CN112291872B - 电发热器件 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种电发热器件，属于电加热技术领域。电发热器件包括纳米碳纤维膜、第一金属集流体、第二金属集流体、第一极耳和第二极耳。第一金属集流体和第二金属集流体间隔粘附于纳米碳纤维膜的表面，且与纳米碳纤维膜构成电性接触。第一极耳焊接于第一金属集流体的一端，第二极耳焊接于第二金属集流体一端，且第一极耳和第二极耳用于与供电导线连接。此电发热器件使用纳米碳纤维膜作为发热膜，发热效果更好，加热温度更均匀。
Description
技术领域
本申请涉及纳米碳纤维膜在电加热领域中的应用技术领域，具体而言，涉及一种电发热器件。
背景技术
电加热材料在人类的生活中有广泛的应用，其中电热合金丝作为最常用的材料，生产工艺简单，价格低，但存在明显的缺点：容易发生氧化反应而烧断，且电热合金丝通电时产生的热量较集中，需要通过一定的介质传导给被加热物体，容易造成局部过热而引发安全问题。电热膜材料由于发热均匀，不易发生烧断及局部过热问题，逐渐被广泛应用于各种加热器件，替代电热合金丝。
目前，电加热的材料由电热合金丝替换成了电热膜。电热膜一般是碳材料/高分子复合膜，即在炭黑或石墨中添加粘结剂制成导电浆料，以涂覆或丝网印刷的方式成膜。如申请号为201910351258.9的专利文献公开了一种石墨烯电热膜，将石墨烯粉、高分子粘结剂、分散剂、稀释剂等混合配置成浆料，涂覆在基底上，干燥后可得到石墨烯远红外电热膜；申请号为201510573809.8的专利文献公开了一种纳米碳纤维发热地板，将纳米碳纤维和纳米石墨粉加入植物原浆纤维中，经高速搅拌、涂布、热压后制成片状柔性高分子电发热材料。以高分子和碳材料复合而成的电热膜具有柔性好，远红外发射率高，温度均匀性较高等优点，但由于电热膜中含有较多的高分子，也存在发热效率较低，耗电量高等缺点。
发明内容
本申请的目的在于提供一种电发热器件，使用纳米碳纤维膜作为发热材料，发热效率更高，加热温度更均匀。
电发热器件包括纳米碳纤维膜、第一金属集流体、第二金属集流体、第一极耳和第二极耳。第一金属集流体和第二金属集流体间隔粘附于纳米碳纤维膜的表面，且与纳米碳纤维膜构成电性接触。第一极耳焊接于第一金属集流体的一端，第二极耳焊接于第二金属集流体的一端，且第一极耳和第二极耳用于与供电导线连接。
含碳量高的纳米碳纤维膜作为发热材料，发热及散热面积大，纤维之间接触良好，相比高分子复合膜，其温度均匀性更好，发热效率和远红外发射率更高。极耳焊接在金属集流体上，且用于与供电导线连接，极耳的强度高，在使用的时候不易发生断裂。金属集流体的设置可使通电时电流在纳米碳纤维膜上均匀分布，使纳米碳纤维膜发热均匀。
在一种可能的实施方式中，金属集流体与纳米碳纤维膜之间设置导电胶层或导电浆料层，以将金属集流体粘附于纳米碳纤维膜的表面。
通过导电胶层和导电浆料层的设置，可以实现纳米碳纤维膜与金属集流体之间的牢固连接和良好的电接触，由于纳米碳纤维与金属的相容性较差，无法直接通过焊接的方式与供电导线连接，需先使用导电胶或导电浆料和金属集流体实现牢固连接。
在一种可能的实施方式中，极耳通过锡焊的方式焊接于金属集流体的一端。采用锡焊的方式，可以实现低温牢固焊接，以避免焊接极耳的过程中温度过高，造成导电胶层或导电浆料层的破坏，使金属片与纳米碳纤维膜之间的连接更加牢固。
在一种可能的实施方式中，金属集流体为铜片、铝片或镍片。在一种可能的实施方式中，纳米碳纤维膜的厚度为20-200μm，纤维直径为100-200nm，电阻率为0.02-0.2Ω·cm。可以使纳米碳纤维膜的发热效率较高。
纳米碳纤维膜的制备方法包括：PAN溶液经静电纺丝、预氧化、碳化和石墨化处理。纳米碳纤维膜由连续的纳米碳纤维组成，纤维之间相互连接形成良好的导电网络，含碳量高，比表面积大，发热及散热面积大，且纤维之间接触良好，相比高分子复合膜，其温度均匀性，发热效率和远红外发射率更高，发热效果更好。
在一种可能的实施方式中，纳米碳纤维膜为矩形，金属集流体均为条形。
在一种可能的实施方式中，纳米碳纤维膜为圆形，第一金属集流体为圆环形，第一金属集流体的外径与纳米碳纤维膜的直径一致，第二金属集流体为圆片状，第二金属集流体位于第一金属集流体内部。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图也属于本申请的保护范围。
图1为本申请实施例提供的电发热器件的第一结构示意图；
图2为本申请实施例提供的电发热器件的第二结构示意图；
图3为本申请实施例1提供的纳米碳纤维膜的扫描电子显微镜照片；
图4为本申请实施例1提供的电发热器件的实物图。
图标：110-纳米碳纤维膜；120-第一金属集流体；130-第二金属集流体；140-第一极耳；150-第二极耳。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。
图1为本申请实施例提供的电发热器件的第一结构示意图，图2为本申请实施例提供的电发热器件的第二结构示意图。请参阅图1和图2，本申请实施例中，电发热器件包括纳米碳纤维膜110、第一金属集流体120、第二金属集流体130、第一极耳140和第二极耳150。
其中，纳米碳纤维膜110的厚度为20-200μm，纤维直径为100-200nm，电阻率为0.02-0.2Ω·cm。
在一些可能的实施方式中，纳米碳纤维膜110的厚度为20μm、50μm、80μm、100μm、130μm、160μm或200μm；纤维直径为100nm、120nm、140nm、160nm、180nm或200nm；电阻率为0.02Ω·cm、0.08Ω·cm、0.08Ω·cm、0.1Ω·cm、0.15Ω·cm或0.2Ω·cm。
该纳米碳纤维膜110的制备方法包括：PAN溶液经静电纺丝、预氧化、碳化和石墨化处理。
进一步地，纳米碳纤维膜110的制备方法如下：
(1)将一定质量聚丙烯腈(PAN)粉末加入DMF溶剂中，充分搅拌溶解均匀，获得质量浓度为5％-15％的PAN电纺丝液。以便后续可以正常纺丝，且效率较高，避免出现液滴。
(2)采用静电纺丝法，将PAN电纺丝液制备成PAN纳米纤维膜。其中，纺丝距离为10-20cm，电压为10-20kV，推注速度为1.5-3mL/h，纺丝温度为20-40℃，湿度20-50％，纺丝时间为2-16h。
(3)将所得PAN纳米纤维膜置于预氧化炉中，通入空气进行预氧化处理得到预氧化膜。其中，预氧化升温速度为2-5℃/min，预氧化温度为260℃，保温时间为1-3h。
(4)将预氧化膜置于碳化炉中，通入惰性气体进行碳化处理得到碳化膜。其中，碳化升温速度为5-10℃/min，碳化温度为1000-1600℃，保温时间为1-3h。
(5)将所得碳化膜置于石墨化炉中，通入惰性气体进行石墨化处理得到纳米碳纤维膜110。其中，石墨化升温速度为5-10℃/min，石墨化温度为2200-2600℃，保温时间为1-3h。
该方法制备得到的纳米碳纤维膜110的碳含量达到99％及其以上，由直径100-200nm的纳米碳纤维组成，比表面积大，发热及散热面积大，纤维之间相互连接形成良好的导电网络，电导率在0.02-0.2Ω·cm之间，厚度均匀，范围在20-200μm之间。无需添加其他高分子助剂，工艺流程简单，相比高分子复合膜，其温度均匀性，发热效率和远红外发射率更高，同时有良好的抗氧化性和耐热冲击性。且纳米碳纤维电发热膜力学性能好，导电性高，通电发热时温度均匀高，使用寿命长，发热温度从室温到300℃可调，远红外法向发射率超过90％，使用寿命超过30000h。且纳米碳纤维膜110具有良好的柔性，可裁剪成各种形状，适用于多种应用场景。
本申请实施例中，第一金属集流体120和第二金属集流体130间隔粘附于纳米碳纤维膜110的表面，且与纳米碳纤维膜110构成电性接触(形成良好的电接触)，使纳米碳纤维膜通电时电流分布均匀，发热更加均匀。
第一极耳140的一端焊接于第一金属集流体120的端部，第二极耳150的一端焊接于第二金属集流体130的端部。
可选地，第一金属集流体120与纳米碳纤维膜110之间设置导电胶层或导电浆料层，以将第一金属集流体120粘附于纳米碳纤维膜110的表面；第二金属集流体130与纳米碳纤维膜110之间设置导电胶层或导电浆料层，以将第二金属集流体130粘附于纳米碳纤维膜110的表面。
进一步地，第一极耳140通过锡焊的方式焊接于第一金属集流体120的一端，第二极耳150通过锡焊的方式焊接于第二金属集流体130的一端。
本申请实施例中，第一金属集流体120和第二金属集流体130为铜片、铝片或镍片。例如：第一金属集流体120和第二金属集流体130均为铜片；或第一金属集流体120和第二金属集流体130均为铝片；或第一金属集流体120和第二金属集流体130均为镍片；或第一金属集流体120为铜片，第二金属集流体130为铝片；或第一金属集流体120为铝片，第二金属集流体130镍片；或第一金属集流体120为铜片，第二金属集流体130镍片。本申请实施例不做限定。
本申请实施例中，纳米碳纤维膜110具有第一表面和第二表面。第一金属集流体120和第二金属集流体130间隔设置于纳米碳纤维膜110的第一表面。或第一金属集流体120设置于第一表面，第二金属集流体130设置于第二表面，第一金属集流体120和第二金属集流体130在纳米碳纤维膜110上的投影间隔设置。两个金属集流体可以设置在纳米碳纤维膜110的同一表面，也可以分别设置在纳米碳纤维膜110的两个表面，金属集流体的设置较为灵活。
请继续参阅图1，在一个实施例中，纳米碳纤维膜110为矩形，第一金属集流体120和第二金属集流体130均为条形。第一金属集流体120和第二金属集流体130分别设置于纳米碳纤维膜110的两侧，且延伸至纳米碳纤维膜110的两端。第一极耳140的一端焊接在第一金属集流体120的端部，第二极耳150的一端焊接在第二金属集流体130的端部。
请继续参阅图2，在另一个实施例中，纳米碳纤维膜110为圆形，第一金属集流体120为环状，第二金属集流体130为圆片状。第一金属集流体120设置于纳米碳纤维膜110的边缘，第二金属集流体130设置于纳米碳纤维膜110的中心。第一极耳140的一端焊接在第一金属集流体120上，第二极耳150的一端焊接在第二金属集流体130上。
在其他实施例中，还可以将纳米碳纤维膜110裁剪成其他形状，进行电发热器件的制备，适用于多种应用场景，使用范围更广。
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请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。
实施例1
将6g PAN粉末溶解在50mL DMF中配制浓度为12％的PAN溶液，把PAN溶液装入推注器中，设置纺丝距离为15cm，推注速度为2.5mL/h，纺丝电压为15kV，纺丝时间为8h，进行静电纺丝制备PAN纳米纤维膜；将PAN纳米纤维膜置于预氧化炉中，设置升温速度为2℃/min，预氧化温度为260℃，时间为120min，进行预氧化处理获得PAN预氧化膜；将PAN预氧化膜置于碳化炉中，设置升温速度为5℃/min，碳化温度为1400℃，时间为120min，进行碳化处理获得碳化膜；将碳化膜置于石墨化炉中，设置升温速度为5℃/min，温度为2400℃，时间为120min，进行石墨化处理，得到纳米碳纤维膜。
图3为纳米碳纤维膜的扫描电子显微镜照片，从图3中可以看出，纤维为连续纤维，直径为100-200nm。按图1所示的结构示意图，将纳米碳纤维膜裁剪成30mm×50mm矩形，以导电银浆把第一铜片和第二铜片粘结在纳米碳纤维膜上，然后锡焊焊接第一电极(铜片)和第二电极(铜片)，制备得到电发热器件。图4显示了电发热器件的实物照片。在第一电极和第二电极之间施加5V直流电压，用红外测温仪测试其加热温度，用计时器计算其加热至稳定温度所用时间。
本实施例中，纳米碳纤维膜的厚度为112μm，电阻率为0.02Ω·cm，阻值为1.5Ω，电发热器件的稳定发热温度为304℃，升温所用时间为3s。
实施例2
本实施例中，纺丝时间为4h，其余条件与实施例1相同。
本实施例中，纳米碳纤维膜的厚度为50μm，电阻率为0.02Ω·cm，阻值为4.0Ω，电发热器件的稳定发热温度为283℃，升温所用时间为5s。
实施例3
本实施例中，纺丝时间为2h，其余条件与实施例1相同。
本实施例中，纳米碳纤维膜的厚度为23μm，电阻率为0.02Ω·cm，阻值为8.1Ω，电发热器件的稳定发热温度为255℃，升温所用时间为10s。
实施例4
本实施例中，纺丝时间为16h，其余条件与实施例1相同。
本实施例中，纳米碳纤维膜的厚度为216μm，电阻率为0.02Ω·cm，阻值为1.2Ω，电发热器件的稳定发热温度为315℃，升温所用时间为3s。
实施例5
本实施例中，PAN纤维膜只进行预氧化和碳化，不进行石墨化处理，其余条件与实施例1相同。
本实施例中，纳米碳纤维膜的厚度为148μm，电阻率为0.04Ω·cm，阻值为6.8Ω，电发热器件的稳定发热温度为261℃，升温所用时间为6s。
实施例6
本实施例中，第一铜片和第二铜片固定在纳米碳纤维膜的两侧以后，第一铜片的远离第一电极的一端位于侧边的中部，第二铜片的远离第一电极的一端位于侧边的中部(本实施例中，金属片的长度是实施例1中金属片的长度的一半)，其余条件与实施例1相同。
本实施例中，纳米碳纤维膜的厚度为112μm，电阻率为0.02Ω·cm，阻值为1.8Ω，电发热器件的稳定发热温度为300℃，升温所用时间为4s。
实施例7
本实施例中，纳米碳纤维膜裁剪成直径为40mm的圆形，按图2的结构所示固定金属集流体和极耳，其余条件与实施例1相同。
本实施例中，纳米碳纤维膜的厚度为112μm，电阻率为0.02Ω·cm，电发热器件阻值为1.4Ω，发热器件的稳定发热温度为312℃，升温所用时间为3s。
对比例1
本对比例中，纳米碳纤维膜更换为申请号为201910351258.9的专利公开的石墨烯电热膜，其余条件与实施例1相同。
本实施例中，石墨烯电热膜的厚度为112μm，电阻率为11Ω·cm，电发热器件阻值为105Ω，发热器件的稳定发热温度为90℃，升温所用时间为30s。
对比例2
本对比例中，纳米碳纤维膜更换为申请号为201510573809.8的专利公开的纳米碳纤维发热膜，其余条件与实施例1相同。
本实施例中，纳米碳纤维发热膜的厚度为112μm，电阻率为9Ω·cm，电发热器件阻值为86Ω，发热器件的稳定发热温度为105℃，升温所用时间为25s。对比例3
本对比例中，不设置金属集流体，直接在纳米碳纤维膜两端设置极耳，其余条件与实施例1相同。
本实施例中，纳米碳纤维发热膜的厚度为112μm，电阻率为0.02Ω·cm，电发热器件阻值为2.0Ω，发热器件的稳定发热温度为291℃，升温所用时间为6s。
实施例1-实施例7以及对比例1-对比例3提供的电发热器件的性能如表1：
表1 电发热器件的性能
从实施例1-实施例4可以看出，当纺丝时间为8h时，纳米碳纤维膜厚度适中，电发热器件的加热性能优越，延长纺丝时间，加热性能增加不明显，但生产效率大大降低；减少纺丝时间，纳米碳纤维膜厚度减小，阻值增加，电发热效率下降。
从实施例1和实施例5对比可以看出，石墨化处理能显著提高纳米碳纤维膜的电导率，提高电发热器件的发热效率，加热性能更佳。
从实施例1和实施例6对比可以看出，如果金属片不延伸至纳米碳纤维膜的两端，电发热器件的发热效率会有所下降，加热性能不好。
从实施例1与对比例1、对比例2对比可以看出，如果发热膜中添加有过多的高分子，发热膜的碳含量较低，则电发热器件的加热性能不好。
从实施例1与对比例3对比可以看出，不进行金属集流体的设置，发热器件的发热效率会有所下降。以上所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
Claims (4)
1.一种电发热器件，其特征在于，包括纳米碳纤维膜、第一金属集流体、第二金属集流体、第一极耳和第二极耳；
所述第一金属集流体和所述第二金属集流体间隔粘附于所述纳米碳纤维膜的表面，且与所述纳米碳纤维膜构成电连接接触；
所述第一极耳焊接于所述第一金属集流体的一端，第二极耳焊接于所述第二金属集流体的一端，且所述第一极耳和所述第二极耳用于与供电导线连接；
所述纳米碳纤维膜为圆形，所述第一金属集流体为圆环形，所述第一金属集流体的外径与所述纳米碳纤维膜的直径一致，所述第二金属集流体为圆片状，所述第二金属集流体位于所述第一金属集流体内部；
所述纳米碳纤维膜的厚度为20-200μm，纤维直径为100-200nm，电阻率为0.02-0.2Ωcm；
所述纳米碳纤维膜的制备方法包括：PAN溶液经静电纺丝、预氧化、碳化和石墨化处理；
其中，所述PAN溶液的质量分数为5-15％；所述静电纺丝步骤中，纺丝距离为10-20cm，电压为10-20kV，推注速度为1.5-3mL/h，纺丝温度为20-40℃，湿度20-50％，纺丝时间为2-16h；
所述预氧化处理的升温速度为2-5℃/min，所述预氧化处理的保温时间为1-3h；
所述碳化处理的升温速度为5-10℃/min，所述碳化处理的温度为1000-1600℃，所述碳化处理的保温时间为1-3h；
所述石墨化升温速度为5-10℃/min，所述石墨化处理的温度为2200-2600℃，所述石墨化处理的保温时间为1-3h。
2.根据权利要求1所述的电发热器件，其特征在于，所述金属集流体与所述纳米碳纤维膜之间设置导电胶层或导电浆料层，以将所述金属集流体粘附于所述纳米碳纤维膜的表面。
3.根据权利要求2所述的电发热器件，其特征在于，所述极耳通过锡焊的方式焊接于所述金属集流体的一端。
4.根据权利要求1所述的电发热器件，其特征在于，所述金属集流体为铜片、铝片或镍片。
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