一种水性碳纳米电热涂层液及其制备方法和应用技术领域
本发明涉及涂料领域，具体地，涉及一种水性碳纳米电热涂层液及其制备方法和
应用。
背景技术
碳纳米管、石墨烯、富勒烯，是具有特殊结构的一维、二维、三维量子无机碳纳米材
料，具有许多优异的力学、电学和化学性能。美国马里兰大学研究人员发现了一种全新的只
在纳米领域才有的“遥感焦耳热效应”：当碳纳米管、石墨烯、富勒烯通电时，其附近物体会
发热，而碳纳米材料本身却仍然是冷的。以水性碳纳米分散液为原料来制备水性碳纳米导
电发热涂层，是开发低碳、环保型发热体的重要研究方向。水性碳纳米电热涂层还可以作为
单独涂层赋予织物、纸张等绝缘体导电发热的特性，发热温度可以根据通电电压调节，且由
于其良好的柔韧性、可折叠性、便携性等特点，具有广泛的应用前景，使用碳纳米材料制备
的电热毯和电热垫还可以解决在医疗手术时不能使用金属电热毯的弊端；使用碳纳米材料
制备的导电纸可以应用于建筑装饰等金属基电热材料不能应用的场所。
发明内容
本发明的目的是提供一种水性碳纳米电热涂层液及其制备方法和应用，一方面是
为了制备绿色环保型水性碳纳米电热布及电热纸，另一方面是为了实现一种对纺织织物、
纸张具有良好附着力、发热速度快、发热温度稳定性高、安全舒适的水性碳纳米电热涂层
液，该水性碳纳米电热纳米涂层液可采用刷涂、浸涂、喷涂、滚涂等方式涂在各种材质的线、
布上及纸张上施工，制备导电性能优异的导电线、导电布及导电纸。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种水性碳纳米电热涂层液，包括水性树脂、超导纳米微粒、超导型碳纳米分散液、功
能助剂和附着力促进剂，其中：
所述水性树脂为水性环氧树脂、水性丙烯酸树脂和水性聚氨酯树脂中的任意一种或几
种的组合；
所述超导纳米微粒为超导炭黑和/或导电填料；
所述超导型碳纳米分散液为碳纳米管分散液、富勒烯分散液和石墨烯分散液中的任意
一种或几种的组合，与功能助剂及水，均匀分散制备而成；
所述功能助剂为水性消泡剂、水性分散剂、水性流平剂和水性润湿剂中的任意一种或
几种的组合；
具体地，附着力促进剂是指能够提高涂料与织物粘结强度的化合物，一般此类化合物
的分子链末端含有两种不同的官能团，一种官能团可以与织物形成键合，另一种官能团可
以与基体树脂形成键合，此发明中所述的附着力促进剂为硅烷偶联剂、锆铝酸盐偶联剂、烷
基或芳香基膦酸酯类。在制备过程中添加偶联剂可以提高涂料与织物的粘结性能，进而提
高织物导电性能。
所述附着力促进剂为水性硅烷偶联剂和/或不含聚硅氧烷非离子化合物。
优选地，所述水性树脂、超导纳米微粒、超导型碳纳米分散液、功能助剂和附着力
促进剂的质量配比为：35%-80%、2%-8%、15%-40%、1%-3%和1%-5%。
优选地，所述超导纳米微粒为超导炭黑和导电填料。
优选地，所述超导型碳纳米分散液为碳纳米管分散液、富勒烯分散液和石墨烯分
散液中的任意一种或几种的组合，与一定量功能助剂及水，均匀分散制备而成。
所述功能助剂为水性消泡剂、水性分散剂、水性流平剂和水性润湿剂的任意一种
或几种的组合。
优选地，所述导电填料选自包括铝、锌、铜和银的金属填料以及包括纳米级和/或
微米级的镀铅、镀镍和镀银的玻璃纤维和云母片的含金属填料。
优选地，所述碳纳米管为改性单壁或多壁碳纳米管，所述富勒烯为水合富勒烯，所
述石墨烯为改性石墨烯；其厚度均为5-50nm，其粒径均为1-100μm。
优选地，所述超导型碳纳米分散液是由碳纳米管分散液、富勒烯分散液及石墨烯
分散液中的一种或几种混合后，与一定量功能助剂及水，均匀分散制备而成，其中，碳纳米
管分散液的浓度质量分数为2%-8%，石墨烯分散液的浓度质量分数为3%-30%，富勒烯分散液
的浓度质量分数为2%-20%。
本发明的技术方案还包括：
一种上述所述的水性碳纳米电热涂层液的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：功能助剂混合液的制备：将部分功能助剂（水性消泡剂、水性分散剂）、水性附着
力促进剂与水混合均匀，得到所述功能助剂混合液；
步骤2：超导纳米微粒分散液的制备：将超导纳米微粒、部分功能助剂（水性消泡剂、水
性分散剂、水性润湿剂）与水混合，得到所述超导纳米微粒分散液；
步骤3：超导型碳纳米分散液的制备：将碳纳米管分散液、富勒烯分散液和石墨烯分散
液中的一种或几种、功能助剂（水性消泡剂、水性分散剂、水性润湿剂）与水混合，均匀分散
你，得到所述超导型碳纳米分散液；
步骤4：与水性树脂的混合：将所述水性树脂与所述功能助剂混合液、所述超导纳米微
粒分散液以及所述超导型碳纳米分散液混合均匀，得到所述水性碳纳米电热涂层液。
优选地，所述步骤1的工艺要求为：在400-1200rpm的转速下进行，搅拌时间为10-
40min；所述步骤2的工艺要求为：在500-1800rpm的转速下进行，搅拌时间为30min-1.5小
时；所述步骤3的工艺要求为：在400-1200rpm的转速下进行，搅拌时间为20min-1h；所述步
骤4的工艺要求为：在800-2500rpm的转速下进行，搅拌时间为50min-2h。
优选地，所述超导型碳纳米分散液是由碳纳米管分散液、富勒烯分散液及石墨烯
分散液中的一种或几种混合后，添加一定量功能助剂及水，均匀分散制备而成，因此超导型
碳纳米分散液的制备方法为首先分别制备碳纳米管分散液、富勒烯分散液和石墨烯分散
液，其中：
所述碳纳米管分散液的制备方法为：将部分水性分散剂、部分水性湿润剂、部分水性消
泡剂、部分水性流平剂以及水混合均匀后得到的混合液1，将改性碳纳米管缓慢加入到混合
液1中，在搅拌速度为1000rpm、搅拌时间为50min条件下，得到分散后的碳纳米管分散液，其
中，所述混合液1是在搅拌速度为600rpm、搅拌时间为36min条件下得到的，将分散后的碳纳
米管分散液，放入行星研磨机中研磨1.5-2小时，过滤后，静置1-3小时，得到特定质量分数
的所述碳纳米管分散液；
所述富勒烯分散液的制备方法为：将部分水性分散机、部分水性湿润剂、部分水性消泡
剂以及水混合均匀后得到的混合液2，将富勒烯缓慢加入到混合液2中，然后在搅拌速度为
500rpm、搅拌时间为30min的第一条件以及搅拌速度为1000rpm、搅拌时间为20min的第二条
件下，得到分散后的富勒烯分散液；将分散后的富勒烯分散液，放入行星研磨机中研磨1.5-
3小时，过滤后，静置1-3小时，得到特定质量分数的所述富勒烯分散液；
所述石墨烯分散液的制备方法为：将部分水性分散机、部分水性湿润剂、部分水性消泡
剂以及水混合均匀后得到的混合液3，将改性石墨烯缓慢加入到混合液3中，然后在搅拌速
度为800rpm、搅拌时间为40min的第一条件以及搅拌速度为1000rpm、搅拌时间为50min的第
二条件下，得到分散后的石墨烯分散液；将分散后的石墨烯分散液，放入行星研磨机中研磨
1.5-3小时，过滤后，静置1-3小时，得到特定质量分数的所述石墨烯分散液。
本发明的技术方案还包括：
一种上述所述的水性碳纳米电热涂层液的应用，将所述水性碳纳米电热涂层液涂布于
织物和/或纸张上，用于制备导电和发热性能优异的电热布和/或电热纸。
优选地，将所述织物和/或纸张经过脱浆/漂白工艺后，浸泡在所述水性碳纳米电
热涂层液中，然后取出、烘干和整理，得到具有不同电阻的所述电热布和/或电热纸。
本发明的技术方案还包括：
一种电热布和/或电热纸，包括导电芯、第一绝缘膜和第二绝缘膜，所述导电芯的两侧
分别铺设有所述第一绝缘膜和所述第二绝缘膜；所述导电芯是由布和/或纸以及如上述所
述的水性碳纳米电热涂层液制备得到的，所述导电芯上铺设有导电铜箔或纺织有导电铜
线。
电源线的一端与所述导电铜箔或导电铜线连接。
所述第一绝缘膜和所述第二绝缘膜均为高分子绝缘膜。所述导电铜箔或导电铜线
铺设于所述导电芯的两端。
本发明所述的水性碳纳米电热涂层液具有附着力好、电阻率低、发热速度快、绿色
环保等特性，除此之外最大的优势为该水性碳纳米电热涂层液制备的导电布、导电纸，可在
8V-220V的直流或交流电压下，即可达到30℃-90℃的发热温度，且升温速度快，发热温度可
控。
附图说明
图1为本发明所述的电热布和/或电热纸的一个实施例的结构示意图。
其中，1为第一绝缘膜，2为导电芯，21为导电铜箔或导电铜线，22为电源线，3为第
二绝缘膜。
具体实施方式
本发明提供了一种水性碳纳米电热涂层液，包括水性树脂、超导纳米微粒、超导型
碳纳米分散液、功能助剂和附着力促进剂，其中：
所述水性树脂为水性环氧树脂、水性丙烯酸树脂和水性聚氨酯树脂中的任意一种或几
种的组合；
所述超导纳米微粒为超导炭黑和/或导电填料；
所述超导型碳纳米分散液为为碳纳米管分散液、富勒烯分散液和石墨烯分散液中的任
意一种或几种的组合，与一定量功能助剂及水，均匀分散制备而成；
所述功能助剂为水性消泡剂、水性分散剂、水性流平剂和水性润湿剂中的任意一种或
几种的组合；
所述附着力促进剂为水性硅烷偶联剂和/或不含聚硅氧烷非离子化合物。
根据上述技术方案，选择以下任意一项或几项技术特征应用于实施例中，其中，所
述技术特征包括：所述水性树脂、超导纳米微粒、超导型碳纳米分散液、功能助剂和附着力
促进剂的质量配比为：35%-80%、2%-8%、15%-40%、1%-3%和1%-5%。所述超导纳米微粒为超导
炭黑和导电填料。所述超导型碳纳米分散液为为碳纳米管分散液、富勒烯分散液和石墨烯
分散液中的任意一种或几种的组合，与一定量功能助剂及水，均匀分散制备而成。所述功能
助剂为水性消泡剂、水性分散剂、水性流平剂和水性润湿剂的任意一种或几种的组合。所述
导电填料选自包括铝、锌、铜和银的金属填料以及包括纳米级和/或微米级的镀铅、镀镍和
镀银的玻璃纤维和云母片的含金属填料。所述碳纳米管为改性单壁或多壁碳纳米管，所述
富勒烯为水合富勒烯，所述石墨烯为改性石墨烯；其厚度均为5-50nm，其粒径均为1-100μm。
所述超导型碳纳米分散液为为碳纳米管分散液、富勒烯分散液和石墨烯分散液中的任意一
种或几种的组合，与一定量功能助剂及水，均匀分散制备而成，其中，碳纳米管水分散液的
浓度质量分数为2%-8%，石墨烯水分散液的浓度质量分数为3%-30%，富勒烯水分散液的浓度
质量分数为2%-20%。
本发明还提供了一种上述所述的水性碳纳米电热涂层液的制备方法，包括如下步
骤：
一种上述所述的水性碳纳米电热涂层液的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：功能助剂混合液的制备：将部分功能助剂（水性消泡剂、水性分散剂）、水性附着
力促进剂与水混合均匀，得到所述功能助剂混合液；
步骤2：超导纳米微粒分散液的制备：将超导纳米微粒、部分功能助剂（水性消泡剂、水
性分散剂、水性润湿剂）与水混合，得到所述超导纳米微粒分散液；
步骤3：超导型碳纳米分散液的制备：将碳纳米管分散液、富勒烯分散液和石墨烯分散
液中的一种或几种、部分功能助剂（水性消泡剂、水性分散剂、水性润湿剂）与水混合，得到
所述超导型碳纳米分散液；
步骤4：与水性树脂的混合：将所述水性树脂与所述功能助剂混合液、所述超导纳米微
粒分散液以及所述超导型碳纳米分散液混合均匀，得到所述水性碳纳米电热涂层液。
优选地，所述步骤1的工艺要求为：在400-1200rpm的转速下进行，搅拌时间为10-
40min；所述步骤2的工艺要求为：在500-1800rpm的转速下进行，搅拌时间为30min-1.5小
时；所述步骤3的工艺要求为：在400-1200rpm的转速下进行，搅拌时间为20min-1h；所述步
骤4的工艺要求为：在800-2500rpm的转速下进行，搅拌时间为50min-2h。
优选地，所述超导型碳纳米分散液的制备方法为首先分别制备碳纳米管分散液、
富勒烯分散液和石墨烯分散液，其中：
所述碳纳米管分散液的制备方法为：将部分水性分散剂、部分水性湿润剂、部分水性消
泡剂、部分流平剂以及水混合均匀后得到的混合液1，将改性碳纳米管缓慢加入到混合液1
中，在搅拌速度为1000rpm、搅拌时间为50min条件下，得到所述碳纳米管分散液，其中，所述
混合液1是在搅拌速度为600rpm、搅拌时间为36min条件下得到的，将分散后的碳纳米管分
散液，放入行星研磨机中研磨1.5-2小时，过滤后，静置1-3小时，得到特定质量分数的所述
碳纳米管分散液；
所述富勒烯分散液的制备方法为：将部分水性分散机、部分水性湿润剂、部分水性消泡
剂以及水混合均匀后得到的混合液2，将富勒烯缓慢加入到混合液2中，然后在搅拌速度为
500rpm、搅拌时间为30min的第一条件以及搅拌速度为1000rpm、搅拌时间为20min的第二条
件下，得到所述富勒烯分散液；将分散后的富勒烯分散液，放入行星研磨机中研磨1.5-3小
时，过滤后，静置1-3小时，得到特定质量分数的所述富勒烯分散液；
所述石墨烯分散液的制备方法为：将部分水性分散机、部分水性湿润剂、部分水性消泡
剂以及水混合均匀后得到的混合液3，将改性石墨烯缓慢加入到混合液3中，然后在搅拌速
度为800rpm、搅拌时间为40min的第一条件以及搅拌速度为1000rpm、搅拌时间为50min的第
二条件下，得到所述石墨烯分散液；将分散后的石墨烯分散液，放入行星研磨机中研磨1.5-
3小时，过滤后，静置1-3小时，得到特定质量分数的所述石墨烯分散液。
在一个实施例中，所述制备方法包括以下步骤：
（1）将部分分散剂、润湿剂、消泡剂、流平剂与水中混合，得到所述功能助剂混合液；
（2）将超导炭黑、金属导电填料、水、分散剂、润湿剂混合，得到含有超导炭黑及金属导
电填料的所述超导纳米微粒分散液；
（3）将改性碳纳米管分散液、富勒烯分散液及改性石墨烯分散液中的一种或几种、水、
分散剂、润湿剂、消泡剂等混合均匀，得到所述超导型碳纳米分散液；
（4）将水性树脂与上述3种混合液体均匀混合，得到所述水性碳纳米电热涂层液。
在一个实施例中，所述碳纳米管分散液的制备方法为：称取水性碳纳米管溶液（浓
度为7%）：100-150g，分散剂760w：1.0-2.0g，润湿剂FX365：0.5-1.0g，消泡剂901w：0.5-1g，
流平剂410:0.5-1g，去离子水：80-100g，将上述去离子水、分散剂、润湿剂、消泡剂和流平剂
分别加入到反应釜中，600rpm的转速下搅拌36min得混合液1，将碳纳米管缓慢加入到分散
均匀的混合液1，搅拌速度1000rpm，搅拌时间50min，将分散后的碳纳米管分散液，放入行星
研磨机中研磨1.5-2小时，过滤后，静置1-3小时，得到特定质量分数的所述碳纳米管分散
液。
所述富勒烯分散液的制备方法为：称取一定量水、分散剂760w、润湿剂FX365、消泡
剂901w，500rpm的转速下搅拌30min得混合液2，将一定量的水合富勒烯缓慢加入到混合液2
中，然后搅拌速度1000rpm，搅拌时间20min，将分散后的富勒烯分散液，放入行星研磨机中
研磨1.5-3小时，过滤后，静置1-3小时，得到特定质量分数的所述富勒烯分散液。
所述石墨烯分散液的制备方法为：称取一定量水、分散剂760w、润湿剂FX365、消泡
剂901w，800rpm的转速下搅拌40min得混合液3，将改性石墨烯缓慢加入到混合液3中，然后
在搅拌速度为1000rpm、搅拌时间为50min的第二条件下，得到所述石墨烯分散液；将分散后
的石墨烯分散液，放入行星研磨机中研磨1.5-2小时，过滤后，静置1-3小时，得到特定质量
分数的所述石墨烯分散液。
本发明还提供了一种上述所述的水性碳纳米电热涂层液的应用，将所述水性碳纳
米电热涂层液涂布于织物和/或纸张上，用于制备导电和发热性能优异的电热布和/或电热
纸。
本发明还提供了一种电热布和/或电热纸，包括导电芯、第一绝缘膜和第二绝缘
膜，所述导电芯的两侧分别铺设有所述第一绝缘膜和所述第二绝缘膜；所述导电芯是由布
和/或纸以及如上述所述的水性碳纳米电热涂层液制备得到的，所述导电芯上铺设有导电
铜箔或导电铜线。
电源线的一端与所述导电铜箔或导电铜线连接。
所述第一绝缘膜和所述第二绝缘膜均为高分子绝缘膜。所述导电铜箔或导电铜线
铺设于所述导电芯的两端。
优选地，将所述织物和/或纸张经过脱浆/漂白工艺后，浸泡在所述水性碳纳米电
热涂层液中，然后取出、烘干和整理，得到具有不同电阻的所述电热布和/或电热纸。
实施例的准备
在一个实施例中，所述碳纳米管分散液的制备方法为：称取水性碳纳米管溶液（浓度为
7%）：100-150g，分散剂760w：1.0-2.0g，润湿剂FX365：0.5-1.0g，消泡剂901w：0.5-1g，流平
剂410:0.5-1g，去离子水：80-100g，将上述去离子水、分散剂、润湿剂、消泡剂和流平剂分别
加入到反应釜中，600rpm的转速下搅拌36min得混合液1，将碳纳米管缓慢加入到分散均匀
的混合液1，搅拌速度1000rpm，搅拌时间50min，将分散后的碳纳米管分散液，放入行星研磨
机中研磨1.5-2小时，过滤后，静置1-3小时，得到特定质量分数的所述碳纳米管分散液。
所述富勒烯分散液的制备方法为：称取一定量水、分散剂760w、润湿剂FX365、消泡
剂901w，500rpm的转速下搅拌30min得混合液2，将一定量的水合富勒烯缓慢加入到混合液2
中，然后搅拌速度1000rpm，搅拌时间20min，将分散后的富勒烯分散液，放入行星研磨机中
研磨1.5-3小时，过滤后，静置1-3小时，得到特定质量分数的所述富勒烯分散液。
所述石墨烯分散液的制备方法为：称取一定量水、分散剂760w、润湿剂FX365、消泡
剂901w，800rpm的转速下搅拌40min得混合液3，将改性石墨烯缓慢加入到混合液3中，然后
在搅拌速度为1000rpm、搅拌时间为50min的第二条件下，得到所述石墨烯分散液；将分散后
的石墨烯分散液，放入行星研磨机中研磨1.5-3小时，过滤后，静置1-3小时，得到特定质量
分数的所述石墨烯分散液。
所述超导纳米微粒分散液的制备：称取超导炭黑：5-8g，导电填料5-10g，分散剂
760w：1.0-2.0g，润湿剂FX365：0.5-1.0g，消泡剂901w：0.5-1g，流平剂410:0.5-1g，去离子
水：160-240g于反应釜中，搅拌速度1200rpm，搅拌时间70min小时得混合液4，将制备的混合
液4于三辊磨或锥形磨中研磨，得到细度小于400µm的所述超导纳米微粒分散液。
实施例1
称取上述所述的碳纳米管分散液、富勒烯分散液、石墨烯分散液及超导纳米微粒分散
液，将上述四者按照【1:2:1:2】的质量比添加到反应釜中，并加入适量的功能助剂混合液和
水性附着力促进剂，以涂层材料的总重量计，使其质量分数为60%；称取另外40%质量分数的
水性聚氨酯树脂缓慢加入到其中，以1000rpm的转速搅拌1小时后出料，得本发明所述的水
性碳纳米电热涂层液A1。
实施例2
称取所述碳纳米管分散液、富勒烯分散液、石墨烯分散液及超导纳米微粒分散液，将上
述四者按照一定的比例【2:1:1:3】添加到反应釜中，并加入适量的含有一种或几种功能助
剂的混合液和水性附着力促进剂，以涂层材料的总重量计，使其质量分数为70%；称取另外
30%质量分数的水性聚氨酯树脂缓慢加入到其中，以1200rpm的转速搅拌1小时后出料，得本
发明所述的水性碳纳米电热涂层液A2。
实施例3
称取所述碳纳米管分散液、石墨烯分散液及超导纳米微粒分散液，将上述三者按照一
定的比例【2:2:1】添加到反应釜中，并加入适量的含有一种或几种功能助剂的混合液和水
性附着力促进剂，以涂层材料的总重量计，使其质量分数为50%；称取另外50%质量分数的水
性聚氨酯树脂缓慢加入到其中，以1300rpm的转速搅拌1.2小时后出料，得本发明所述的水
性碳纳米电热涂层液A3。
应用实施例1
裁剪一定规格的棉布，将其浸泡于脱浆/漂白液中1.5小时，冲洗干净后将其浸泡于实
施例1、2或3中的水性碳纳米纳米电热涂层材料中20min，取出于80℃温度下烘干，附加电极
后待用。
其中，所述脱浆/漂白液包括NaOH：25-45g/L和H2O2：1-2.5 g/L。
应用实施例2
裁剪一定规格的绝缘纸【保证一定厚度，将一面进行粗糙化处理】，将实施例1、2或3中
的水性碳纳米纳米电热涂层材料涂刷在粗糙化处理的一面，涂刷的厚度根据需求而定，40-
50°干燥，附加电极后待用。
应用实施例3
将棉线、涤纶或芳纶线浸泡于实施例1、2或3中的水性纳米电热涂层材料中30min，取出
于50℃-100℃温度下烘干后经后整理得到不同电阻的导电线。
应用实施例4
将应用实施例3中的经过水性碳纳米导电材料染制的导电线为纬线，普通棉线为经线，
两侧金属丝为导电电极，采用不同编织的方式制备出一定尺寸可在8V-220V发热的导电布。
应用实施例4
将铜箔导电胶带，根据样品的样式及结构粘贴到应用实施例2制备的导电纸上，加固后
覆膜，即可以根据导电纸上涂刷导电涂料的厚度及导电胶带排布方式，制备一定尺寸可在
8V-220V发热的导电纸。
性能测试
采用实施例1、2、3中的水性纳米电热涂层材料，在相同的制备条件下，分别制备出电热
布，所测试的电热布的性能见表1:
由以上数据可以看出，采用本发明的水性纳米涂层材料制备的电热布，可以在36V以下
电压下使用，导电布可以迅速升温，在产生热量的同时还可以向外以远红外波的形式传递
能量，其辐射的7-12μm的远红外波，不但可以避免传统电热丝发热产生电磁辐射的风险，而
且还可以解决金属丝发热造成空气干燥的问题，能够营造一种更舒适的环境。
所测试的电热布的性能见表2:
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于
以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代
也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，
都应涵盖在本发明的范围内。