[发明专利]一种改性石墨烯/碳纳米管/纳米纤维素导电加热涂料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种改性石墨烯/碳纳米管/纳米纤维素导电加热涂料及其制备方法和应用，属于功能涂料技术领域。本发明的导电加热涂料由质量比为1：0.05‑0.2：0.025‑0.1：1‑10的1‑萘甲酸改性多层石墨烯、碳纳米管、绝干纳米纤维素和水组成。本发明对石墨烯进行了1‑萘甲酸改性，该方法为非共价键改性法，具有效率高、成本低的有点，改性后的石墨烯表面有较多羧基，与碳纳米管、漂白后的木浆可形成分散性优异的导电涂料，有益于产品导电性能的提升与控制。利用本发明的导电加热涂料可制备60‑90℃范围内任意目标温度的恒温导电加热层，并兼具高效升温的性能，为加热食品提供良好的条件。

技术领域

本发明属于功能涂料技术领域，具体涉及一种改性石墨烯/碳纳米管/纳米纤维素导电加热涂料及其制备方法和应用。

背景技术

随着生活节奏的加快，饮食不规律、不健康是现代人常见的问题。虽然外卖业的发展一定程度上解决了餐饮问题，但是由于缺少监管，卫生安全问题同样影响着人们的健康。例如，目前流行的即食或速食外卖食品，大都采用自加热食品盒或食品罐包装，由于自加热食品包装盒或罐主要通过附带的加热包发生化学反应以实现对食品的快速加热，这类自加热食品包装材料体积和重量较大，且在运输与使用过程中均存在不安全因素，可能引发意外危险。为解决上述问题，亟需开发一种新型食品加热方式，实现对食品快速保温加热的同时，确保食品安全，消除安全隐患。

导电加热食品包装纸是一种新型加热包装材料，具体是在食品包装原纸上进一步制作导电加热涂布层，并通过对加热层通电，将电能转换为热能，使加热层升温达到适合加热食物的温度。导电加热食品包装纸制备主要需要解决以下两个方面的核心问题：1)导电涂料的开发与制备，并使最终制备的导电加热层与原纸结合紧密、附着性能好，且电阻易于调控；2)采用涂布方式制备导电加热层，结合导电涂料的性能，确认合适的涂布工艺。而对于加热食品，最理想的状态是加热温度维持于70-80℃，可使食物处于良好的加热状态。此外，该包装纸的升温速率快慢直接影响到加热的效率。由此可见，加热食品包装纸在通电后的升温速率快慢和最终温度是否维持在70-80℃是衡量加热性能的两个主要技术指标，而目前的相关研究中，均未见有文献报道相关的解决方案。

基于上述理由，特提出本申请。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种改性石墨烯/碳纳米管/纳米纤维素导电加热涂料及其制备方法和应用。本发明采用1-萘甲酸改性石墨烯、碳纳米管与纳米纤维素为主要组分开发高性能导电涂料，所开发的涂料具有可调控的电阻，使之适用于涂布，以高效制备导电加热层。此外，石墨烯、纳米纤维素和纸基材料三者之间通过氢键和π-π键的作用有很好的附着性能，由此制备的导电加热食品包装纸可在通电条件下用于食品加热。

为了实现本发明的上述第一个目的，本发明采用的技术方案如下：

一种改性石墨烯/碳纳米管/纳米纤维素导电加热涂料，由1-萘甲酸改性多层石墨烯、碳纳米管、绝干纳米纤维素(CNF)和水组成，其中：所述1-萘甲酸改性多层石墨烯、碳纳米管、绝干纳米纤维素和水的质量比为1：0.05-0.2：0.025-0.1：1-10。

进一步地，上述技术方案，所述导电加热涂料的固含量优选为40-60％。

进一步地，上述技术方案，所述1-萘甲酸改性多层石墨烯采用如下方法制得：按配比将1-萘甲酸溶于无水乙醇中，获得1-萘甲酸乙醇溶液，然后将多层石墨烯加入到所述1-萘甲酸乙醇溶液中，常温搅拌均匀，过滤得到非共价键改性的多层石墨烯，即1-萘甲酸改性多层石墨烯。

具体地，上述技术方案，所述常温是指四季中自然室温条件，不进行额外的冷却或加热处理，一般常温控制在10-30℃，最好是15-25℃。

优选地，上述技术方案，所述1-萘甲酸乙醇溶液中，1-萘甲酸的浓度为5-20g/L。