CN106954284A - 一种基于石墨烯的可高效导热的电热膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于石墨烯的可高效导热的电热膜及其制备方法，其由上层绝缘材料层、导电浆料层和底层绝缘材料层以及设置在导电浆料层的电极组成；将导电浆料均匀涂抹在底层绝缘材料上，然后利用热压贴合法将上层绝缘材料贴合在涂有导电浆料的底层绝缘材料上，形成绝缘材料‑导热浆料‑绝缘材料复合结构的电加热膜。制备的电加热膜经过添加石墨烯后，具有较高的导热性能，有利于提高电热转化效率。加热膜通电后的温升时间缩短。
Description
技术领域
本发明涉及红外电热技术领域，尤其涉及的是一种基于石墨烯的可高效导热的电热膜及其制备方法。
背景技术
先进复合材料(指用高性能增强体如碳纤维、芳纶等于高性能耐热高聚物构成的复合材料，后来又把金属基、陶瓷基和碳(石墨)基以及功能复合材料包括在内)，自发展以来，一直因其高性能低密度在国防工业、航空航天、精密仪器等领域发挥着重要作用。特别是近年来随着纳米材料的发展，复合材料的高性能和低填充率等优势逐渐体现出来。
当前的研究，电热系统中的加热元件一般多数采用金属材料，使用最多的是镍铬合金，这些材料普遍存在加热速率低，导热速度慢、耗能大等问题，对于提高导热性和电热转化效率的研究很少，尤其是针对低能耗下快速发热使电加热膜可用于航空除冰领域等问题几乎鲜有报道。
因此，在已有的电热膜技术和高导热率复合材料理论基础上，设计研究出一种新型的电加热膜，能够迫使加热材料的导热率得到提高进而提高电热转化效率实现低功率高能效加热，对于电加热膜在电热除冰系统中的工业化使用和基础研究具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提出一种可高效导热的基于石墨烯的电热膜及其制备方法，以研究在增加石墨烯后复合材料的导热机制，从而达到低能耗下快速发热的目的。
一种基于石墨烯的可高效导热的电热膜，其特征在于，其由上层绝缘材料层、导电浆料层和底层绝缘材料层以及设置在导电浆料层的电极组成；导电浆料层的制备方法为：混合粉体的制备：按质量百分比计量，石墨烯6.4％～45％，导电炭黑6.4％～45％，玻璃粉32％～42％，乙醇15％～20％，将粉体分散在乙醇溶剂中至于混合球磨中研磨直至充分混合；有机载体的制备：按质量百分比计量，松油醇50％～64％，脂类20％～30％，乙基纤维素4％～8％，分散剂BYK10％，其他2％～5％，将有机溶剂置于搅拌机中混匀；导电浆料的配置：按质量百分比计量，混合粉体60％，有机载体40％，先将有机载体和混合粉末加入搅拌机中搅拌10～30min，然后转移至研磨机，研磨至两者充分混合，混合后的浆料粒度小于15μm；将导电浆料均匀涂抹在底层绝缘材料上，然后利用热压贴合法将上层绝缘材料贴合在涂有导电浆料的底层绝缘材料上，形成绝缘材料-导热浆料-绝缘材料复合结构的电加热膜。
一种可高效导热的基于石墨烯的电热膜的制备方法，包括以下步骤：
1.)混合粉体的制备：按质量百分比计量，石墨烯6.4％～45％，导电炭黑6.4％～45％，玻璃粉32％～42％，乙醇15％～20％，将粉体分散在乙醇溶剂中至于混合球磨中研磨直至充分混合；
2)有机载体的制备：按质量百分比计量，松油醇50％～64％，脂类20％～30％，乙基纤维素4％～8％，分散剂BYK10％，松节油2％～5％，将有机溶剂置于搅拌机中混匀；
3)导电浆料的配置：按质量百分比计量，混合粉体60％，有机载体40％，先将有机载体和混合粉末加入搅拌机中搅拌10～30min，然后转移至研磨机，研磨至两者充分混合，混合后的浆料粒度小于15μm；
4)电热膜的制备：将浆料均匀涂抹在底层绝缘材料上，然后利用热压贴合法将上层绝缘材料贴合在涂有导电浆料的底层绝缘材料上，形成绝缘材料-导热浆料-绝缘材料复合结构的电加热膜。
所述的制备方法，步骤1)中，石墨烯为高质量薄层石墨烯微片。
所述的制备方法，步骤1)中，研磨混合过程为：每加入粉体时均需加入一定量乙醇以防止粉末漂浮，乙醇质量总和为混合粉体质量的15％～20％，充分混合研磨后粉体平均粒径为3～5μm。
所述的制备方法，步骤3)中，将处理后的混合粉体、有机载体按质量比6:4的比例混合研磨后，用刮板细度计测量，测得浆料细度不大于15μm就可认为混合完成。
所述的制备方法，步骤4)中，绝缘材料包括但不局限于聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氨酯(PU)、硅胶中的一种或者多者按照一定比例混合组成。
本发明中，所获得的可高效导热的基于石墨烯的电热膜，对研究在电加热过程中加热元件到受热表面的导热机制，从而达到提高电热转换效率的目的，对于实现低能耗防除冰的实际应用具有重要意义。
采用本发明的方法制备的石墨烯电加热膜具有以下特点：
1)制备的电加热膜经过添加石墨烯后，具有较高的导热性能，有利于提高电热转化效率。
2)加热膜通电后的温升时间缩短。
3)制备的浆料易于涂覆，可根据实际情况选择合适的绝缘基底材料。
附图说明
图1为本发明中的基于石墨烯的复合材料电加热膜的结构剖面图；
图2为本发明中使用的高质量薄层石墨烯；
图3为本发明中实施例1在施加不同电压下加热膜表面的温度随时间变化的曲线以及断电后降温的温度曲线；
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益结果有更加清楚的理解和认识，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本发明的可高效导热的基于石墨烯的电热膜的制备方法如下：
第一步，混合粉体的制备：按质量百分比计量，石墨烯8％，导电炭黑42％，玻璃粉35％，乙醇15％，将粉体分散在乙醇溶剂中至于混合球磨中研磨直至充分混合；
第二步，有机载体的制备：按质量百分比计量，松油醇55％，脂类25％，乙基纤维素6％，分散剂BYK10％，松节油其他4％，将有机溶剂置于搅拌机中混匀；
第三步，导电浆料的配置：按质量百分比计量，混合粉体60％，有机载体40％，先将有机载体和混合粉末加入搅拌机中搅拌10～30min，然后转移至研磨机，研磨至两者充分混合，混合后的浆料粒度小于15μm；
第四步，电热膜的制备：将浆料均匀涂抹在底层绝缘材料上，涂完后在膜两侧加入电极，然后利用热压贴合法将上层绝缘材料贴合在涂有导电浆料的底层绝缘材料上，形成绝缘材料-导热浆料-绝缘材料复合结构的电加热膜。
依照上述实施步骤制备的可高效导热的基于石墨烯的电热膜，其表面在施加15V电压时可在100s时达到180℃，电源接通后在试样表面的瞬间温升时间为2.5s，同时断开电路后表面温度急速下降10℃左右，且在5V和10V电压时也有此明显特性(如图3所示，其中1为下层绝缘材料，2为石墨烯加热层，3为上层绝缘材料，4为电极。)，显示出较理想的高效导热性和电热转化率特性。
实施例2
本发明的可高效导热的基于石墨烯的电热膜的制备方法如下：
第一步，混合粉体的制备：按质量百分比计量，石墨烯16％，导电炭黑34％，玻璃粉35％，乙醇15％，将粉体分散在乙醇溶剂中至于混合球磨中研磨直至充分混合；
第二步，有机载体的制备：按质量百分比计量，松油醇55％，脂类25％，乙基纤维素6％，分散剂BYK10％，松节油4％，将有机溶剂置于搅拌机中混匀；
第三步，导电浆料的配置：按质量百分比计量，混合粉体60％，有机载体40％，先将有机载体和混合粉末加入搅拌机中搅拌10～30min，然后转移至研磨机，研磨至两者充分混合，混合后的浆料粒度小于15μm；
第四步，电热膜的制备：将浆料均匀涂抹在底层绝缘材料上，涂完后在膜两侧加入电极，然后利用热压贴合法将上层绝缘材料贴合在涂有导电浆料的底层绝缘材料上，形成绝缘材料-导热浆料-绝缘材料复合结构的电加热膜。
依照上述实施步骤制备的可高效导热的基于石墨烯的电热膜，其表面在施加15V电压时可在98s时达到180℃，电源接通后在试样表面的瞬间温升时间为2.3s，同时断开电路后表面温度急速下降5℃左右，且在5V和10V电压时也有此明显特性，显示出较理想的高效导热性和电热转化率特性。
实施例3
本发明的可高效导热的基于石墨烯的电热膜的制备方法如下：
第一步，混合粉体的制备：按质量百分比计量，石墨烯25％，导电炭黑25％，玻璃粉35％，乙醇15％，将粉体分散在乙醇溶剂中至于混合球磨中研磨直至充分混合；
第二步，有机载体的制备：按质量百分比计量，松油醇55％，脂类25％，乙基纤维素6％，分散剂BYK10％，松节油4％，将有机溶剂置于搅拌机中混匀；
第三步，导电浆料的配置：按质量百分比计量，混合粉体60％，有机载体40％，先将有机载体和混合粉末加入搅拌机中搅拌10～30min，然后转移至研磨机，研磨至两者充分混合，混合后的浆料粒度小于15μm；
第四步，电热膜的制备：将浆料均匀涂抹在底层绝缘材料上，涂完后在膜两侧加入电极，然后利用热压贴合法将上层绝缘材料贴合在涂有导电浆料的底层绝缘材料上，形成绝缘材料-导热浆料-绝缘材料复合结构的电加热膜。
依照上述实施步骤制备的可高效导热的基于石墨烯的电热膜，其表面在施加15V电压时可在95s时达到179℃，电源接通后在试样表面的瞬间温升时间为2.1s，同时断开电路后表面温度急速下降10℃左右，且在5V和10V电压时也有此明显特性，显示出较理想的高效导热性和电热转化率特性。
实施例4
本发明的可高效导热的基于石墨烯的电热膜的制备方法如下：
第一步，混合粉体的制备：按质量百分比计量，石墨烯33％，导电炭黑17％，玻璃粉35％，乙醇15％，将粉体分散在乙醇溶剂中至于混合球磨中研磨直至充分混合；
第二步，有机载体的制备：按质量百分比计量，松油醇55％，脂类25％，乙基纤维素6％，分散剂BYK10％，松节油4％，将有机溶剂置于搅拌机中混匀；
第三步，导电浆料的配置：按质量百分比计量，混合粉体60％，有机载体40％，先将有机载体和混合粉末加入搅拌机中搅拌10～30min，然后转移至研磨机，研磨至两者充分混合，混合后的浆料粒度小于15μm；
第四步，电热膜的制备：将浆料均匀涂抹在底层绝缘材料上，涂完后在膜两侧加入电极，然后利用热压贴合法将上层绝缘材料贴合在涂有导电浆料的底层绝缘材料上，形成绝缘材料-导热浆料-绝缘材料复合结构的电加热膜。
依照上述实施步骤制备的可高效导热的基于石墨烯的电热膜，其表面在施加15V电压时可在95s时达到181℃，电源接通后在试样表面的瞬间温升时间为2.0s，同时断开电路后表面温度急速下降9℃左右，且在5V和10V电压时也有此明显特性，显示出较理想的高效导热性和电热转化率特性。
实施例5
本发明的可高效导热的基于石墨烯的电热膜的制备方法如下：
第一步，混合粉体的制备：按质量百分比计量，石墨烯42％，导电炭黑8％，玻璃粉35％，乙醇15％，将粉体分散在乙醇溶剂中至于混合球磨中研磨直至充分混合；
第二步，有机载体的制备：按质量百分比计量，松油醇55％，脂类25％，乙基纤维素6％，分散剂BYK10％，松节油4％，将有机溶剂置于搅拌机中混匀；
第三步，导电浆料的配置：按质量百分比计量，混合粉体60％，有机载体40％，先将有机载体和混合粉末加入搅拌机中搅拌10～30min，然后转移至研磨机，研磨至两者充分混合，混合后的浆料粒度小于15μm；
第四步，电热膜的制备：将浆料均匀涂抹在底层绝缘材料上，涂完后在膜两侧加入电极，然后利用热压贴合法将上层绝缘材料贴合在涂有导电浆料的底层绝缘材料上，形成绝缘材料-导热浆料-绝缘材料复合结构的电加热膜。
依照上述实施步骤制备的可高效导热的基于石墨烯的电热膜，其表面在施加15V电压时可在92s时达到176℃，电源接通后在试样表面的瞬间温升时间为1.9s，同时断开电路后表面温度急速下降10℃左右，且在5V和10V电压时也有此明显特性，显示出较理想的高效导热性和电热转化率特性。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于石墨烯的可高效导热的电热膜，其特征在于，其由上层绝缘材料层、导电浆料层和底层绝缘材料层以及设置在导电浆料层的电极组成；导电浆料层的制备方法为：混合粉体的制备：按质量百分比计量，石墨烯6.4％～45％，导电炭黑6.4％～45％，玻璃粉32％～42％，乙醇15％～20％，将粉体分散在乙醇溶剂中至于混合球磨中研磨直至充分混合；有机载体的制备：按质量百分比计量，松油醇50％～64％，脂类20％～30％，乙基纤维素4％～8％，分散剂BYK10％，其他2％～5％，将有机溶剂置于搅拌机中混匀；导电浆料的配置：按质量百分比计量，混合粉体60％，有机载体40％，先将有机载体和混合粉末加入搅拌机中搅拌10～30min，然后转移至研磨机，研磨至两者充分混合，混合后的浆料粒度小于15μm；将导电浆料均匀涂抹在底层绝缘材料上，然后利用热压贴合法将上层绝缘材料贴合在涂有导电浆料的底层绝缘材料上，形成绝缘材料-导热浆料-绝缘材料复合结构的电加热膜。
2.一种可高效导热的基于石墨烯的电热膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1.)混合粉体的制备：按质量百分比计量，石墨烯6.4％～45％，导电炭黑6.4％～45％，玻璃粉32％～42％，乙醇15％～20％，将粉体分散在乙醇溶剂中至于混合球磨中研磨直至充分混合；
2)有机载体的制备：按质量百分比计量，松油醇50％～64％，脂类20％～30％，乙基纤维素4％～8％，分散剂BYK10％，松节油2％～5％，将有机溶剂置于搅拌机中混匀；
3)导电浆料的配置：按质量百分比计量，混合粉体60％，有机载体40％，先将有机载体和混合粉末加入搅拌机中搅拌10～30min，然后转移至研磨机，研磨至两者充分混合，混合后的浆料粒度小于15μm；
4)电热膜的制备：将浆料均匀涂抹在底层绝缘材料上，然后利用热压贴合法将上层绝缘材料贴合在涂有导电浆料的底层绝缘材料上，形成绝缘材料-导热浆料-绝缘材料复合结构的电加热膜。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，石墨烯为高质量薄层石墨烯微片。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，研磨混合过程为：每加入粉体时均需加入一定量乙醇以防止粉末漂浮，乙醇质量总和为混合粉体质量的15％～20％，充分混合研磨后粉体平均粒径为3～5μm。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中，将处理后的混合粉体、有机载体按质量比6:4的比例混合研磨后，用刮板细度计测量，测得浆料细度不大于15μm就可认为混合完成。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中，绝缘材料包括但不局限于聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氨酯(PU)、硅胶中的一种或者多者按照一定比例混合组成。
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