CN110022624B - 一种石墨烯加热片 - Google Patents

Abstract

一种石墨烯加热片，包括基底层(1)、发热层(2)、绝缘层(3)和控温层(4)，所述基底层(1)位于最底部，其上包括发热层(2)，所述发热层(2)内部设有石墨烯和电极(21)，所述电极(21)与供电线路连接；所述绝缘层(3)和控温层(4)设置在所述发热层(2)上部，所述控温层(4)包括耐高温、易清洁涂料，与待加热物体接触。本发明公开的一种石墨烯加热片，可直接与待加热物体接触，无需投入其他设备，成本低，热转换率高，加热稳定，污染少，更加的环保健康。

Description

一种石墨烯加热片

技术领域

本发明涉及电加热技术领域，具体涉及一种石墨烯加热片。

背景技术

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，其平面内碳-碳键长约为0.142nm，形成稳定的六边形结构。由于石墨烯只有一个原子层，所以它的厚度非常薄，仅为0.335nm。石墨烯之所以能稳定存在，是因为它并不是一个严格的平面结构，当有外力作用时，石墨烯会发生弯曲形变，正是这种形变保证了其结构的稳定性。

而石墨烯由于其特殊的能带结构，展现出很多优异的性能。在力学上，石墨烯有着目前已知材料中最高的强度和硬度。在电学上，石墨烯中的电子运动不易受到杂质的影响发生散射，因此石墨烯具有其他材料所没有的巨大迁移率和良好的导电性。在热学上，石墨烯具有良好的散热特性，经测算，单层石墨烯的热导率约为常见散热材料金属铜的12倍，甚至比它的同素异形体碳纳米管的热导率还要大。

因此，石墨烯常常用在各种发热设备上，如将石墨烯与衣服或理疗护具相结合，为人体提供更健康的取暖方式等。常规的石墨烯加热片都是低温的，主要用于加热温度不超过120℃的环境中，因为当石墨烯加热片的片体温度超过120℃后，片体可能会自动融化，或者因氧化而被熔断，致使石墨烯加热片体无法应用于环境温度超过120℃的工作环境中。

另一方面，如今的一些干性沥青、合金材料等常采用火、电等方式进行熔化，而此类物质无固定熔点，且熔点相对较高，采用传统的熔化方式成本高、效率低。若能将石墨烯应用于高温融化环境，将节省大量的火、电能源，为企业节省大量成本。

发明内容

为了解决现有技术中石墨烯无法稳定应用于高温环境中，而且高温熔化工艺中能源浪费严重的问题，本发明以石墨烯、铜丝为主要发热体，辅以聚四氟乙烯、硅橡胶、玻璃丝、陶瓷超耐高温涂料、绝缘涂料和碳纤维，解决了石墨烯高温工作的难题，具有非常大的实用价值。

本发明的技术方案如下：

一种石墨烯加热片，包括基底层、发热层、绝缘层和控温层，所述基底层位于最底部，其上包括发热层、绝缘层和控温层，所述发热层内部设有石墨烯和电极，所述电极与供电线路连接；所述绝缘层和控温层设置在所述发热层上部。

如上所述的石墨烯加热片，所述控温层设置在所述绝缘层上部，与待加热物体接触。

如上所述的石墨烯加热片，所述绝缘层包括绝缘涂料，所述发热层内还设有导电材料和/或加强韧性的材料，所述电极为导电材料，所述控温层包括耐高温、易清洁涂料。

优选的，所述电极为铜丝。

如上所述的石墨烯加热片，所述基底层和绝缘层包括绝缘涂料，所述发热层包括石墨烯和碳纤维的混合物，所述电极为红铜铜丝，所述控温层包括陶瓷超耐高温涂料。

进一步的，该石墨烯加热片的组成成分按质量千分比计量，包括：石墨烯3‰～10‰，碳纤维200‰～300‰，红铜铜丝120‰～180‰，绝缘涂料10‰～20‰，陶瓷超耐高温涂料500‰～600‰。

如上所述的石墨烯加热片，所述基底层和绝缘层包括绝缘涂料，所述发热层包括石墨烯和玻璃丝的混合物，所述电极为黄铜铜丝，所述控温层包括陶瓷超耐高温涂料、聚四氟乙烯和硅橡胶。

进一步的，所述控温层为单层结构或多层结构，当为多层结构时，包括由所述陶瓷超耐高温涂料制成的外层以及由所述聚四氟乙烯和硅橡胶制成的内层。

进一步的，该石墨烯加热片的组成成分按质量千分比计量，包括：石墨烯0.1‰～0.5‰，玻璃丝170‰～220‰，黄铜铜丝120‰～180‰，绝缘涂料5‰～15‰，陶瓷超耐高温涂料10‰～30‰，聚四氟乙烯560‰～650‰，硅橡胶12‰～25‰。

如上所述的石墨烯加热片，所述基底层和绝缘层厚度相同或不同，所述绝缘涂料为PC、PP、PU、PI或PET中的一种或几种。

本发明的有益效果在于：

本发明公开的一种石墨烯加热片，相比传统的火、电加热的方式，热转换率高，一般可达96％以上，且加热速度快，加热稳定，污染少，更加的环保健康。所述石墨烯加热片可直接与带加热物体接触，无需投入其他设备，且能量损耗少，使用寿命长，可有效节省加热成本。对比同类的石墨烯加热技术，添加了聚四氟乙烯、硅橡胶、玻璃丝、陶瓷超耐高温涂料、绝缘涂料和碳纤维的本发明的石墨烯加热片，可在-190℃～1060℃范围内工作，适用于不同工况，应用范围更广。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得更加清楚，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明石墨烯加热片的结构原理图；

其中，1、基底层，2、发热层，21、电极，3、绝缘层，4控温层。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和进一步的实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1

参见图1，图1为本发明的一种石墨烯加热片，包括基底层1、发热层2、绝缘层3和控温层4，所述基底层1位于最底部，其上为发热层2，所述发热层2内部设有电极21，所述电极21与供电线路连接；所述发热层2上部包覆有绝缘层3，绝缘层3上部设有控温层4，所述控温层4与待加热物体接触。当然，这里绝缘层3上部设有控温层4这样的顺序仅作为一种实施方式，实际生产时两者顺序不做限定。

在本实施例中，所述基底层1和绝缘层3为绝缘涂料，二者厚度根据实际需要分配，可以不同，也可以基本相同，所述发热层2内设有石墨烯，另外还设有导电材料和/或加强韧性的材料，所述电极21为铜丝，可更好的适应高温工作，所述控温层4包括耐高温、易清洁涂料，以适应长期与待加热物体接触的环境。

进一步的，绝缘涂料可为PC、PP、PU、PI或PET中的一种或几种，包覆在发热层两侧，能够承受较强电场而不被击穿。

在本实施例中，石墨烯加热片可应用到较高的加热领域，加热范围能达到300～1100℃，为满足此要求，所述基底层1和绝缘层3选择耐高温绝缘涂料，基底层1和绝缘层3中间的发热层2为石墨烯和碳纤维的混合物，利用碳纤维耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性，与石墨烯混合后，可有效提高发热层2的导电性、力学性能和防潮防水功能，使其拥有更强的韧性和强度。

进一步的，所述电极21采用可塑性和柔韧性较佳的红铜铜丝，以适应较高的工作温度。使用时，将两根红铜铜丝分别黏贴在石墨烯和碳纤维混合物的两端。

进一步的，绝缘层3上端为控温层4，用于与待加热物体接触，并将发热层2产生的热量传递给待加热物体，因此控温层4需选用耐高温、强度大的透气材料。本实施例采用的是陶瓷超耐高温涂料，可承受1000℃以上的高温，抗氧化、耐腐蚀，耐磨损、阻燃防火、隔热保温。

进一步的，上述石墨烯加热片中各主要成分的质量按每千克石墨烯加热片计量，基底层1中的绝缘涂料为7g,发热层2中的石墨烯为6g，碳纤维为260g，红铜铜丝为150g，绝缘层3中的绝缘涂料为7g，控温层4中的陶瓷超耐高温涂料为570g。

本实施例中的石墨烯加热片加热温度可在1000℃左右内正常工作，对合金材料等固态物质的熔化具有较好的加热功能，且热转换率高，成本低，可广泛推广。

实施例2

实施例1中的石墨烯加热片最高温度可大于1000℃，但相应的石墨烯的含量以及耐高温涂料的使用量也较大，成本较高，如果石墨烯加热片仅用于普通物体的加热，可替换其发热层2和控温层4中的物质及其含量，在保证热效能的情况下，降低石墨烯加热片的成本。

在本实施例中，设计的石墨烯加热片可在-200℃～300℃之间工作，以适应低温和常规温度下的加热，为达到此要求，所述基底层1和绝缘层3选择耐高、低温绝缘涂料，基底层1和绝缘层3中间的发热层2选择石墨烯和玻璃丝的混合物，可提高发热层2的强度和韧性。

进一步的，发热层2内的电极21采用价格稍低的黄铜铜丝即可满足常规温度的加热。进一步的，绝缘层3上端为控温层4包含陶瓷超耐高温涂料、聚四氟乙烯和硅橡胶，其中，以聚四氟乙烯的含量最大，聚四氟乙烯具有耐高温的特点，且具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶剂，非常适合用在片体内壁与待加热物体接触；硅橡胶的加入还可提高控温层4的透气性能。生产时，可以先将聚四氟乙烯与硅橡胶混合在一起，然后在其外部包覆上陶瓷超耐高温涂料，如此可较好的将石墨烯产生的热量向外传递，并能使加热片外侧免受损伤。

进一步的，上述石墨烯加热片中各主要成分的质量按每千克石墨烯加热片计量，基底层1中的绝缘涂料为4.8g,发热层2中的石墨烯为0.2g，玻璃丝为200g，黄铜铜丝为150g，绝缘层3中的绝缘涂料为5g，控温层4中的陶瓷超耐高温涂料为20g，聚四氟乙烯为600g,硅橡胶为20g。

本实施例未提及的其他特征，均可与实施例1相同，不再赘述。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或增减替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种石墨烯加热片，其特征在于，包括基底层(1)、发热层(2)、绝缘层(3)和控温层(4)，所述基底层(1)位于最底部，其上包括发热层(2)、绝缘层(3)和控温层(4)，所述发热层(2)内部设有石墨烯和电极(21)，所述电极(21)与供电线路连接，所述绝缘层(3)和控温层(4)设置在所述发热层(2)上部，所述控温层(4)设置在所述绝缘层(3)上部，与待加热物体接触，所述基底层(1)和绝缘层(3)包括绝缘涂料，所述发热层(2)内还设有导电材料和/或加强韧性的材料，所述电极(21)为铜丝，所述控温层(4)包括耐高温、易清洁涂料；

其中，根据所应用的温度范围不同，具体按照以下组成方式选择：

当所应用的温度范围达到300℃～1100℃时：

所述发热层(2)包括石墨烯和碳纤维的混合物，所述电极(21)为红铜铜丝，所述控温层(4)包括陶瓷超耐高温涂料，该石墨烯加热片的组成成分按质量千分比计量，包括：石墨烯3‰～10‰，碳纤维200‰～300‰，红铜铜丝120‰～180‰，绝缘涂料10‰～20‰，陶瓷超耐高温涂料500‰～600‰；

当所应用的温度范围在-200℃～300℃之间时：

所述发热层(2)包括石墨烯和玻璃丝的混合物，所述电极(21)为黄铜铜丝，所述控温层(4)包括陶瓷超耐高温涂料、聚四氟乙烯和硅橡胶，该石墨烯加热片的组成成分按质量千分比计量，包括：石墨烯0.1‰～0.5‰，玻璃丝170‰～220‰，黄铜铜丝120‰～180‰，绝缘涂料5‰～15‰，陶瓷超耐高温涂料10‰～30‰，聚四氟乙烯560‰～650‰，硅橡胶12‰～25‰。

2.根据权利要求1所述的一种石墨烯加热片，其特征在于，对于两种组成中的第二种组成，所述控温层(4)为单层结构或多层结构，当为多层结构时，包括由所述陶瓷超耐高温涂料制成的外层以及由所述聚四氟乙烯和硅橡胶制成的内层。

3.根据权利要求1或2所述的一种石墨烯加热片，其特征在于，所述基底层(1)和绝缘层(3)厚度相同或不同，所述绝缘涂料为PC、PP、PU、PI或PET中的一种或几种。

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