CN110418439A - 一种石墨烯加热保温套及其应用 - Google Patents
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Abstract
一种石墨烯加热保温套，所述石墨烯加热保温套包括外套，所述外套具有能够容纳待加热设备的容纳空间，所述外套包括：石墨烯加热膜，所述石墨烯加热膜包括导热层、电极、石墨烯加热层和基底，所述石墨烯加热层附着在所述基底上，所述电极设置在所述石墨烯加热层上并且设置为与供电线路电连接，使得所述石墨烯加热层能够通过所述电极获得电能；和隔热保护层，所述隔热保护层结合在所述石墨烯加热膜上。本申请的石墨烯加热保温套具有成本低、热效率高、加热快速均匀等优点，可用于对便携式电子设备进行加热和保温。
Description
技术领域
本申请涉及但不限于一种石墨烯加热保温套及其应用。
背景技术
根据GJB3385-98、MIL-STD-1309D-92等规定，便携式电子设备(portableequipment)是指在使用场地之间容易携带的设备；不大于5kg不带提手易于手持的设备，不大于23kg带有提手的设备都是便携式设备。便携式电子设备包括日常生活和生产过程中用到的手机、平板电脑、相机、笔记本电脑、摄像机、导航设备、测绘仪、手持阅读器等。便携式电子设备主要采用锂离子电池进行驱动，但锂离子电池在低温环境下的充放电性能并不理想，存在容量低、衰减严重、循环倍率性能差、析锂现象明显、脱嵌锂不平衡等问题。根据相关研究，在零下20℃时锂离子电池的放电容量只有室温时的31.5％左右，并且充放电容量会出现快速衰减。这主要是由于低温下电解液黏度增大、负极析锂严重、活性物质扩散系数降低等造成的。目前常用的便携式电子设备的外套主要起到保护和保温的效果，通常不具备主动加热功能。但在北方冬季和高原地区，大部分外部环境温度小于零度，电池温度将低于正常充放电的温度，并进一步影响电子设备的运行。
目前常见的便携设备的加热设计通常采用金属加热材料，如申请号为CN106790866的中国发明专利公开了一种通过电阻丝网加热，通过真空隔热层进行保温的的手机壳，但常用的真空隔热层通常采用金属材料，重量重且成本较高，另外电阻丝网同样存在成本高但加热不均匀的问题。申请号为CN105433565A的中国发明专利描述了一种极寒环境下的手机保护装置，其由高容量电池板供电，保温金属板提供加热，但保温金属板重量较重，不耐弯折，成本也较高，实用价值较低。专利号为CN 205211892 U的中国实用新型专利描述了一种采用电池供电，聚酰亚胺薄膜包覆的铜箔作为加热材料的电池加热装置，但铜箔加热材料容易氧化，且电阻率极小，并不适合小型加热装置使用。专利号为CN204156921 U的中国实用新型专利描述了一种采用加热棒进行加热，背面带有镜片的手机电池盖，加热棒直径较大会增大加热壳的厚度，且加热过于集中，并不合适用于手机壳的设计。另外，通过其它设备的余热为便携设备提供加热也是一种方式，如专利号为CN104202949B的中国发明专利公开了通过便携设备工作时产生的热量为便携设备的锂离子电池提供加热的方式，便携设备的散热装置通过导热管与离心式风扇进行散热，这种加热方式由于需要额外设置散热装置进行供热并不适合大部分移动式便携设备的加热。
发明内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
碳材料具有质轻、耐腐、耐氧化的特点，非常适合小型加热装置的设计，常见的碳材料包括碳黑、石墨、碳纳米管、碳纤维等。碳黑和石墨具有成本低的特点，但其导电率较高，通常用于较高电压的地热膜。碳纳米管和碳纤维所制备的加热膜均匀性并不理想。石墨烯是一种新型的二维纳米碳材料，包括单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯(3至10层)、石墨烯微片(层数多于10层，厚度在3.4-100纳米范围)。目前，石墨烯产品通常包括薄膜和片层两类，石墨烯薄膜主要采用化学气相沉积和外延生长法等制备，这些方法可以制备出面积较大的石墨烯薄膜，但存在制备成本较高、基底转移难度大的问题。石墨烯片层可以采用液相直接剥离法、氧化还原法、电化学剥离法、插层剥离法、电弧剥离法制备得到，其制备成本要远低于薄膜的制备成本。
本申请提供了一种采用石墨烯片层为加热材料、具有保温和加热功能的加热保温套，其可用于便携式电子设备，起到保护、加热和保温的作用。
具体地，本申请提供了一种石墨烯加热保温套，所述石墨烯加热保温套包括外套，所述外套具有能够容纳待加热设备的容纳空间，所述外套包括：
石墨烯加热膜，所述石墨烯加热膜包括导热层、电极、石墨烯加热层和基底，所述石墨烯加热层附着在所述基底上，所述电极设置在所述石墨烯加热层上并且设置为与供电线路电连接，使得所述石墨烯加热层能够通过所述电极获得电能；和
隔热保护层，所述隔热保护层结合在所述石墨烯加热膜上。
在一些实施方式中，制备所述石墨烯加热层的原料可以包括：石墨烯片层、高分子材料和任选地除石墨烯之外的导电材料，以所述石墨烯加热层的重量为100％计，所述石墨烯片层的重量可以为30％～85％、所述高分子材料的重量可以为5％～50％，所述除石墨烯之外的导电材料的重量可以为0～40％。
在一些实施方式中，所述石墨烯片层的重量可以为50％～85％。
在一些实施方式中，所述除石墨烯之外的导电材料的重量可以为0～30％。
在一些实施方式中，所述石墨烯片层可以通过选自液相直接剥离法、氧化还原法、电化学剥离法、插层剥离法、电弧剥离法中的任意一种方法获得。
在一些实施方式中，所述液相直接剥离法可以为球磨、超声、射流空化、射流碰撞或高速剪切。
在一些实施方式中，所述氧化还原法的氧化方法可以为Brodie法、Staudenmaier法、Hummers法或上述方法的改进方法。
在一些实施方式中，所述氧化还原法的还原方法可以为激光、微波、紫外光、高温等物理还原法或氢碘酸、水合肼、二甲基肼、酚类、硼氢化钠、含硫化合物、醇类等化学还原法。
在一些实施方式中，所述石墨烯片层的平均厚度可以≤30nm，平均横向尺寸可以＞500nm。
在一些实施方式中，所述除石墨烯之外的导电材料可以选自碳纤维、碳纳米管、石墨、碳黑、银、铝和铜中的任意一种或更多种。
在一些实施方式中，所述高分子材料可以选自天然高分子材料、合成高分子材料、改性高分子材料中的任意一种或更多种。
在一些实施方式中，所述高分子材料可以选自环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、不饱和聚酯树脂、有机硅树脂、氟碳树脂、丙烯酸树脂、丙烯酸酯类低聚物和活性单体、醇酸树脂、乙烯基树脂、合成纤维素树脂、聚酰胺树脂、氯醋树脂、聚氨酯树脂、聚偏氟乙烯树脂和合成橡胶中的任意一种或更多种。
在一些实施方式中，可以采用喷涂、刮涂或印刷的方式将制备所述石墨烯加热层的原料附着在所述基底上，从而在所述基底上形成所述石墨烯加热层。
在一些实施方式中，所述导热层和所述基底可以各自独立地由选自天然高分子材料和合成高分子材料中的任意一种或更多种材料形成。
在一些实施方式中，所述导热层和所述基底可以各自独立地由选自聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯、尼龙、聚偏氟乙烯、聚偏二氯乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、醋酸纤维素、聚乙烯醇、天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、丁晴橡胶、硅橡胶、动物皮、合成皮和以这些材料为主体的复合材料中的任意一种或更多种材料形成。
在一些实施方式中，所述电极可以由选自银、铜、铝、锡、锌和碳纤维中的任意一种或更多种材料制成。
在一些实施方式中，所述电极可以采用涂布法、印刷法、粘贴热压合法或沉积法与所述石墨烯加热层相结合。
在一些实施方式中，所述隔热保护层的主体材料可以选自无机隔热材料和有机隔热材料中的任意一种或更多种。
在一些实施方式中，所述隔热保护层的主体材料可以选自棉、麻、动物皮毛、丝、有机泡沫材料、无机泡沫材料中的任意一种或更多种。
在一些实施方式中，所述隔热保护层可以通过粘合、热压或缝制的方法结合在所述石墨烯加热膜上。
在一些实施方式中，所述石墨烯加热保温套还可以包括：
导电线路，所述导电线路的一端与所述外套的电极电连接；
电源接头，所述电源接头的一端与所述导电线路的另一端电连接，所述电源接头的另一端设置为与电源连接，从而形成供电线路，使得所述外套能够通过所述导电线路和所述电源接头从电源获得电能；和
任选地开关。
在一些实施方式中，所述电源接头可以为带有正负极并且能够与电池电连接的电源接头，或者为转换接头。
在一些实施方式中，所述转换接头可以为USB口或Micro USB口。
本申请还提供了如上所述的石墨烯加热保温套的应用，所述应用包括将待加热设备放入所述石墨烯加热保温套的外套的容纳空间中，接通电源使所述石墨烯加热保温套对待加热设备进行加热和保温。
在一些实施方式中，所述待加热设备可以为便携式电子设备。
在本申请中，术语“便携式电子设备”定义为不大于5kg且不带提手易于手持的设备或不大于23kg带有提手的设备。
在一些实施方式中，所述便携式电子设备可以为手机、平板电脑、相机、笔记本电脑、摄像机、导航设备、测绘仪、手持阅读器、对讲机或照明设备。
本申请采用石墨烯加热层对便携式电子设备加热和保温，通过控制加热层的电阻值(可以通过调节石墨烯加热层的配方来实现)和加热时间使便携式电子设备的电池恒定在一定温度范围，从而使电池保持较高的续航能力。
与传统的电阻丝式加热套相比，本申请的石墨烯加热保温套具有以下优势：面状发热、热效率高、寿命长、不易损坏、外型可选择性强、成本低、安全可靠、加热快速均匀等优点，并且能够耐受反复弯折，具有极高的应用价值。
本申请的其它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显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为本申请实施例1的石墨烯加热保温套的俯视图。
图2为本申请实施例1的石墨烯加热保温套的截面图。
图3为本申请实施例1中制备的石墨烯片层的微观形貌图。
图4为本申请实施例2的石墨烯加热保温套的立体图。
图5为本申请实施例2的石墨烯加热保温套的截面图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
本申请实施例提供了一种石墨烯加热保温套，所述石墨烯加热保温套包括外套，所述外套具有能够容纳待加热设备的容纳空间，所述外套包括：
石墨烯加热膜，所述石墨烯加热膜包括导热层、电极、石墨烯加热层和基底，所述石墨烯加热层附着在所述基底上，所述电极设置在所述石墨烯加热层上并且设置为与供电线路电连接，使得所述石墨烯加热层能够通过所述电极获得电能；和
隔热保护层，所述隔热保护层结合在所述石墨烯加热膜上。
其中，制备所述石墨烯加热层的原料可以包括：石墨烯片层、高分子材料和任选地除石墨烯之外的导电材料，以所述石墨烯加热层的重量为100％计，所述石墨烯片层的重量可以为30％～85％、所述高分子材料的重量可以为5％～50％，所述除石墨烯之外的导电材料的重量可以为0～40％。
本申请实施例的石墨烯加热保温套还可以包括：
导电线路，所述导电线路的一端与所述外套的电极电连接；
电源接头，所述电源接头的一端与所述导电线路的另一端电连接，所述电源接头的另一端设置为与电源连接，从而形成供电线路，使得所述外套能够通过所述导电线路和所述电源接头从电源获得电能；和
任选地开关。
所述电源接头可以为带有正负极并且能够与电池(例如，蓄电池或普通电池)电连接的电源接头，或者为转换接头(例如，USB口或Micro USB口)。
实施例1
本实施例的石墨烯加热保温套可以用于对手机进行加热和保温。
如图1所示，本实施例的石墨烯加热保温套包括外套1、导电线路和电源接头2。
如图2所示，本实施例的外套包括石墨烯加热膜和隔热保护层3，所述石墨烯加热膜包括导热层4、电极5、石墨烯加热层6和基底7。
所述石墨烯加热层(包含电极)的制备方法如下：
(1)采用超声剥离法制备石墨烯片层，制得的石墨烯片层的微观形貌如图3所示，石墨烯片层的平均厚度为4.5nm，平均横向尺寸为3μm；
(2)将60重量份制得的石墨烯片层和40重量份丙烯酸树脂溶于水中，搅拌均匀后喷涂在柔性基底表面，待干燥后剪切成方块形状，在边缘涂敷银浆，上层覆盖导电铜箔，以在石墨烯加热层上形成电极。
电极由银和铜形成。
所述柔性基底由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜形成；
所述导热层由硅橡胶形成；
所述隔热保护层由聚氨酯泡沫塑料形成；
所述电源接头为USB口，当将手机放入本实施例的石墨烯加热保温套中后，可通过USB口采用手机的电池对石墨烯加热层进行供电。
实施例2
本实施例的石墨烯加热保温套可以用于对对讲机进行加热和保温。
如图4所示，本实施例的石墨烯加热保温套包括外套1、导电线路和电源接头2。
如图5所示，本实施例的外套包括石墨烯加热膜和隔热保护层3，所述石墨烯加热膜包括导热层4、电极5、石墨烯加热层6和基底7。
所述石墨烯加热层(包含电极)的制备方法如下：
(1)采用球磨剥离法制备石墨烯片层，石墨烯片层的平均厚度为30nm，平均横向尺寸为12μm；
(2)将50重量份制得的石墨烯片层、35重量份聚氨酯和15重量份碳黑溶于环己酮中，搅拌混合均匀，采用丝网印刷方式印制在柔性基底表面，待干燥后剪切成方块形状，在边缘涂敷银浆，上层覆盖碳纤维带，以在石墨烯加热层上形成电极。
电极由银和碳纤维形成。
所述柔性基底由聚碳酸酯(PC)薄膜形成；
所述导热层由聚氨酯形成；
所述隔热保护层为牛皮；
所述电源接头为Micro USB口，使用时可以将所述Micro USB与充电宝连接进行供电。
实施例3
本实施例的石墨烯加热保温套可以用于对测绘仪进行加热和保温。
所述石墨烯加热层(包含电极)的制备方法如下：
(1)采用高速射流空化法制备石墨烯片层，石墨烯片层的平均厚度为3nm，平均横向尺寸为5μm；
(2)将60重量份制得的石墨烯片层、5重量份聚酯树脂、30重量份丙烯酸树脂和5重量份短切碳纤维溶于二元酸酯混合物(DBE)中，混合均匀，采用凹版印刷方式印制在柔性基底表面，待干燥后剪切成固定形状，采用碳纤维带在石墨烯加热层内部交替铺设正负电极。
电极由碳纤维形成。
所述柔性基底由PET无纺布形成；
所述导热层由PET无纺布形成；
所述隔热保护层由海绵橡胶形成；
所述电源接头为USB口。
实施例4
本实施例的石墨烯加热保温套可以用于对摄像机进行加热和保温。
所述石墨烯加热层(包含电极)的制备方法如下：
(1)采用Hummers氧化法以及氢碘酸还原制备石墨烯片层，石墨烯片层的平均厚度为1.5nm，平均横向尺寸为3.5μm；
(2)将55重量份制得的石墨烯片层、35重量份环氧树脂和10重量份碳纳米管溶于二甲苯中，搅拌混合均匀，采用丝网印刷方式印制在柔性基底表面，待干燥后剪切成固定形状，采用镀铝布胶带在石墨烯加热层内部交替铺设正负电极。
电极由铝形成。
所述柔性基底由聚乙烯(PE)薄膜形成；
所述导热层由硅橡胶形成；
所述隔热保护层由聚乙烯发泡材料形成；
所述电源接头为Micro USB口。
虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (12)
1.一种石墨烯加热保温套，所述石墨烯加热保温套包括外套，所述外套具有能够容纳待加热设备的容纳空间，所述外套包括：
石墨烯加热膜，所述石墨烯加热膜包括导热层、电极、石墨烯加热层和基底，所述石墨烯加热层附着在所述基底上，所述电极设置在所述石墨烯加热层上并且设置为与供电线路电连接，使得所述石墨烯加热层能够通过所述电极获得电能；和
隔热保护层，所述隔热保护层结合在所述石墨烯加热膜上。
2.根据权利要求1所述的石墨烯加热保温套，其中，制备所述石墨烯加热层的原料包括：石墨烯片层、高分子材料和任选地除石墨烯之外的导电材料，以所述石墨烯加热层的重量为100％计，所述石墨烯片层的重量为30％～85％、所述高分子材料的重量为5％～50％，所述除石墨烯之外的导电材料的重量为0～40％；
任选地，所述石墨烯片层的重量为50％～85％；
任选地，所述除石墨烯之外的导电材料的重量为0～30％。
3.根据权利要求2所述的石墨烯加热保温套，其中，所述石墨烯片层通过选自液相直接剥离法、氧化还原法、电化学剥离法、插层剥离法、电弧剥离法中的任意一种方法获得。
4.根据权利要求2或3所述的石墨烯加热保温套，其中，所述石墨烯片层的平均厚度≤30nm，平均横向尺寸＞500nm。
5.根据权利要求2所述的石墨烯加热保温套，其中，所述除石墨烯之外的导电材料选自碳纤维、碳纳米管、石墨、碳黑、银、铝和铜中的任意一种或更多种。
6.根据权利要求2所述的石墨烯加热保温套，其中，所述高分子材料选自天然高分子材料、合成高分子材料、改性高分子材料中的任意一种或更多种，任选地，选自环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、不饱和聚酯树脂、有机硅树脂、氟碳树脂、丙烯酸树脂、丙烯酸酯类低聚物和活性单体、醇酸树脂、乙烯基树脂、合成纤维素树脂、聚酰胺树脂、氯醋树脂、聚氨酯树脂、聚偏氟乙烯树脂和合成橡胶中的任意一种或更多种。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的石墨烯加热保温套，其中，采用喷涂、刮涂或印刷的方式将制备所述石墨烯加热层的原料附着在所述基底上，从而在所述基底上形成所述石墨烯加热层。
8.根据权利要求1所述的石墨烯加热保温套，其中，所述导热层和所述基底各自独立地由选自天然高分子材料和合成高分子材料中的任意一种或更多种材料形成，任选地，由选自聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯、尼龙、聚偏氟乙烯、聚偏二氯乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、醋酸纤维素、聚乙烯醇、天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、丁晴橡胶、硅橡胶、动物皮、合成皮和以这些材料为主体的复合材料中的任意一种或更多种材料形成。
9.根据权利要求1所述的石墨烯加热保温套，其中，所述电极由选自银、铜、铝、锡、锌和碳纤维中的任意一种或更多种材料制成；
任选地，所述电极采用涂布法、印刷法、粘贴热压合法或沉积法与所述石墨烯加热层相结合。
10.根据权利要求1所述的石墨烯加热保温套，其中，所述隔热保护层的主体材料选自无机隔热材料和有机隔热材料中的任意一种或更多种，任选地，选自棉、麻、动物皮毛、丝、有机泡沫材料、无机泡沫材料中的任意一种或更多种；
任选地，所述隔热保护层通过粘合、热压或缝制的方法结合在所述石墨烯加热膜上。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的石墨烯加热保温套，还包括：
导电线路，所述导电线路的一端与所述外套的电极电连接；
电源接头，所述电源接头的一端与所述导电线路的另一端电连接，所述电源接头的另一端设置为与电源连接，从而形成供电线路，使得所述外套能够通过所述导电线路和所述电源接头从电源获得电能；和
任选地开关；
任选地，所述电源接头为带有正负极并且能够与电池电连接的电源接头，或者为转换接头，还任选地，所述转换接头为USB口或Micro USB口。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的石墨烯加热保温套的应用，所述应用包括将待加热设备放入所述石墨烯加热保温套的外套的容纳空间中，接通电源使所述石墨烯加热保温套对待加热设备进行加热和保温；
任选地，所述待加热设备为便携式电子设备，还任选地，为手机、平板电脑、相机、笔记本电脑、摄像机、导航设备、测绘仪、手持阅读器、对讲机或照明设备。
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Legal Events
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