CC BY
7
УДК 661.666
Трешкина Ю.И., Крюков А.Ю., Десятов А.В.
СВЕТОПРОЗРАЧНЫЕ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
Трешкина Юлия Игоревна, магистрант 1-го года обучения кафедры промышленной экологии; derynsiii@gmail.com
Крюков Александр Юрьевич к.х.н., доцент кафедры физической химии РХТУ им. Д.И. Менделеева Десятов Андрей Викторович д.т.н., профессор кафедры промышленной экологии РХТУ им. Д.И. Менделеева Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева», Россия, Москва 125047, г. Москва, Миусская площадь, д.9
В настоящей работе были получены светопрозрачные электропроводящие покрытия для нагревательных элементов на основе функционализованных малослойных углеродных нанотрубок. Установлено, что при подаче напряжения от медных токоподводов к электропроводящему покрытию через электроды, напыленные из углеродных нанотрубок, максимальная температура нагревательного элемента достигает значения выше 200 °С. Продемонстрировано, что в случае нанесения на поверхность термостойкого стекла 4 электродов происходит уменьшение значения поверхностного сопротивления собранного нагревательного элемента и повышается максимальная рабочая температура.
Ключевые слова: углеродные нанотрубки, прозрачные проводящие покрытия, нагревательные элементы
TRANSPARENT HEATING ELEMENTS BASED ON CARBON NANOTUBES
Treshkina Yu.I.., Kruykov A. Yu., Desyatov A.V.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
In the present work, transparent conductive coatings for heating elements based on functionalized low-layer carbon nanotubes were obtained. It was found that when voltage is applied from copper current leads to the conductive coating through electrodes sprayed from carbon nanotubes, the maximum temperature of the heating element reaches a value above 200 оС. It is demonstrated that in the case of applying 4 electrodes to the surface of heat-resistant glass, the value of the surface resistance of the assembled heating element decreases and the maximum operating temperature increases. Keywords: carbon nanotubes, transparent conductive coatings, heating elements
Введение
Прозрачные нагревательные элементы в последние годы вызывают все больший интерес в различных областях науки и техники: от обогреваемых стекол в автотранспорте [1] до электрогрилей, работающих при температурах выше 200оС [2]. Углеродные нанотрубки широко рассматриваются в качестве альтернативы ИТО для электропроводящих покрытий [3], благодаря возможности использования жидкофазных методов нанесения, особенно на большие поверхности. Кроме этого, такие покрытия более экологичны, т.к. полностью состоят из углерода. Одной из возможных проблем при использовании УНТ в качестве электропроводящих покрытий является сложность подведения напряжения из-за их более низкой механической прочности по сравнению с ИТО. В настоящей работе для повышения равномерности распределения тока напряжение подавалось от медных токоподводов к электропроводящему покрытию через напыленные электроды из углеродных нанотрубок.
Экспериментальная часть
Светопрозрачные электропроводящие покрытия и углеродные электроды наносили методом напыления из устойчивых водно-спиртовых дисперсий функционализованных малослойных углеродных
нанотрубок производства ООО «Глобал СО» с концентрацией 1 г/л (для электродов) и 0,2 г/л (для электропроводящих покрытий). Дисперсии из углеродных нанотрубок готовили из пасты, содержащей 3,5-3,7% сухого материала (остальное -вода). К рассчитанному количеству пасты добавляли небольшое количество дистиллированной воды и подвергали УЗ обработке в течение 30 минут. Затем добавляли порциями изопропиловый спирт, повторяя УЗ обработку после каждого добавления спирта в течение 1 часа.
Перед нанесением углеродных электродов и электропроводящего покрытия термостойкое стекло размером 20х25 см для удаления механических и органических загрязнений последовательно промывали раствором соды, дистиллированной водой, ацетоном и сушили при температуре 120-130оС в течение 30 минут.
Электроды наносили на предварительно нагретое до 150-160 оС (для быстрого удаления растворителя) термостойкое стекло с помощью аэрографа. Границы электродов на поверхности стекла обозначали с помощью клейкой ленты. Для исключения разложения клеевой основы ленты электроды размечались и наносились поочередно, с промежуточным охлаждением стекла до комнатной температуры. Ширина каждого электрода составила
1,5 см. Равномерность нанесения электродов контролировалась путем измерения поверхностного сопротивления каждого напыляемого электрода (не более 5% от среднего значения по 3-4 точкам). Поверхностное сопротивление каждого электрода из УНТ составило —100 Ом/кв. Были изготовлены образцы с 2, 3 и 4 электродами.
Электропроводящее покрытие наносилось после нанесения всех электродов из дисперсии УНТ с концентрацией 0,2 г/л с помощью аэрографа одновременно на всю поверхность стекла. Равномерность нанесения покрытия
контролировалась путем измерения поверхностного сопротивления на разных участках стекла (разброс не более 5% от среднего значения по 10-12 точкам). Нагревательный элемент представляет собой систему из двух стекол, на одно из которых нанесены угольные электроды и электропроводящее покрытие. В качестве токоподводов использовали полоски из медной фольги (толщина 30 мкм) шириной 1,5 см, прижатые к углеродным электродам между двумя стеклами. Два стекла относительно друг друга фиксировались с помощью канцелярских зажимов, которые дополнительно обеспечивали прижимание медных токоподводов к электродам. Внешний вид изготовленных нагревательных элементов представлен на рис. 1.
Характеристики электропроводящих покрытий и собранных из них нагревательных элементов представлены в таблице 1.
Рис. 1. Внешний вид нагревательных элементов
Таблица 1. Характеристики электропроводящих покрытий и нагревательных элементов.
Пове эхностное сопротивление, Омсм
Образец Нагревательный элемент Нагревательный элемент Нагревательный элемент
с 2 электродами с 3 электродами с 4 электродами
Углеродный электрод 100-110 95-110 95-100
Электропроводящее 650-750 600-700 550-650
покрытие
Нагревательный элемент 610 315 207
Как видно из Таблицы 1 использование нескольких параллельно подключенных электродов позволило снизить общее сопротивление нагревательного элемента.
Напряжение на контакты нагревательного элемента («+» и «—» подключались с разных сторон нагревательного элемента через один электрод) подавали через ЛАТР, температуру регистрировали на поверхности с помощью термодатчика АКТАКОМ АТЕ-9380. Величину тока, протекающего через нагревательный элемент, определяли по падению напряжения на резисторе, подключенном последовательно в цепь. Нагревательные элементы испытывали при напряжении 110 (для нагревательных элементов с 3 и 4 электродами) и 220 В (для всех нагревательных элементов) в течение 90 минут.
Результаты и обсуждение.
Нагревательный элемент с 2 электродами испытывали только при напряжении 220 В (Рис. 2).
о
/ --* >-----* ►-1 1-1 t 1
/ f 1
О ICI 20 .10 40 >0 60 70 S0 90
Иремя, мин
Рис. 2. Результаты испытаний нагревательного элемента с 2 электродами при напряжении 220В
Как видно из рисунка 2 температура увеличилась до максимального значения 95 оС за 35 минут и далее не изменялась до конца проведения эксперимента (90 минут). Сопротивление нагревательного элемента после испытаний почти не изменилось по сравнению с исходным и составило 615 Ом, видимых
повреждений электропроводящего покрытия обнаружено не было.
Результаты испытаний нагревательного элемента с 3 электродами представлены на рис. 3.
Время, мин
Рис. 3. Результаты испытаний нагревательного элемента с 3 электродами при напряжении: • - 110В, ■ - 220В
При напряжении 110 В за 40 минут температура увеличилась от 25 0С до 54 0С и далее незначительно увеличилась к 90 минуте (до 60оС). Сила тока, протекающая через нагревательный элемент, составила 0,32-0,37 А. При напряжении 220 В сила тока составила 0,69 А в начальный момент и снизилась до 0,65 А к концу эксперимента. Максимально достигнутая температура составила 134оС. Как и в случае нагревательного элемента с 2 электродами видимой деградации
электропроводящего покрытия не наблюдалось, сопротивление после испытаний (после охлаждения) увеличилось на 3% и составило 323 Ом.
Результаты эксперимента для нагревательного элемента с четырьмя электродами при различных напряжениях представлены на рис. 4.
При 110 В нагревательный элемент нагрелся до 92оС при силе тока 0,61-0,62 А, а при увеличении подаваемого напряжения до 220 В за 22 минуты была достигнута температура 200оС, к 50 минуте температура стабилизировалась на уровне 230оС и
дальше не поднималась. Сила тока в начальный момент опыта при напряжении 220 В составила 1,21 А, к концу эксперимента уменьшилась до 1,1 А. После охлаждения до комнатной температуры сопротивление увеличилось на 5% до 212 Ом, видимых повреждений электропроводящего покрытия также не наблюдалось.
Время, мин
Рис. 4. Результаты испытаний нагревательного
элемента с 3 электродами при напряжении: • - 110В, ■ - 220В
Таким образом, в работе показано, что покрытия из углеродных нанотрубок могут рассматриваться в качестве рабочих покрытий в светопрозрачных нагревательных элементах, они выдерживают токи более 1А и могут работать при температурах более 200оС.
Список литературы
1. Loganathan S. K. Windshield Defrost and Deice Using Carbon Nanotube Composite. 2016.
2. Lee Y. et al. Versatile, High-Power, Flexible, Stretchable Carbon Nanotube Sheet Heating Elements Tolerant to Mechanical Damage and Severe Deformation // Advanced Functional Materials. 2018. V. 28. №. 8. P. 1706007.
3. Woo Y. S. Transparent conductive electrodes based on graphene-related materials // Micromachines. 2019. V. 10. №. 1. P. 13.
