CN107446408A - Ptc石墨烯发热油墨及其制备方法、及其制备的发热膜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PTC石墨烯发热油墨及其制备方法，各组分及各组分的质量百分比为：粘结剂50—70%，溶剂9—21%，助剂1—3%，导电填料10—20%，PTC功能材料5—20%。其制备方法为：（1）先将粘接剂、溶剂、助剂在搅拌分散20—30min，再将PTC功能材料加入到搅拌设备中搅拌8—12min，最后加入导料填料搅拌均匀，得到粗浆；（2）将粗浆经过4—6次三辊研磨，即得到PTC石墨烯发热油墨。本发明还公开了一种发热膜，包括有机高分子基材膜、PTC石墨烯发热油墨、导电银浆、导电铜箔和有机高分子带胶膜。本发明增加了石墨烯发热膜的PTC功能，消除了现有石墨烯发热膜的安全隐患问题，提高了实用性。

Description

PTC石墨烯发热油墨及其制备方法、及其制备的发热膜

技术领域

本发明属于新型电热材料的技术领域，具体地说涉及一种PTC石墨烯发热油墨及其制备方法、及其制备的发热膜。

背景技术

​目前发热膜主要类型有两类，一类是高电压型，主要用于地暖、墙画以及工业保温等行业；另一类低电压型，主要用于医疗保健等行业。石墨烯导电性能好，电子迁移率快，发热速度快，更加节能环保，并且石墨烯发热原理是“生命光线”8—15μm远红外发热，对人体有很好的保健作用，因此石墨烯发热油墨在远红外电热膜、红外取暖器、远红外发热衣、发热帽、发热鞋垫、远红外电热毯、汗蒸房、自发热地板、远红外电热壁画、远红外干燥箱、孵化器、远红外烧烤板等诸多领域都有及其广阔的应用。

目前，涉及到石墨烯发热膜的现有技术很多，例如：

中国专利公告号为CN103338538A的现有技术在2013年10月2日公开了一种石墨烯辐射发热膜及其制备方法和应用，该专利在改善电热膜的电热转换效率、功率偏大以及硬度高不可折叠等方面得到明显改善，但该专利尚未采用PTC（Positive TemperatureCoefficient），那么该发热膜在使用过程中，一旦表面被覆盖，热量不能及时散热出去，则必然导致局部温度过高。

中国专利公告号为CN103607795A的现有技术在2014年2月26日公开了一种石墨烯发热薄膜的制备方法，该专利通过简单易控的方法制备了低电压、尺寸可调的石墨烯发热膜，在相对较小的面积按下其发热很均匀，但是在相对较大的发热面积下或者有覆盖物的情况下，因为不具备PTC功能而导致局部温度过高，容易造成安全隐患。

中国专利公告号为CN103476158A的现有技术在2015年6月3日公开了PTC 复合材料发热膜及其制备方法和应用，该专利通过导电填料与结晶或者半结晶高分子复合材料进行复合得到PTC特性复合材料，但由于采用了结晶或半结晶高分子材料，因此其依靠高分子材料本身的热胀冷缩调节电阻，受有机聚合物材质及构造机理所决定，每次经过流冲击后，阻值变大，不能恢复到原值，且当高压大电流脉冲冲击时，外包封易炸裂，大大缩短发热膜的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供一种PTC石墨烯发热油墨及其制备方法、及其制备的发热膜，本发明增加了石墨烯发热膜的PTC功能，且该功能的实现工艺简单，高效实用，消除了现有技术中石墨烯发热膜的安全隐患问题，提高了石墨烯发热膜的实用性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种PTC石墨烯发热油墨，包括如下质量百分比的组分：

粘结剂50—70%，溶剂9—21%，助剂1—3%，导电填料10—20%，PTC功能材料5—20%。

所述PTC功能材料为碳酸钡氧化物、氧化铅氧化物、氧化铌氧化物、Bi氧化物、La氧化物、Y氧化物、Nb氧化物、Sb氧化物、烧结助剂中的一种或按任意比例混合的多种。

所述导电填料为石墨烯或石墨烯与石墨粉、炭黑、碳纤维粉、碳纳米管中的一种或多种的混合。

所述导电填料为石墨烯与其它组分混合时，石墨烯在导电填料中所占质量百分比为2.5—5%。

所述石墨烯为本征态石墨烯，层数为1—10层，片层尺寸1—5μm，平均厚度小于3nm。

所述粘结剂的制备方法为：将溶剂添加到反应釜中，60—90℃搅拌状态下加入树脂，溶剂与树脂的质量比为4：1，待树脂完全浸润溶解以后，70—80℃保温3—4h，并趁热过滤即得到粘结剂。

所述树脂为环氧树脂、聚酰胺树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、不饱和聚酯树脂、纤维素树脂中的一种或按任意比例混合的多种。

所述溶剂为乙二醇丁醚、二乙二醇丁醚醋酸酯、二乙二醇丁醚、乙酸正丁酯、丙二醇正丙醚、丙二醇甲醚醋酸酯、丙二醇甲醚、松油醇、松节油、柠檬酸三丁酯、混二酸二甲酯中的一种或按任意比例混合的多种。

所述助剂为触变剂、流平剂、附着力促进剂、分散剂中的一种或按任意比例混合的多种。

一种PTC石墨烯发热油墨的制备方法，包括以下步骤：

（1）先将粘接剂、溶剂、助剂在搅拌设备中分散20—30min，再将PTC功能材料加入到搅拌设备中搅拌8—12min，最后加入导料填料搅拌均匀，得到粗浆；

（2）将粗浆经过4—6次三辊研磨，即得到PTC石墨烯发热油墨。

一种发热膜，包括有机高分子基材膜、PTC石墨烯发热油墨、导电银浆、导电铜箔和有机高分子带胶膜，所述有机高分子基材膜、PTC石墨烯发热油墨和有机高分子带胶膜依次层叠并经过热压成型，所述导电银浆和导电铜箔作为电极固定设置在PTC石墨烯发热油墨和有机高分子带胶膜之间。

所述有机高分子基材膜为PET膜和PI膜，其厚度是75—150μm。

所述有机高分子带胶膜为PET膜或PI膜，其厚度是100—180μm。

采用本发明的优点在于：

一、本发明公开的PTC石墨烯发热油墨，是在发热油墨的基础上添加了特定量的PTC功能材料形成的，本发明充分利用了石墨烯的高导电性以及PTC功能材料在低温下的导电性和高温下电阻大幅度提升的特性，极大的改善了发热油墨的使用范围，提高了发热油墨在特殊领域使用的安全性。

二、本发明公开的PTC石墨烯发热油墨，通过对PTC功能材料的精心挑选，通过简单的添加量的控制，达到PTC石墨烯发热油墨的自限温特性，操作简单，制备工艺可控更有利于实现工业化。

三、本发明中当导电填料为石墨烯与其它组分的混合时，将石墨烯的添加量控制在总量的2.5—5%，有利于提高发热膜的电-热辐射转换效率，具体可使发热膜的电-热辐射转换效率高达80%。

四、本发明的主优点采用常温下电阻值与发热油墨相一致的PTC热敏材料，在温度升高到一定点时，其晶格发生转变导致导电性能显著降低，不动作电流可以小到100—200mA，几十至几千欧姆范围内动作特性最好，适宜作小电流过流保护，且经过多次电流冲击，阻值变化不大，可恢复性和长期稳定性好。高分子PTC为过流6000次以后阻值无太大变化仍有PTC效应，陶瓷PTC为过流10万次以后阻值无太大变化仍有PTC效应，大大提高了发热膜的使用寿命。

五、本发明中PTC石墨烯发热油墨工作原理是在电的引发激励下，通过石墨烯碳分子团产生“布朗运动”，由石墨烯碳分子间的互相撞击和摩擦从而产生热能，并产生大量的红外线辐射，其电、热转换率达98%以上，红外线辐射系数高达0.9以上。

六、本发明中PTC热敏电阻原理是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻，超过一定的温度（居里温度）时，它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高，从而显著降低发热膜的功率，达到自限温的目的。

七、本发明公开的PTC石墨烯发热油墨，不含卤素，更环保。

具体实施方式

实施例1

一种PTC石墨烯发热油墨，包括如下质量百分比的组分：

粘结剂50—70%，溶剂9—21%，助剂1—3%，导电填料10—20%，PTC功能材料5—20%。

所述PTC功能材料为碳酸钡氧化物、氧化铅氧化物、氧化铌氧化物、Bi氧化物、La氧化物、Y氧化物、Nb氧化物、Sb氧化物、烧结助剂中的一种或按任意比例混合的多种。

所述导电填料为石墨烯或石墨烯与石墨粉、炭黑、碳纤维粉、碳纳米管中的一种或多种的混合。

所述导电填料为石墨烯与其它组分混合时，石墨烯在导电填料中所占质量百分比为2.5—5%。

所述石墨烯为本征态石墨烯，层数为1—10层，片层尺寸1—5μm，平均厚度小于3nm。

所述粘结剂的制备方法为：另取溶剂并添加到反应釜中，60—90℃搅拌状态下加入树脂，溶剂与树脂的质量比为4：1，待树脂完全浸润溶解以后，70—80℃保温3—4h，并趁热过滤即得到粘结剂。其中，该溶剂与PTC石墨烯发热油墨中的溶剂可相同或不同。

所述树脂为环氧树脂、聚酰胺树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、不饱和聚酯树脂、纤维素树脂中的一种或按任意比例混合的多种。

所述溶剂为乙二醇丁醚、二乙二醇丁醚醋酸酯、二乙二醇丁醚、乙酸正丁酯、丙二醇正丙醚、丙二醇甲醚醋酸酯、丙二醇甲醚、松油醇、松节油、柠檬酸三丁酯、混二酸二甲酯中的一种或按任意比例混合的多种。

所述助剂为触变剂、流平剂、附着力促进剂、分散剂中的一种或按任意比例混合的多种。

实施例2

一种PTC石墨烯发热油墨，包括如下质量百分比的组分：

粘结剂70%，溶剂9%，助剂1%，导电填料15%，PTC功能材料5%。

本实施例中，所述PTC功能材料为碳酸钡氧化物；所述导电填料为石墨烯，所述石墨烯为本征态石墨烯，层数为1—10层，片层尺寸1—5μm，平均厚度小于3nm；所述树脂为环氧树脂；所述溶剂为乙二醇丁醚；所述助剂为触变剂。

本实施例中，所述粘结剂的制备方法为：另取溶剂并添加到反应釜中，60℃搅拌状态下加入树脂，溶剂与树脂的质量比为4：1，待树脂完全浸润溶解以后，70℃保温3h，并趁热过滤即得到粘结剂。其中，为了简化制备工序，优选该溶剂与PTC石墨烯发热油墨中的溶剂相同。

实施例3

一种PTC石墨烯发热油墨，包括如下质量百分比的组分：

粘结剂70%，溶剂12%，助剂1%，导电填料12%，PTC功能材料5%。

本实施例中，所述PTC功能材料为氧化铅氧化物；所述导电填料为石墨烯与石墨粉的混合，且石墨烯在导电填料中所占质量百分比为2.5%。所述石墨烯为本征态石墨烯，层数为1—10层，片层尺寸1—5μm，平均厚度小于3nm；所述树脂为聚酰胺树脂；所述溶剂为二乙二醇丁醚醋酸酯；所述助剂为流平剂。

本实施例中，所述粘结剂的制备方法为：另取溶剂并添加到反应釜中，90℃搅拌状态下加入树脂，溶剂与树脂的质量比为4：1，待树脂完全浸润溶解以后， 80℃保温4h，并趁热过滤即得到粘结剂。其中，该溶剂与PTC石墨烯发热油墨中的溶剂可相同或不同。

实施例4

一种PTC石墨烯发热油墨，包括如下质量百分比的组分：

粘结剂60%，溶剂15%，助剂2%，导电填料10%，PTC功能材料13%。

本实施例中，所述PTC功能材料为氧化铌氧化物与Bi氧化物按任意比例的混合；所述导电填料为石墨烯与炭黑、碳纤维粉的混合，且石墨烯在导电填料中所占质量百分比为5%；所述石墨烯为本征态石墨烯，层数为1—10层，片层尺寸1—5μm，平均厚度小于3nm；所述树脂为丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、不饱和聚酯树脂和纤维素树脂按任意比例的混合；所述溶剂为二乙二醇丁醚、乙酸正丁酯、丙二醇正丙醚和丙二醇甲醚醋酸酯按任意比例的混合；所述助剂为触变剂、附着力促进剂和分散剂按任意比例的混合。

本实施例中，所述粘结剂的制备方法为：另取溶剂并添加到反应釜中，70℃搅拌状态下加入树脂，溶剂与树脂的质量比为4：1，待树脂完全浸润溶解以后，75℃保温3.5h，并趁热过滤即得到粘结剂。其中，该溶剂与PTC石墨烯发热油墨中的溶剂可相同或不同。

实施例5

一种PTC石墨烯发热油墨，包括如下质量百分比的组分：

粘结剂50%，溶剂21%，助剂3%，导电填料20%，PTC功能材料6%。

本实施例中，所述PTC功能材料为Bi氧化物、La氧化物、Y氧化物、Nb氧化物和Sb氧化物按任意比例的混合；所述导电填料为石墨烯与碳纳米管的混合，且石墨烯在导电填料中所占质量百分比为3.5%。所述石墨烯为本征态石墨烯，层数为1—10层，片层尺寸1—5μm，平均厚度小于3nm。所述树脂为纤维素树脂；所述溶剂为丙二醇甲醚醋酸酯；所述助剂为流平剂和分散剂按任意比例的混合。

本实施例中，所述粘结剂的制备方法为：另取溶剂并添加到反应釜中，80℃搅拌状态下加入树脂，溶剂与树脂的质量比为4：1，待树脂完全浸润溶解以后，78℃保温3.8h，并趁热过滤即得到粘结剂。其中，该溶剂与PTC石墨烯发热油墨中的溶剂可相同或不同。

实施例6

一种PTC石墨烯发热油墨，包括如下质量百分比的组分：

粘结剂50%，溶剂11%，助剂2%，导电填料16%，PTC功能材料20%。

本实施例中，所述PTC功能材料为烧结助剂；所述导电填料为石墨烯，所述石墨烯为本征态石墨烯，层数为1—10层，片层尺寸1—5μm，平均厚度小于3nm；所述树脂为聚氨酯树脂；所述溶剂为松油醇、松节油、柠檬酸三丁酯和混二酸二甲酯按任意比例的混合；所述助剂为流平剂。

所述粘结剂的制备方法为：另取溶剂并添加到反应釜中，85℃搅拌状态下加入树脂，溶剂与树脂的质量比为4：1，待树脂完全浸润溶解以后，80℃保温3h，并趁热过滤即得到粘结剂。其中，该溶剂与PTC石墨烯发热油墨中的溶剂可相同或不同。

实施例7

在实施例1—6中任一实施例的基础上，本实施例提供了一种PTC石墨烯发热油墨的制备方法，包括以下步骤：

（1）先将粘接剂、溶剂、助剂加入到搅拌设备中，在搅拌设备中分散20min，再将PTC功能材料加入到搅拌设备中搅拌8min，最后加入导料填料搅拌均匀，得到粗浆；

（2）将得到的粗浆经过4次三辊研磨，即得到高度分散的PTC石墨烯发热油墨。

实施例8

在实施例1—6中任一实施例的基础上，本实施例提供了一种PTC石墨烯发热油墨的制备方法，包括以下步骤：

（1）先将粘接剂、溶剂、助剂加入到搅拌设备中，在搅拌设备中分散30min，再将PTC功能材料加入到搅拌设备中搅拌12min，最后加入导料填料搅拌均匀，得到粗浆；

（2）将得到的粗浆经过6次三辊研磨，即得到高度分散的PTC石墨烯发热油墨。

实施例9

在实施例1—6中任一实施例的基础上，本实施例提供了一种PTC石墨烯发热油墨的制备方法，包括以下步骤：

（1）先将粘接剂、溶剂、助剂加入到搅拌设备中，在搅拌设备中分散25min，再将PTC功能材料加入到搅拌设备中搅拌10min，最后加入导料填料搅拌均匀，得到粗浆；

（2）将得到的粗浆经过5次三辊研磨，即得到高度分散的PTC石墨烯发热油墨。

实施例10

本实施例提供了一种使用实施例1—9中任一实施例所得PTC石墨烯发热油墨制备的发热膜，所述发热膜包括有机高分子基材膜、PTC石墨烯发热油墨、导电银浆、导电铜箔和有机高分子带胶膜，所述有机高分子基材膜、PTC石墨烯发热油墨和有机高分子带胶膜依次层叠并经过热压成型，所述导电银浆和导电铜箔作为电极固定设置在PTC石墨烯发热油墨和有机高分子带胶膜之间。其中，所述有机高分子基材膜为PI膜，其厚度是75μm。所述有机高分子带胶膜为PI膜，其厚度是100μm。

实施例11

本实施例提供了一种使用实施例1—9中任一实施例所得PTC石墨烯发热油墨制备的发热膜，所述发热膜包括有机高分子基材膜、PTC石墨烯发热油墨、导电银浆、导电铜箔和有机高分子带胶膜，所述有机高分子基材膜、PTC石墨烯发热油墨和有机高分子带胶膜依次层叠并经过热压成型，所述导电银浆和导电铜箔作为电极固定设置在PTC石墨烯发热油墨和有机高分子带胶膜之间。其中，所述有机高分子基材膜为PET膜，其厚度是150μm。所述有机高分子带胶膜为PET膜，其厚度是180μm。

实施例12

本实施例提供了一种使用实施例1—9中任一实施例所得PTC石墨烯发热油墨制备的发热膜，所述发热膜包括有机高分子基材膜、PTC石墨烯发热油墨、导电银浆、导电铜箔和有机高分子带胶膜，所述有机高分子基材膜、PTC石墨烯发热油墨和有机高分子带胶膜依次层叠并经过热压成型，所述导电银浆和导电铜箔作为电极固定设置在PTC石墨烯发热油墨和有机高分子带胶膜之间。其中，所述有机高分子基材膜为PET膜，其厚度是125μm。所述有机高分子带胶膜为PET膜，其厚度是150μm。

本发明中，采用电-热辐射转换效率测试方法分别对实施例1—9中的PTC石墨烯发热油墨和实施例10—12中采用PTC石墨烯发热油墨的发热膜进行测试，按照公式：

η=Sσ（T₁ ⁴-T₀ ⁴）/P_e*100；

式中：η--发热膜的电-热辐射转换效率，单位为百分比（%）；

P_e—实测电功率，单位瓦（W）；

T₁—平均辐射温度，单位为开氏绝对温标（K）；

T₀—环境温度，单位为开氏绝对温标（K）；

σ—斯特藩-玻尔兹曼常数，5.67*10^-8W/(m²·K⁴)。

得到如下测试结果：

Claims (10)

1.一种PTC石墨烯发热油墨，其特征在于：包括如下质量百分比的组分：

粘结剂50—70%，溶剂9—21%，助剂1—3%，导电填料10—20%，PTC功能材料5—20%。

2.如权利要求1所述的PTC石墨烯发热油墨，其特征在于：所述PTC功能材料为碳酸钡氧化物、氧化铅氧化物、氧化铌氧化物、Bi氧化物、La氧化物、Y氧化物、Nb氧化物、Sb氧化物、烧结助剂中的一种或按任意比例混合的多种。

3.如权利要求1或2所述的PTC石墨烯发热油墨，其特征在于：所述导电填料为石墨烯或石墨烯与石墨粉、炭黑、碳纤维粉、碳纳米管中的一种或多种的混合。

4.如权利要求3所述的PTC石墨烯发热油墨，其特征在于：所述导电填料为石墨烯与其它组分混合时，石墨烯在导电填料中所占质量百分比为2.5—5%。

5.如权利要求1所述的PTC石墨烯发热油墨，其特征在于：所述粘结剂的制备方法为：将溶剂添加到反应釜中，60—90℃搅拌状态下加入树脂，溶剂与树脂的质量比为4：1，待树脂完全浸润溶解以后，70—80℃保温3—4h，并趁热过滤即得到粘结剂。

6.如权利要求5所述的PTC石墨烯发热油墨，其特征在于：所述树脂为环氧树脂、聚酰胺树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、不饱和聚酯树脂、纤维素树脂中的一种或按任意比例混合的多种。

7.如权利要求1、2、4、5或6中任一项所述的PTC石墨烯发热油墨，其特征在于：所述溶剂为乙二醇丁醚、二乙二醇丁醚醋酸酯、二乙二醇丁醚、乙酸正丁酯、丙二醇正丙醚、丙二醇甲醚醋酸酯、丙二醇甲醚、松油醇、松节油、柠檬酸三丁酯、混二酸二甲酯中的一种或按任意比例混合的多种。

8.如权利要求1所述的PTC石墨烯发热油墨，其特征在于：所述助剂为触变剂、流平剂、附着力促进剂、分散剂中的一种或按任意比例混合的多种。

9.一种PTC石墨烯发热油墨的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）先将粘接剂、溶剂、助剂在搅拌设备中分散20—30min，再将PTC功能材料加入到搅拌设备中搅拌8—12min，最后加入导料填料搅拌均匀，得到粗浆；

（2）将粗浆经过4—6次三辊研磨，即得到PTC石墨烯发热油墨。

10.一种发热膜，其特征在于：包括有机高分子基材膜、PTC石墨烯发热油墨、导电银浆、导电铜箔和有机高分子带胶膜，所述有机高分子基材膜、PTC石墨烯发热油墨和有机高分子带胶膜依次层叠并经过热压成型，所述导电银浆和导电铜箔作为电极固定设置在PTC石墨烯发热油墨和有机高分子带胶膜之间。