CN110035569A - 一种薄层面状发热体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面状发热体及其制备方法，该面状发热体包括供应直流或交流电的电极、由电极供电而电阻发热的发热部、具有绝缘层的发热基体；其中，该面状发热体为一体化的叠层结构，所述发热部附着于所述发热基体的绝缘层面上，且所述发热部为涂敷在所述发热基体的绝缘层上的石墨烯和导电性无机粒子。该面状发热体利用在600℃以下具有稳定耐热寿命并能保持持续性电阻率的还原石墨烯发热组成物，且通过与无机变性硅胶的结合，控制其提供面状单一形态的结构，而不同于电线排列结构，从而使得即使面状发热体发生部分损伤(切开、短路)，其功能仍然不受其损伤部位的影响，发热体能继续发挥发热的作用。

Description

一种薄层面状发热体及其制备方法
技术领域
本发明属于一种电驱动发热装置，具体涉及一种薄层面状发热体及其制备方法。
背景技术
现今，在制热领域中常用的发热体为线状发热体，即通过线性的加热丝等发热装置实现加热；与线状发热体不同是，还有少部分使用的为面状发热体，面状发热体是在平面上均匀发热，所以其比线状发热体节能20～40％，而且当面状发热体采用直流电时，不产生电磁波，是较为安全的发热体，但与之相对的是其成本较高，且制备难度大。面状发热体通常是将热导率高的铁、镍、铬、白金等金属发热体均匀喷射或印刷成型在薄膜形态的树脂上，或者混合具有导电性的碳、石墨、碳黑等导电性无机粒子发热体和高分子树脂而使用。
目前，行业研究较为广泛的为耐热和耐久性高、热导率好、热膨胀系数小、重量轻的碳系面状发热体，碳系物质的面状发热体是利用混合碳、石墨、碳黑、碳纳米管等导电性碳系粉末和无机胶制作成浆料，而其中所使用的导电性物质及无机胶的使用量决定了整体的导电性、作业性、粘接性和耐刮性等。
但是，以现今原有碳系粉末为基础的发热体却难以具备高耐热性，尤其是可进行印刷工艺且在300℃以上具有高耐热性的发热体更是从未报道过；同时，因现今原有碳系发热体的电阻率相对较高，因此在低电压及低功率下很难驱动实现发热。
解决上述两个问题的方法是在组成物中添加有机系无机变性硅胶binder，但目前，在常温～200℃下长时间使用时，随着时间的过去，因有机胶硬化、崩溃而会增加电阻率，从而很难持续提高转换效率，而且在300℃～600℃下因有机胶体会发生碳化以及碳系材料的氧化，从而不能适用于需要上述高温的应用领域。
发明内容
(1)要解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种薄层面状发热体及其制备方法，该面状发热体利用在600℃以下具有稳定耐热寿命并能保持持续性电阻率的还原石墨烯发热组成物，且通过与无机变性硅胶的结合，控制其提供面状单一形态的结构，而不同于电线排列结构，从而使得即使面状发热体发生部分损伤(切开、短路)，其功能仍然不受其损伤部位的影响，发热体能继续发挥发热的作用。
(2)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了这样一种薄层面状发热体，该面状发热体包括供应直流或交流电的电极、由电极供电而电阻发热的发热部、具有绝缘层的发热基体；
其中，该面状发热体为一体化的叠层结构，所述发热部附着于所述发热基体的绝缘层面上，且所述发热部为涂敷在所述发热基体的绝缘层上的石墨烯和导电性无机粒子。
优选地，所述发热部由纯度为93～99.999％、颗粒大小为0.5～80μm、结构为1～10层层状导电性粒子得到的还原石墨烯粉末，和颗粒大小为2～5μm的球状石墨粉末、颗粒大小为3～20μm的铜粉末、颗粒大小为0.3～5μm的银粉末或颗粒大小为3～20μm的热导性陶瓷粉末中的一种以上构成，并混合无机变性硅胶形成。
进一步的，所述发热部的成分配比以质量分数计，包括：还原石墨烯0.5～15份、石墨1～40份、铜粉3～10份、无机变性硅胶35～99.5份。
优选地，所述发热基体的材质为持续耐用低于300℃环境条件的有机化合物层、持续耐用300℃～600℃环境条件的陶瓷层或所述发热基体与发热部之间接触面具有导热无机陶瓷材质绝缘层的金属材质的传导性发热基体。
进一步的，所述绝缘层为氧化铝、氮化硼、氮化铝、氧化铍、氢氧化铍、氧化锆、氧化镁、氧化钛、碳化硅中的一种以上与无机变性硅胶混合，涂敷形成。
发明提供了这样一种薄层面状发热体的制备方法，其中，该面状发热体具体的制备方法为：
步骤一、将发热部各成分按配比投入到旋转式搅拌机、离心搅拌机、超声波搅拌机、辊磨机、砂磨机或球磨机中进行混合，混合处理30～180分钟；
步骤二、在发热基体的绝缘层一面的两侧通过叠层工艺对称地将两电极叠层结合在发热基体的绝缘层面上，其中，电极为石墨烯或金属性物质中的一种以上；
步骤三、在发热基体的绝缘层面上通过刷涂、喷涂、丝印或刮涂进行涂装步骤一得到的发热部混合材料；
步骤四、使其在130℃～600℃下干燥30～720分钟一次或两次，即得到面状发热体成品。
本发明的技术方案是关于利用无机变性硅胶和石墨烯的节能及高温稳定性制作而成的薄层面状发热体，其用石墨烯和导电性粒子改善发热体的电阻性，并使其与无机变性硅酸混合，形成面体结构，而面体是确保热稳定性的涂层，从而使其不受发热体断开或短路等限制，可稳定使用，而且具有绝缘层的发热基体在600℃之内还能保持稳定的耐热性。
本发明技术方案的面状发热体由构成发热部的石墨烯、导电性无机粒子和耐高温涂层的无机变性硅胶Binder，并在具有硬性及柔性的绝缘基体(substrate)上形成面体结构，这样能极大地抑制因持续发热引起的发热体损伤，从而延长使用寿命，即使发热体发生部分损伤，其不受损伤的部位仍然可以正常发热，并从发热部全面向被发热部导热，使用时增大能效。
(3)有益效果
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明技术方案的面状发热体在发热基体的绝缘层表面形成混合包含还原石墨烯的导电性粒子与无机变性硅胶而制作的发热部涂层，这样使发热基体具有柔韧性，同时提高发热部的寿命；同时，使用陶瓷材质或包含绝缘层的金属材质作为发热基体还可提高其耐热性和寿命，而且即使发热部发生部分损伤(切开或短路)，其整体的发热功能也不会受其损伤部位的影响，可以继续发挥发热作用，提高使用效率。
另外，发热部采用的为环保型无机系物质，发热环境对生物和环境无害，可适用于家庭用取暖设备、医疗用设备、饮食烹饪用设备以及所有工业用加热器等设备，可与使用者身体紧密接触，形成对人体无害的环保环境。
此外，本发明技术方案的面状发热体与其它发热体相比，因电阻率更低，因此能极大地降低能耗。
附图说明
为了更清楚的说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术中描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施方式，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明薄层面状发热体一种实施方式的结构示意图。
图2为图1的结构拆解图。
图3为本发明薄层面状发热体另一种实施方式的结构示意图。
图4为实施例3中TGA-DTA测试的结果。
附图中的标记为：1-电极，2-发热部，3a-绝缘层，3b-传导性发热基体。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明具体实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，以进一步阐述本发明，显然，所描述的具体实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的样式。
本发明发热体的发热部组成物包括无机变性硅胶、导电性粒子、还原石墨烯粒子、热导性无机陶瓷粒子、有机溶剂及分散剂。其中，导电性粒子包含石墨粒子及金属粉末中的一个以上。
本发明发热体的发热部可调节有机溶剂及无机变性硅胶的使用量，可以表现为涂料、石墨烯墨水或者浆料等形态。
本发明发热体的发热部可调节热导性陶瓷粒子的使用量，可表现为加减电阻率的形态。
本发明发热体的发热部若将发热组成物重量份设为100，还原石墨烯重量份为0.5～15，石墨重量份为1～40，无机变性硅胶binder重量份为35～99.5，有机溶剂重量份为1～50，热导性陶瓷粒子重量份0～8，分散剂重量份为0.03～1。
本发明发热体的发热部若将发热组成物重量份设为100，亦可，还原石墨烯重量份为0.5～15，石墨重量份为1～40，铜粉末重量份为3～10，无机变性硅胶binder重量份为35～99.5，有机溶剂重量份为1～50，热导性陶瓷粒子重量份0～8，分散剂重量份为0.03～1。
此时，若导电性粒子包含金属粉末或热导性陶瓷粒子构成电极，金属粉末或热导性陶瓷粒子形成主电极和导电网络，金属粉末之间的空隙被还原石墨烯或石墨粒子填充，从而具有三维随机网络。
无机变性硅胶binder的作用是使发热部组成物在600℃左右温度也可保持稳定的寿命且保持持续性电阻率，作为上述导电性粒子的binder使用，同时提高涂层与发热基体表面的粘接特性，无需将导电性粒子填充到树脂而紧密粘结，从而可作为最小化其发热部电阻率的功能性binder使用。
而且上述binder的构成是，金属性发热基体包含着具有热导性性质的无机物或此混合物。具体是，上述陶瓷系无机物可选择氧化铝(Al2O3)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、氧化铍(BeO)、氢氧化铍(Be(OH)2)、氧化锆(ZrO2)、氧化镁(MgO)、氧化钛(TiO2)、碳化硅(SiC)等群族中的一种以上。
其具体的反应式如下：
在上述反应式中，由脱水聚合反应生成的部分聚合体位于高耐热性无机变性硅胶binder内的硅酸离子周围，从而使硅酸离子处于稳定状态，并与功能性binder及导电性粒子或具有高热导性的无机粒子进行硅烷醇结合，提高粘接性。
还原石墨烯粒子可以是被加工成纯度为93～99.999％、大小为0.5～80μm、层数1～10层层状结构导电性粒子的还原石墨烯粉末。
石墨粒子可以是大小为2～5μm的球状石墨粉末。
还原石墨烯和石墨粒子是主导电性物质，形态可以是碎片(flake)、圆形、多角形板状型等。
而且，碳结构的还原石墨烯和石墨粒子具有黑体辐射功能，将提高发热组成物的耐热性，还因碳粒子可提高发热速度及能效。
金属粒子可以是大小为3～20μm的铜粉、大小为0.3～5μm的银粉。
金属粒子有助于电极和碳素性的发热部顺利构成导电网络，从而可减少电极和发热部结合面的界面电阻。
热导性陶瓷粒子可选择大小为3～20μm的氧化铝(Al2O3)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、氧化铍(BeO)、氢氧化铍(Be(OH)2)、氧化锆(ZrO2)、氧化镁(MgO)、氧化钛(TiO2)、碳化硅(SiC)等群族中的一种以上。
有机溶剂分散导电性粒子、金属粉末、热导性粒子及binder，可在甲醇、乙醇、IPA、MEK、环己酮等群族中选择一种以上。
本发明发热体的制备方法中，分散工艺可使用常用的各种方法，比如是旋转式混合机、离心混合机、超声波处理(Ultra-sonication)、辊磨机(Roll mill)、砂磨机(Beadmill)或球磨机(Ball mill)等。
其中，分散剂的作用是更加圆满地进行分散，可使用BYK类等本行业通常使用的分散剂Triton X-100等双向性界面活性剂。
本发明发热体的制备方法中，在步骤三中，可在刷涂(brush)、喷涂、丝印(silkscreen)、刮涂(knife coating)等涂装方法中选择一种或一种以上，用上述发热部组成物制作的ink实施叠层工艺。
参考发热基体的耐热温度，对于上述得出的发热部可实施在130℃～600℃温度下一次或两次干燥30～720分钟的干燥工艺。
如果发热基体的材料是金属等导电性材质，利用上述发热部使用的binder和导热性陶瓷粒子，采用上述发热部叠层方式中刷涂(brush)、喷涂、丝印(silk screen)、刮涂(knife coating)等涂装方法中的一种以上进行涂装叠层，然后实施干燥过程，从而可在发热部和导电发热基体之间再叠层绝缘层。
如图1所示，其是本发明薄层面状发热体一种实施方式的结构示意图，图2为图1的结构拆解图，该方式将两电极置于发热部和发热基体的绝缘层之间。
如图3所示，其是本发明薄层面状发热体另一种实施方式的结构示意图，其直接将电极叠层至面状发热体表面，将电源强行分别加在发热部。
实施例1
利用旋转混合机，在常温下将有机溶剂IPA 40重量份、还原石墨烯4重量份、石墨16重量份搅拌30分钟，然后利用离心搅拌机，与无机变性硅胶binder搅拌120分钟，从而制作得到发热部组成物。将厚度为15μm的铜模叠层于宽8mm、厚度35μm的聚酰亚胺薄膜且两边留有15mm，利用刮涂(knife coating)法叠层上述已制作的发热部ink。再利用通道型干燥炉在80℃干燥30分钟，然后在180℃干燥20分钟，从而制作面状发热体。
实施例2
利用旋转混合机，在常温下将有机溶剂IPA 40重量份、还原石墨烯10重量份、石墨20重量份搅拌30分钟，然后利用离心搅拌机，与无机变性硅胶binder搅拌120分钟，从而制作得到发热部组成物。在厚度为1mm的铝材上形成厚度为30μm的陶瓷材质绝缘层然后叠层于厚度为15μm、宽度为4mm的铜模上且两边留有1mm间隙，并利用刮涂(knife coating)法叠层上述已制作的发热部ink。再利用通道型干燥炉在80℃干燥30分钟，然后在180℃干燥20分钟，从而制作面状发热体。
实施例3
用使用于实施例1的binder制作试片，并对此进行TGA-DTA测试，测量最大热稳定性温度，结果如图4所示，其高耐热性无机变性硅胶binder的涂层薄膜在602.40℃下保持总重量的79.55％，最高1,280℃下保持总重量的78％，从而确认热稳定性很高。
实施例5
分别取实施例1和实施例2制得的面状发热体，使其与使用镍铬线的线状发热体进行发热性能测试，测试条件按标准规范230℃下进行电压及功耗的测试，结果如下表：
分类 温度 电压 功耗
实施案例1 233℃ 73V 121W
实施案例2 241℃ 74V 117W
比较案例 237℃ 171V 213W
通过上表可以知道，与使用镍线相比，采用本发明的技术方案在相同面积相同温度条件下功耗减少。
添加还原石墨烯的实施案例2，持续保持511.5℃发热温度或在529W功率情况下持续6小时，发热部的外形没有发生变化，考虑到测量仪器的误差范围，误差范围2W以内，功耗变化被测量为误差范围以内，从而可确认发热部的电阻没有发生变化。
如此，实施案例1或2的发热部组成物包含还原石墨烯，实施案例3的使用高耐热无机变性硅胶binder的发热部组成物在600℃温度条件下也具有稳定的耐热性。
以上描述了本发明的主要技术特征和基本原理及相关优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性具体实施方式的细节，而且在不背离本发明的构思或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将上述具体实施方式看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明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发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照各实施方式加以描述，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，各实施方式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 (6)

1.一种薄层面状发热体，该面状发热体包括供应直流或交流电的电极、由电极供电而电阻发热的发热部、具有绝缘层的发热基体；
其特征在于，该面状发热体为一体化的叠层结构，所述发热部附着于所述发热基体的绝缘层面上，且所述发热部为涂敷在所述发热基体的绝缘层上的石墨烯和导电性无机粒子。
2.根据权利要求1所述的一种薄层面状发热体，其特征在于，所述发热部由纯度为93～99.999％、颗粒大小为0.5～80μm、结构为1～10层层状导电性粒子得到的还原石墨烯粉末，和颗粒大小为2～5μm的球状石墨粉末、颗粒大小为3～20μm的铜粉末、颗粒大小为0.3～5μm的银粉末或颗粒大小为3～20μm的热导性陶瓷粉末中的一种以上构成，并混合无机变性硅胶形成。
3.根据权利要求2所述的一种薄层面状发热体，其特征在于，所述发热部的成分配比以质量分数计，包括：还原石墨烯0.5～15份、石墨1～40份、铜粉3～10份、无机变性硅胶35～99.5份。
4.根据权利要求1所述的一种薄层面状发热体，其特征在于，所述发热基体的材质为持续耐用低于300℃环境条件的有机化合物层、持续耐用300℃～600℃环境条件的陶瓷层或所述发热基体与发热部之间接触面具有导热无机陶瓷材质绝缘层的金属材质的传导性发热基体。
5.根据权利要求4所述的一种薄层面状发热体，其特征在于，所述绝缘层为氧化铝、氮化硼、氮化铝、氧化铍、氢氧化铍、氧化锆、氧化镁、氧化钛、碳化硅中的一种以上与无机变性硅胶混合，涂敷形成。
6.一种薄层面状发热体的制备方法，其特征在于，该方法用于制备如权利要求1-5任一项所述的面状发热体，该面状发热体具体的制备方法为：
步骤一、将发热部各成分按配比投入到旋转式搅拌机、离心搅拌机、超声波搅拌机、辊磨机、砂磨机或球磨机中进行混合，混合处理30～180分钟；
步骤二、在发热基体的绝缘层一面的两侧通过叠层工艺对称地将两电极叠层结合在发热基体的绝缘层面上，其中，电极为石墨烯或金属性物质中的一种以上；
步骤三、在发热基体的绝缘层面上通过刷涂、喷涂、丝印或刮涂进行涂装步骤一得到的发热部混合材料；
步骤四、使其在130℃～600℃下干燥30～720分钟一次或两次，即得到面状发热体成品。
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