CN110493900A - 一种36v及以下低电压驱动的ptc电热膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电热材料制备技术领域，具体涉及一种36V及以下低电压驱动的PTC电热膜及其制备方法。电热膜由上绝缘层、下绝缘层和高分子PTC发热层组成。高分子PTC发热层由石墨烯微片填充型PTC发热体以及导电铜条组成，PTC发热体的原料包括石墨烯微片、聚乙烯树脂、聚甲基丙烯酸甲酯。该电热膜具有启动电阻低、长期使用功率衰减率低，PTC电热功能稳定可靠等优点。本发明的制备方法为：制备石墨烯微片填充型PTC发热体，将上绝缘层、下绝缘层、石墨烯微片填充型PTC发热体以及导电铜条压延成型。本发明方法工艺流程简捷，容易实现。
Description
技术领域
本发明属于电热材料制备技术领域，具体涉及一种低电压驱动的PTC电热膜及其制备方法。
背景技术
有电阻正温度系数(positive temperature coefficient，PTC)效应的无机或有机材料可用于制作自控温型智能电热膜，PTC功能可防止局部异常过热，自动控制电流随温度的变化，有效控制耗电量。现有技术的PTC电热膜的制作工艺是在绝缘基材表面进行涂覆和丝网印刷。中国专利申请CN 201310398903.5公开了“PTC复合材料发热膜及其制备方法和应用”，将PTC复合浆料涂覆在环氧树脂半固化片上，然后在另一侧再盖上一层环氧树脂半固化片，在温度为80-180℃、压力为5MPa-10MPa的条件下进行固化得PTC复合材料发热膜；中国专利申请CN 201410059559.1公开了“正温度系数电热地膜及其制作方法”，通过蚀刻工序将导电条形状蚀刻在带导电体的聚酯薄膜上制得导电条薄膜，然后将PTC导电油墨印刷在导电条薄膜上形成基膜，在所述的基膜上复合一层含热固胶的聚酯薄膜及铜带得到PTC电热膜；中国专利申请CN 201710674203.2公开了“一种自限温PTC电热膜生产工艺”，在光滑玻璃表面上涂覆膨胀胶和PTC高分子溶胶得到导电碳膜，将正负极载流条黏贴在导电碳膜两侧并整体热压在上下层绝缘膜之间；中国专利申请CN 201811271269.8公开了“一种新型具有PTC效应的电热膜及其制备方法”，用多巴胺处理的碳纤维制得的碳浆与聚氨酯乳液混合均匀后涂覆在基材上制备成电热膜，碳纤维短纤主要分布在亲水性聚合物中，聚氨酯为电热膜支撑材料，形成双连续相体系。
采用上述方法制备PTC电热膜，由于发热层与基材热膨胀系数存在差异，在反复加热-冷却过程中发热层与基材间易形成气泡，导致发热层脱落；同时，反复加热-冷却导致发热层易产生微小裂纹，使得电阻值在使用过程中逐渐增加，电热功率衰减比较明显。
另外，现在市场上使用的PTC电热膜都是连接家用电压220V，PTC电热膜往往会由于自身问题或者安装问题出现连接导线金属部分裸露外面而产生漏电触电事故，存在安全隐患。
低电压驱动的PTC电热膜要求方阻比较低才行，而由于材料导电性能的局限，现有的PTC电热膜方阻一般都在20000-30000欧姆/sq，即便采用并联方案降低方阻，也很难达到低电压驱动的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种36V及以下低电压驱动的PTC电热膜，电热膜方阻低于10000欧姆/sq，该电热膜具有电热功能稳定，绝缘性能好的优点，且不会形成明显电容效应，安全可靠，通过并联可以满足36V电压驱动。
本发明的技术方案如下：
一种36V及以下低电压驱动的PTC电热膜，从下至上依次由下层绝缘层、上层绝缘层，以及在上绝缘层和下绝缘层之间设置的高分子PTC发热层组成；所述高分子PTC发热层由导电铜条和石墨烯微片填充型PTC发热体组成。
其中，石墨烯微片填充型PTC发热体按重量份的组成为：石墨烯微片1.5-5份、聚乙烯树脂63.5-97份、聚甲基丙烯酸甲酯1.5-31.5份；所述石墨烯微片填充型PTC发热体的厚度为30-60μm。上绝缘层和下绝缘层为聚酯薄膜，其厚度为75-180μm。
聚甲基丙烯酸甲酯和聚乙烯是两种具有不同玻璃化温度的聚合物，在聚合物的长链中，均具备结晶区和非结晶区，当温度升高初期时，非结晶区的链段的膨胀会导致石墨烯导电网络(微结构)的切断，从而实现PTC效应(即电阻增大)，两种聚合物共混时，混合后的聚合物对PTC效应具有放大作用，即两种聚合物有PTC协同增强效应。
另外，石墨烯微片的加入，能够实现高稳定性，从测试结果来看，加热-冷却循环3000次后的电阻稳定能维持在±2％以内。
本发明还提供了一种36V及以下低电压驱动的PTC电热膜的制备方法，其步骤如下：
(1)制备石墨烯微片填充型PTC高分子导电粒子：按照重量份称取石墨烯微片、聚乙烯树脂和聚甲基丙烯酸甲酯，置于高速搅拌机中高速搅拌20-25min混匀；采用挤出机进行熔融挤出，室温下水冷后经切割机造粒，即得石墨烯微片填充型PTC高分子导电粒子；挤出机熔融挤出的温度为150-160℃。
(2)制备发热层：采用流延成膜机将步骤(1)制得的PTC高分子导电粒子在120-150℃流延成膜，收卷制得石墨烯微片填充型PTC发热体，厚度为30-60μm，然后在制得的石墨烯微片填充型PTC发热体两侧120-150℃平行热压复合两条宽1.5cm的导电铜条即得发热层；
(3)复合绝缘层：在步骤(2)制得的发热层上120-150℃热复合上绝缘层和下绝缘层，即得低电压驱动的PTC电热膜。
本发明的有益效果：
1、本发明的PTC电热膜中的发热层采用熔融流延一体成型，在使用过程中循环通电加热-断电冷却后不产生微裂纹，另外，重复使用电热膜的初始电阻没有升高，电热性能不发生衰减，从而提高稳定性，延长使用寿命。
2、本发明提供了一种在36V及以下电压下稳定工作的PTC电热膜，此电压范围是人体可承受的安全电压，因此提高了安全性能。
附图说明
图1为本发明36V及以下低电压驱动的PTC电热膜的结构示意图；
其中，1、上绝缘层；2、发热层；3、下绝缘层；
图2为本发明中的PTC发热层的结构示意图；
其中，4、导电铜条；5、石墨烯微片填充型PTC发热体；
图3为本发明为实施例1条件下制备的PTC电热膜在36V电压驱动下的功率与时间变化曲线；
图4为本发明为实施例1条件下制备的PTC电热膜在36V电压驱动的温度与时间变化曲线；
图5为实施例1条件下制备的PTC电热膜在36V电压驱动下连续启停50次后方阻的变化图。
具体实施方式
下面通过实例对本发明作进一步的详细说明。需要说明的是，下述实例仅用于说明本发明，但并不用于限制本发明的实施范围。
如图1所示，本发明36V低电压驱动的PTC电热膜，包括上绝缘层1和下绝缘层3，在上绝缘层1和下绝缘层3之间设置有发热层2。
如图2所示，发热层2包括两侧平行的导电铜条4，石墨烯微片填充型PTC发热体5。
石墨烯微片填充型PTC发热体5按重量份的组成为：石墨烯微片1.5-5份、聚乙烯树脂63.5-97份、聚甲基丙烯酸甲酯1.5-31.5份。聚乙烯树脂为高密度聚乙烯树脂、低密度聚乙烯树脂、线形低密度聚乙烯树脂、或中密度聚乙烯树脂。
发热层2的厚度为30-60μm。
上绝缘层1和下绝缘层3均为PET聚酯薄膜。
本发明的36V低电压驱动的PTC电热膜制备方法包括下述步骤：
1、制备石墨烯微片填充型PTC导电粒子：按重量份称取石墨烯微片1.5-5份、聚乙烯树脂63.5-97份、聚甲基丙烯酸甲酯1.5-31.5份、置于高速搅拌机中高速搅拌20min～25min得石墨烯微片组合物；采用挤出机进行熔融挤出，室温下水冷后经切割机造粒，即得石墨烯微片填充型PTC导电粒子；
2、制备发热层2：采用流延成膜机将步骤1制得的导电粒子在120-150℃流延成膜，收卷制得石墨烯微片填充型PTC发热体5，厚度为30-60μm，然后在制得的石墨烯微片填充型PTC发热体5两侧120-150℃平行热压复合两条导电铜条4即得发热层2；
3、复合绝缘层：在步骤2制得的发热层120-150℃热复合上绝缘层1和下绝缘层3，所述绝缘层为聚酯薄膜；
本发明中制备的石墨烯微片填充型PTC发热体5，其中的石墨烯微片制备方法见中国专利CN201310260669.X。
上绝缘层1、下绝缘层3以及导电铜条4的复合在聚乙烯的熔点以上进行，以使导电铜条4充分嵌入石墨烯微片填充型PTC发热体5内部，在导电铜条4与石墨烯微片填充型PTC发热体5的正交点部分，接触良好，工作可靠。
以下结合具体实施例进一步说明本发明。
实施例1
1、制备石墨烯微片填充型PTC导电粒子：称取石墨烯微片0.2kg、低密度聚乙烯树脂7kg、聚甲基丙烯酸甲酯1kg、置于高速搅拌机中高速搅拌20min得混合物；
挤出机熔融混合物并挤出纺丝，下水冷后切割机造粒，即得石墨烯微片填充型PTC导电粒子；
2、制备发热层2：采用流延成膜机将步骤1制得的导电粒子在130℃流延成膜，收卷制得石墨烯微片填充型PTC发热体5，厚度为60μm，然后在制得的石墨烯微片填充型PTC发热体5两侧130℃平行热压复合两条导电铜条4即得发热层2；
3、复合绝缘层：在步骤2制得的发热层120℃热复合上绝缘层1和下绝缘层3，所述绝缘层为聚酯薄膜；
将该36V低电压驱动的PTC电热膜的两个导电铜条4引出导线接电源，测试得到其初始方阻为8000Ω/sq，在36V电压、20℃环境温度下，该电热膜发热平衡时温度达到55℃-60℃。
实施例2
1、制备石墨烯微片填充型PTC导电粒子：称取石墨烯微片0.3kg、低密度聚乙烯树脂7kg、聚甲基丙烯酸甲酯1kg、置于高速搅拌机中高速搅拌20min得混合物；
挤出机熔融混合物并挤出纺丝，下水冷后切割机造粒，即得石墨烯微片填充型PTC导电粒子；
2、制备发热层2：采用流延成膜机将步骤1制得的导电粒子在150℃流延成膜，收卷制得石墨烯微片填充型PTC发热体5，厚度为50μm，然后在制得的石墨烯微片填充型PTC发热体5两侧130℃平行热压复合两条导电铜条4即得发热层2；
3、复合绝缘层：在步骤2制得的发热层120℃热复合上绝缘层1和下绝缘层3，所述绝缘层为聚酯薄膜；
将该36V低电压驱动的PTC电热膜的两个导电铜条4引出导线接电源，测试得到其初始方阻为6600Ω/sq，在36V电压、20℃环境温度下，该电热膜发热平衡时温度达到40℃-45℃。
实施例3
1、制备石墨烯微片填充型PTC导电粒子：称取石墨烯微片0.4kg、低密度聚乙烯树脂7kg、聚甲基丙烯酸甲酯1kg、置于高速搅拌机中高速搅拌25min得混合物；
挤出机熔融混合物并挤出纺丝，下水冷后切割机造粒，即得石墨烯微片填充型PTC导电粒子；
2、制备发热层2：采用流延成膜机将步骤1制得的导电粒子在150℃流延成膜，收卷制得石墨烯微片填充型PTC发热体5，厚度为30μm，然后在制得的石墨烯微片填充型PTC发热体5两侧130℃平行热压复合两条导电铜条4即得发热层2；
3、复合绝缘层：在步骤2制得的发热层120℃热复合上绝缘层1和下绝缘层3，所述绝缘层为聚酯薄膜；
将该36V低电压驱动的PTC电热膜的两个导电铜条4引出导线接电源，测试得到其初始方阻为4000Ω/sq，在36V电压、20℃环境温度下，该电热膜发热平衡时温度达到35℃-40℃。
对比实施例1
不添加石墨烯微片，其余条件同实施例1。
将制得的电热膜的两个导电铜条4引出导线接电源，无法测出其电阻。
对比实施例2
不添加聚甲基丙烯酸甲酯，其余条件同实施例1。
将制得的电热膜的两个导电铜条4引出导线接电源，测试得到其方阻为5000Ω/sq，在36V电压、20℃环境温度下，该电热膜发热平衡时温度达到50℃-55℃，随着温度升高到平衡值，功率下降约25-30％，PTC效应不明显。
对比实施例3
将石墨烯微片改成石墨烯(氧化还原型)，其余条件同实施例1。
将制得的电热膜的两个导电铜条4引出导线接电源，测试得到其初始方阻为20000Ω/sq，在36V电压、20℃环境温度下，该电热膜发热平衡时温度达到35℃-40℃，随着温度升高到平衡值，功率下降约35-40％，出现明显PTC效应。
对比实施例4
采用乙烯-乙酸乙烯共聚物替代实施例1中的聚甲基丙烯酸甲酯，其余条件同实施例1.将制得的电热膜的两个导电铜条4引出导线接电源，测试得到其初始方阻为8200Ω/sq，在36V电压、20℃环境温度下，该电热膜发热平衡时温度达到55℃-60℃，起始功率下降约10％，PTC效应并不明显。
实施例4
用实施例1测试PTC效应及其稳定性，起始功率为5.2W，约70s时达到2.5W，此时温度为49℃，经过300s测试后功率仍然稳定在2.5W左右，温度稳定在59℃左右，其功率-时间，温度-时间变化曲线如图3和图4，随着加热时间的延长，起始功率下降到50％左右开始趋于稳定，而加热温度是逐渐上升的，最后趋于稳定在55-60℃，显示了明显的PTC效应。；图5为连续启停50个回合的PTC电热膜电阻的测试数据，显示起始方阻从第三次开始始终稳定在7800Ω/sq，温度恒定后的方阻稳定在16000Ω/sq左右，期间没有出现过方阻升高的情况。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种36V及以下低电压驱动的PTC电热膜，其特征在于，所述PTC电热膜由上绝缘层、下绝缘层，以及在上绝缘层和下绝缘层之间设置的高分子PTC发热层组成；所述高分子PTC发热层由导电铜条和石墨烯微片填充型PTC发热体组成。
2.如权利要求1所述36V及以下低电压驱动的PTC电热膜，其特征在于，所述石墨烯微片填充型PTC发热体按重量份的组成为：石墨烯微片1.5-5份、聚乙烯树脂63.5-97份、聚甲基丙烯酸甲酯1.5-31.5份；所述石墨烯微片填充型PTC发热体的厚度为30-60μm。
3.如权利要求2所述36V及以下低电压驱动的PTC电热膜，其特征在于，所述聚乙烯树脂为高密度聚乙烯树脂、低密度聚乙烯树脂、线形低密度聚乙烯树脂、或中密度聚乙烯树脂。
4.如权利要求1所述36V及以下低电压驱动的PTC电热膜，其特征在于，所述上绝缘层和下绝缘层为聚酯薄膜，其厚度为75-180μm。
5.一种如权利要求1所述的36V及以下低电压驱动的PTC电热膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法步骤如下：
(1)制备石墨烯微片填充型PTC高分子导电粒子：按照重量份称取石墨烯微片、聚乙烯树脂和聚甲基丙烯酸甲酯，置于高速搅拌机中高速搅拌20-25min混匀；采用挤出机进行熔融挤出，室温下水冷后经切割机造粒，即得石墨烯微片填充型PTC高分子导电粒子；
(2)制备发热层：采用流延成膜机将步骤(1)制得的PTC高分子导电粒子在120-150℃流延成膜，收卷制得石墨烯微片填充型PTC发热体，厚度为30-60μm，然后在制得的石墨烯微片填充型PTC发热体两侧120-150℃平行热压复合两条导电铜条即得发热层；
(3)复合绝缘层：在步骤(2)制得的发热层上120-150℃热复合上绝缘层和下绝缘层，即得低电压驱动的PTC电热膜。
6.如权利要求5所述的36V及以下低电压驱动的PTC电热膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述挤出机进行熔融挤出的温度为150-160℃。
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