CN107525123A - 高导电超薄二维碳复合材料面发热体及其应用 - Google Patents

高导电超薄二维碳复合材料面发热体及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高导电超薄二维碳复合材料面发热体及其应用。所述面发热体包括：碳复合材料层，包括由sp2杂化结构碳材料组成的二维膜状材料，所述二维膜状材料的表面电阻为0.01Ω/sq～10Ω/sq，且在驱动电压≤60V时的功率密度为50～3000W/m2；以及，设置于所述碳复合材料层相背对的两侧的耐热绝缘层。所述面发热体的厚度为1μm～2mm。本发明的面发热体具有柔性、高强度、超薄、高稳定性等特点，在安全电压下功率可达50～3000W/m2，热转换效率达95％以上，尤其是在99％以上；加热温升达10～250℃；同时具有优异的阻燃性，无电磁辐射，亦不需电路保护模块，经济安全实用，不存在安全隐患；可以作为直接面加热源在低压电加热领域应用，例如在制备地暖或墙暖结构、低压电热家居用品中应用。

Description

高导电超薄二维碳复合材料面发热体及其应用
技术领域
本发明涉及一种二维碳复合材料，尤其涉及一种高导电高强度的超薄二维碳复合材料面发热体及其在低电压面加热领域的应用。
背景技术
目前碳材料面加热体主要应用于民用取暖领域。相比传统的水暖等取暖技术，其优点是舒适环保、高效节能、不需要维护、可各房间独立使用、寿命长。类似的电暖技术还有使用发热电缆为发热体。但发热电缆以金属丝为发热元件，其最大的缺点在于加热的均一性不高，同时金属丝因电子的流动会产生电磁波，从而对长期处在该环境下的人体产生不良影响。碳材料发热膜是面状碳材料的发热体，其发热均匀，没有电磁辐射。
然而，受制于这些碳材料本身性能及后续成膜加工工艺的影响，上述碳材料一般都具有较高的电阻，单位面积的功率较低，为了达到快速制暖的目的，现阶段均采用高电压(即通用的220V(中国)或110V(美日欧等))进行加热，加热功率一般为50～150W/m2，一旦遇水或者其他破坏性力量导致绝缘层破损，就会导致触电事故，故存在很大安全隐患。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种高导电超薄二维碳复合材料面发热体及其应用，以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种高导电超薄二维碳复合材料面发热体，其包括：
碳复合材料层，包括由sp2杂化结构碳材料组成的二维膜状材料，所述二维膜状材料的表面电阻为0.01Ω/sq～10Ω/sq，且在驱动电压≤60V时的功率密度为50～3000W/m2；
以及，设置于所述碳复合材料层相背对的两侧的耐热绝缘层。
进一步的，所述二维膜状材料在驱动电压≤6V、12V、24V、36V或42V时的功率密度为50～3000W/m2。
较为优选的，所述面发热体的厚度为1μm～2mm。
本发明实施例还提供了前述任一种高导电超薄二维碳复合材料面发热体于低电压面加热领域中的应用。
例如，本发明的一些实施例提供了如前所述的任一种高导电超薄二维碳复合材料面发热体于制备地暖结构、墙暖结构或电热家居用品中的用途。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
1.本发明提供的高导电超薄二维碳复合材料面发热体具有柔性、高强度、超薄、高稳定性等特点，同时具有优异的阻燃性，热转换效率达95％以上，尤其是在99％以上，节约能源，无电磁辐射，安全环保，并可在低电压，尤其是安全电压以下(例如6V、12V、24V、36V、42V)功率可达50～3000W/m2，且不需电路保护模块，经济安全实用，不存在安全隐患；
2.本发明提供的高导电超薄二维碳复合材料面发热体，其表面电阻仅为0.01Ω/sq～10Ω/sq，由于电阻极小，不需要额外电极进行电连接，仅需将不同面发热体进行物理搭接即可，使用方便；
3.本发明提供的高导电超薄二维碳复合材料面发热体，可以作为直接面加热源在低压电加热领域应用，例如在制备地暖设备、电热地毯、电热床垫或者踢脚线中的应用。
附图说明
图1a-图1b为本发明一典型实施例中一种高导电超薄二维碳复合材料面发热体的照片与结构示意图；
图2a为本发明一典型实施例中一种基于高导电超薄二维碳复合材料面发热体的低压电加热结构的示意图；
图2b为本发明典型实施例中另一种基于高导电超薄二维碳复合材料面发热体的低压电加热结构的示意图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明实施例提供的一种高导电超薄二维碳复合材料面发热体包括：
碳复合材料层，包括由sp2杂化结构碳材料组成的二维膜状材料，所述二维膜状材料的表面电阻为0.01Ω/sq～10Ω/sq，且在驱动电压≤60V时的功率密度为50～3000W/m2；
以及，设置于所述碳复合材料层相背对的两侧的耐热绝缘层。
较为优选的，所述面发热体的厚度为1μm～2mm。
进一步的，所述二维膜状材料具有柔性、高强度、超薄及高稳定性等特点。具体而言，所述二维膜状材料弯折一百万次以上表面电阻无变化，且拉伸强度大于100Mpa，厚度为1～1000μm，温升为10℃～250℃，高温高湿电阻变化＜5％。
其中，高温高湿是指：60℃&90RH％，240H。
进一步的，所述二维膜状材料的微观结构可以为由二维片状材料(例如石墨烯)堆叠形成的层状结构，也可为由一维线状或管状材料(例如碳纳米管)组成的网络结构。
更进一步的，所述层状结构为石墨烯薄膜或石墨烯与树脂的复合薄膜。优选的，所述层状结构中石墨烯层间距＞0.34nm。优选的，所述层状结构的厚度为1μm～500μm。
更进一步的，所述网络结构为碳纳米管薄膜、碳纳米管与树脂的复合薄膜、碳纤维薄膜或碳纤维与树脂的复合薄膜。优选的，所述网络结构所含孔洞的孔径为1nm～50nm。优选的，所述网络结构的厚度为1μm～500μm。
进一步的，所述耐热绝缘层的长期耐温为200～250℃，短期耐温为300℃，厚度为10～1000μm，击穿电压大于2KV。
本发明采用的sp2杂化结构的碳材料因共轭的电子云结构，具有很好的导电性，在通电情况下，会因碳原子之间的摩擦、碰撞从而产生大量热量，该热量主要以波长为8-14微米的远红外辐射能及传导热方式释放，总电热转换效率高达99％以上。
适用于本发明的、具有sp2杂化结构的碳材料主要有碳纳米管、石墨烯、碳纤维、石墨及导电炭黑等中的任一种或多种的组合。
例如，所述二维膜状材料可以包括纯碳纳米管加热膜、碳纳米管复合加热膜、人工石墨片加热膜(如PI膜碳化石墨化后的产物)、石墨烯加热膜、石墨烯复合加热膜、石墨复合加热膜、纯碳纤维编织加热膜、碳纤维复合加热膜中的任意一种或两种以上的组合。
优选的，前述耐热绝缘层可以由耐温性极佳的高分子材料组成，例如，前述耐热绝缘层的组成材料包括环氧树脂、橡胶、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、硅胶树脂中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
在一些实施方案中，所述耐热绝缘层是通过印刷、涂布、喷涂和气溶胶中的至少一种方式结合于基材表面或二维膜状材料表面。
在一些实施方案中，所述二维膜状材料是通过印刷、涂布、喷涂和气溶胶中的至少一种方式形成于基材表面。
作为优选实施方案之一，所述高分子材料绝缘层由耐温性极佳的高分子材料组成，并通过喷涂、涂布涂层和两侧贴合带胶的保护膜中的任意一种方式与所述碳复合材料层贴合。
更为优选的，所述涂层具有极佳的耐温性，可以为环氧树脂粘结剂、弹性树脂(如橡胶弹性体)，也可以为环氧树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、硅胶树脂中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
进一步的，所述带胶的保护膜包括基材与胶层，具有极佳的耐温性。
其中，所述基材包括PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PI(聚酰亚胺)、PDMS(聚二甲基硅氧烷)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PP(聚丙烯)和PC(聚碳酸酯)中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
其中，所述胶层可以为环氧树脂粘结剂、弹性树脂(如橡胶弹性体)，也可以为环氧树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、硅胶树脂中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
本发明的高导电超薄二维碳复合材料面发热体作为面热源，可在低电压，尤其是在安全电压下功率可达50～3000W/m2，热转换效率达95％以上，尤其是达99％以上，且不需电路保护模块，安全、经济，同时还具有优异的阻燃性，无电磁辐射，安全环保。
本发明的高导电超薄二维碳复合材料面发热体可以作为直接面加热源在低压电加热领域应用。
其中，当利用所述面发热体构建大面积的面热源时，可通过将多个所述面发热体中的二维膜状材料的任意部位直接接触(例如使其边缘部直接相互搭接)，即可实现两者的良好电连接，而无需再在各面发热体之间另行添加任何额外的金属导线、电极等。
相应的，本发明实施例还提供了一种面热源，其包括复数个所述的高导电超薄二维碳复合材料面发热体，其中相邻两个所述面发热体中的二维膜状材料直接接触而使该相邻两个面发热体电连接。
本发明实施例提供了前述任一种高导电超薄二维碳复合材料面发热体于制备地暖结构、墙暖结构或电热家居用品中的用途。
在一些实施方案中，一类地暖结构或墙暖结构包括：
设于地面上的地板或地砖，或者，设于墙面上的贴脚线；
以及，设于所述地板或地砖下方或上方的、如前所述的任一种高导电超薄二维碳复合材料面发热体，或者，设于所述贴脚线表面或所述贴脚线与墙面之间的、如前所述的任一种高导电超薄二维碳复合材料面发热体。
进一步的，所述地面或墙面上还设有保温层，所述高导电超薄二维碳复合材料面发热体设置于保温层与地板或地砖或贴脚线之间。
进一步的，所述地板或地砖或贴脚线上还设有装饰层，所述高导电超薄二维碳复合材料面发热体设置于装饰层与地板或地砖或贴脚线之间。
进一步的，所述地板、地砖或贴脚线包括实木地板、实木多层地板、强化地板、瓷砖、大理石板或砖，或者PVC板，但不限于此。
在一些较为具体的实施案例中，可以将所述高导电超薄二维碳复合材料面发热体作为直接面加热源应用于地暖领域，其结构有如下两种：a)与现有水暖、电暖方式相同的，位于地板或地砖之下，水泥地面找平后铺设的保温层之上；b)位于既有地板之上，但其上再帖敷装饰性地板或类似结构。
在一些较为具体的实施案例中，可以将所述高导电、超薄二维碳复合材料面发热体作为直接面加热源应用于踢脚线，其结构有如下两种：a)位于踢脚线之下，墙面的保温层之上；b)位于既有踢脚线之上，但其上再帖敷装饰性地板或类似结构。
在一些实施方案中，一类电热家居用品包括：
织物或皮革，
以及，结合于所述织物或皮革表面和/或设置于所述织物或皮革内部的、如前所述的任一种高导电超薄二维碳复合材料面发热体。
进一步的，所述电热家居用品包括电热地毯，所述电热地毯包括地毯本体，所述高导电超薄二维碳复合材料面发热体设于地毯本体下方或者设于地毯本体内部。
进一步的，所述电热家居用品包括电热床垫，所述电热床垫包括床垫本体，所述高导电超薄二维碳复合材料面发热体设于床垫本体下方或者设于床垫本体内部。
在一些实施方案中，一类电热家居用品包括电取暖器，所述电取暖器包括取暖器外壳及吹风装置，所述取暖器内部设有前述的任一种高导电超薄二维碳复合材料面发热体。
在一些较为具体的实施案例中，可以将所述高导电超薄二维碳复合材料面发热体作为直接面加热源置于织物和皮革内作为电热地毯或电热床垫，其结构有如下两种：a)发热体位于现有地毯/床垫之下；b)发热体位于现有地毯/床垫之内。
以下结合若干实施例及附图对本发明的技术方案作进一步的解释说明。
请参阅图1a-图1b所示为本发明一典型实施例中一种高导电超薄二维碳复合材料面发热体10的照片及结构示意图，其主要由碳复合材料层11以及位于其两侧的耐温性极佳的高分子材料绝缘层12组成。
其中，所述碳复合材料层11包括主要由sp2杂化结构碳材料(碳纳米管、石墨烯、碳纤维、石墨及导电炭黑中的一种或多种，优选如碳纳米管等)或所述碳材料与其它材料复合组成的二维膜状材料(优选由所述碳材料组成，例如可以是碳纳米管膜、石墨烯膜等等)，该二维膜状材料的厚度优选为1～1000μm，其微观结构可以为由二维片状材料堆叠形成的层状结构，也可为由一维线状或管状材料组成的网络结构。进一步的，所述二维膜状材料具有柔性、高强度、超薄及高稳定性等特点，例如其弯折一百万次以上表面电阻无变化，且拉伸强度大于100Mpa，厚度为1～1000μm，温升为10℃～250℃，高温高湿(60℃&90RH％，240H)电阻变化＜5％。
其中，所述高分子材料绝缘层12可以主要由耐温性极佳的高分子材料(例如环氧树脂、橡胶、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、硅胶树脂中的一种或多种)组成，厚度优选为10～1000μm，其长期耐温为200～250℃，短期耐温为300℃，厚度为10～1000μm，击穿电压大于2KV。
进一步优选的，所述面发热体的厚度为1μm～2mm，其兼具良好柔性、高强度、超薄、高稳定性、高阻燃性等特点，在安全电压(60V)以下功率可达50～3000W/m2，热转换效率达95％以上，尤其是达99％以上，无电磁辐射，安全环保，经济安全实用，不存在安全隐患。
进一步的，所述面发热体的表面电阻仅为0.01Ω/sq～10Ω/sq，其不需要额外电极进行电连接，仅需将不同面发热体进行物理搭接即可，使用方便。
请参阅图2a与图2b本发明一些典型实施例中一种基于高导电超薄二维碳复合材料面发热体的低压电加热产品结构图。例如，该产品结构有如下两种：如图2a所示，所述高导电超薄二维碳复合材料面发热体10位于地板/踢脚线/地毯/床垫20之下。或者，如图2b所示，所述高导电超薄二维碳复合材料面发热体10位于地板/踢脚线/地毯/床垫20之内。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种高导电超薄二维碳复合材料面发热体，其特征在于包括：
碳复合材料层，包括主要由sp2杂化结构碳材料组成的二维膜状材料，所述二维膜状材料的表面电阻为0.01Ω/sq～10Ω/sq，且在驱动电压≤60V时的功率密度为50～3000W/m2；
以及，设置于所述碳复合材料层相背对的两侧的耐热绝缘层。
2.根据权利要求1所述的高导电超薄二维碳复合材料面发热体，其特征在于：
所述二维膜状材料在驱动电压≤6V、12V、24V、36V或42V时的功率密度为50～3000W/m2：
和/或，所述二维膜状材料弯折一百万次以上表面电阻无变化，且拉伸强度大于100Mpa，厚度为1～1000μm，温升为10℃～250℃，高温高湿电阻变化＜5％；
和/或，所述二维膜状材料包含由二维片状材料堆叠形成的层状结构或者由一维线状或管状材料组成的网络结构；
和/或，所述耐热绝缘层的长期耐温为200～250℃，短期耐温为300℃，厚度为10～1000μm，击穿电压大于2KV。
3.根据权利要求2所述的高导电超薄二维碳复合材料面发热体，其特征在于：所述层状结构为石墨烯薄膜或石墨烯与树脂的复合薄膜；和/或，所述层状结构中石墨烯层间距＞0.34nm；和/或，所述层状结构的厚度为1μm～500μm；和/或，所述网络结构为碳纳米管薄膜、碳纳米管与树脂的复合薄膜、碳纤维薄膜或碳纤维与树脂的复合薄膜；和/或，所述网络结构所含孔洞的孔径为1nm～50nm；和/或，所述网络结构的厚度为1μm～500μm。
4.根据权利要求1所述的高导电超薄二维碳复合材料面发热体，其特征在于：所述面发热体的厚度为1μm～2mm；和/或，所述sp2杂化结构碳材料包括碳纳米管、石墨烯、碳纤维、石墨及导电炭黑中的任意一种或两种以上的组合。
5.根据权利要求4所述的高导电超薄二维碳复合材料面发热体，其特征在于：所述二维膜状材料包括纯碳纳米管加热膜、碳纳米管复合加热膜、人工石墨片加热膜、石墨烯加热膜、石墨烯复合加热膜、石墨复合加热膜、纯碳纤维编织加热膜、碳纤维复合加热膜中的任意一种或两种以上的组合。
6.根据权利要求1所述的高导电超薄二维碳复合材料面发热体，其特征在于：所述耐热绝缘层的组成材料包括环氧树脂、橡胶、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、硅胶树脂中的任意一种或两种以上的组合。
7.根据权利要求1或6所述的高导电超薄二维碳复合材料面发热体，其特征在于：所述耐热绝缘层是通过印刷、涂布、喷涂和气溶胶中的至少一种方式结合于基材表面或二维膜状材料表面；和/或，所述二维膜状材料是通过印刷、涂布、喷涂和气溶胶中的至少一种方式形成于基材表面。
8.根据权利要求7所述的高导电超薄二维碳复合材料面发热体，其特征在于：所述基材的材质包括PET、PI、PDMS、PMMA、PP和PC中的任意一种或两种以上的组合。
9.面热源，其特征在于包括复数个权利要求1-8中任一项所述的高导电超薄二维碳复合材料面发热体，其中相邻两个所述面发热体中的碳复合材料层直接接触而使该相邻两个面发热体电连接。
10.权利要求1-8中任一项所述的高导电超薄二维碳复合材料面发热体于制备地暖结构、墙暖结构或电热家居用品中的用途。
11.地暖结构或墙暖结构，其特征在于包括：
设于地面上的地板或地砖，或者，设于墙面上的贴脚线；
以及，设于所述地板或地砖下方或上方的、如权利要求1-8中任一项所述的高导电超薄二维碳复合材料面发热体，或者，设于所述贴脚线表面或所述贴脚线与墙面之间的、如权利要求1-8中任一项所述的高导电超薄二维碳复合材料面发热体。
12.根据权利要求11所述的地暖结构，其特征在于：所述地面或墙面上还设有保温层，所述高导电超薄二维碳复合材料面发热体设置于保温层与地板或地砖或贴脚线之间；或者，所述地板或地砖或贴脚线上还设有装饰层，所述高导电超薄二维碳复合材料面发热体设置于装饰层与地板或地砖或贴脚线之间；和/或，所述地板、地砖或贴脚线包括实木地板、实木多层地板、强化地板、瓷砖、大理石板或砖，或者PVC板。
13.电热家居用品，其特征在于包括：
织物或皮革，
以及，结合于所述织物或皮革表面和/或设置于所述织物或皮革内部的、如权利要求1-8中任一项所述的高导电超薄二维碳复合材料面发热体。
14.根据权利要求13所述的电热家居用品，其特征在于：所述电热家居用品包括电热地毯，所述电热地毯包括地毯本体，所述高导电超薄二维碳复合材料面发热体设于地毯本体下方或者设于地毯本体内部；或者，所述电热家居用品包括电热床垫，所述电热床垫包括床垫本体，所述高导电超薄二维碳复合材料面发热体设于床垫本体下方或者设于床垫本体内部。
15.电热家居用品，其特征在于包括电取暖器，所述电取暖器包括取暖器外壳及吹风装置，所述取暖器内部设有权利要求1-8中任一项所述的高导电超薄二维碳复合材料面发热体。
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