dǎo)電漿料；先后加入環(huán)氧樹脂乳液及固化劑，充分?jǐn)嚢璧玫诫姛嵬苛?；最后，利用機(jī)械刷涂并固化成電熱涂層。張朋等采用超聲的方式，將石墨烯、碳納米管與分散劑充分分散均勻，制備得到導(dǎo)電漿料；然后，將水性羥基丙烯酸-氨基樹脂分散液加入至導(dǎo)電漿料中，攪拌并烘干固化成電熱涂層。Xiong等將石墨烯在丙酮中分散，得到石墨烯導(dǎo)電漿料，然后加入少量丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）改性環(huán)氧樹脂、抗氧化劑及碳纖維，并烘干得到電熱涂層。

2、 石墨烯電熱涂料與電熱性能

電熱涂料的導(dǎo)電性是其電熱性能的基礎(chǔ)，直接影響其發(fā)熱溫度、發(fā)熱功率及發(fā)熱效率，決定了電熱涂料的應(yīng)用范圍。此外，電熱涂料的穩(wěn)定性為電熱性能的另一重要指標(biāo)，主要指涂層在長(zhǎng)時(shí)間通電發(fā)熱過程中，發(fā)熱溫度是否能夠保持穩(wěn)定，以及涂層材料是否能夠抵抗熱老化，是電熱涂料長(zhǎng)期應(yīng)用的關(guān)鍵性能。

2.1 導(dǎo)電性能

當(dāng)石墨烯含量達(dá)到一定比例時(shí)，會(huì)在涂層中形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致電阻率急劇降低，從而提高導(dǎo)電性能。有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石墨烯含量低于1.0%時(shí)，大多數(shù)導(dǎo)電粒子處于分離狀態(tài)，不能形成有效導(dǎo)電通道，因此涂料的電阻率大，導(dǎo)電性差；當(dāng)其含量為1.5%時(shí)，導(dǎo)電粒子的含量超過滲濾閥值，可相互形成有效的導(dǎo)電通道，導(dǎo)致電阻率急劇降低；繼續(xù)提高石墨烯含量，形成更完善的導(dǎo)電通路，電阻率繼續(xù)下降，但趨于平穩(wěn)；但當(dāng)含量達(dá)到4.0%時(shí)，導(dǎo)電性開始變差，歸因于較差的分散性及其成膜性。

除了石墨烯，常用的導(dǎo)電填料包括碳黑、石墨與碳納米管等碳基材料。其中，石墨與炭黑具有較低的電導(dǎo)率（10~102 S/m），遠(yuǎn)低于石墨烯的電導(dǎo)率（105 S/m），單一炭黑或石墨涂層的電阻率明顯高于單一石墨烯涂層。但炭黑或石墨的價(jià)格低廉，從經(jīng)濟(jì)角度來說是不錯(cuò)的選擇。相比之下，碳納米管因其出色的電導(dǎo)率（104~106 S/m）受到廣泛關(guān)注。但碳納米管的缺陷和團(tuán)聚會(huì)顯著影響其導(dǎo)電性能，使其在涂層中的導(dǎo)電性能不如石墨烯。Risi等研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管在樹脂中分散不良會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電路徑中斷，從而降低了整體電導(dǎo)率。隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用石墨烯-碳納米管復(fù)合導(dǎo)電填料時(shí)，可有效結(jié)合石墨烯的二維導(dǎo)電性和碳納米管一維導(dǎo)電性的優(yōu)勢(shì)，相較于單一石墨烯導(dǎo)電填料，復(fù)合涂層展現(xiàn)出更優(yōu)的導(dǎo)電性能。Li等的研究表明，石墨烯和碳納米管的良好結(jié)合可以形成連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，極大地提高整體的導(dǎo)電性能。Tong等發(fā)現(xiàn)，采用石墨烯和碳納米管復(fù)合導(dǎo)電填料，聚氨酯涂層的電導(dǎo)率明顯優(yōu)于單一導(dǎo)電填料體系。姜雄峰等在導(dǎo)電填料中添加碳納米管和石墨烯，有效提高了涂料的導(dǎo)電性，通過調(diào)節(jié)填料比例，可實(shí)現(xiàn)1.9×10-4 Ω/m的體積電阻率。

除了導(dǎo)電填料，基料的種類和含量也會(huì)影響涂層的導(dǎo)電性能。黃坤等制備了基于環(huán)氧樹脂、環(huán)氧改性有機(jī)硅樹脂或乙烯基樹脂的石墨烯電熱涂料，研究發(fā)現(xiàn)以乙烯基樹脂作為基料，其涂層電阻最小，而環(huán)氧樹脂涂層的電阻最大。主要原因是在涂層固化過程中，不同樹脂的體積收縮率不一樣，導(dǎo)致導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)相互貫穿的程度及其滲流閾值不同。另外，基料含量的增加會(huì)增強(qiáng)對(duì)石墨烯導(dǎo)電填料的包裹，減少導(dǎo)電粒子間的有效空間連接，導(dǎo)致涂料導(dǎo)電性能下降。

此外，由于具有納米尺寸的石墨烯填料在電熱涂料體系中很難均勻分布，從而影響了導(dǎo)電通道的形成。因此，提高石墨烯填料的分散程度是提升涂料導(dǎo)電性能有效方法之一?？刹捎醚趸€原技術(shù)或超聲處理手段，制備分散性優(yōu)異、導(dǎo)電性能良好的石墨烯電熱涂料。

2. 2 電熱工作穩(wěn)定性

石墨烯的含量不僅影響涂層的導(dǎo)電性，也會(huì)對(duì)涂層加熱效率和加熱溫度產(chǎn)生影響。當(dāng)增加石墨烯含量時(shí)，涂層的升溫速率和加熱溫度會(huì)有一定提升，符合Broadbent 等所提出的滲流理論。Redondo等制備了石墨烯含量分別為8%、10%、12%的復(fù)合涂層，研究發(fā)現(xiàn)石墨烯含量為12%的涂層具有更高的加熱溫度和更快的加熱速率（13.6 ℃/min）。但當(dāng)石墨烯達(dá)到一定含量時(shí)，即滲流閾值，涂層的升溫速率達(dá)到最大；進(jìn)一步增加其含量，會(huì)降低石墨烯的分散性，影響涂層的成膜性和導(dǎo)電性能，涂層加熱溫度與加熱速率會(huì)變得緩慢，甚至下降。

采用石墨烯復(fù)合導(dǎo)電填料，可有效提高涂料的電熱工作穩(wěn)定性。Doblas等發(fā)現(xiàn)，以石墨烯和碳納米管作為導(dǎo)電填料的聚氨酯電熱涂層，不僅具有較好的熱穩(wěn)定性，且其電熱工作穩(wěn)定性良好，在650 V施加電壓下，電熱行為保持不變。Tian等制備了石墨烯/氧化石墨烯雙層電熱膜與石墨烯單層電熱膜，研究發(fā)現(xiàn)加入氧化石墨烯層，具有更高的穩(wěn)態(tài)溫度（162.6 ℃，原為70.1 ℃）和更快加熱速率（8.4 ℃/s，原為2.61 ℃/s）。此外，不同種類的基料的熱穩(wěn)定性、導(dǎo)電性能和機(jī)械強(qiáng)度差異，會(huì)直接影響涂料的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)、耐高溫性能及長(zhǎng)期使用的穩(wěn)定性。通常無機(jī)涂層相比有機(jī)涂層具備更好的熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，在高溫和苛刻環(huán)境下應(yīng)用較為合適；而有機(jī)樹脂在加工性和黏附力方面通常更具優(yōu)勢(shì)。比如，以有機(jī)樹脂作為基料，在36 V外加電壓下，涂層的穩(wěn)態(tài)溫度只有76 ℃；而采用水玻璃作為基料，涂層穩(wěn)態(tài)溫度高達(dá)302 ℃。

值得注意的是，雖然傳統(tǒng)碳系材料具有一定的導(dǎo)電性，但其導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)較為松散，難以在涂層中形成高效的導(dǎo)電通道，從而限制了其電熱性能。相比之下，石墨烯獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)，使其能夠在涂層中形成高效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，顯著提高了涂層的導(dǎo)電性和電熱穩(wěn)定性。石墨烯的優(yōu)異導(dǎo)電性和高比表面積使其能夠在較低的含量下實(shí)現(xiàn)較好的電熱性能，從而降低了高填料含量對(duì)涂層成膜性和性能的負(fù)面影響。因此，在電熱效率和穩(wěn)定性方面，其他碳系材料所制備的電熱涂料，要弱于石墨烯電熱涂料。例如，Jia等開發(fā)了碳納米管透明導(dǎo)電薄膜，加熱速率、穩(wěn)態(tài)溫度分別為6.1 ℃/s和75.5 ℃，性能弱于石墨烯導(dǎo)電薄膜。余曉軍制備了以熱裂解炭、乙炔黑和碳納米管為導(dǎo)電填料的電熱涂料，加熱速率、穩(wěn)態(tài)溫度可達(dá)到8.6 ℃/min和75 ℃，不如添加石墨烯的電熱涂料。

3、 石墨烯電熱涂料的應(yīng)用前景

石墨烯電熱涂料因其熱轉(zhuǎn)換率高、發(fā)熱快、節(jié)能、環(huán)保、安全等諸多優(yōu)點(diǎn)，可高效地應(yīng)用于家用電熱產(chǎn)品中。目前市場(chǎng)上已有石墨烯電熱水壺、石墨烯電暖器、石墨烯電烤爐等系列家電產(chǎn)品，獲得了很好的市場(chǎng)反響。在工業(yè)加熱方面，石墨烯電熱涂料也可替代傳統(tǒng)的加熱方式，用于烤漆房、烘干房、飛機(jī)除冰、反應(yīng)釜、石油管道等，使設(shè)備易自動(dòng)控制，使用更加高效。

在農(nóng)業(yè)方面，基于石墨烯的遠(yuǎn)紅外線對(duì)植物的生長(zhǎng)和根系的發(fā)育具有良好的促進(jìn)作用，石墨烯發(fā)熱體在蔬菜溫室大棚、苗圃、花房、無土栽培等有著廣闊的應(yīng)用前景；遠(yuǎn)紅外線對(duì)畜禽、水產(chǎn)健康繁育也起到促進(jìn)作用，已有將石墨烯電熱涂料廣泛應(yīng)用于海蝦養(yǎng)殖的案例。

在醫(yī)療保健方面，石墨烯電熱涂料在發(fā)熱狀態(tài)會(huì)發(fā)射波長(zhǎng)6~15 μm的遠(yuǎn)紅外線，熱輻射效率高，可被人體有效地吸收，成功轉(zhuǎn)化為熱能；并且與生物細(xì)胞、水分子產(chǎn)生共振效應(yīng)，促進(jìn)血液循環(huán)，加快新陳代謝，緩解酸痛，增強(qiáng)組織和細(xì)胞再生能力，具有保健的功效。

4、 結(jié)　語

本文介紹了石墨烯電熱涂料的制備，并從電熱涂料的導(dǎo)電性能和工作穩(wěn)定性兩方面，重點(diǎn)分析了石墨烯電熱涂料的組分對(duì)其性能的影響，并討論了石墨烯電熱涂料在多個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景。盡管石墨烯電熱涂料在電熱領(lǐng)域具有突出的優(yōu)勢(shì)，取得了一定的研究進(jìn)展，但大部分成果集中于石墨烯電熱涂料在低溫領(lǐng)域的應(yīng)用研究。在高溫領(lǐng)域，目前鮮有研究，特別是如何提高其在高溫下電熱工作穩(wěn)定性，已成為當(dāng)前該領(lǐng)域迫切需要解決的關(guān)鍵問題。此外，如何解決石墨烯電熱涂層的電導(dǎo)率、電熱效率與涂層的附著力之間平衡的問題，也是該領(lǐng)域面臨的巨大挑戰(zhàn)。盡管石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，但其在涂料中的分散性較差，往往導(dǎo)致涂層的附著力下降，從而影響涂層的使用壽命和穩(wěn)定性。另外，在提高石墨烯涂層電熱效率的同時(shí)，其機(jī)械強(qiáng)度和附著力往往受到影響，這可能導(dǎo)致涂層在實(shí)際應(yīng)用過程中容易剝落或損壞。因此，如何通過優(yōu)化石墨烯的添加量和分散技術(shù)，既提高涂層的電導(dǎo)率、電熱效率，又保證其附著力，仍是未來研究的一個(gè)重要方向。

綜上所述，盡管石墨烯電熱涂料在低溫電熱應(yīng)用領(lǐng)域取得了重要的研究進(jìn)展，但其高溫穩(wěn)定性，及導(dǎo)電性、電熱效率與附著力之間的平衡等問題仍需進(jìn)一步深入研究。未來可從石墨烯材料的改性、基料的優(yōu)化與涂層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步提升其電熱性能，拓展石墨烯電熱涂料的應(yīng)用范圍，在工農(nóng)業(yè)、國防等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新的突破。