CN110418443A - 一种石墨烯加热垫 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种石墨烯加热垫，所述石墨烯加热垫包括：石墨烯加热膜，所述石墨烯加热膜包括防水保护层、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；隔热保护层，所述隔热保护层结合在所述石墨烯加热膜的一侧；和任选地装饰层，所述装饰层结合在所述石墨烯加热膜的另一侧。本申请的石墨烯加热垫具有工作电压低、加热快、耐弯折、体积小、加热面积大、加热均匀的优点。
Description
技术领域
本申请涉及但不限于一种加热垫，尤其涉及但不限于一种石墨烯加热垫。
背景技术
在温度较低的冬季，大部分场景都需要提供外部热源以满足使用，如鱼缸、盆栽、饭菜、座椅加热垫等。传统的加热垫通常采用纯金属电阻丝或常规导电碳材料作为加热材料，但电阻丝存在加热区域集中、抗拉强度低、不耐弯折、不耐腐蚀、工作电压高等问题。常规的导电碳材料如石墨、碳黑、碳纤维等，这些材料虽然耐氧化、耐酸碱，但也存在柔韧性不好、加工困难、导电性较差等问题。
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。
石墨烯是一种新型的二维纳米碳材料，其根据厚度的不同可以分为单层石墨烯、少层石墨烯(小于10层)、石墨烯微片(层数多于10层，厚度在3.4-100纳米范围)。石墨烯具有耐腐蚀、导电性好、力学性能高、能够实现面状加热的特点，非常适合作为电热转换材料用于电加热膜。石墨烯可分为薄膜和片层两类，其中石墨烯薄膜主要采用化学气相沉积和外延生长法合成。专利号为CN206933853U的中国实用新型专利公开了一种智能石墨烯发热坐垫，其发热膜层为透明的电热膜，导电层为透明的导电层，透明导电层的材料为石墨烯，由于石墨烯片层几乎不可能制备出透明的导电层，所以其采用的即是导电透明的石墨烯膜材料；由于石墨烯膜的制造难度大，且需要转移基底层，因此制备成本极高。石墨烯片层通常采用液相直接剥离法和氧化还原法制备。氧化还原法采用强酸和强氧化剂处理石墨，可以规模化生产石墨烯片层，但该方法对产品结构破坏较严重，导致得到的石墨烯片层的电学性能(电导率约10-2～103)并不理想，并不适合作为导电功能材料。液相直接剥离法采用物理方法在液相环境中直接剥离石墨，可以得到结构破坏较少的石墨烯片层，因此石墨烯片层的导电率较高(10-2～105)，非常适合用于导电方面的应用。大部分的专利采用纯的石墨烯材料作为电加热材料，如专利号为CN206518638U的中国实用新型专利采用功能化的石墨烯分散于高分子树脂中，然后通过印刷固化后应用于医疗床铺加热垫。石墨烯片层通常需要添加高分子材料使石墨烯片层固定并形成稳定的导电网络，高分子材料也具有增强附着的作用。但高分子材料的添加也使石墨烯片层间距增大，导致导电率并不理想。
在对石墨烯加热垫的制备方法进行研究的过程中，本申请的发明人发现液相直接剥离法制得的石墨烯片层的导电率较高，而且制备工艺简单、成本低，比石墨烯薄膜更适合作为石墨烯加热垫的加热材料，并且添加少量的其它形貌的导电材料(例如，石墨、碳黑、碳纳米管、碳纤维、银颗粒、铜颗粒等)更容易与石墨烯片层组合形成致密的导电网络，可以解决高分子材料添加导致的导电率不理想的问题。如采用10wt％碳黑、40wt％石墨烯片层、50wt％聚酯组成的导电膜的导电性要远优于50wt％石墨烯片层和50wt％聚酯组成的导电膜。
具体地，本申请提供了一种石墨烯加热垫，所述石墨烯加热垫包括：
石墨烯加热膜，所述石墨烯加热膜包括防水保护层、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；
隔热保护层，所述隔热保护层结合在所述石墨烯加热膜的一侧；和
任选地装饰层，所述装饰层结合在所述石墨烯加热膜的另一侧。
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：30-80重量份石墨烯片层、20-60重量份高分子材料和5-30重量份除石墨烯之外的导电材料。
在一些实施方式中，所述石墨烯片层可以通过液相直接剥离法处理原始石墨、膨胀石墨或改性石墨制备得到。
任选地，所述石墨烯片层可以采用选自球磨法、超声法、射流法、砂磨法、剪切法中的任意一种液相直接剥离法处理原始石墨、膨胀石墨或改性石墨制备得到。
在一些实施方式中，所述石墨烯片层的平均厚度小于30nm，平均横向尺寸大于500nm。
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、合成高分子材料和改性高分子材料中的任意一种或更多种。
任选地，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、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，所述高分子材料可以包括作为助剂的高分子材料，其中，所述助剂选自分散剂、稳定剂、保护剂、成膜剂、偶联剂、增塑剂、消泡剂、增稠剂、润湿剂、流平剂、触变剂、交联剂、杀菌剂、光引发剂、热引发剂和紫外吸收剂中的任意一种或更多种。
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多种。
在一些实施方式中，可以采用印刷法、刮涂法或喷涂法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，所述印刷法可以为丝网印刷法、凹版印刷法、平板印刷法、凸版印刷法或胶版印刷法。
在一些实施方式中，所述石墨烯加热层的厚度可以为10-50μm。
在一些实施方式中，所述装饰层、所述防水保护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。
任选地，所述装饰层、所述防水保护层和所述基底可以由选自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、硅橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、丁晴橡胶、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，所述隔热保护层的主体材料可以选自无机绝热材料和有机绝热材料中的任意一种或更多种。
任选地，所述隔热保护层的主体材料可以选自矿物棉、岩棉、玻璃棉、硅酸铝棉、石棉、硅藻土、硅酸钙、膨胀珍珠岩、天然棉、合成棉、麻、动物毛、蚕丝、合成丝、泡沫塑料和泡沫橡胶中的任意一种或更多种。
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、粘贴法、印刷法、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，所述石墨烯加热垫还可以包括：
导电线路，所述导电线路的一端与所述石墨烯加热膜的电极电连接；
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能够与电源连接，从而所述石墨烯加热膜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，所述开关设置为控制供电线路的启闭。
在一些实施方式中，所述石墨烯加热垫还可以包括传感器和控制器，所述传感器和控制器均设置在所述导电线路上，所述传感器与所述控制器电连接，所述传感器为温度传感器和/或压力传感器，对应地所述控制器为温度控制器和/或压力控制器，从而所述控制器能够接收来自于所述传感器的温度和/或压力信号，并将接收的温度和/或压力信号与设定的阈值进行比较，进而控制供电线路的启闭。
本申请的石墨烯加热垫采用石墨烯片层、高分子材料和除石墨烯之外的导电材料作为导电材料，能够形成致密的导电网络，解决了高分子材料添加导致的导电率不理想的问题。而且石墨烯片层的制备工艺简单、成本低、导电率较高。
与常见的利用电热棒或电阻丝加热的加热垫相比，本申请的石墨烯加热垫具有工作电压低、加热快、耐弯折、体积小、加热面积大、加热均匀的优点，使用更加灵活方便，能够广泛应用于鱼缸、盆栽、饭菜、座椅等的加热和保温。
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的石墨烯加热垫的局部结构剖面图。
图2为本申请实施例1制备的石墨烯片层的微观形貌图。
图3为本申请实施例1的石墨烯加热垫的使用示意图。
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垫，所述石墨烯加热垫包括：
石墨烯加热膜，所述石墨烯加热膜包括防水保护层、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；
隔热保护层，所述隔热保护层结合在所述石墨烯加热膜的一侧；和
任选地装饰层，所述装饰层结合在所述石墨烯加热膜的另一侧。
其中，制备所述石墨烯加热层的原料包括：30-80重量份石墨烯片层、20-60重量份高分子材料和5-30重量份除石墨烯之外的导电材料。
在本申请其他的实施例中，所述石墨烯加热垫还可以包括：
导电线路，所述导电线路的一端与所述石墨烯加热膜的电极电连接；
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能够与电源连接，从而所述石墨烯加热膜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，所述开关设置为控制供电线路的启闭。
使用时，将本申请实施例的石墨烯加热垫放于鱼缸、盆栽、饭菜、座椅等需要加热的物品下方，通过电源接头与220V交流电源或电池(普通电池或蓄电池)连接，打开开关，就可进行加热。
在本申请其他的实施例中，所述石墨烯加热垫还可以包括传感器和控制器，所述传感器和控制器均设置在所述导电线路上，所述传感器与所述控制器电连接，所述传感器为温度传感器和/或压力传感器，对应地所述控制器为温度控制器和/或压力控制器，从而所述控制器能够接收来自于所述传感器的温度和/或压力信号，并将接收的温度和/或压力信号与设定的阈值进行比较，进而控制供电线路的启闭。此时可以不设置开关。
实施例1
本实施例的石墨烯加热垫可以用于对鱼缸进行加热和保温。
如图1所示，本实施例的石墨烯加热垫从上到下依次包括：装饰层1(聚氨酯人造革)、石墨烯加热膜和隔热保护层2(镀铝聚苯乙烯泡沫塑料)，所述石墨烯加热膜从上到下依次包括：防水保护层3(PET薄膜)、石墨烯加热层4和柔性基底5(PET薄膜)，所述电极6设置在所述石墨烯加热层4上且位于所述防水保护层3与所述石墨烯加热层4之间。
石墨烯加热层(包含电极)的制备方法如下：
(1)采用射流空化法处理原始石墨粉制备石墨烯片层，制得的石墨烯片层的微观形貌如图2所示，平均厚度为3纳米，平均尺寸为5微米；
(2)将30重量份制得的石墨烯片层、30重量份碳黑和40重量份水溶性丙烯酸树脂搅拌分散在水中，通过丝网印刷印制在柔性基底表面，待干燥后剪切成方块形状，形成厚度为20μm的石墨烯加热层，在其边缘涂敷银浆，上层覆盖导电铜箔，以在石墨烯加热层上形成电极(即电极由银和铜形成)。
如图3所示，本实施例的石墨烯加热垫还包括温度传感器7、温度控制器8、导线线路9和电源接头10，使用时将电源接头10与220V交流电源连接，将温度传感器7放入鱼缸100的水中，温度传感器7检测到温度信号后触发温度控制器8，当温度低于温度控制器8设定的温度时，温度控制器8形成开路，石墨烯加热层获得电能开始加热；当温度高于设定的温度时，温度控制器8形成闭路，停止加热。
实施例2
本实施例的石墨烯加热垫可以用于对盆栽进行加热和保温。
本实施例的石墨烯加热垫包括石墨烯加热膜和隔热保护层(聚氨酯泡沫塑料)，所述石墨烯加热膜包括：防水保护层(PI薄膜)、石墨烯加热层和柔性基底(PI薄膜)，所述电极设置在所述石墨烯加热层上且位于所述防水保护层与所述石墨烯加热层之间。
石墨烯加热层(包含电极)的制备方法如下：
(1)采用球磨法处理改性石墨粉制备石墨烯片层，平均厚度为30纳米，平均尺寸为12微米；
(2)将35重量份制得的石墨烯片层、55重量份聚酯树脂和10重量份石墨分散在环己酮中，搅拌混合均匀，通过丝网印刷印制在在柔性基底表面，待干燥后剪切成方块形状，形成厚度为10μm的石墨烯加热层，在边缘涂敷银浆，上层覆盖镀铝布胶带，以在石墨烯加热层上形成电极(即电极由银和铝形成)。
本实施例的石墨烯加热垫还包括温度传感器、温度控制器、导线线路和电源接头，使用时将电源接头与220V交流电源连接，将温度传感器插入盆栽的泥土中，温度传感器检测到温度信号后触发控制器，当温度低于控制器设定的温度时，控制器形成开路，石墨烯加热层获得电能开始加热；当温度高于设定的温度时，控制器形成闭路，停止加热。
实施例3
本实施例的石墨烯加热垫可以用于对饭菜进行加热和保温。
本实施例的石墨烯加热垫包括石墨烯加热膜和隔热保护层(聚氨酯泡沫塑料)，所述石墨烯加热膜包括：防水保护层(硅橡胶)、石墨烯加热层和柔性基底(硅橡胶)，所述电极设置在所述石墨烯加热层上且位于所述防水保护层与所述石墨烯加热层之间。
石墨烯加热层(包含电极)的制备方法如下：
(1)采用剪切法处理膨胀石墨制备石墨烯片层，平均厚度为2.1纳米，平均尺寸为7微米；
(2)将50重量份制得的石墨烯片层、45重量份聚氨酯树脂和5重量份碳纳米管分散在醋酸乙酯和醋酸丁酯混合液中，搅拌混合均匀，通过丝网印刷印制在在柔性基底表面，待干燥后剪切成方块形状，形成厚度为50μm的石墨烯加热层，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(即电极由银和碳纤维形成)。
本实施例的石墨烯加热垫还包括导线线路和电源接头，并且该电源接头能够与蓄电池(此时电源接头具有正负极)或充电宝(此时电源接头为USB转换接头)连接，使得本实施例的石墨烯加热垫能够在户外野餐时使用。
本实施例的石墨烯加热垫还包括压力传感器和压力控制器，使用时将电源接头与蓄电池或充电宝连接，将压力传感器放在石墨烯加热垫上。当将盛饭菜的容器放在压力传感器上时，压力传感器检测到压力信号并触发控制器，控制器形成开路，石墨烯加热层获得电能开始加热；当将盛饭菜的容器从压力传感器上移开后，压力传感器检测不到压力信号，控制器形成闭路，停止加热。
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 (11)
1.一种石墨烯加热垫，所述石墨烯加热垫包括：
石墨烯加热膜，所述石墨烯加热膜包括防水保护层、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；
隔热保护层，所述隔热保护层结合在所述石墨烯加热膜的一侧；和
任选地装饰层，所述装饰层结合在所述石墨烯加热膜的另一侧。
2.根据权利要求1所述的石墨烯加热垫，其中，制备所述石墨烯加热层的原料包括：30-80重量份石墨烯片层、20-60重量份高分子材料和5-30重量份除石墨烯之外的导电材料。
3.根据权利要求2所述的石墨烯加热垫，其中，所述石墨烯片层通过液相直接剥离法处理原始石墨、膨胀石墨或改性石墨制备得到，任选地，采用选自球磨法、超声法、射流法、砂磨法、剪切法中的任意一种液相直接剥离法制备得到。
4.根据权利要求2所述的石墨烯加热垫，其中，所述高分子材料选自天然高分子材料、合成高分子材料和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、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。
5.根据权利要求2所述的石墨烯加热垫，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多种。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的石墨烯加热垫，其中，采用印刷法、刮涂法或喷涂法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；任选地，所述石墨烯加热层的厚度为10-50μm。
7.根据权利要求1所述的石墨烯加热垫，其中，所述装饰层、所述防水保护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、硅橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、丁晴橡胶、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。
8.根据权利要求1所述的石墨烯加热垫，其中，所述隔热保护层的主体材料选自无机绝热材料和有机绝热材料中的任意一种或更多种，任选地，选自矿物棉、岩棉、玻璃棉、硅酸铝棉、石棉、硅藻土、硅酸钙、膨胀珍珠岩、天然棉、合成棉、麻、动物毛、蚕丝、合成丝、泡沫塑料和泡沫橡胶中的任意一种或更多种。
9.根据权利要求1所述的石墨烯加热垫，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、粘贴法、印刷法、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1-9中任一项所述的石墨烯加热垫，还包括：
导电线路，所述导电线路的一端与所述石墨烯加热膜的电极电连接；
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能够与电源连接，从而所述石墨烯加热膜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，所述开关设置为控制供电线路的启闭。
11.根据权利要求10所述的石墨烯加热垫，还包括传感器和控制器，所述传感器和控制器均设置在所述导电线路上，所述传感器与所述控制器电连接，所述传感器为温度传感器和/或压力传感器，对应地所述控制器为温度控制器和/或压力控制器，从而所述控制器能够接收来自于所述传感器的温度和/或压力信号，并将接收的温度和/或压力信号与设定的阈值进行比较，进而控制供电线路的启闭。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20191105 |