CN101090586A - 纳米柔性电热材料及包括该纳米柔性电热材料的加热装置 - Google Patents

纳米柔性电热材料及包括该纳米柔性电热材料的加热装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种纳米柔性电热材料及包括所述纳米柔性电热材料的加热装置。所述纳米柔性电热材料包括基底及分散在所述基底中的大量碳纳米管，所述碳纳米管在所述基底中形成大量导电网络，所述基底为柔性高分子材料。所述纳米柔性电热材料具有柔性，可随意变形、机械强度高，人体亲和性高，可在低温范围下使用。

Description

纳米柔性电热材料及包括该纳米柔性电热材料的加热装置
技术领域
本发明涉及一种电热材料及一种加热装置，尤其涉及一种以高分子材料为基底的纳米柔性电热材料，以及使用所述纳米柔性电热材料的加热装置。
背景技术
电热材料是指通过自身电阻能够把电能转化为热能的材料。通常的电热材料是由金属(例如钨丝、钼片等等)或半导体(如硅碳棒等)制成的。由于金属具有良好的电导率，电阻通常很小，因此可以产生很高的功率和温度。
但同时由金属或半导体组成的电热材料也具有明显的缺点，如这些材料在常温下不可随意变形；且电阻通常很低，功率过大，发热量过高，不适合在常温范围使用。金属对人体的亲和性差，甚至某些金属如铜会对人体产生危害。因此这些电热材料不适合使用于与人体紧密接触的加热保温装置中，如电热毯、电热垫等。
由此研发出在高分子材料基底中添加导电颗粒如金属粉，石墨粉等的电热材料，此种电热材料具有柔性，且其电阻可相对较高，可用于低温加热，但由于要达到合适的导电率，其中的导电颗粒的含量需要较高，因此造成基底材料强度下降。
有鉴于此，有必要提供一种具有柔性可随意变形、机械强度高，人体亲和性高，可在低温范围下使用的电热材料。
发明内容
以下将以实施例说明一种纳米柔性电热材料，及一种包括所述纳米柔性电热材料的加热装置。
所述的纳米柔性电热材料包括基底及分散在所述基底中的大量碳纳米管，所述碳纳米管在基底内形成大量导电网络，所述基底为柔性高分子材料。
一种加热装置，其包括纳米柔性电热材料、两根导线及开关，所述两根导线用于将所述纳米柔性电热材料接入电源，所述开关安装在所述两根导线中任意一根上，所述纳米柔性电热材料包括柔性高分子材料组成的基底及分散在所述基底中大量碳纳米管，所述碳纳米管在基底内形成大量导电网络。
由于柔性高分子基底材料的采用，所述的纳米柔性电热材料可随意弯曲且具有良好的人体亲和性；根据碳纳米管的含量不同，其电阻可调至较高值，从而其适合用于低温加热；且由于碳纳米管的加入且在柔性高分子基底材料内部形成大量可导电的网络，除了可用于导电，使所述纳米柔性电热材料整个材料上均匀发热外，还可提高所述纳米柔性电热材料的强度。
附图说明
图1是第一实施例的纳米柔性电热材料剖面示意图。
图2是第一实施例的纳米柔性电热材料中碳纳米管含量-电阻率关系曲线。
图3是第二实施例的纳米柔性电热材料的剖面示意图。
图4是加热装置第一实施例的示意图。
具体实施方式
参阅图1，第一实施例的纳米柔性电热材料1包括柔性高分子基底材料10及分散在柔性高分子基底材料10中的大量碳纳米管12。碳纳米管12互相搭接而在柔性高分子基底材料10中形成大量导电网络，从而纳米柔性电热材料1可以导电，通电以后便可发热。
柔性高分子基底材料10可选自硅橡胶弹性体、聚氨脂、环氧树脂其中之一或其组合物。碳纳米管12可为多壁碳纳米管或单壁碳纳米管。其长度可为1～10微米，优选的，其重量百分比含量为整个电热材料的0.1％～4％。碳纳米管12的含量不同则电热材料的电阻率亦不同。
更加具体的，请参见图2，其为纳米柔性电热材料1中碳纳米管含量与电阻率的关系曲线。可以看出，纳米柔性电热材料1随碳纳米管含量的增加电阻率下降，含量为0.4％时，电阻率近似为10Ω·m，碳纳米管含量小于1％时电阻率下降的速度较快，随后下降速度较慢，当碳纳米管含量达到4％时，其电阻率下降至较低水平，近似为0.1Ω·m。
纳米柔性电热材料1中还可添加有各种添加剂以提高材料的物理化学性能，如抗氧化剂、阻燃剂。抗氧化剂品种繁多，常见的如氮，氮-二β萘基-对苯二胺。阻燃剂可选自氯化石蜡、氯化脂环烃、四氯邻苯二甲酸酐、磷酸酯、含卤磷酸酯、卤化磷、磷多元醇及卤代酸酐等，阻燃剂的含量可为1％～10％。
本实施例的纳米柔性电热材料1具有以下特点：
1、由于采用柔性高分子基底材料，因此其可以任意变形，且高分子材料比金属或半导体更具人体亲和性。
2、由于加入了碳纳米管，其机械韧性得到加强，强度增高，不易损坏，且同时具有合适的导热性，可迅速将内部产生的热量传导出来。
3、其电阻可在一定范围内可调，且整个电热材料面上同时均匀发热，温度可控制在较低水平，如低于100℃，因此本实施例的纳米柔性电热材料不会因过热产生危害。对于用于给人体进行保温的电热材料其温度可控制的更低，例如在36℃到40℃之间。例如，一块30×30×0.05cm的这种纳米柔性电热材料，碳纳米管含量为2.5％，用36V的电源沿膜面导电，消耗的功率不到1瓦特。
基于以上特性，可将本实施例的纳米柔性电热材料1应用于各种需求低温加热的领域，如汽车电热座椅、电热地毯、理疗电热带、减肥腰带、保温服等。
本实施例的纳米柔性电热材料1可以采用如下方法制备：
步骤1，提供一种分散均匀的预聚物溶液或预聚物单体溶液。预聚物材料经进一步聚合后可得到柔性高分子基底材料，例如硅橡胶弹性体、聚氨脂、环氧树脂的预聚物、单体或者其组合。以聚氨酯为例，将聚氨酯的预聚物用溶剂如乙酸乙酯等溶解稀释，降低其粘度，然后用超声波清洗一段时间，得到分散均匀的聚氨酯预聚物溶液。
步骤2，将碳纳米管加入上述溶液，并且用超声波分散一段时间。其中，碳纳米管的重量百分比含量为0.1～4％。超声波分散的作用是使碳纳米管能够在聚氨酯预聚物溶液中初步分散。碳纳米管可为多壁碳纳米管或者单壁碳纳米管，碳纳米管的制备方法可采用现有技术中的化学气相沉积法、电弧放电法、激光烧蚀法等。碳纳米管的长度可为1～10微米。
另外，由于碳纳米管易于聚集和缠结，可以进一步通过超声波破碎仪破碎一段时间，将聚集和缠结的碳纳米管分开，然后再通过超声波分散一段时间，从而能够使碳纳米管分散比较均匀。
步骤3，加入引发剂，使预聚物溶液或预聚物单体溶液发生反应或发生交联而聚合并固化成所需求的形状，以便于实际应用。引发剂的选择根据预聚物材料的不同而不同，对于聚氨酯其可为去离子水。适当的超声清洗一段时间，收集溶液中生成的膏状物质，即得到复合材料的预加工物。
优选的，固化前可在两端埋上电极311、312，则可得以如图3所示的纳米柔性电热材料，电极311、312的材料可采用高导电率的金属如铜或铝。
参阅图4，本实施例的电加热装置包括纳米柔性电热材料41、导线421、422及开关43，纳米柔性电热材料41两端埋有两电极411、412，导线421、422分别用于将电极411、412接入电源44。开关43可设置在导线421及422当中任意一根上。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化。当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种纳米柔性电热材料，其包括基底及分散在所述基底中的多根碳纳米管，所述碳纳米管在基底内形成导电网络，所述基底为柔性高分子材料。
2.如权利要求1所述的纳米柔性电热材料，其特征在于，所述柔性高分子材料为硅橡胶弹性体、聚氨脂、环氧树脂其中之一或其组合物。
3.如权利要求1所述的纳米柔性电热材料，其特征在于，其中的碳纳米管的重百分比含量为0.1％～4％。
4.如权利要求1所述的纳米柔性电热材料，其特征在于，所述碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管。
5.如权利要求1所述的纳米柔性电热材料，其特征在于，所述碳纳米管长度为1～10微米。
6.如权利要求1所述的纳米柔性电热材料，其特征在于进一步包括添加剂。
7.如权利要求5所述的纳米柔性电热材料，其特征在于，所述添加剂为阻燃剂，其选自氯化石蜡、氯化脂环烃、四氯邻苯二甲酸酐、磷酸酯、含卤磷酸酯、卤化磷、磷多元醇及卤代酸酐其中之一。
8.如权利要求7所述的纳米柔性电热材料，其特征在于，所述阻燃剂的重量百分比含量为1％～10％。
9.一种加热装置，其包括纳米柔性电热材料、两根导线及开关，所述两根导线用于将所述纳米柔性电热材料接入电源，所述开关安装在所述两根导线中任意一根上，所述纳米柔性电热材料包括柔性高分子材料组成的基底及分散在所述基底中多根碳纳米管，所述碳纳米管在基底内形成导电网络。
10.如权利要求9所述的加热装置，其特征在于，所述纳米柔性电热材料两端设置有两个电极，所述两根导线分别与所述两个电极电连接。
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