CN111303582A - 一种聚合物预制件和采用该聚合物预制件的发热片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于制备发热片的聚合物预制件，其特征在于，按质量份数计，包括有以下原料：导电添加剂20～50份；酚醛树脂50～80份；所述导电添加剂和酚醛树脂的平均粒径均为50nm～100μm。本发明还公开了一种采用该聚合物预制件的发热片及其制备方法。与现有技术相比，本发明的聚合物预制件分散均匀、制备和使用方便。
Description
技术领域
本发明涉及发热片技术领域，具体指一种聚合物预制件和采用该聚合物预制件的发热片及其制备方法。
背景技术
现有的低电压加热方式一般是通过较低电阻率的金属拉制成电热丝，利用较小的截面积来提升电阻阻值，以便满足较低发热功率的场合。这样带来的问题是，发热体表面功率密度高，导致电热丝表面温度较高，如果与塑胶外壳接触的话会导致塑胶融化，所以电热丝一般是悬空工作或者外加缓冲外被。这两种方式都会导致热传力过程中的损失，并且增加了设计难度。当然也可以通过增加电热丝的长度来增加电阻，但这是建立在增加成本和工艺繁琐度的前提下。
总之，电热丝在低压中低功率使用是有如下的不足：第一，电热丝需要做高温绝缘外被，以避免缠绕导电体导致漏电或短路；第二，当表面功率密度过高时，电热丝表面发红，温度急剧升高，导致外被和接触物融化燃烧；第三，由于电阻率很小，导致电热丝很纤细，包裹外被后，热量通过外被传导到，热阻很大；第四，电热丝柔软，不容易定型，增加了生产工艺复杂程度，而且电热丝越长，工艺越复杂。
同样地，采用薄膜线路板进行加热也会产生类似的问题，将合金压制成薄膜，刻蚀出线路后，通常需要利用绝缘的高分子聚合物薄膜在高温下包覆，得到三层结构的薄片，上下层为绝缘保护层，中间层为加热功能层。
为了克服上述问题，可以采用新型的电热材料来制备发热片代替传统的电热丝、薄膜线路板来进行加热。如专利申请号为CN201710431144.6(公告号为CN107135559A)的发明专利《一种新型石墨烯复合电发热片及其制备方法》公开了一种新型石墨烯复合电发热片及其制备方法，电发热片包括：电极层、石墨烯复合膜，石墨烯复合膜具有良好的柔软度，可任意弯曲、折叠；通过石墨烯复合膜的均匀涂抹，实现发热均匀；通过电极层和石墨烯复合膜的配合，使发热片能够发热，并发出不会对人体产生危害的，在5～15um之间的红外线波长。制备方法实现上述效果的同时，还实现以下有益效果：通过在大块的基板上涂覆混合胶状涂料，进行高温烘干，冷却后，剥离出柔性材料，再进行裁剪，有利于批量生产，并且得到的一种石墨烯新型复合电发热片一致性良好，不会出现过大的电阻偏差。
但是上述发热片及其制备方法有如下缺点：
第一，通过将石墨烯和粘结剂等组分在溶剂中分散得到复合浆料，但是储存过程中，由于密度的不同，石墨烯和粘结剂等组分容易发生分层，石墨烯容易发生团聚，使用时还需要通过搅拌等方式对其重新进行分散；
第二，需要以基板作为支撑，通过将石墨烯复合浆料涂覆在基板上形成石墨烯复合膜，一方面，发热片的最高温度限受限于基板材料，过热的温度会导致基板变形分解或燃烧，若采用PET材料作为基板，只能在80℃以下工作，若采用PI(聚酰亚胺)材料则可以在250℃以下工作，但是PI材料工艺复杂成本昂贵，是电热丝的几倍价格；另一方面，石墨烯薄膜发热后，热量需要通过基板才能传递到受热物体表面，基板为普通塑料，其导热率通常只有0.2～0.4W/m·K，而且在高温是基板膨胀更容易导致热传导不良，因此热的传导效率较低；
第三，石墨烯薄膜材料电阻率大，制成加热片后在同样功率下需要更高的电压。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对现有技术的现状，提供一种分散均匀、制备和使用方便的用于制备发热片的聚合物预制件。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种采用上述聚合物预制件的发热片。
本发明所要解决的第三个技术问题是提供一种上述发热片的制备方法。
本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种用于制备发热片的聚合物预制件，其特征在于，按质量份数计，包括有以下原料：
导电添加剂 20～50份；
酚醛树脂 50～80份；
所述导电添加剂和酚醛树脂的平均粒径均为50nm～100μm。
优选地，所述的导电添加剂为石墨烯、石墨微粉、碳化硅微粉、金属粉末中的至少一种。
优选地，所述聚合物预制件呈颗粒状，且平均粒径为3～8mm。颗粒状的预制件通用性更强，应用广泛。
本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：一种采用上述聚合物预制件的发热片，其特征在于：所述的发热片上包括有导电发热体以及设于导电发热体上的阳极电极片和阴极电极片，所述的导电发热体由所述的聚合物预制件在120～180℃、150～300kg/cm2的条件下固化成型得到。
优选地，所述导电发热体的电阻率为1.0×10-4～9.0×10-2Ω·m。如果电阻率过低，那么发热导体或是截面积要很小或是长度要很长，截面积很小的话承载的功率必定不高可能会熔断，长度很长则成本高工艺复杂，若电阻率过高，则相反，但是太厚的话影响电热产品的设计，太短的话导致热输出又太集中。
优选地，所述导电发热体的热导率为2.5～15W/m·K。
本发明解决第三个技术问题所采用的技术方案为：一种上述发热片的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)按质量份数配比，将导电添加剂和酚醛树脂混合，在70～90℃下充分搅拌直到混合均匀，在0～25℃下冷却，得到所需的聚合物预制件；
(2)将阳极电极片、阴极电极片和聚合物预制件放置入模腔使其紧贴，然后将模具合膜，使聚合物预制件在120～180℃、150～300kg/cm2的条件下固化，得到所需的发热片。
其中，导电添加剂和酚醛树脂混合的温度不宜太高，否则会发生固化，也不宜太低，否则无法发生软化；聚合物预制件可以直接成型为需要的形状，以使其应用于特定的发热片的制备，也可以将导电添加剂和酚醛树脂混合后冷却得到的组合物切割成小尺寸的聚合物预制件，以使其应用于各种不同的发热片的制备。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)通过将导电添加剂和酚醛树脂预制成聚合物预制件，可以将组分的成分固定，保证导电添加剂在酚醛树脂中分散均匀，制备简单，储存过程中不会发生分层或团聚现象，无需再进行预分散即可使用，使用方便；
(2)由于导电添加剂和酚醛树脂通过粉末共混方式混合，聚合物预制件中导电添加剂含量可以达到20～50wt％，使其具有良好的导电性能；
(3)通过将电极片和聚合物预制件混合后高温高压固化即可制得带有电极片的导电发热体，不需要基板作为支撑，加工简单，且聚合物预制件固化得到的导电发热体呈片状，电流在导电发热体上的分布是均匀的，并非像电热丝制成的发热片一样电流只在电热丝中流动，导电发热体上的微分功率都是一样的，导电发热体上的热量均匀分布，这样可以避免因局部功率密度过高导致温度过高烤焦被加热物或者其它配件，同时导电发热体材料本身具有较高的导热率，热阻小，因此，本发明的导电发热体可在相同功率下，实现更小的表面功率密度、更大的发热面、更低的热阻。
附图说明
图1为本发明发热片的实施例的立体结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，为本发明发热片的一个优选实施例。该发热片包括有导电发热体1以及设于导电发热体上的阳极电极片2和阴极电极片3，其中，导电发热体1由聚合物预制件在高温高压下固化成型得到。
将导电发热体1长度方向上阳极电极片2和阴极电极片3的直线距离记为l，将导电发热体1的宽度记为w，将导电发热体1的厚度记为h，将导电发热体1的截面积记为S，将导电发热体1的电阻率记为ρ，将导电发热体1的电阻记为R。电极片在5VDC/4A条件下工作，通过欧姆定律计算出R＝1.25Ω，通过电阻率公式计算出ρ＝S×R/l＝w×h×R/l。因此，一方面，可以根据电阻率设计聚合物预制件的组分，然后开模成型；另一方面，已知聚合物预制件材料成型后的电阻率，则可以通过电阻率公式，结合结构需求，计算出最合适的外形，然后开模成型。
本发明还提供了一种上述发热片的制备方法。
实施例1：
(1)聚合物预制件的制备：按质量份数配比，将25份平均粒径为100μm的石墨微粉和75份平均粒径为100μm的酚醛树脂混合，在85℃下充分搅拌直到混合均匀，在20℃下冷却得到预制棒，然后将预制棒进行切割，得到平均粒径为4mm，密度为0.8g/cm3的聚合物预制件，此时，石墨微粉均匀分散在酚醛树脂中；
(2)发热片的制备：将阳极电极片、阴极电极片和聚合物预制件放置入模腔使其紧贴，然后将模具合膜，使聚合物预制件在150℃、150kg/cm2的条件下固化成型为电阻率为1.7×10-2Ω·m、热导率为2.5W/m·K、密度为1.68g/cm3的导电发热体，得到所需的发热片。
实施例2：
(1)聚合物预制件的制备：按质量份数配比，将45份平均粒径为100μm的石墨微粉和55份平均粒径为100μm的酚醛树脂混合，在85℃下充分搅拌直到混合均匀，在20℃下冷却得到预制棒，然后将预制棒进行切割，得到平均粒径为4mm，密度为0.9g/cm3的聚合物预制件；
(2)发热片的制备：将阳极电极片、阴极电极片和聚合物预制件放置入模腔使其紧贴，然后将模具合膜，使聚合物预制件在145℃、200kg/cm2的条件下固化成型为电阻率为1.75×10-3Ω·m、热导率为11W/m·K、密度为1.77g/cm3的导电发热体，得到所需的发热片。
实施例3：
(1)聚合物预制件的制备：按质量份数配比，将50份平均粒径为80μm的镍粉和50份平均粒径为80μm的酚醛树脂混合，在90℃下充分搅拌直到混合均匀，在25℃下冷却得到预制棒，然后将预制棒进行切割，得到平均粒径为8mm，密度为4.0g/cm3的聚合物预制件；
(2)发热片的制备：将阳极电极片、阴极电极片和聚合物预制件放置入模腔使其紧贴，然后将模具合膜，使聚合物预制件在180℃、300kg/cm2的条件下固化成型为电阻率为2.4×10-3Ω·m、热导率为8W/m·K、密度为5.4g/cm3的导电发热体，得到所需的发热片。
实施例4：
(1)聚合物预制件的制备：按质量份数配比，将20份平均粒径为50μm的掺杂碳化硅和80份平均粒径为50μm的酚醛树脂混合，在70℃下充分搅拌直到混合均匀，在25℃下冷却得到预制棒，然后将预制棒进行切割，得到平均粒径为3mm，密度为1.4g/cm3的聚合物预制件；
(2)发热片的制备：将阳极电极片、阴极电极片和聚合物预制件放置入模腔使其紧贴，然后将模具合膜，使聚合物预制件在120℃、150kg/cm2的条件下固化成型为电阻率为2.8×103Ω·m、热导率为2W/m·K、密度为2.3g/cm3导电发热体，得到所需的发热片。
由上述数据可以看出：导电添加剂的加入量越多，成型后导电发热体的密度越高，电阻率越低，导热率越高。
本申请制得的发热片与现有技术中的薄膜路线板相比，可在相同功率下，实现更小的表面功率密度、更慢的发热速度。
以R＝12Ω，l＝15cm，w＝6cm的发热片为例，假设输入功率P为60W：
(1)下面来理论计算功率密度：
①本发明生产的发热片的功率密度＝P/S＝60/(0.15×0.06)W/m2≈6.7×103W/m2；
②如采用薄膜路线板，合金薄膜线路的厚度为0.06mm，宽度为2.5mm，电阻率为1.5×10-6Ω·m，其长度l＝(w×h×R)/ρ＝(2.5×0.06×12×10-6)/(1.5×10-6)m＝1.2m；
因此其功率密度＝P/S＝60/(1.2×0.0025)W/m2＝2×104W/m2；
可以看出，相同的热量输出时，合金薄膜的功率密度接近本发明发热片的3倍，表面功率密度越高，温度越高，这种情况下容易导致被加热物体受热不均你，局部变形或焦化，同时薄膜绝缘白料也会经受不住高温而损坏；实际上，15cm×6cm的面积只有1/3面积被利用；
如将上述的薄膜线路板在电阻不变的情况下改为全面发热，唯一的途径是再降低合金薄膜的厚度；
其厚度h＝(l×ρ)/(w×R)＝(0.15×1.5×10-6)/(0.06×12)m≈0.31×10-6m；
这个厚度的工艺单独极高，成本也将非常高，在民用领域将难以使用。
(2)下面来理论计算发热速度：
①对于本发明的发热片来说，
当导电发热体的密度为1.7g/cm3，电阻率为1.7×10-2Ω·，
h＝(ρ×l)/(w×R)＝(1.5×10-2×0.15)/(0.06×12)m＝0.0031m；
总质量m＝体积×密度＝(15×6×0.31)×1.7g≈48g；
因此，温升ΔT＝Q/(m×C)＝(P×t)/(m×C)，其中，Q为热量，t为时间，C为比热容；
本发明中，导电发热体的比热容大致为1.5J/gK，则发热片每秒的温升ΔT＝(60×1)/(48×1.5)≈0.83℃；
②对于薄膜线路板来说，
其密度大致为7.4g/cm3，比热容大致为0.5J/gK，
因此，总质量m＝(120×0.25×0.006)×1.7g＝1.332g，每秒的温升ΔT＝(60×1)/(1.332×0.5)≈90℃；
可以看出，如果薄膜线路板的对外导热没有处理好，局部温度过快将导致产品的损坏；
综上所述，薄膜线路板产品在实际使用中，因其使用特性，严格地限定了输入功率和使用条件，否则其升温速度过快，来不及控制将导致产品损坏，而对于本发明的发热片而言，电流在导电发热体上的分布是均匀的，并非像电热丝制成的发热片一样电流只在电热丝中流动，导电发热体上的微分功率都是一样的，导电发热体上的热量均匀分布，这样可以避免因局部功率密度过高导致温度过高烤焦被加热物或者其它配件，同时导电发热体材料本身具有较高的导热率，热阻小，因此，本发明的导电发热体可在相同功率下，实现更小的表面功率密度、更大的发热面、更低的热阻。
Claims (7)
1.一种用于制备发热片的聚合物预制件，其特征在于，按质量份数计，包括有以下原料：
导电添加剂 20～50份；
酚醛树脂 50～80份；
所述导电添加剂和酚醛树脂的平均粒径均为50nm～100μm。
2.根据权利要求1所述的聚合物预制件，其特征在于：所述的导电添加剂为石墨烯、石墨微粉、碳化硅微粉、金属粉末中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的聚合物预制件，其特征在于：所述聚合物预制件呈颗粒状，且平均粒径为3～8mm。
4.一种采用权利要求1至3中任一权利要求所述的聚合物预制件的发热片，其特征在于：所述的发热片上包括有导电发热体以及设于导电发热体上的阳极电极片和阴极电极片，所述的导电发热体由所述的聚合物预制件在120～180℃、150～300kg/cm2的条件下固化成型得到。
5.根据权利要求4所述的发热片，其特征在于：所述导电发热体的电阻率为1.0×10-4～9.0×10-2Ω·m。
6.根据权利要求4所述的发热片，其特征在于：所述导电发热体的热导率为2.5～15W/m·K。
7.一种权利要求4～6中任一权利要求所述的发热片的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)按质量份数配比，将导电添加剂和酚醛树脂混合，在70～90℃下充分搅拌直到混合均匀，在0～25℃下冷却，得到所需的聚合物预制件；
(2)将阳极电极片、阴极电极片和聚合物预制件放置入模腔使其紧贴，然后将模具合模，使聚合物预制件在120～180℃、150～300kg/cm2的条件下固化，得到所需的发热片。
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