CN111278177B

CN111278177B - 一种碳材料电加热片的制备方法

Info

Publication number: CN111278177B
Application number: CN201911297921.8A
Authority: CN
Inventors: 张旭锋; 黎迪辉; 张元晋; 益小苏; 仝建峰
Original assignee: Acc Beijing Science And Technology Co ltd
Current assignee: Acc Beijing Science And Technology Co ltd
Priority date: 2019-12-13
Filing date: 2019-12-13
Publication date: 2021-12-21
Anticipated expiration: 2039-12-13
Also published as: CN111278177A

Abstract

本发明是一种碳材料电加热片的制备方法，该方法是将碳材料发热元件(3)两端电极(2)通过导线与可调节电压的电源(5)连接，将温度传感器贴(6)附在热塑性薄膜(1)表层，用导线引出后连接到温控器(4)上，将碳材料发热元件(3)上、下表面贴覆热塑性薄膜(1)并连接电源，在上、下热塑性薄膜(1)表面设置模板，然后放在压机或真空袋内对模板施压，接通电源，靠碳材料发热元件(3)发热使上、下热塑性薄膜(1)熔合，将碳材料发热元件(3)整体封装，得到碳材料电加热片。与传统的由外向内加热加工模式比，具有耗能低，效率高的优点。根据所选用的不同熔程、不同强度的热塑性材料，可制得柔性或具有一定强度的加热片。

Description

一种碳材料电加热片的制备方法

技术领域

本发明是一种碳材料电加热片的制备方法，属于电加热材料技术领域。

背景技术

碳基电加热材料相比于传统的金属电加热材料，具有电磁辐射量极小、热转换率高、使用寿命长等优点，并且碳材料加热产生的远红外辐射能够促进人体内部血液循环，研发高性能碳纤维发热材料是目前发热材料研发的热点。新型的电热碳材料广泛应用于医疗保健、现代建筑、装饰装修、采暖工程等领域。

近年来碳材料发展迅速，市面上的碳电加热材料种类有石墨烯、碳纳米管、碳纤维等多种类别，其中石墨烯自2004年第一次制备出后备受关注，它是一种完全由sp²杂化的碳原子构成的厚度仅为单原子层或数个单原子层的准二维晶体材料，具有高强度、高比表面积、高导电性等优异性能。

目前，上述的碳材料发热膜一般是将石墨烯或碳纳米管做成发热浆料涂覆在热塑性膜载体上，再用另外一层热塑性材料通过热压的方式将加热体材料封装。因此制备工艺繁琐，需经导电浆料配置、涂覆、热压封装等工序。其次，将加热膜通过热塑性材料封装，热塑膜与加热体层间结合强度低，容易导致分层和开裂。再者将加热体封装一般采用热压工艺，使用设备是热压机，需要将压机台面加热，再将热量传递给压制模板和制件，整体加热到需要加工的温度后压制成型。因此升温时间长，加热效率低，热能利用率低，加工过程是高能耗、低效率的过程。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种碳材料电加热片的制备方法，其目的是使制备过程高效、低能耗，制备的加热片强度高、发热均匀。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种碳材料电加热片的制备方法中，该碳材料电加热片从上至下依次为热塑性薄膜1、电极2、碳材料发热元件3、热塑性薄膜1，其特征在于：将碳材料发热元件3两端电极2通过导线与可调节电压的电源5连接，将温度传感器贴6附在热塑性薄膜1表层，用导线引出后连接到温控器4上，将碳材料发热元件3上、下表面贴覆热塑性薄膜1并连接电源，在上、下热塑性薄膜1表面设置模板，贴覆热塑性薄膜1时，四周多出10-15mm，然后放在压机或真空袋内对模板施压，真空度小于-0.095MPa，接通电源，靠碳材料发热元件3发热使上、下热塑性薄膜1熔合，将碳材料发热元件3整体封装，得到碳材料电加热片。

在一种实施中，所述的碳材料发热元件3主体为短切碳纤维毡，面密度为10-50g/m²，电阻值为5-30Ω。碳纤维毡面密度越大，表面电阻值越低。

在一种实施中，短切碳纤维毡表面经过金属化处理。进一步，所述金属化处理是在短切碳纤维毡表面镀镍、镀银、镀铜或镀铬镍合金。以增加导电率和发热效率，经过处理后的短切碳纤维毡可降低加载电压和大大提高升温速率，可满足一般工况所需的加热效果。

在一种实施中，短切碳纤维毡经过石墨烯改性处理。进一步，短切碳纤维毡石墨烯改性处理用石墨烯分散液的化学组分及质量份数比为：

上述组份混合后按1∶1000的质量份数比分散在丙酮溶剂中，通过浸渍或喷涂的方式负载在碳纤维毡上。

在一种实施中，所述热塑性薄膜1为的材料为聚氨酯、EVA、尼龙、聚乙烯、TPU以满足柔性的使用要求。其熔程范围一般在80-170℃，

在一种实施中，所述热塑性薄膜1为的材料为聚酰亚胺、聚醚砜、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺以满足强度和耐温的需要。其熔程一般在250-400℃。

优选聚氨酯膜，透明性好，具有良好的抗冲击性及柔韧性，厚度约0.5mm，密度为1.0～1.2g/cm³，熔融温度范围约100～160℃，可长期耐120℃使用温度，在碳纤维毡表面上下各覆一层。成型后的加热片具有柔性可弯折，并且具有一定的强度和，并具有耐水性。

在一种实施中，所述电极2为铜箔，通过导电胶粘接在碳材料发热元件3上，该电极2设有温度传感器6，并且温度传感器6通过导线与智能的温控器4相连接，温控器4与变压器连接，变压器可调节电压为5V～220V；根据所选改性后的碳材料发热元件3的电压-温度特性，通过变压器调节电压进而控制所需温度，所述变压器与外部电源5相连接。

所述的导电胶的化学组分及质量份数比为：

上述组分均匀混合后制成黑色膏状的导电胶。

在一种实施中，在上、下模板之间施加的压力为0.1-0.7Mpa。

本发明方法中，碳材料发热元件3采用石墨烯改性或金属化处理的碳纤维毡能有效增加电加热材料的强度，经石墨烯或金属化处理后能大大增加加热元件的加热效率和加热均匀性。改性处理后的碳材料发热元件3仍然是一种多孔状材料，用热塑性材料进行封装时能有效浸渍和固结纤维，因此加热片纤维与热塑性封装材料整体结合强度高，不易分层开裂。

本发明方法中，加热体封装工艺采用了将碳材料发热元件3通电升温原位加热的方式，采用自内向外的加热方式使热塑性材料升温熔融后受压熔合。这种原位自内向外的精准的加热方式，由加热片电压-温度发热特性通过调节变压器控制电压使碳材料发热元件3发热温度达到热塑性保护层的熔融温度，并恒温保持5-10min，然后断开电流，降至室温完成成型。通过碳纤维毡发热压合的方法升温速率快，可在1分钟以内即可达到所需温度，优选地可选用快速反应的热塑性聚氨酯胶膜，如热压10-30s即可成型的热塑性胶膜或其他EVA胶膜、PA、PES、PO、TPU胶膜。与传统的在外向内加热加工模式比，具有耗能低，效率高的优点。另外，碳加热材料本身具有加热温度范围宽(50～400℃)、升温速率高(最高可达2℃/s)、降温速度快、热转化效率高(大于95％)等优点，所以可适用于不同熔程范围的热塑性材料，可制备柔性或具有一定强度加热片。

与现有技术相比，本发明提供的碳材料电加热片的制备方法具有以下有益效果：

1)本发明提供了一种新型碳材料电加热片，由于碳纤维毡的多孔性，热塑性材料能较好的浸透碳纤维毡与加热元件融合具有较高的结合强度。根据所选的热塑性材料的性质，可制备柔性可弯折的加热片或具有一定刚度的加热片。

2)本发明采用了一种将加热元件通电升温、自内向外原位加热热塑性材料的加热方式使热塑性材料升温熔融后受压熔合。这种原位自内向外的精准的加热方式，与传统的在外向内加热加工模式比，具有耗能低，效率高的优点。

附图说明

图1为本发明提供的一种发热片截面结构示意图；

图2为本发明提供的一种发热片电路连接结构示意图；

图3为实施例1中碳纤维毡加热温度与加载电压、时间的关系图；

图4为实施例1中改性碳纤维毡的加热温度与加载电压、时间的关系图；

图5为实施例2中碳纤维毡加热温度与加载电压、时间的关系图；

图6为实施例2中碳纤维毡改性后加热温度与加载电压、时间的关系图；

图7为实施例3中改性柔性碳纤维毡弯曲、对折前后的热成像图；

图8为实施例3中改性柔性碳纤维毡卷曲时的热成像图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规提交或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

该种碳材料电加热片包括热塑性薄膜1、电极2、碳材料发热元件3、温控器4、电源5、温度传感器6，其中所述的碳材料发热元件3是采用短切碳纤维经金属化或石墨烯改性的碳纤维毡，具有导电性好，纤维分布均匀的特点，纤维长度根据需求长短而定，一般可选择3、4、5、6mm等，碳纤维毡胶黏剂可采用聚酯类胶黏剂或耐高温胶黏剂，面密度可选择10g/m²、15g/m²、20g/m²、25g/m²、30g/m²、35g/m²、40g/m²、45g/m²、50g/m²等不同面密度规格，面密度规格越大，表面电阻越低。碳纤维毡裁剪为20cm x 20cm规格的发热元件，根据需要可更改所需裁剪尺寸。进一步，可选用镀镍/镀银的碳纤维毡作为发热元件，可降低表面电阻并提升发热响应速率，在短时间内迅速升温；

上述发热元件3短切碳纤维毡需经过石墨烯改性处理，具体地，氧化石墨烯改性分散液的构成为：氧化石墨烯粉体35份、导电银粉20份、炭黑5份、环氧树脂定型剂3份、分散剂0.1-3份，上述原料按照配比1:1000分散在丙酮溶剂中，通过超声震荡30min-1h分散均匀，溶剂可选用酮类、脂类、呋喃类溶剂，这里选用丙酮。用溶剂喷壶均匀喷洒在短切碳纤维毡上，丙酮挥发性高，室温下晾置一至两天完全挥发后可取用；

所述的电极2选用高导电率铜箔，根据所需规格裁剪为条状，这里按照20cm x20cm的碳纤维毡发热元件裁剪铜条22cm x 1cm，一端对齐碳纤维毡，另一端超出碳纤维毡通过接线卡子捏合固定作为导线接头，在铜条与碳纤维毡接触面涂覆导电胶粘接固定。具体地，导电胶的构成为：环氧树脂胶70份、导电银粉10份、石墨粉10份、丙酮稀释剂10份均匀混合制成，室温下保质期半年；温度传感器6贴附在碳纤维毡中心，引出后与电极导线连接到温控器4上，与电源5电连接；

所述的基于聚氨酯的热塑性薄膜1，在碳纤维毡表面上下各覆一层，整体覆盖电极2及温度传感器6，使用钢模板上下压合，通过调节电压变压器控制改性碳纤维毡发热温度达到160℃左右，压机加热压合并保温5-10min左右即可成型；进一步地，可采用真空袋压的工艺制备，即使用真空袋密封整个加热膜，抽真空在约0.1MPa的大气压力下调节所需电压使发热元件升温至160℃，保温2h左右即可热合成型，通过碳纤维毡发热压合的方法升温速率极快，可在1分钟以内即可达到所需温度。

由上述方法制成的柔性改性发热膜，经过石墨烯与导电介质的复合，导电率提升，从而大大提升了发热功率、平衡温度以及升温速率。

实施例1

制备本发明所述碳材料电加热片的过程如下：

采用面密度为20g/m²的短切碳纤维毡作为主体材料电热元件，方阻为8Ω/□，电阻为17.2Ω，裁剪碳纤维毡所需尺寸为20cm x 20cm，对裁剪的主体碳纤维毡进行石墨烯改性，改性分散液的构成为：氧化石墨烯粉体35份、导电银粉20份、炭黑5份、环氧树脂定型剂3份、分散剂1份，上述原料按照配比1:1000分散在丙酮溶剂中，通过超声震荡30min-1h分散均匀，用溶剂喷壶均匀喷洒在短切碳纤维毡上，室温下晾置一至两天完全挥发后可取用。

根据碳纤维毡尺寸裁剪22cm x 1cm的铜箔，在铜条与碳纤维毡接触面涂覆导电胶粘接固定，铜条的一端对齐碳纤维毡，另一端延伸出2cm左右作为导线卡子接头。具体地，导电胶的构成为：环氧树脂胶70份、导电银粉10份、石墨粉10份、丙酮稀释剂10份均匀混合制成，室温下保质期半年；温度传感器6贴附在碳纤维毡中心，引出后与电极导线连接到温控器4上，与电源5电连接。

在碳纤维毡表面上下各覆一层聚氨酯热塑性保护层1，整体覆盖电极2及温度传感器6，使用钢模板上下压合，通过调节电压变压器控制改性碳纤维毡发热温度达到160℃左右，压机加热压合并保温5min左右即可成型；

按照上述方法制得的改性碳纤维毡，方阻降低至1.376Ω/□，电阻降低至6Ω。图3为碳纤维毡升温温度与加载电压、时间的关系图。图4为改性碳纤维毡的升温温度与加载电压、时间的关系图。

实施例2

采用面密度为25g/m²的短切碳纤维毡作为主体材料电热元件，方阻为1.56Ω/□，电阻为15.5Ω，裁剪碳纤维毡所需尺寸为20cm x 20cm，对裁剪的主体碳纤维毡进行石墨烯改性，改性分散液的构成为：氧化石墨烯粉体25份、镍包碳纤维粉50份、炭黑10份、环氧树脂定型剂3份、分散剂1份，上述原料按照配比1:1000分散在丙酮溶剂中，通过超声震荡30min-1h分散均匀，用溶剂喷壶均匀喷洒在短切碳纤维毡上，室温下晾置一至两天完全挥发后可取用。

在碳纤维毡表面上下各覆两层聚醚酰亚胺无纺布毡(面密度30g/m2)保护层1，整体覆盖电极2及温度传感器6，采用真空袋压的工艺制备，即使用真空袋密封整个加热膜，抽真空在0.1MPa的大气压力下调节所需电压至55v使发热元件升温至360±5℃，保温5min左右即可热合成型，通过碳纤维毡发热压合的方法升温速率极快，可在1分钟以内即可达到所需温度。

按照上述方法制得的改性碳纤维毡方阻降低至1.261Ω/□，电阻降低至6.5Ω。图5为碳纤维毡升温温度与加载电压、时间的关系图。图6为改性后碳纤维毡的升温温度与加载电压、时间的关系图。由图可明显看出改性后碳纤维毡升温速率及最高平衡温度均高于原碳纤维毡。实例2中制备的加热片为非柔性具有一定强度，最高加热使用温度可达200℃。

实施例3

采用面密度为15g/m²的短切碳纤维毡作为主体材料电热元件，方阻为6.6Ω/□，电阻为38Ω，裁剪碳纤维毡所需尺寸为20cm x 20cm，对裁剪的主体碳纤维毡进行金属化处理，在纤维表面镀铜镍合金，镀层厚度约0.2μm，镀金属层厚方阻为0.8Ω/□，电阻为2.0Ω。

在碳纤维毡表面上下各覆一层聚氨酯热塑性保护层1，整体覆盖电极2及温度传感器6，采用真空袋压的工艺制备，即使用真空袋密封整个加热膜，抽真空在0.1MPa的大气压力下调节所需电压使发热元件升温至160℃，保温2h左右即可热合成型，通过碳纤维毡发热压合的方法升温速率极快，可在1分钟以内即可达到所需温度。

按照上述步骤制得的柔性膜经过对折及弯曲处理，采用弯折试验机WJJ-6C进行弯折处理，弯折角度90°，弯折次数超过1000次，将发热膜组件连续对折200次后，通过红外成像观察期发热均匀性是否受到影响，并在卷曲状态下观察红外图像是否变化。

按照上述方法制得的改性碳纤维毡，方阻降低至4.53Ω/□，电阻降低至28.2Ω。图7为柔性碳纤维毡弯曲对折前后的热成像图，可以看出多次弯曲对折后并没有影响组件的发热均匀性。图8为柔性碳纤维毡卷曲的热成像图，可以看出卷曲时的柔性碳纤维毡没有集中的热点，发热均匀。

综上，本发明的柔性碳材料发热膜组件具有高的发热速率、温度均匀性、温度可控、柔性可折叠等优点。以上所述的具体实施例，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种碳材料电加热片的制备方法，该碳材料电加热片从上至下依次为热塑性薄膜(1)、电极(2)、碳材料发热元件(3)、热塑性薄膜(1)，其特征在于：将碳材料发热元件(3)两端电极(2)通过导线与可调节电压的电源(5)连接，将温度传感器贴(6)附在热塑性薄膜(1)表层，用导线引出后连接到温控器(4)上，将碳材料发热元件(3)上、下表面贴覆热塑性薄膜(1)并连接电源，在上、下热塑性薄膜(1)表面设置模板，然后放在压机或真空袋内对模板施压，接通电源，靠碳材料发热元件(3)发热使上、下热塑性薄膜(1)熔合，将碳材料发热元件(3)整体封装，得到碳材料电加热片；

所述的碳材料发热元件(3)主体为短切碳纤维毡，面密度为10-50g/m²，电阻值为5-30Ω，该短切碳纤维毡采用以下方式进行处理：

对短切碳纤维毡进行石墨烯改性处理，该石墨烯改性处理所使用的石墨烯分散液的化学组分及质量份数比为：

2.根据权利要求1所述的碳材料电加热片的制备方法，其特征在于：所述热塑性薄膜(1)的材料为聚氨酯、EVA、尼龙、聚乙烯、TPU以满足柔性的使用要求。

3.根据权利要求1所述的碳材料电加热片的制备方法，其特征在于：所述热塑性薄膜(1)的材料为聚酰亚胺、聚醚砜、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺以满足强度和耐温的需要。

4.根据权利要求1所述的碳材料电加热片的制备方法，其特征在于：所述电极(2)为铜箔，通过导电胶粘接在碳材料发热元件(3)上，所述的导电胶的化学组分及质量份数比为：

上述组分均匀混合后制成黑色膏状的导电胶。

5.根据权利要求1所述的碳材料电加热片的制备方法，其特征在于：在上、下模板之间施加的压力为0.1-0.7Mpa。