CN109862633A - 一种石墨烯电热膜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨烯电热膜，其包括第一绝缘保护层、石墨烯加热层和第二绝缘保护层，以及用于给石墨烯加热层通电的导体，石墨烯电热膜还包括位于第一绝缘保护层与石墨烯加热层之间和/或第二绝缘保护层与石墨烯加热层之间的蓄热缓释层；其中，蓄热缓释层由蓄热缓释浆料制成，蓄热缓释浆料包含蓄热填料、第一树脂，蓄热填料的导热系数为15‑50 W•m^‑1•K^‑1；本发明能够实现石墨烯电热膜在使用过程中匀速逐步升温以及在断电后缓慢降温，同时还能够确保电热膜各处温度较均匀。

Description

一种石墨烯电热膜

技术领域

本发明具体涉及一种石墨烯电热膜。

背景技术

石墨烯(Graphene)具有很多优异物理化学性质，其在储能材料，环境工程，灵敏传感方面被广泛应用，而且潜在的应用前景广大，目前已成为全世界的关注焦点与研究热点，石墨烯由于其超强的热稳定性、化学稳定性、机械稳定性以及高透光性和电子迁移率等优点，因而被认为是制备膜材料最佳的材料之一。

近些年来，石墨烯电热膜，又称石墨烯发热膜或石墨烯加热膜，已经在逐步应用于民用领域，通常的石墨烯电热膜包括石墨烯发热层以及涂覆在石墨烯膜发热层上下两层的绝缘保护层，众所周知，石墨烯电热膜有合适的电阻率，超快的加热速率，极高的导热性和快速散热能力，几乎没有热惯性，能迅速将热量传导到其它材料，这也是其它结构碳材料和金属材料难以达到的；但是，正式由于石墨烯电热膜超快的加热速率、极高的导热性和快速散热能力，在使用过程中会出现急速升温以及在断电后急速降温的现象，同时会出现发热膜温度不均匀的现象，这很大程度上限制了石墨烯电热膜的适用范围。

例如中国专利CN205946199U，其公开了一种生物发酵罐体保温用石墨烯电热膜，包括石墨烯膜，所述的石墨烯膜的上表面设置第一绝缘保护层，所述的石墨烯膜的下表面设置第二绝缘保护层，所述的第二绝缘保护层的下表面设置保温层；所述的第一绝缘保护层和第二绝缘保护层均为PET绝缘膜，所述的保温层为PVC保温膜，所述的第一绝缘保护层和第二绝缘保护层的厚度均为100～110μm，所述的PVC保温膜的厚度为2～3cm，所述的石墨烯膜的厚度为20～22μm。此专利虽然采用PVC保温膜进行隔热保温，但是并未解决发热膜急速升温的问题，而且也会出现发热膜温度不均匀的现象。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中的不足，提供一种改进的石墨烯电热膜，其能够实现石墨烯电热膜在使用过程中匀速逐步升温以及在断电后缓慢降温，同时还能够确保电热膜各处温度较均匀。

为解决以上技术问题，本发明采取的技术方案如下：

一种石墨烯电热膜，所述石墨烯电热膜包括第一绝缘保护层、石墨烯加热层和第二绝缘保护层，以及用于给所述石墨烯加热层通电的导体，所述石墨烯电热膜还包括位于所述第一绝缘保护层与所述石墨烯加热层之间和/或所述第二绝缘保护层与所述石墨烯加热层之间的蓄热缓释层；其中，所述蓄热缓释层由蓄热缓释浆料制成，所述蓄热缓释浆料包含蓄热填料、第一树脂，所述蓄热填料的导热系数为15-50W·m^-1·K^-1。

根据本发明的一些优选方面，所述蓄热填料的导热系数为20-40W·m^-1·K^-1。

根据本发明的一些优选方面，所述蓄热填料的比热容为300-1200J·K^-1·Kg^-1。更优选地，所述蓄热填料的比热容为400-1000J·K^-1·Kg^-1。

根据本发明的一些优选方面，所述蓄热填料为选自氧化铝粒子、白炭黑粒子和氧化锌粒子中的一种或多种的组合。

根据本发明的一些优选方面，以质量份数计，所述蓄热缓释浆料包含蓄热填料10-30份、第一树脂10-40份、溶剂1-30份、第一助剂0-10份。

根据本发明的一些具体且优选的方面，所述第一树脂为选自水性聚氨酯树脂、水性丙烯酸树脂、水性醇酸树脂、环氧树脂、酚醛树脂和硅丙树脂中的一种或多种的组合。

根据本发明的一些具体且优选的方面，所述第一助剂为选自分散剂、消泡剂、pH调节剂和增稠剂中的一种或多种的组合。

根据本发明的一些具体方面，所述分散剂为选自聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸钠盐、聚丙烯酸钾盐、聚羧酸钠盐、聚氧乙烯改性剂中的一种或几种；所述消泡剂为选自聚硅氧烷类消泡剂、有机硅消泡剂、硅酮类消泡剂中的一种或几种；所述pH调节剂为选自二甲基乙醇胺、二乙基乙醇胺中的一种或几种；所述增稠剂为选自聚氨酯缔合型增稠剂、甲基羟丙基纤维素和聚丙烯酸类增稠剂中的一种或几种。

根据本发明的一些具体且优选的方面，所述蓄热缓释浆料通过如下方法制备而得：按配方称取各原料，将所述蓄热填料、所述溶剂和所述第一树脂混合，然后加入所述第一助剂，混合形成浆料，再研磨所述浆料至粒径在50μm以下，即制成。根据本发明的一些具体方面，所述溶剂为去离子水。

根据本发明的一些优选方面，所述蓄热缓释层的厚度为1-1000μm。

根据本发明的一些优选方面，所述石墨烯电热膜还包括热量反射层；

当所述蓄热缓释层位于所述第一绝缘保护层与所述石墨烯加热层之间或所述第二绝缘保护层与所述石墨烯加热层之间时，所述热量反射层与所述蓄热缓释层分列于所述石墨烯加热层的两侧；

当所述第一绝缘保护层与所述石墨烯加热层之间、所述第二绝缘保护层与所述石墨烯加热层之间分别具有所述蓄热缓释层时，所述热量反射层位于所述第一绝缘保护层与所述蓄热缓释层之间或所述第二绝缘保护层与所述蓄热缓释层之间。

根据本发明的一些优选方面，所述热量反射层的厚度为1-500μm。

根据本发明的一些优选方面，所述热量反射层的材质为金属铝箔。根据本发明的一个具体方面，所述金属铝箔的表面进行了绝缘处理。

根据本发明的一些优选方面，所述石墨烯加热层由石墨烯导电油墨制成，以质量份数计，所述石墨烯导电油墨包含石墨烯浆料20-60份、第二树脂10-40份和第二助剂0-10份，其中所述石墨烯浆料为层数在5层以内的薄层石墨烯分散于水中而制成的水性浆料。

根据本发明的一些具体方面，所述石墨烯浆料的固含量为1-20％。

根据本发明的一些优选方面，所述石墨烯加热层的厚度为1-500μm。

在本发明的一些实施方式中，所述石墨烯电热膜的结构中所述石墨烯加热层与所述蓄热缓释层分别可以具有多个，包括但不限于在所述第二绝缘保护层与所述石墨烯加热层之间依次增设一层石墨烯加热层、蓄热缓释层等。

根据本发明的一些具体且优选的方面，所述第二树脂为选自水性聚氨酯树脂、水性丙烯酸树脂、水性醇酸树脂、环氧树脂、酚醛树脂和硅丙树脂中的一种或多种的组合。

根据本发明的一些具体且优选的方面，所述第二助剂为选自分散剂、消泡剂、pH调节剂和增稠剂中的一种或多种的组合。

根据本发明的一些具体且优选的方面，所述第二绝缘保护层的材质为选自PET膜、PE膜、PVC膜、EVA膜、PI膜、FEP膜中的一种或多种的组合。

根据本发明的一些具体方面，所述分散剂为聚氧化乙烯；所述消泡剂为选自聚硅氧烷类消泡剂、有机硅消泡剂和硅酮类消泡剂中的一种或多种的组合；所述PH调节剂为二甲基乙醇胺和/或二乙基乙醇胺；所述增稠剂为聚丙烯酸酯增稠剂DN-2222。

在本发明的一些实施方式中，所述导体可由银浆载流体和/或铜箔构成，同时包括但不限于上述具体种类，只要能够应用于本发明的石墨烯电热膜中并能够向石墨烯加热层供电即可。

本发明中，“蓄热缓释层”是指利用其中含有的蓄热填料先行进行吸热储热，然后逐渐的向外传递热量，同时使热量更加均匀地传递出去。

本发明中，“第一、第二”的描述仅仅为了描述方便，避免混淆，不区分先后。

由于以上技术方案的采用，本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明的石墨烯电热膜，通过采用特定的蓄热填料制成蓄热缓释浆料，而后形成石墨烯电热膜结构中的蓄热缓释层，其实现了石墨烯电热膜在使用过程中匀速逐步升温以及在断电后缓慢降温，同时还能够使得整个区域各处温度较均匀，避免了现有技术中加热降温过快导致的温度迅速升高以及降温过快的缺陷，扩大了其应用范围，不会出现骤热骤冷现象。

附图说明

图1为本发明实施例1中石墨烯电热膜的截面结构示意图；

图2为本发明实施例1应用实验中加热座椅时温度测量点的示意图；

图3为本发明实施例1中蓄热缓释层中未含有蓄热填料(系列1)和含有蓄热填料(系列2)的升降温曲线图；

其中，1、石墨烯电热膜；11、第一绝缘保护层；12、蓄热缓释层；13、石墨烯加热层；14、导体；15、热量反射层；16、第二绝缘保护层。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明；应理解，这些实施例是用于说明本发明的基本原理、主要特征和优点，而本发明不受以下实施例的范围限制；实施例中采用的实施条件可以根据具体要求做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

下述中，如无特殊说明，所有的原料均来自于商购或者通过本领域中的常规方法制备而得。

实施例1

本实施例提供一种石墨烯电热膜，如图1所示，所述石墨烯电热膜1包括由上而下设置的第一绝缘保护层11、蓄热缓释层12、石墨烯加热层13、导体14、热量反射层15和第二绝缘保护层16，所述导体14用于给所述石墨烯加热层13通电。

具体地，所述蓄热缓释层12由蓄热缓释浆料制成，其厚度约为100μm，以质量份数计，所述蓄热缓释浆料包含氧化铝粒子(导热系数约为26-35W·m^-1·K^-1，比热容约为850-900J·K^-1·Kg^-1)30份，水性聚氨酯树脂20份、水20份；助剂：聚丙烯酸钾盐0.5份，有机硅消泡剂0.2份，二乙基乙醇胺0.3份，聚丙烯酸类增稠剂1份。所述蓄热缓释浆料通过如下方法制备而得：按配方称取各原料，将氧化铝粒子、水和水性聚氨酯树脂混合，然后加入聚丙烯酸钾盐、有机硅消泡剂、二乙基乙醇胺和聚丙烯酸类增稠剂，混合形成浆料，再研磨所述浆料至粒径在50μm以下，即制成。

具体地，本例中，所述第一绝缘保护层11、所述第二绝缘保护层16的材质分别为PET膜。

具体地，本例中，所述石墨烯加热层13由石墨烯导电油墨制成，所述石墨烯加热层13的厚度约为20μm；以质量份数计，所述石墨烯导电油墨包含石墨烯浆料50份，水性聚氨酯树脂30份；助剂：聚氧化乙烯0.5份，有机硅消泡剂0.5份，二乙基乙醇胺0.3份，5份聚丙烯酸酯增稠剂DN-2222；首先将石墨烯浆料与水性聚氨酯树脂混合后搅拌均匀，然后加入助剂混合后形成油墨基体，该油墨基体再经过反复滚轧、分散、研磨至粒径在50μm以下，制成所述石墨烯导电油墨；其中所述石墨烯浆料为层数在5层以内的薄层石墨烯分散于水中而制成的固含量约为10％的水性浆料；

具体地，本例中，所述用于给所述石墨烯加热层13通电的导体14为银浆载流体，将银浆载流体平整的涂覆在热量反射层15上即可。

具体地，本例中，所述热量反射层15由已进行表面绝缘处理的金属铝箔构成，其厚度约为50μm。

本例中，所述石墨烯电热膜的制备方法包括如下步骤：

(1)按照上述方法制备石墨烯导电油墨；

(2)按照上述方法制备蓄热缓释浆料；

(3)将金属铝箔黏在第二绝缘保护层16的内表面，即形成热量反射层15；

(4)将银浆载流体平整的涂覆在热量反射层15上，即形成导体14；

(5)将步骤(1)制备的石墨烯导电油墨涂覆在热量反射层15表面以及导体14表面(导体14覆盖了热量反射层15的部分表面)，而后进行晒干和烘干处理形成石墨烯加热层13；

(6)将步骤(2)制备的蓄热缓释浆料均匀涂覆在石墨烯加热层13上方，晾干或烘干后形成蓄热缓释层12，最后将第一绝缘保护层11压在蓄热缓释层12上进行封装，制成所述石墨烯电热膜1。

应用实验：该石墨烯电热膜1的工作电压在36V时，通过测试对比未加氧化铝粒子的蓄热缓释层的加热情况(例如加热座椅等，可将一个或多个石墨烯电热膜1置于座椅的座板下方对座板进行供热)，我们得到表1中各个位置不同时间的温度(如图2所示的加热时的温度测量点)以及图3的升降温对比曲线。从表1我们可以看出：蓄热缓释层起到了很好地效果，逐步升温，且石墨烯电热膜整个区域的温差变化较小，同步升温。图3加热时间为500s，500s后暂停加热，可以看出在有加入氧化铝粒子的蓄热缓释层存在时，随时间的变化，升降温速度都得到了一定地延缓，尤其是在降温过程中，至少延长了3-4min。

表1

实施例2

本实施例提供一种石墨烯电热膜，其与实施例1的区别在于：

所述蓄热缓释层由蓄热缓释浆料制成，其厚度约为120μm，以质量份数计，所述蓄热缓释浆料包含白炭黑粒子(导热系数约为27W·m^-1·K^-1，比热容约为745J·K^-1·Kg^-1)25份，水性丙烯酸树脂20份、水20份；助剂：聚丙烯酸钾盐0.5份，聚硅氧烷类消泡剂0.2份，二乙基乙醇胺0.3份，聚丙烯酸类增稠剂1份。所述蓄热缓释浆料通过如下方法制备而得：按配方称取各原料，将白炭黑粒子、水和水性丙烯酸树脂酯混合，然后加入聚丙烯酸钾盐、聚硅氧烷类消泡剂、二乙基乙醇胺和聚丙烯酸类增稠剂，混合形成浆料，再研磨所述浆料至粒径在50μm以下，即制成。

所述石墨烯加热层由石墨烯导电油墨制成，所述石墨烯加热层的厚度约为25μm；以质量份数计，所述石墨烯导电油墨包含石墨烯浆料50份，水性丙烯酸树脂30份；助剂：聚氧化乙烯0.5份，有机硅消泡剂0.5份，二乙基乙醇胺0.3份，5份聚丙烯酸酯增稠剂DN-2222；首先将石墨烯浆料与水性丙烯酸树脂混合后搅拌均匀，然后加入助剂混合后形成油墨基体，该油墨基体再经过反复滚轧、分散、研磨至粒径在50μm以下，制成所述石墨烯导电油墨；其中所述石墨烯浆料为层数在5层以内的薄层石墨烯分散于水中而制成的固含量约为10％的水性浆料；

所述热量反射层由已进行表面绝缘处理的金属铝箔构成，其厚度约为60μm。

本例制成的石墨烯电热膜，加热后，蓄热缓释层起到了很好地蓄热缓释效果，逐步升温，且整个区域的温差变化很小，基本同步升温，同时停止加热后，降温速度得到了明显的减缓。

实施例3

本实施例提供一种石墨烯电热膜，其与实施例1的区别在于：

所述蓄热缓释层由蓄热缓释浆料制成，其厚度约为90μm，以质量份数计，所述蓄热缓释浆料包含氧化锌粒子(导热系数约为29.98W·m^-1·K^-1，比热容约为490J·K^-1·Kg^-1)28份，水性聚氨酯树脂22份、水20份；助剂：聚丙烯酸钾盐0.5份，有机硅消泡剂0.2份，二乙基乙醇胺0.3份，聚丙烯酸类增稠剂1份。所述蓄热缓释浆料通过如下方法制备而得：按配方称取各原料，将氧化锌粒子、水和水性聚氨酯树脂混合，然后加入聚丙烯酸钾盐、有机硅消泡剂、二乙基乙醇胺和聚丙烯酸类增稠剂，混合形成浆料，再研磨所述浆料至粒径在50μm以下，即制成。

所述第一绝缘保护层、所述第二绝缘保护层的材质分别为PE膜。

所述石墨烯加热层由石墨烯导电油墨制成，所述石墨烯加热层的厚度约为30μm；以质量份数计，所述石墨烯导电油墨包含石墨烯浆料48份，水性聚氨酯树脂30份；助剂：聚氧化乙烯0.5份，有机硅消泡剂0.5份，二乙基乙醇胺0.3份，5份聚丙烯酸酯增稠剂DN-2222；首先将石墨烯浆料与水性聚氨酯树脂混合后搅拌均匀，然后加入助剂混合后形成油墨基体，该油墨基体再经过反复滚轧、分散、研磨至粒径在50μm以下，制成所述石墨烯导电油墨；其中所述石墨烯浆料为层数在5层以内的薄层石墨烯分散于水中而制成的固含量约为10％的水性浆料；

所述热量反射层由已进行表面绝缘处理的金属铝箔构成，其厚度约为100μm。

本例制成的石墨烯电热膜，加热后，蓄热缓释层起到了很好地蓄热缓释效果，逐步升温，且整个区域的温差变化很小，基本同步升温，同时停止加热后，降温速度得到了明显的减缓。

实施例4

基本同实施例1，区别在于：所述石墨烯电热膜包括由上而下设置的第一绝缘保护层、第一蓄热缓释层、第一石墨烯加热层、第一导体、第二蓄热缓释层、第二石墨烯加热层、第二导体、热量反射层和第二绝缘保护层，所述第一导体、第二导体分别用于给所述第一石墨烯加热层、所述第二石墨烯加热层通电。

其中，第一蓄热缓释层、第二蓄热缓释层为相同的材料；第一导体、第二导体为相同的材料；第一石墨烯加热层、第二石墨烯加热层为相同的材料。

本例制成的石墨烯电热膜，加热后，两层蓄热缓释层同样地起到了很好地蓄热缓释效果，逐步升温，且整个区域的温差变化很小，基本同步升温，同时停止加热后，降温速度得到了明显的减缓。

上述实施例只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 (10)

1.一种石墨烯电热膜，所述石墨烯电热膜包括第一绝缘保护层、石墨烯加热层和第二绝缘保护层，以及用于给所述石墨烯加热层通电的导体，其特征在于，所述石墨烯电热膜还包括位于所述第一绝缘保护层与所述石墨烯加热层之间和/或所述第二绝缘保护层与所述石墨烯加热层之间的蓄热缓释层；其中，所述蓄热缓释层由蓄热缓释浆料制成，所述蓄热缓释浆料包含蓄热填料、第一树脂，所述蓄热填料的导热系数为15-50 W•m^-1•K^-1。

2.根据权利要求1所述的石墨烯电热膜，其特征在于，所述蓄热填料的导热系数为20-40 W•m^-1•K^-1。

3.根据权利要求1所述的石墨烯电热膜，其特征在于，所述蓄热填料的比热容为300-1200 J•K^-1•Kg^-1。

4.根据权利要求3所述的石墨烯电热膜，其特征在于，所述蓄热填料的比热容为400-1000 J•K^-1•Kg^-1。

5.根据权利要求1所述的石墨烯电热膜，其特征在于，所述蓄热填料为选自氧化铝粒子、白炭黑粒子和氧化锌粒子中的一种或多种的组合。

6.根据权利要求1所述的石墨烯电热膜，其特征在于，以质量份数计，所述蓄热缓释浆料包含蓄热填料10-30份、第一树脂10-40份、溶剂1-30份、第一助剂0-10份。

7.根据权利要求6所述的石墨烯电热膜，其特征在于，所述蓄热缓释浆料通过如下方法制备而得：按配方称取各原料，将所述蓄热填料、所述溶剂和所述第一树脂混合，然后加入所述第一助剂，混合形成浆料，再研磨所述浆料至粒径在50μm以下，即制成。

8.根据权利要求1所述的石墨烯电热膜，其特征在于，所述石墨烯加热层的厚度为1-500μm；和/或，所述蓄热缓释层的厚度为1-1000μm。

9.根据权利要求1所述的石墨烯电热膜，其特征在于，所述石墨烯电热膜还包括热量反射层；

当所述蓄热缓释层位于所述第一绝缘保护层与所述石墨烯加热层之间或所述第二绝缘保护层与所述石墨烯加热层之间时，所述热量反射层与所述蓄热缓释层分列于 所述石墨烯加热层的两侧；

当所述第一绝缘保护层与所述石墨烯加热层之间、所述第二绝缘保护层与所述石墨烯加热层之间分别具有所述蓄热缓释层时，所述热量反射层位于所述第一绝缘保护层与所述蓄热缓释层之间或所述第二绝缘保护层与所述蓄热缓释层之间。

10.根据权利要求1所述的石墨烯电热膜，其特征在于，所述石墨烯加热层由石墨烯导电油墨制成，以质量份数计，所述石墨烯导电油墨包含石墨烯浆料20-60份、第二树脂10-40份和第二助剂0-10份，其中所述石墨烯浆料为层数在5层以内的薄层石墨烯分散于水中而制成的水性浆料；

所述第一树脂、所述第二树脂分别为选自水性聚氨酯树脂、水性丙烯酸树脂、水性醇酸树脂、环氧树脂、酚醛树脂和硅丙树脂中的一种或多种的组合；和/或，所述第一助剂、所述第二助剂分别为选自分散剂、消泡剂、pH调节剂和增稠剂中的一种或多种的组合；和/或，所述第一绝缘保护层、所述第二绝缘保护层的材质分别为选自PET膜、PE膜、PVC膜、EVA膜、PI膜、FEP膜中的一种或多种的组合。