CN111556598B - 一种柔性低压红外电热膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种柔性低压红外电热膜及其制备方法，所述电热膜包括无纺布绝缘层、碳基导电红外浆料层以及导电载流体层。本发明通过在柔性、疏松、多孔的无纺布绝缘层上印刷或涂敷碳基导电红外导电碳浆层，待表干后在其表面印刷导电铜浆、银浆或贴合多孔铜箔作为导电载流体层，最后利用浆料自身黏附特性将两片电热膜面‑面贴合工艺一体成型，制备得到性能优异的低压红外电热膜(<36V)。另外，本发明工艺简单，制备的电热膜具备较高的红外辐射率、发热面均匀、安全性高、质地柔和等优点，能应用于智能穿戴、家居理疗、红外干燥等领域。
Description
技术领域
本发明涉及柔性功能膜的制备领域，具体涉及一种柔性低压红外电热膜及其制备方法。
背景技术
相比于传统的电阻丝加热方式，红外电热膜具有发热面温度均匀、升温速率快、能量转换率高等优点。由于热量主要以红外线的形式向空间辐射，凭借舒适性高、不易烫伤等优势广泛的应用于家居保温、红外理疗等领域。
目前市面上常见的红外电热膜采用将导电油墨、金属载流条经过加工高温热压在绝缘聚酯塑料薄膜间或采用多层复合粘接技术，工艺较为繁琐、能耗较高。由聚酯塑料基材特性，常规电热膜的柔性相对较差，不适宜应用于一些反复弯曲、折叠、搓揉等情景。此外由于聚酯塑料薄膜较为致密，在加热过程中残留在导电油墨中的溶剂无法有效排出，从而易导致电路的局部电阻变化较大，进一步使得电热膜局部热量积累、温度升高，甚至使得电热膜出现局部烧穿、起火、漏电等安全隐患。现阶段，红外电热膜主流产品仍以220V为主，安全性更高的低压(≤36V)与超低压(≤5V)产品相对较少，主要取决于电路电阻很难降低，影响因素包括电路设计、浆料电阻率、浆料涂层厚度及可加工性。通过优化电路，选用高电导率浆料、提高导电涂层的厚度，均可提高电路电导率，但又存在诸多局限性。常规碳基导电浆料通过引入石墨烯、纳米金属颗粒等均可大幅提高电导率，成本相对较贵。若采用提高浆料电热涂层厚度，则又会存在与基材间附着力差等缺点。
如专利号为CN103476160A公开了一种远红外电热膜，制备得到对人体有很好的理疗效果的电热膜。又如专利号为CN101346017A的专利公开了一种高分子电热膜及其应用，制备使用寿命长、热效率高、安全性高的电热膜。但上述的方案中并不能解决现有技术制备的红外电热薄膜柔性差、安全性差、加工成本高的问题。
综合上，在柔性功能膜制备领域，仍然具有上述所述的亟待解决的问题。
发明内容
本发明提出了一种柔性低压红外电热膜及其制备方法以解决现有技术制备的红外电热薄膜柔性差、安全性差、加工成本高的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种柔性低压红外电热膜，其包括第一结构层、第二结构层、第三结构层以及第四结构层，且所述第二结构层分别涂敷在所述第一结构层以及第四结构层的外表面，所述第三结构层设置在所述第一结构层以及第四结构层之间，且所述第一结构层、第二结构层、第三结构层以及第四结构层通过面-面贴合工艺一体成型；其中所述第一结构层以及第四结构层分别为无纺布绝缘层，所述第二结构层为碳基导电红外浆料层，所述第三结构层为导电载流体层。
另外，本发明提供一种柔性低压红外电热膜的制备方法，所述方法包括以下步骤：
S1、选择经过表面处理的无纺布绝缘层作为基材；
S2、在所述基材的表面涂敷碳基导电红外浆料层，并烘干处理，使得所述碳基导电红外浆料层在所述无纺布绝缘层表面发生表干，形成具有碳基导电红外浆料层的预制体膜；
S3、选取一片S2中所述具有碳基导电红外浆料层的预制体膜，并丝网印刷或铺排导电载流体层，形成具有导电载流体层的预制体膜；然后选取另一片S2中所述具有碳基导电红外浆料层的预制体膜与所述具有导电载流体层的预制体膜通过面-面贴合工艺一体成型，制备得到所述柔性低压红外电热膜。
可选地，所述无纺布绝缘层为通过针刺、水刺、湿法、热合、纺粘、热轧中一种或多种工艺制备得到。
可选地，所述无纺布绝缘层为聚丙烯、涤纶、锦纶以及混纤中的一种。
可选地，所述涂敷包括丝网印刷、凹版印刷、刮涂、喷涂、淋涂中的一种或多种。
可选地，所述碳基导电红外浆料层通过导电颗粒分散在有机树脂的油性溶液或水性溶液中制备得到，且所述导电颗粒为炭黑、石墨、石墨烯、金属以及陶瓷颗粒中的一种或多种。
可选地，步骤S2中所述的烘干处理的条件为：烘干处理温度为80℃-130℃，烘干处理的时间10-60s。
可选地，步骤S3中所述丝网印刷采用导电铜浆、导电银浆为电极；所述铺排采用带有一定比例孔洞的铜箔作为电极。
可选地，步骤S3中所述的面-面贴合工艺为在90℃-150℃进行连续辊压贴合或间歇式平板压贴合。
与现有技术相比，本发明所取得的有益技术效果是：
1.本发明中选用经过表面处理的具备疏松、超柔、透气结构特性的无纺布绝缘层作为基材材料，通过将碳基导电红外浆料层涂敷在其表面，使得一部分碳基导电红外浆料层渗透至无纺布绝缘层的组织内部，不仅能作为发热核心层，还能充当“过渡层”提高基材间的结合力，并在热压作用下涂层内部未干燥的浆料渗出，促进与另一片电热膜之间的粘合，从而形成一个完整的绝缘层-过渡层-核心发热层-过渡层-绝缘层的电热膜体系，制备得到柔性优异、安全性优异的红外电热薄膜，且其加工成本低。
2.本发明在制备红外电热薄膜的通过碳基导电红外浆料层在导电载流体层间的贯通起到铆合作用，减少基材热封、热合或单独引入粘结层，减少红外电热薄膜因老化导致的电路短路、涂层脱落等问题，进而获得更长的使用寿命，有利于增加用户使用的体验感。
3.本发明的红外电热薄膜的制备工艺简单，能耗低，并能通过调整涂层厚度来制备一系列可调控的低电阻率电热膜，使其低压(<36v)条件具备发热面均匀、发热效率高、红外辐射性强等优点，总体的可操作性强。
附图说明
从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。
图1为本发明的柔性低压红外电热膜的截面结构示意图；
图2为本发明的柔性低压红外电热膜的截面显微镜图；
图3为无纺布基材经过涂敷干燥后的SEM图；
图4为无纺布基材经过涂敷干燥后的SEM图；
图5为无纺布基材经过涂敷干燥后的SEM图；
图6为本发明的柔性低压红外电热膜在5V时的红外热成像示意图；
图7为本发明的柔性低压红外电热膜在不同低电压条件下的红外热成像示意图。
附图标记说明：
1-第一结构层；2-第二结构层；3-第三结构层；4-第四结构层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件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。
本发明为一种柔性低压红外电热膜及其制备方法，根据图1-7所示讲述以下实施例：
实施例1：
一种柔性低压红外电热膜，其包括第一结构层、第二结构层、第三结构层以及第四结构层，且所述第二结构层分别涂敷在所述第一结构层以及第四结构层的外表面，所述第三结构层设置在所述第一结构层以及第四结构层之间，且所述第一结构层、第二结构层、第三结构层以及第四结构层通过面-面贴合工艺一体成型，其中，所述第一结构层以及第四结构层分别为无纺布绝缘层，所述第二结构层为碳基导电红外浆料层，所述第三结构层为导电载流体层。通过碳基导电红外浆料在载流体层间的贯通起到铆合作用，减少基材热封、热合或单独引入粘结层。
另外，本发明提供一种柔性低压红外电热膜的制备方法，所述方法包括以下步骤：
S1、选择经过表面处理的无纺布绝缘层作为基材,且所述的表面处理为表面进行疏水处理和/或阻燃处理；
S2、在所述基材的表面涂敷碳基导电红外浆料层，并烘干处理，使得所述碳基导电红外浆料层在所述无纺布绝缘层表面发生表干，形成具有碳基导电红外浆料层的预制体膜，且烘干处理温度为80℃-130℃，烘干处理的时间10-60s；
S3、选取一片S2中所述具有碳基导电红外浆料层的预制体膜，并丝网印刷或铺排导电载流体层，形成具有导电载流体层的预制体膜；然后选取另一片S2中所述具有碳基导电红外浆料层的预制体膜与所述具有导电载流体层的预制体膜通过面-面贴合工艺一体成型，制备得到所述柔性低压红外电热膜，且所述丝网印刷采用导电铜浆、导电银浆为电极；所述铺排采用带有一定比例孔洞的铜箔作为电极，所述带有一定比例孔洞的铜箔为占比30-70％的圆形小孔；所述的面-面贴合工艺为在90℃-150℃进行连续辊压贴合或间歇式平板压贴合。
其中，所述无纺布绝缘层为通过针刺、水刺、湿法、热合、纺粘、热轧中一种或多种工艺制备得到；所述无纺布绝缘层为聚丙烯、涤纶、锦纶以及混纤中的一种；所述涂敷包括丝网印刷、凹版印刷、刮涂、喷涂、淋涂中的一种或多种；所述碳基导电红外浆料层通过导电颗粒分散在有机树脂的油性溶液或水性溶液中制备得到，且所述导电颗粒为炭黑、石墨、石墨烯、金属以及陶瓷颗粒中的一种或多种；所述有机树脂为聚氨酯、丙烯酸树脂、环氧树脂、聚酰胺、聚酰亚胺中的一种或多种，所述导电颗粒与有机树脂的质量百分配比为2wt％-100wt％。
实施例2：
本实施例制备的柔性低压红外电热膜以超柔性无纺布绝缘层作为基材，将碳基导电红外浆料层通过丝网印刷在无纺布基材上，经过短时间预烘干处理后在表面印刷导电银浆层，最终经过热压制备处柔性低压红外电热膜。具体操作步骤如下：
S1、选取表面进行疏水、阻燃处理的丙纶或超纤无纺布绝缘层，选用含聚氨酯做粘接剂的碳基导电红外浆料层；
S2、采用丝网印刷工艺，将碳基导电红外浆料层印刷至无纺布绝缘层表面，随后进行110℃烘道或恒温烘箱干燥10s，待碳基导电红外浆料层表干后，获得电热膜预制品；
S3、选取S2中连续两片电热膜预制品进行面-面贴合，通过导辊在中间层铺排两条厚度为30μm带孔洞的导电铜箔作为导电载流体层，由于导电铜箔主要靠浆料渗透、铆合从而实现与电热膜的一体化结构，因而在未印刷无纺布绝缘层区域仅仅只是接触，通过网板设计以此为节点灵活构建外接电路，制备得到半成品电热膜；
S4、将步骤S3制备的半成品电热膜，经过120℃辊压(两辊之间距离为0.7mm)，最终经过收卷即可制的成品柔性低压红外电热膜。
将实施例2制备的柔性低压红外电热膜进行测试，分析可知实施例2中制备的柔性低压红外电热膜具备较好的柔性、触感，同时在外侧绝缘层具备较好的疏水性。由图4所示，在5V超低压条件下，电热膜具备发热面均匀、发热效果佳的特点，可应用于智能穿戴、红外理疗等领域。
实施例3：
本实施例制备的柔性低压红外电热膜以耐高温无纺布绝缘层作为基材，将碳基导电红外浆料层通过丝网印刷在无纺布绝缘层上，经过短时间预烘干处理后在表面印刷导电银浆层，最终经过热压制备处柔性低压红外电热膜。具体操作步骤如下：
S1、选取表面进行阻燃处理的涤纶或混纤无纺布绝缘层作为印刷基材，选用含聚氨酯做粘接剂的碳基导电红外浆料层；
S2、采用丝网印刷工艺，将碳基导电红外浆料层印刷至无纺布绝缘层基材表面，随后进行120℃烘道或恒温烘箱干燥10s，从而制备电热膜预制品；
S3、通过丝网印刷，在电热膜预制品表面两侧印制导电银浆作为导电载流体层，电极的接线部位贴合30μm多孔铜箔作为外接节点，制备得到半成品电热膜；
S4、将半成品电热膜，经过120℃辊压(两辊之间距离为0.7mm)，最终经过收卷即可制的成品柔性低压红外电热膜。
将实施例3中制备的柔性低压红外电热膜进行测试，实施例3中提供的柔性低压红外电热膜具备较好的发热效率。在低于32V的条件下，可实现室温到150℃的调控，同时电热膜具备发热面均匀、升度快等特点，可应用于智能家居、红外取暖、红外干燥等领域。
对比例1：
与实施例1的区别仅在于：在制备电热膜的过程中，需要添加粘结剂进行协助贴合。
对比例2：
与实施例1的区别在于，选用LDPE平板膜作为印刷基材，其它步骤不变。
对比例3：
与实施例1的区别在于电热膜的制备方法为：选用致密的塑料平板膜上进行印刷导电载流体层，后通过熔融的方式将经过印刷步骤的相同的两片塑料平板膜热合，得到电热膜。
对比例4：
与实施例1的区别仅在于，将无纺布直接浸渍在碳基导电红外浆料中形成发热核心元件，再用塑料薄膜进行热封作为绝缘层，其它制备方法不变。
将上述实施例1-3以及对比例1-4进行相关的性能分析，结果如下表1所示。
表1
需要说明的是：上述的高、低采用主观评价的方式进行对比评价，对比例1-4中以及实施例2-3中各项目的程度皆与实施例1进行对比，若该项数据差值小于5，则列为同一等级，5＜若该项数据差值＜10，则划分为下一等级，若该项数据差值大于或等于10，则划分为下一等级，等级的程度依次分为高--一般--低，由表格分析可知，本发明中的制备的电热膜具有老化程度低、涂层脱落的程度低、成本低以及能耗低，而对比例1中需要添加粘结剂进行制备，制备的电热膜的老化程度高、涂层容易脱落，成本一般，能耗一般；对比例2中，选用LDPE平板膜作为印刷基材，老化程度高，涂层脱落程度一般、成本高，能耗高；对比例3中通过熔融的方式将经过印刷步骤的相同的两片塑料平板膜热合，虽然老化程度比对比例1-2以及对比例4的低，但是不如本发明制备的电热膜的老化程度低，而且其涂层容易脱落，成本和能耗高；对比例4将无纺布直接浸渍在碳基导电红外浆料中形成发热核心元件，再用塑料薄膜进行热封作为绝缘层，依然存在老化程度高、成本高以及能耗高的问题。
另外，结合图2-5进行分析，本发明的电热膜中，采用的碳基导电红外浆料层涂敷在无纺布绝缘层的表面并通过无纺布绝缘层上存在的众多微小纤维逐渐渗透至无纺布的内部，从而即充当功能层也作为粘接层，由SEM图初步进行验证说明，同时最外侧的涂层作为核心发热层，另一层则充当绝缘层，在结构特点以及碳基导电红外浆料层的组合下获得性能更佳的电热膜。
综合上，本发明的柔性低压红外电热膜具有使用寿命长，制备工艺简单，在低压的条件下具备发热面均匀、发热效率高、红外辐射性强等优点，总体的可操作性强。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (8)
1.一种柔性低压红外电热膜，其特征在于：所述柔性低压红外电热膜包括第一结构层、第二结构层、第三结构层以及第四结构层，且所述第二结构层分别涂敷在所述第一结构层以及第四结构层的外表面，所述第三结构层设置在所述第一结构层以及第四结构层之间，且所述第一结构层、第二结构层、第三结构层以及第四结构层通过面-面贴合工艺一体成型；其中，所述第一结构层以及第四结构层分别为无纺布绝缘层，所述第二结构层为碳基导电红外浆料层，所述第三结构层为导电载流体层；
所述柔性低压红外电热膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、选择经过表面处理的无纺布绝缘层作为基材；
S2、在所述基材的表面涂敷碳基导电红外浆料层，并烘干处理，使得所述碳基导电红外浆料层在所述无纺布绝缘层表面发生表干，形成具有碳基导电红外浆料层的预制体膜；
S3、选取一片S2中所述具有碳基导电红外浆料层的预制体膜，并丝网印刷或铺排导电载流体层，形成具有导电载流体层的预制体膜；然后选取另一片S2中所述具有碳基导电红外浆料层的预制体膜与所述具有导电载流体层的预制体膜通过面-面贴合工艺一体成型，制备得到所述柔性低压红外电热膜。
2.根据权利要求1所述的柔性低压红外电热膜，其特征在于：所述无纺布绝缘层为通过针刺、水刺、湿法、热合、纺粘、热轧中一种或多种工艺制备得到。
3.根据权利要求2所述的柔性低压红外电热膜，其特征在于：所述无纺布绝缘层为聚丙烯、涤纶、锦纶以及混纤中的一种。
4.根据权利要求2所述的柔性低压红外电热膜，其特征在于：所述涂敷包括丝网印刷、凹版印刷、刮涂、喷涂、淋涂中的一种或多种。
5.根据权利要求2所述的柔性低压红外电热膜，其特征在于：所述碳基导电红外浆料层通过导电颗粒分散在有机树脂的油性溶液或水性溶液中制备得到，且所述导电颗粒为炭黑、石墨、石墨烯、金属以及陶瓷颗粒中的一种或多种。
6.根据权利要求2所述的柔性低压红外电热膜，其特征在于：步骤S2中所述的烘干处理的条件为：烘干处理温度为80℃-130℃，烘干处理的时间10-60s。
7.根据权利要求2所述的柔性低压红外电热膜，其特征在于：步骤S3中所述丝网印刷采用导电铜浆或导电银浆为电极；所述铺排采用带有孔洞的铜箔作为电极。
8.根据权利要求2所述的柔性低压红外电热膜，其特征在于：步骤S3中所述的面-面贴合工艺为在90℃-150℃进行连续辊压贴合或间歇式平板压贴合。
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