CN108559226A - 一种石墨烯发热膜 - Google Patents

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Abstract

本发明属于发热材料领域，具体涉及一种石墨烯发热膜，包括成膜组分与固化剂，固化剂的用量能保证成膜组分交联固化成膜；其中，成膜组分包括如下质量百分含量的各物质：分散剂1‑5％，催化剂3‑8％，导电填料33‑61％，成膜树脂37‑58％，分散剂包括如下分子结构的物质：其中，n为5‑20的整数；R1为5‑18碳原子的烷基，R2为5‑18碳原子的烷基。其能保证发热膜能均匀发热，提高使用的安全性能。

Description

一种石墨烯发热膜
技术领域
本发明属于发热材料领域，具体涉及一种石墨烯发热膜。
背景技术
在寒冷的冬天，特别是北方，不仅室内需要取暖，户外活动的人也需要取暖。设计一种适合室内和室外活动的发热材料是解决取暖的重要途径。其中，发热膜是解决取暖重要的技术手段，它可以根据需要进行任意的剪裁，使用范围也从室内扩展到室外。因而受消费者的青睐。
所谓的发热膜是一种厚度0.25-2毫米的导热膜，其能通过涂覆在纤维或塑料薄膜之上使用；也能利用叠层技术，将涂覆后的薄膜夹在两个塑料薄膜之间，构成厚度为1-3毫米厚的膜。这种发热膜能通电加热，并借助红外辐射传递热能，使房间或加热部位温差小，提高人体舒适度；且其与一般的加热材料相比，发热膜能节省35％的能源。
为了在发热膜中实现安全、均匀加热，如何制备加热导电、辐射材料是技术关键。在已有的材料中，碳材料是最佳的选择，其中，近年来的石墨烯材料更是引起了人们的高度关注。从石墨烯的能带结构可知，单层石墨烯在电场为零时，导电载流子浓度为零，称“狄拉克点”；在距离狄拉克点较远的地方，石墨烯中只有单一的载流子，负栅压使石墨烯成为电子导电，最终使器件的电阻率发生从几千欧到几百欧姆的变化；在狄拉克点附近，此时载流子的浓度最小，电阻率最大。根据石墨烯此种特性为基础，开发了温度可控、可调节的石墨烯发热膜，其结构稳定，其低电阻率，可耐受极高的饱和电流，轻松实现低品位能源到高品位应用的转化，具有高饱和电流、高导热系数，单位面积功率高，具有发热快、传热快、发热均匀的特性。石墨烯膜是百分之百的碳，它产生远红外辐射，波段在发射的6～15μm，有良好的医疗、理疗作用；能有效激活身体细胞核酸蛋白质等生物分子，改善血液循环，增强新陈代谢；具有良好的消炎、镇痛等健康理疗效果，可实现保暖和健康理疗的双重功效。
石墨烯发热膜发热释放出来的远红外波长与人体波长接近，集中5.6～15μm之间。由于石墨烯发热膜具有低电压高热量、安全轻薄便利等特性，石墨烯发热膜可广泛用于智能可穿戴领域、家庭智能取暖领域、家纺居家用品领域以及军工领域。
现有技术中国专利CN103338538A一种石墨烯辐射发热膜及其制备方法和应用，它是将石墨烯浆料涂覆在纤维面料表面形成的膜，石墨烯浆料由下列组分按照重量份混合后形成：石墨烯粉末3～5份，远红外发射剂1～3份，粘结稀释剂4～6份。其制备方法是：称取3～5重量份的石墨烯粉末，1～3重量份的远红外发射剂，4～6重量份的粘结稀释剂，首先将石墨烯粉末与远红外发射剂混合后搅拌均匀，然后加入粘结稀释剂混合后形成浆料；将浆料均匀涂覆在纤维面料表面形成膜，晾干或烘干后形成石墨烯辐射发热膜。
另外，除了石墨烯外，其它的碳材料也有同样的作用，研究表明，随着碳材料的导电填料填充量的增加，涂层电阻率降低；在低填充量时伏安特性曲线为直线，符合欧姆定律，高填充量时非线性度提高；若单纯考虑电性能，以石墨为填料的导电油墨的稳定性比炭黑的要好。在相同填充量的情况下，以炭黑为填料的导电油墨的电阻率比石墨低；对于混合填料填充体系来说，电阻率较单组分导电填料填充体系有大幅降低。
但是，目前的发热膜存在的问题是，填料分散不均匀，导致局部温度过高，致使发热膜存在一定的灼伤或起火的安全隐患，因此，改变材料分散性，保证材料的发热效率是需要解决的问题的关键。
发明内容
本发明提供一种石墨烯发热膜，其能保证发热膜均匀发热，提高使用的安全性能。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为，一种石墨烯发热膜，包括成膜组分与固化剂，固化剂的用量能保证成膜组分交联固化成膜；
其中，成膜组分包括如下质量百分含量的各物质：
分散剂包括如下分子结构的物质：
其中，n为5-20的整数；R1为5-18碳原子的烷基，R2为5-18碳原子的烷基。
分散剂的制备过程如下:
步骤一、
步骤二、
其中，步骤一的反应温度为110℃，反应时间为5小时；步骤二的反应温度为150℃，反应时间为3.5小时。
作为本发明改进的技术方案，成膜组分与固化剂的质量比为15:1。
作为本发明改进的技术方案，催化剂包括如下分子结构的物质：
中的一种或几种。
作为本发明改进的技术方案，导电填料包括石墨烯、乙炔黑、碳纳米管以及鳞片状石墨中的一种或几种。
作为本发明改进的技术方案，导电填料包括石墨烯、乙炔黑与碳纳米管，石墨烯、乙炔黑与碳纳米管的质量比为(5-10)：(18-31)：(10-20)。
作为本发明改进的技术方案，碳纳米管的尺寸为10-100纳米。
作为本发明改进的技术方案，成膜树脂包括油性树脂、水性树脂中的一种或两种；成膜树脂为油性树脂时，固化剂包括在中，k为1-6中的整数；成膜树脂为水性树脂时，固化剂包括甲醚化氨基树脂。
作为本发明改进的技术方案，成膜树脂包括丙烯酸树脂、环氧树脂、有机硅树脂、聚氨酯树脂以及含氯树脂中的一种或几种。
作为本发明改进的技术方案，含氯树脂包括过氯醚树脂、氯乙烯树脂、氯醋树脂中的一种或两种。
有益效果
一是重新设计分散剂，在导电填料用量相同的情况下通过将导电填料均匀分散，实现在相同耗能情况下具有高的热转化率，同时热分散均匀，避免局部过热的情况；
二是设定导电填料，降低发热膜的电阻率；
三是控制成膜树脂，保证本申请的发热膜具有足够的韧性，能够任意弯曲并任意裁剪。
本申请中导电填料、成膜树脂以及分散剂在制备发热膜时，由于三者间的协同作用，使得发热膜具有质轻、柔性可弯曲、易裁剪、发热高效性、使用安全性、移动发热性、控温精确性和穿着舒适性等特点，还具备发热时产生远红外线的性能，向特定部位发射远红外线能使服装具有热敷保健的功能。
本申请的发热膜由于质量轻，可弯曲，转化率高，依据部位大小可以任意剪裁，并能以独立的附件形式和衣服本体组合一起的或者用魔术贴、暗扣来固定其与服装的结合，可拆卸进行清洗等功能，能用于符合人体工程学的保暖充电服；还能用于具有理疗功效的老年保健产品；同时其能接上多功能USB插口，可方便地给不同电子设备充电。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本申请实施例对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请一种石墨烯发热膜，包括成膜组分与固化剂，固化剂的用量能保证成膜组分交联固化成膜；
其中，成膜组分包括如下质量百分含量的各物质：
具体使用时先将成膜组分的各物质搅拌混合均匀，在砂磨机上研磨至粒径为1-5微米；加入固化剂并搅拌均匀，并在基材上涂布，在150℃下烘半小时，测定电阻；
其中，本申请所采用的分散剂包括如下分子结构的物质：
其中，n为5-20的整数；R1为5-18碳原子的烷基，R2为5-18碳原子的烷基；
分散剂的制备过程如下:
步骤一、
步骤二、
其中，步骤一的反应温度为110℃，反应时间为5小时；步骤二的反应温度为150℃，反应时间为3.5小时。
关于成膜树脂，有如下几种选择，成膜树脂包括油性树脂；具体的能选为油性丙烯酸树脂、油性环氧树脂、油性有机硅树脂、油性聚氨酯树脂以及油性含氯树脂中的一种或几种；油性含氯树脂包括油性氯醚树脂、油性过氯乙烯树脂、油性氯醋树脂中的一种或两种。
选用油性树脂时，固化剂包括
其中，这里k为1-6中的整数，是采用如下步骤制备而成：
即为酸与多烯胺的反应。
成膜树脂包括水性树脂；水性树脂包括水性丙烯酸树脂、水性环氧树脂、水性有机硅树脂、水性聚氨酯树脂以及水性含氯树脂中的一种或几种。水性含氯树脂包括水性氯醚树脂、水性过氯乙烯树脂、水性氯醋树脂中的一种或两种。
采用水性树脂时，固化剂包括甲醚化氨基树脂。
成膜树脂同时包括水性树脂与油性树脂，水性树脂与油性树脂根据设计场地进行限定，如用于外衣保暖，那么水性树脂与油性树脂优选为油性树脂的含量小于水性树脂的含量，主要是减小有机溶剂的用量提高发热膜使用时的安全性；如用于贴身服饰，则主要要求用水性树脂，避免使用油性树脂时固化成膜后加热导致发热膜中未完全挥发的有机溶剂挥发对人体造成伤害；如用于活动场地，则可完全选用油性树脂，或者油性树脂的含量大于水性树脂的含量。
实施例1
一种石墨烯发热膜，包括成膜组分与固化剂，成膜组分与固化剂的质量比为15:1；固化剂为
其中，成膜组分包括如下质量百分含量的各物质：
其中，本申请所采用的分散剂包括如下分子结构的物质：
催化剂包括：
应用时，首先，将成膜组分按照配比搅拌混合，在砂磨机上研磨，当研磨粒径达到1-5微米时，按照成膜组分/固化剂＝15/1的质量比，加入固化剂，搅拌均匀后，在基材上涂布，在150摄氏度烘干半小时，在测定其电阻，测试数值为6Ω；工作时，工作电压为24V，产热量为115W，辐射的红外波长为4-14微米。
实施例2
一种石墨烯发热膜，包括成膜组分与固化剂，成膜组分与固化剂的质量比为15:1；固化剂为
其中，成膜组分包括如下质量百分含量的各物质：
其中，本申请所采用的分散剂包括如下分子结构的物质：
催化剂包括如下分子结构的物质：
具体使用时先将成膜组分的各物质搅拌混合均匀，在砂磨机上研磨至粒径为1-5微米；加入固化剂并搅拌均匀，并在基材上涂布，在150℃下烘半小时，测定电阻；电阻为6Ω；工作时，工作电压为24V，产热量为110W，辐射的红外波长为4-14微米。
实施例3
一种石墨烯发热膜，包括成膜组分与固化剂，成膜组分与固化剂的质量比为15:1；固化剂
其中，成膜组分包括如下质量百分含量的各物质：
其中，本申请所采用的分散剂包括如下分子结构的物质：
催化剂包括如下分子结构的物质：
具体使用时先将成膜组分的各物质搅拌混合均匀，在砂磨机上研磨至粒径为1-5微米；加入固化剂并搅拌均匀，并在基材上涂布，在150℃下烘半小时，测定电阻；测定值为6Ω，工作时，工作电压为24V，产热量为118W，辐射的红外波长为4-14微米。
实施例4
一种石墨烯发热膜，包括成膜组分与固化剂，成膜组分与固化剂的质量比为15:1；固化剂为
其中，成膜组分包括如下质量百分含量的各物质：
其中，本申请所采用的分散剂包括如下分子结构的物质：
催化剂包括如下分子结构的物质：
具体使用时先将成膜组分的各物质搅拌混合均匀，在砂磨机上研磨至粒径为1-5微米；加入固化剂并搅拌均匀，并在基材上涂布，在150℃下烘半小时，测定电阻；测定值为5Ω，工作时，工作电压为24V，产热量为120W，辐射的红外波长为4-14微米。
实施例5
一种石墨烯发热膜，包括成膜组分与固化剂，成膜组分与固化剂的质量比为15:1；固化剂为
其中，成膜组分包括如下质量百分含量的各物质：
其中，本申请所采用的分散剂包括如下分子结构的物质：
催化剂包括如下分子结构的物质：
具体使用时先将成膜组分的各物质搅拌混合均匀，在砂磨机上研磨至粒径为1-5微米；加入固化剂并搅拌均匀，并在基材上涂布，在150℃下烘半小时，测定电阻；测定值为6Ω，工作时，工作电压为24V，产热量为110W，辐射的红外波长为4-14微米。
实施例6
一种石墨烯发热膜，包括成膜组分与固化剂，成膜组分与固化剂的质量比为15:1；固化剂包括甲醚化氨基树脂；
其中，成膜组分包括如下质量百分含量的各物质：
其中，本申请所采用的分散剂包括如下分子结构的物质：
催化剂包括如下分子结构的物质：
与二者为任意质量比，本实施例选为1:1。
具体使用时先将成膜组分的各物质搅拌混合均匀，在砂磨机上研磨至粒径为1-5微米；加入固化剂并搅拌均匀，并在基材上涂布，在150℃下烘半小时，测定电阻；测定值为6Ω，工作时，工作电压为24V，产热量为95W，辐射的红外波长为4-14微米。
实施例7
一种石墨烯发热膜，包括成膜组分与固化剂，成膜组分与固化剂的质量比为15:1；固化剂包括甲醚化氨基树脂；
其中，成膜组分包括如下质量百分含量的各物质：
其中，本申请所采用的分散剂包括如下分子结构的物质：
催化剂包括如下分子结构的物质：
具体使用时先将成膜组分的各物质搅拌混合均匀，在砂磨机上研磨至粒径为1-5微米；加入固化剂并搅拌均匀，并在基材上涂布，在150℃下烘半小时，测定电阻；测定值为5Ω，工作时，工作电压为24V，产热量为125W，辐射的红外波长为4-14微米。
对比例1
与实施例1的区别在于，成膜组分与固化剂的质量比为10:1，电阻测定值为10Ω，工作时，工作电压为24V，产热量为61W，辐射的红外波长为4-14微米。
对比例2
与实施例1的区别在于，导电填料包括石墨烯、乙炔黑、碳纳米管以及鳞片状石墨中，石墨烯、乙炔黑、碳纳米管以及鳞片状石墨的质量比为1:0.5:3:0.1，电阻测定值为6Ω，工作时，工作电压为24V，产热量为100W，辐射的红外波长为4-14微米。
对比例3
与实施例1的区别在于，碳纳米管的尺寸为1微米，电阻测定值为10Ω，工作时，工作电压为24V，产热量为70W，辐射的红外波长为4-14微米。
对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种石墨烯发热膜，其特征在于，包括成膜组分与固化剂，固化剂的用量能保证成膜组分交联固化成膜；
其中，成膜组分包括如下质量百分含量的各物质：
分散剂包括如下分子结构的物质：
其中，n为5-20的整数；R1为5-18碳原子的烷基，R2为5-18碳原子的烷基。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯发热膜，其特征在于，分散剂的制备过程如下:
步骤一、
步骤二、
其中，步骤一的反应温度为110℃，反应时间为5小时；步骤二的反应温度为150℃，反应时间为3.5小时。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯发热膜，其特征在于，成膜组分与固化剂的质量比为15:1。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯发热膜，其特征在于，催化剂包括如下分子结构的物质：
中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯发热膜，其特征在于，导电填料包括石墨烯、乙炔黑、碳纳米管以及鳞片状石墨中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯发热膜，其特征在于，导电填料包括石墨烯、乙炔黑与碳纳米管，石墨烯、乙炔黑与碳纳米管的质量比为(5-10)：(18-31)：(10-20)。
7.根据权利要求5或6所述的一种石墨烯发热膜，其特征在于，碳纳米管的尺寸为10-100纳米。
8.根据权利要求1所述的一种石墨烯发热膜，其特征在于，成膜树脂包括油性树脂、水性树脂中的一种或两种；成膜树脂为油性树脂时，固化剂包括在中，k为1-6中的整数；成膜树脂为水性树脂时，固化剂包括甲醚化氨基树脂。
9.根据权利要求1所述的一种石墨烯发热膜，其特征在于，成膜树脂包括丙烯酸树脂、环氧树脂、有机硅树脂、聚氨酯树脂以及含氯树脂中的一种或几种。
10.根据权利要求9所述的一种石墨烯发热膜，其特征在于，含氯树脂包括氯醚树脂、过氯乙烯树脂、氯醋树脂中的一种或两种。
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