CN1006951B - 一种新型电发热体及技术 - Google Patents

Abstract

一种新型电发热体，由底材、单层或多层绝缘底层、单层或多层电热膜和导电电极所组成。绝缘底层是由多种氧化物所组成的复合材料。电热膜主要由石墨、二硅化钼、碳化硅和多种氧化物所组成。导电电极与电热膜的连接可采用粘接或压接触工艺。绝缘底层和电热膜可采用刷涂、刮涂、喷涂、浸涂、滚涂、注射器注涂、压印、转印或丝网印刷工艺来制备。本发明可广泛用于电加热器皿、电加热器具和各种形式的电加热元件。

Description

本发明属于电热膜技术，並与涂料技术、胶粘技术、丝网印刷烧结技术有关。

迄今人们所使用的电热器具的电发热体一般有以下两种。（1）金属电热丝。其主要缺点是热效率低，耗能大，自身工作温度高，易氧化，寿命短，必须使用电炉盘、云母片、石棉板及其他耐高温绝缘材料，因而电加热系统成本较高。（2）半导体薄膜型电热膜。例如氧化锡薄膜、氧化铟薄膜、铟锡氧化物薄膜等。这类电热膜一般可采用真空镀或热解的方法来制备。真空镀设备工艺较为复杂，而热解法则需要在450℃以上的高温下喷涂，薄膜厚度难以控制，工艺重复性差。本发明所提出的新型电发热体及技术与传统的电热丝加热方式比较具有成本低，热效率高，使用寿命长等优点，而且解决了半导体薄膜型电热膜技术所存在的设备投资大，薄膜厚度难以控制，工艺重复性差等技术问题，为推广和应用薄膜型电发热体及技术，在材料和制备工艺等方面，提出了一整套既新颖又实用的技术方案。

本发明特征在于电发热体由底材、单层或多层绝缘底层、单层或多层电热膜和导电电极所组成。底材的形状可以是任意的，其材质可以是玻璃、搪瓷、陶瓷，经绝缘预处理过的金属或合金、石棉、云母、高铝、硅酸铝及其他耐温绝缘的有机或无机材料。

绝缘底层可直接刷涂、刮涂、喷涂、浸涂、滚涂、注射器注涂、压印、转印或丝网印刷在底材表面，经烘干和烧结而形成緻密的电绝缘层。其厚度可控制在0.05毫米～0.75毫米范围内。绝缘底层的烘干温度为100℃～200℃，烘干时间为10分钟～30 分钟。烧结温度为400℃～800℃，烧结时间为5分钟～30分钟。

电热膜可直接刷涂、刮涂、喷涂、浸涂、滚涂、注射器注涂、压印、转印或丝网印刷在绝缘底层或绝缘底材上面。可以制备一块电热膜，其几何图形可以是任意的，也可以制备几块独立的电热膜，通过转换开关来改变电热膜串並联方式，从而改变电热膜的电加热功率和功率密度。电热膜的功率密度应控制在0.10瓦/厘米²～20瓦/厘米²范围内。电热膜的厚度和几何形状都将直接影响电热膜的电加热功率。根据需要电热膜可以是单层或多层，其厚度可控制在0.02毫米～0.75毫米范围内。电热膜的烘干温度为100℃～200℃，烘干时间为10分钟～30分钟，烧结温度为350℃～650℃，烧结时间为5分钟～30分钟。

导电电极可以用箔材、线材或网材，其材质可以是铜、镍、银及其合金材料。导电电极可以用导电粘结剂直接粘结在电热膜上。也可以用金属材料、合金材料、石墨、二硅化钼、碳化硅及其他导电材料制成的片状、块状或条带状电极采用压接触方式与电热膜接触。用银粉、铜粉、镍粉、不锈钢粉、二硅化钼粉、导电碳化硅粉或石墨粉制成的导电胶、导电涂料或导电浆料，直接涂制在电热膜表面上或涂制在电热膜与绝缘底层之间，也可以作为导电电极。

根据需要，通过改变电热膜电阻和电极设计，可以制成适用于高压或低压、直流或交流各种供电电源的电热产品。

本发明所介绍的电极结构和制备工艺同样可适用于氧化锡电热膜、氧化铟电热膜、铟锡氧化物电热膜以及其他各种类型的电热膜。

绝缘底层由中间体加绝缘填料所组成，电热膜由中间体加导电填料所组成。绝缘底层和电热膜中的中间体是一种由多种氧化物所组成的复合材料。中间体的组成分为三类：（1）氧化硼-氧化铅-氧化锌类，其组分配比（重量%）为：氧化硼12%～20%，氧化铅40%～75%，氧化锌5%～21%;（2）氧化硼-氧化铅-氧化硅类，其组分配比为：氧化硼10%～25%，氧化铅50%～85%，氧 化硅3%～10%;（3）氧化硼-氧化铅-氧化锌-氧化硅类，其组分配比为：氧化硼10%～13%，氧化铅50%～75%，氧化锌15%～24%，氧化硅4%～6%。中间体的制备工艺是：配料、混料、焙烧、粗粉碎、球磨、过筛。中间体制备工艺的具体要求是：按给定的配比称量要准确，混料要均匀，原料颗粒较粗时，应先经机械粉碎並过80目筛，再充分混合均匀。焙烧中间体可以用陶瓷、高铝、钢玉或粘土坩锅。焙烧温度为800℃～1300℃，焙烧时间可控制在10分钟至120分钟范围内。中间体的焙烧可在普通工业马福炉中进行。焙烧好的中间体出料前呈清彻透亮的流体状。出料並冷却的中间体较脆，很易于机械粉碎。中间体的球磨可采用干磨和湿磨两种方法，经球磨后的中间体必须过250目或300目筛以去除较粗的颗粒。制备好的中间体是一种干燥的粉末状固体材料。

中间体内可添加少量氧化钴、氧化铝、氧化铜、氧化铁、氧化锡或氧化硒，其加入量为1%～5%。也可以加入适量碱金属氧化物、碱土金属氧化物或稀土元素氧化物，其加入量为1%～8%。中间体的原材料可以是相应的氧化物、氢氧化物、碳酸盐、硝酸盐、硅酸、硅酸盐、硼酸及硼酸盐。实用的一组中间体工艺配方如下：配方（1），氧化硼14.2%，氧化铅76.4%，氧化硅9.4%，焙烧温度为1100℃，焙烧时间为30分钟。配方（2），氧化硼20%，氧化铅70%，氧化锌5%，氧化钴2%，氧化铝3%，焙烧温度为900℃，焙烧时间为1小时。配方（3），氧化硼20%，氧化铅75%，氧化硅3%，氧化铜2%，焙烧温度为1150℃，焙烧时间为45分钟。配方（4）：氧化硼24%，氧化硅4%，氧化铅72%，焙烧温度为1000℃，焙烧时间为40分钟。配方（5），氧化硼24%，氧化铝4%，氧化铅72%，焙烧温度为1000℃，焙烧时间45分钟。配方（6），氧化铅77.8%，氧化硅5.5%，氧化硼16.7%，焙烧温度为1000℃，焙烧时间为30～45分钟。配方（7），氧化硼16%，氧化锌21%，氧 化铅63%，焙烧温度为1100℃，焙烧时间为1小时。

绝缘底层由中间体加绝缘填料所组成。可采用的绝缘填料有云母粉、氧化镁、氧化钛、氧化硅和氧化铝。可以只用其中一种或任选其中几种按任意比例混合均匀后使用。绝缘填料须经球磨，並过250目或300目细筛。中间体与绝缘填料的重量配比范围是1∶1至5∶1。称取配比量的绝缘填料和中间体后，应先将其混合均匀，加入稀释剂，调成粘度适当的涂料，再用来涂制绝缘底层。制备绝缘底层的目的是为了提高底材的绝缘耐压性能。绝缘底层可以是单层，也可以重复制备多层。凡是绝缘性能已达到电器产品设计要求的底材，都可以省去绝缘底层。

电热膜由中间体加导电填料所组成。可采用的导电填料有石墨粉，二硅化钼粉和碳化硅粉。可以只用其中一种，也可以混合使用。导电填料的颗粒直径范围为4μ～40μ。中间体与导电填料的重量配比范围为1∶1至5∶1。将中间体和导电填料称准混匀，加入稀释剂调整好粘度，即可用来涂制电热膜。根据对膜电阻的具体要求，电热膜可以制备单层，也可以重复制备多层。

在烘干和烧结过程中，电热膜和绝缘底层中的稀释剂已完全挥发干净。所以，在选择稀释剂时，主要是从施工工艺的要求出发来决定所选择的稀释剂。可采用的稀释剂有：甘油、丙二醇、二丁酯、松节油、樟脑油、松油醇、食用油、润滑油和水。可以任选其中一种，也可以混合使用。稀释剂加入量为20%～70%。

本发明应用领域广泛，根据不同需要可将底材加工成任意形状，如曲面、平面等等。可加工成电热器皿，如电热杯、电热开水瓶、电热饮水桶、电火锅、电饭煲、电热盆、电热饭盒、电热咖啡壶等等;也可以加工成电热器具，如电热淋浴器、电暖器、电热风机、电手炉、电脚炉、电热床、电热恒温箱、电熨斗、电热干衣机、电热医疗器具、电热玻璃仪器等等;也可以加工成各种 电热元件，如电热薄膜条带、电热片、电热管、电热板等等。应用本发明所形成的电加热产品，可以对电发热体施加任何形式的防触电安全保护措施，如盖板、底座、外壳、套筒或涂制防触电安全保护涂层。

本发明与现有技术相比，其突出优点是：电发热体制备工艺简单，原材料来源充足，成本低廉，电发热体和被加热体可复合成一体，被加热器皿本身就是电热膜的绝缘载体，因而可省去电炉盘，云母片、石棉板及其他耐高温绝缘辅助材料。电热膜所发出的热量以热传导方式直接为被加热体所吸收，传热快，加热均匀，热效率高，使用寿命长，节能效果显著（以电热开水器为例，其热效率可达85%，使用寿命为2000～5000小时）。

本发明在工业，农业，国防和科研等方面也有着广泛的应用前景。可用于医药、木材加工、食品、造纸、纺织、印染等行业的低温烘干;可用于化工液料的加热;可用于各种管道，储罐的保温防冻;可用于建筑行业的保温采暖;可用于交通运输车辆窗玻璃的防霜。随着本发明的广泛应用，必然会在越来越多的电加热领域内，取代传统的电热丝。

附图（1）（本发明原理示意图）

1-底材（玻璃或陶瓷），

2-银导电涂料电极，

3-电热膜。

附图（2）（本发明原理示意图）

4-电热膜，

5-铜网粘结式电极，

6-底材（玻璃或陶瓷）。

附图（3）（本发明原理示意图）

7-绝缘底层，

8-电热膜，

9-银导电涂料电极，

10-底材（搪瓷或经绝缘预处理的金属）。

附图（4）（本发明原理示意图）

11-底材（搪瓷或经绝缘预处理的金属），

12-电热膜，

13-铜网粘结式电极，

14-绝缘底层。

附图（5）（电热器皿示意图）

15-器皿体（玻璃或陶瓷），

16-电热膜，

17-铜网粘结式电极。

附图（6）（电热元件-电热板示意图）

18-底材（搪瓷或经绝缘预处理的金属），

19-电极，

20-电热膜，

21-绝缘底层。

实施例一：

选用或加工成所需形状的玻璃器皿，在需要电加热的部位制备电热膜，其配比为2.5份中间体加1份导电填料，用甘油调成浆料，用80目丝网印制电热膜，然后，在150℃下烘干15分钟，于530℃下烧结15分钟。采用金属压接触式电极，即完成了玻璃器皿电发 热体的制备。

实施例二：

选用或加工成所需形状的搪瓷器皿，在需要制备电热膜的部位先制备绝缘底层，其配比为2.5份中间体加1份绝缘填料，用润滑油调成可刷涂的涂料，均匀涂制后，于100℃下先预烘10分钟，200℃下再烘10分钟，然后在600℃下烧结10分钟，冷却后检测绝缘性能。可重复制备绝缘底层直到满足预定绝缘要求为止。（绝缘性能可以达到要求的搪瓷器皿可不制备绝缘底层，直接制备电热膜）然后，在绝缘底层上面制备电热膜。电热膜的配比为1.5份中间体加1份导电填料，用松油醇调匀后，喷涂电热膜。于150℃下烘干15分钟，于500℃下再烧结20分钟，用金属导电胶涂制电极后，即完成了搪瓷器皿电发热体的制备。

实施例三：

选用或加工成所需形状的陶瓷器皿，在需要电加热的部位制备电热膜，其配比为：2份中间体加1份导电填料，用水调成浆料，用100目丝网印制电热膜后，于150℃下烘10分钟，于550℃下再烧结10分钟，用导电胶粘结40目铜网作为电极，即完成了陶瓷器皿电发热体的制备。

Claims (3)

1、一种新型电发热体，其特征是：

a、电热膜由中间体加导电填料所组成。可采用的导电填料有二硅化钼、碳化硅和石墨，导电填料的颗粒直径范围是4μ～40μ，可以只用其中一种或混合使用，中间体与导电填料的重量配比范围是1∶1至5∶1。

b、绝缘底层由中间体加绝缘材料所组成，可采用的绝缘填料有氧化镁、氧化硅、氧化钛、云母粉、氧化铝。可以只用其中一种或混合使用，中间体与绝缘填料的重量配比范围是1∶1至5∶1。

c、中间体的组成分为三类，(1)氧化硼--氧化铅--氧化锌类，其组分配比(重量%)为氧化硼12%～20%，氧化铅40%～75%，氧化锌5%～21%。(2)氧化硼--氧化铅-氧化硅类，其组分配比为：氧化硼10%～25%，氧化铅50%～85%，氧化硅3%～10%。(3)氧化硼--氧化铅--氧化锌--氧化硅类，其组分配比为：氧化硼10%～13%，氧化铅50%～75%，氧化锌15%～24%氧化硅4%～6%。中间体内可添加氧化钴、氧化铝、氧化铜、氧化铁、氧化锡或氧化硒，其加入量为1%～5%，还可加入碱金属氧化物、碱土金属氧化物或稀土元素氧化物，其加入量为1%～8%，中间体的原材料可以是相应的氧化物、氢氧化物、碳酸盐、硝酸盐、硅酸、硅酸盐、硼酸或硼酸盐。

2、根据权利要求1所述的电发热体，其特征是用银粉、铜粉、镍粉、二硅化钼粉、不锈钢粉、导电碳化硅粉或石墨粉制成的导电胶、导电涂料或导电浆料，直接涂在电热膜表面上，或涂制在电热膜与绝缘底层之间作为导电电极。

3、根据权利要求1所述的电发热体，其特征是必须使用稀释剂将中间体和导电填料或绝缘填料调成粘度适当的涂料或浆料，再行施工。可使用的稀释剂有甘油、丙二醇、二丁酯、松节油、樟脑油、松油醇、食用油、润滑油或水，可以只用其中一种，也可以混合使用，稀释剂的加入量为20～70%。