摘要：

 

石墨烯电热涂料以其高电热转换效率及节能环保等特性，引发了广泛关注。文中综述了石墨烯电热涂料的制备技术，分析了导电性能和稳定性的关键影响因素，提出了优化石墨烯含量、复合填料设计、基料选择和提高分散性是提升石墨烯电热涂料性能的核心策略。结合其在家居采暖、工业温控等领域的应用前景，指出高温稳定性与综合性能优化仍是当前研究重点。

 

关键词：

 

石墨烯；电热涂料；导电性能；工作稳定性

 

电热是将电能转化为热能并加以利用的过程，它的发现和发展对人类的生活具有重要的意义。相比以煤、石油、天然气、煤气为能源的传统加热方式，电热因其热转换率较高、易控制等优点，广泛应用于人们生活和工业领域，在国民经济中显示出重要的地位。电热转换方式主要有感应式、电阻式、微波等，其中应用最广泛的是电阻式加热，主要包括电热丝、电热棒和电热盘等。尽管这类加热元件具有发热温度高和耐热性好等优点，但也存在寿命短、安全性差、热损耗大及不节能环保等缺点，限制了其进一步发展。近几十年来，电热涂料是基于导电涂料所开发的一类新型功能材料，可直接涂覆在绝缘基体上形成电热涂层，并作为电热元件使用。电热涂层的面状加热方式，有利于更加高效的传热与散热，表现出良好的电热转化性能，可广泛应用于家居生活、工农业、航天等领域。

 

按照导电原理，电热涂料分为本征型和添加型2类。本征型电热涂料制备困难，成本较高，不适用于实际生产；添加型电热涂料主要是在基料中加入导电填料，使之具有电热性能。但以金属和金属氧化物为代表的导电填料，存在成本高、易腐蚀及安全性较差等缺点，极大阻碍了电热涂料的应用。以石墨烯为代表的碳基材料的发现，推进了电热涂料快速发展与应用。石墨烯是一类由单层碳原子排列而成的二维材料，不仅导电性和导热性极高，且具有优异的机械性能和化学稳定性，使之成为电热涂料中最理想的导电填料之一。随着研究的不断深入，人们发现石墨烯电热涂料具有红外辐射率高、节能环保、使用寿命长等特性，在电热涂料领域展现出独特优势。

 

本文概述了石墨烯电热涂料的制备方法，从导电性能和电热稳定性两方面，探讨了电热性能的影响因素，总结了石墨烯电热涂料的应用场景，并论述了该领域存在的问题和发展前景。

 

1、 石墨烯电热涂料的制备

 

石墨烯电热涂料主要由导电填料、基料、溶剂和助剂组成。其中，导电填料为石墨烯或其复合导电材料，是影响电热涂料导电性能最主要的因素；基料，即成膜物质，直接决定电热涂层的物理化学性能，包括有机树脂（环氧树脂、有机硅树脂、丙烯酸树脂等）与无机化合物（硅酸盐、磷酸盐等）；溶剂为水或有机溶剂，主要起到分散介质作用；助剂包括润湿剂、流平剂、消泡剂等，尽管添加量少，但可提升其综合性能。

 

石墨烯电热涂料的制备一般分为3个步骤：（1）导电浆料的制备；（2）电热涂料的制备；（3）电热涂层的制备。徐晶璐等将石墨烯、碳纤维、水及分散剂混合，得到导电浆料；先后加入环氧树脂乳液及固化剂，充分搅拌得到电热涂料；最后，利用机械刷涂并固化成电热涂层。张朋等采用超声的方式，将石墨烯、碳纳米管与分散剂充分分散均匀，制备得到导电浆料；然后，将水性羟基丙烯酸-氨基树脂分散液加入至导电浆料中，搅拌并烘干固化成电热涂层。Xiong等将石墨烯在丙酮中分散，得到石墨烯导电浆料，然后加入少量丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）改性环氧树脂、抗氧化剂及碳纤维，并烘干得到电热涂层。

 

2、 石墨烯电热涂料与电热性能

 

电热涂料的导电性是其电热性能的基础，直接影响其发热温度、发热功率及发热效率，决定了电热涂料的应用范围。此外，电热涂料的稳定性为电热性能的另一重要指标，主要指涂层在长时间通电发热过程中，发热温度是否能够保持稳定，以及涂层材料是否能够抵抗热老化，是电热涂料长期应用的关键性能。

 

2.1 导电性能

 

当石墨烯含量达到一定比例时，会在涂层中形成导电网络，导致电阻率急剧降低，从而提高导电性能。有研究发现，当石墨烯含量低于1.0%时，大多数导电粒子处于分离状态，不能形成有效导电通道，因此涂料的电阻率大，导电性差；当其含量为1.5%时，导电粒子的含量超过渗滤阀值，可相互形成有效的导电通道，导致电阻率急剧降低；继续提高石墨烯含量，形成更完善的导电通路，电阻率继续下降，但趋于平稳；但当含量达到4.0%时，导电性开始变差，归因于较差的分散性及其成膜性。

 

除了石墨烯，常用的导电填料包括碳黑、石墨与碳纳米管等碳基材料。其中，石墨与炭黑具有较低的电导率（10~102 S/m），远低于石墨烯的电导率（105 S/m），单一炭黑或石墨涂层的电阻率明显高于单一石墨烯涂层。但炭黑或石墨的价格低廉，从经济角度来说是不错的选择。相比之下，碳纳米管因其出色的电导率（104~106 S/m）受到广泛关注。但碳纳米管的缺陷和团聚会显著影响其导电性能，使其在涂层中的导电性能不如石墨烯。Risi等研究发现，碳纳米管在树脂中分散不良会导致导电路径中断，从而降低了整体电导率。随着研究的深入，人们发现当采用石墨烯-碳纳米管复合导电填料时，可有效结合石墨烯的二维导电性和碳纳米管一维导电性的优势，相较于单一石墨烯导电填料，复合涂层展现出更优的导电性能。Li等的研究表明，石墨烯和碳纳米管的良好结合可以形成连续的导电网络，极大地提高整体的导电性能。Tong等发现，采用石墨烯和碳纳米管复合导电填料，聚氨酯涂层的电导率明显优于单一导电填料体系。姜雄峰等在导电填料中添加碳纳米管和石墨烯，有效提高了涂料的导电性，通过调节填料比例，可实现1.9×10-4 Ω/m的体积电阻率。

 

除了导电填料，基料的种类和含量也会影响涂层的导电性能。黄坤等制备了基于环氧树脂、环氧改性有机硅树脂或乙烯基树脂的石墨烯电热涂料，研究发现以乙烯基树脂作为基料，其涂层电阻最小，而环氧树脂涂层的电阻最大。主要原因是在涂层固化过程中，不同树脂的体积收缩率不一样，导致导电网络相互贯穿的程度及其渗流阈值不同。另外，基料含量的增加会增强对石墨烯导电填料的包裹，减少导电粒子间的有效空间连接，导致涂料导电性能下降。

 

此外，由于具有纳米尺寸的石墨烯填料在电热涂料体系中很难均匀分布，从而影响了导电通道的形成。因此，提高石墨烯填料的分散程度是提升涂料导电性能有效方法之一。可采用氧化还原技术或超声处理手段，制备分散性优异、导电性能良好的石墨烯电热涂料。

 

2. 2 电热工作稳定性

 

石墨烯的含量不仅影响涂层的导电性，也会对涂层加热效率和加热温度产生影响。当增加石墨烯含量时，涂层的升温速率和加热温度会有一定提升，符合Broadbent 等所提出的渗流理论。Redondo等制备了石墨烯含量分别为8%、10%、12%的复合涂层，研究发现石墨烯含量为12%的涂层具有更高的加热温度和更快的加热速率（13.6 ℃/min）。但当石墨烯达到一定含量时，即渗流阈值，涂层的升温速率达到最大；进一步增加其含量，会降低石墨烯的分散性，影响涂层的成膜性和导电性能，涂层加热温度与加热速率会变得缓慢，甚至下降。

 

采用石墨烯复合导电填料，可有效提高涂料的电热工作稳定性。Doblas等发现，以石墨烯和碳纳米管作为导电填料的聚氨酯电热涂层，不仅具有较好的热稳定性，且其电热工作稳定性良好，在650 V施加电压下，电热行为保持不变。Tian等制备了石墨烯/氧化石墨烯双层电热膜与石墨烯单层电热膜，研究发现加入氧化石墨烯层，具有更高的稳态温度（162.6 ℃，原为70.1 ℃）和更快加热速率（8.4 ℃/s，原为2.61 ℃/s）。此外，不同种类的基料的热稳定性、导电性能和机械强度差异，会直接影响涂料的导电网络、耐高温性能及长期使用的稳定性。通常无机涂层相比有机涂层具备更好的热稳定性和机械强度，在高温和苛刻环境下应用较为合适；而有机树脂在加工性和黏附力方面通常更具优势。比如，以有机树脂作为基料，在36 V外加电压下，涂层的稳态温度只有76 ℃；而采用水玻璃作为基料，涂层稳态温度高达302 ℃。

 

值得注意的是，虽然传统碳系材料具有一定的导电性，但其导电网络较为松散，难以在涂层中形成高效的导电通道，从而限制了其电热性能。相比之下，石墨烯独特的二维结构，使其能够在涂层中形成高效的导电网络，显著提高了涂层的导电性和电热稳定性。石墨烯的优异导电性和高比表面积使其能够在较低的含量下实现较好的电热性能，从而降低了高填料含量对涂层成膜性和性能的负面影响。因此，在电热效率和稳定性方面，其他碳系材料所制备的电热涂料，要弱于石墨烯电热涂料。例如，Jia等开发了碳纳米管透明导电薄膜，加热速率、稳态温度分别为6.1 ℃/s和75.5 ℃，性能弱于石墨烯导电薄膜。余晓军制备了以热裂解炭、乙炔黑和碳纳米管为导电填料的电热涂料，加热速率、稳态温度可达到8.6 ℃/min和75 ℃，不如添加石墨烯的电热涂料。

 

3、 石墨烯电热涂料的应用前景

 

石墨烯电热涂料因其热转换率高、发热快、节能、环保、安全等诸多优点，可高效地应用于家用电热产品中。目前市场上已有石墨烯电热水壶、石墨烯电暖器、石墨烯电烤炉等系列家电产品，获得了很好的市场反响。在工业加热方面，石墨烯电热涂料也可替代传统的加热方式，用于烤漆房、烘干房、飞机除冰、反应釜、石油管道等，使设备易自动控制，使用更加高效。

 

在农业方面，基于石墨烯的远红外线对植物的生长和根系的发育具有良好的促进作用，石墨烯发热体在蔬菜温室大棚、苗圃、花房、无土栽培等有着广阔的应用前景；远红外线对畜禽、水产健康繁育也起到促进作用，已有将石墨烯电热涂料广泛应用于海虾养殖的案例。

 

在医疗保健方面，石墨烯电热涂料在发热状态会发射波长6~15 μm的远红外线，热辐射效率高，可被人体有效地吸收，成功转化为热能；并且与生物细胞、水分子产生共振效应，促进血液循环，加快新陈代谢，缓解酸痛，增强组织和细胞再生能力，具有保健的功效。

 

4、 结　语

 

本文介绍了石墨烯电热涂料的制备，并从电热涂料的导电性能和工作稳定性两方面，重点分析了石墨烯电热涂料的组分对其性能的影响，并讨论了石墨烯电热涂料在多个领域中的应用前景。尽管石墨烯电热涂料在电热领域具有突出的优势，取得了一定的研究进展，但大部分成果集中于石墨烯电热涂料在低温领域的应用研究。在高温领域，目前鲜有研究，特别是如何提高其在高温下电热工作稳定性，已成为当前该领域迫切需要解决的关键问题。此外，如何解决石墨烯电热涂层的电导率、电热效率与涂层的附着力之间平衡的问题，也是该领域面临的巨大挑战。尽管石墨烯具有优异的导电性能，但其在涂料中的分散性较差，往往导致涂层的附着力下降，从而影响涂层的使用寿命和稳定性。另外，在提高石墨烯涂层电热效率的同时，其机械强度和附着力往往受到影响，这可能导致涂层在实际应用过程中容易剥落或损坏。因此，如何通过优化石墨烯的添加量和分散技术，既提高涂层的电导率、电热效率，又保证其附着力，仍是未来研究的一个重要方向。

 

综上所述，尽管石墨烯电热涂料在低温电热应用领域取得了重要的研究进展，但其高温稳定性，及导电性、电热效率与附着力之间的平衡等问题仍需进一步深入研究。未来可从石墨烯材料的改性、基料的优化与涂层结构的设计等方面进行深入研究，进一步提升其电热性能，拓展石墨烯电热涂料的应用范围，在工农业、国防等领域实现新的突破。

 

 

来源：《涂料工业》

关键词： 石墨烯电热涂料