CN112980249A - 具有增强的抗机械疲劳性的导电油墨 - Google Patents

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Abstract

一种导电油墨可包括高温热塑性聚氨酯(TPU)和安置在所述高温TPU中的多个导电颗粒。所述多个导电颗粒按重量计可占所述导电油墨的60%与95%之间。所述高温TPU可包括在120℃与200℃之间的熔点。所述导电油墨可用于外部加热的复合结构，例如转子叶片、固定翼、凸起物、发动机唇缘电热防冰等。所述导电油墨可具有增强的抗机械疲劳性。

Description

具有增强的抗机械疲劳性的导电油墨
技术领域
本公开涉及一种导电油墨，且更具体地，涉及具有更高抗机械疲劳性的导电油墨。
背景技术
电热除冰设备的加热元件通常使用蚀刻的合金。蚀刻工艺可能对部件的例如机械特性等材料特性产生影响。蚀刻工艺可能从零件的表面去除金属，这可能对尺寸公差等产生影响。另外，化学蚀刻可能难以自动化和/或存在废物处理问题。
发明内容
本文公开了导电油墨。导电油墨可包括：高熔化温度热塑性聚氨酯(TPU)，所述高熔化温度TPU包括在120℃ (248℉)与200℃ (392℉)之间的熔点；以及安置在高熔化温度TPU中的多个导电颗粒，所述多个导电颗粒按重量计占所述导电油墨的60%与95%之间。
在各种实施方案中，导电油墨还可包括自由基交联剂。自由基交联剂可包括过氧化物。多个导电颗粒可包括银片状颗粒和纳米银中的至少一者。多个导电颗粒可包括碳纳米管(CNT)。CNT按重量计可占导电油墨的70%与85%之间。
本文公开一种伴热组件。所述伴热组件可包括：绝缘体；耦合至绝缘体的陶瓷正温度系数(PTC)元件，所述陶瓷PTC元件沿着绝缘体的长度延伸；沿着绝缘体的长度延伸的第一汇流条；以及沿着绝缘体的长度延伸的第二汇流条，陶瓷PTC元件耦合至第一汇流条和第二汇流条。
在各种实施方案中，陶瓷PTC元件是陶瓷PTC的薄膜。第一汇流条可以是第一导电油墨。第二汇流条可以是第二导电油墨。第一导电油墨和第二导电油墨可各自包括：高熔化温度热塑性聚氨酯(TPU)，所述高熔化温度TPU包括在120℃ (248℉)与200℃ (392℉)之间的熔点；以及安置在高熔化温度TPU中的多个导电颗粒，所述多个导电颗粒按重量计占每种导电油墨的60%与95%之间。第一导电油墨和第二导电油墨可各自包括自由基交联剂。多个导电颗粒可包括银片状颗粒和纳米银中的至少一者。绝缘体可包括第一柔性基板。陶瓷PTC元件可通过粘合剂耦合至第一柔性基板。绝缘体可包括第二柔性基板，并且第一汇流条和第二汇流条可通过粘合剂耦合至第二柔性基板。绝缘体可包括第一柔性基板，并且第一汇流条和第二汇流条可通过粘合剂耦合至第一柔性基板。
本文公开一种制造导电油墨的方法。所述方法可包括：将高熔化温度热塑性聚氨酯(TPU)与多个导电颗粒混合，所述高熔化温度TPU包括在120℃ (248℉)至200℃ (392℉)之间的熔点，所述多个导电颗粒占所得混合物的60%与95%之间；以及固化所述高熔化温度TPU和所述多个导电颗粒。
在各种实施方案中，混合还可包括将至少一种自由基交联剂与高熔化温度TPU和多个导电颗粒混合，并且其中固化还包括加热所得混合物。
前述特征和元件可以各种组合而非排它性地组合，除非另外明确指明。根据下文描述和附图将更明白这些特征和元件以及其操作。然而，应理解，以下描述和附图本质上意欲示例性而非限制性的。
附图说明
在说明书结尾部分特别地指出且清楚地要求保护本公开的主题。然而，当结合以下示意图考虑时，通过参看具体实施方式和权利要求书，可最佳地获得对本公开的更完整理解。在以下附图中，贯穿附图，相似的附图标记指代类似的元件和步骤。
图1示出了根据各种实施方案的飞机的平面图；
图2示出了根据各种实施方案的飞机的饮用水系统；
图3示出了根据各种实施方案的内部伴热组件的截面图；
图4示出了根据各种实施方案的飞机的饮用水系统；
图5示出了根据各种实施方案的内部伴热组件的截面图；
图6示出了根据各种实施方案的导电油墨；
图7示出了根据各种实施方案的导电油墨；以及
图8示出了根据各种实施方案的制造导电油墨的方法。
出于简单和清楚起见，示出了图中的元件和步骤，并且图中的元件和步骤不一定根据任何特定序列呈现。举例来说，在图中示出了可同时地或按照不同次序执行的步骤以有助于改善对本公开的实施方案的理解。
具体实施方式
本文对示例性实施方案的详细描述参考了附图，附图通过说明的方式示出了示例性实施方案。虽然充分详细地描述了这些示例性实施方案以使本领域技术人员能够实践本公开，但应理解，根据本公开和本文教导，可实现其它实施方案并且可作出设计和构造上的逻辑变化和改写。因此，仅出于说明而不是限制的目的来呈现本文的详细描述。
本公开的范围由所附权利要求书及其法律等效物来限定，而不是仅仅由所描述的实例来限定。例如，在方法或过程描述中的任一者中叙述的步骤可按照任何次序执行，并且不一定受限于所呈现的次序。此外，对单数的任何提及包括多个实施方案，并且对一个以上部件或步骤的任何提及可包括单数实施方案或步骤。对附加、附接、固定、耦合、连接等的任何提及可包括永久、可移除、临时、部分、完全和/或任何其它可能的附接选项。另外，对不接触(或类似短语)的任何提及还可包括减少的接触或最少的接触。
本文公开了用于增强的抗机械疲劳性的导电油墨。导电油墨可包括导电颗粒和高熔化温度聚氨酯(TPU)。在各种实施方案中，导电油墨还可包括自由基交联剂，例如过氧化物。导电油墨可被配置成在弯曲循环疲劳测试中具有更高的抗疲劳性。
参考图1，飞机10设置有机身20、左侧机翼12和右侧机翼14。左侧机翼12和右侧机翼14设计成向飞机提供升力并使飞机能够飞行。机身20可容纳乘客以及被配置成操作飞机10的各种部件。在各种实施方案中，机身20可包括水系统100。水系统100可以是饮用水系统、灰水系统等。水系统100可能安置在机身20的易于受到外部温度控制的区域中。因此，在高海拔下，水系统100可能暴露于低于冰点的温度。水系统可通过内部伴热组件进行温度控制。
现在参考图2，示出了根据各种实施方案的用于飞机10上的水系统100的一部分的示意图。水系统100包括第一管110、第二管120、电接口130和内部伴热组件140。第一管110可包括Y形、T形等。第一管110可包括进水口112、出水口114和伴热入口116。第二管120可包括进水口122和出水口124。第二管120的进水口122可通过本领域已知的任何方法耦合至第一管110的出水口114。例如，第二管120的进水口122可通过耦合器118耦合至第一管110的出水口114，所述耦合器例如是双金属箍配件、单金属箍配件、无金属箍推入式连接器、项圈配件等。水系统100可在第一方向B上从第一管110的进水口112流过第二管120的出水口124。
在各种实施方案中，电接口130安置在第一管110的伴热入口116处。电接口130可以是本领域中已知的任何电接口130，例如接线盒等。电接口130可与控制器和/或监视系统电连通。电接口130耦合至内部伴热组件140。内部伴热组件140与电接口130电连通。内部伴热组件140的第一端142固定在电接口130处，而第二端144在水系统100内自由。例如，第二端144可在第二管120中或水系统100中的上游管中自由。内部伴热组件140可被配置成在正常操作期间控制安置在水系统100中的水的温度。在各种实施方案中，安置在内部伴热组件140中的汇流线可在正常操作期间从电接口130通过内部伴热组件140的长度传导电流。
虽然相对于飞机10公开了水系统100，但是具有温度控制的任何水系统都在本公开的范围内。
现在参考图3，示出了根据各种实施方案的沿着图2的截面A-A的内部伴热组件140的横截面视图。内部伴热组件140包括陶瓷正温度系数(PTC)元件210、第一汇流条220、第二汇流条230和绝缘体240。在各种实施方案中，陶瓷PTC元件210可沿着内部伴热组件140的长度延伸。陶瓷PTC元件210可安置在第一汇流条220与第二汇流条230之间，且耦合至第一汇流条220和第二汇流条230。在各种实施方案中，陶瓷PTC元件与第一汇流条220和第二汇流条230电连通。第一汇流条220和第二汇流条230可以是本领域中已知的任何导电元件。例如，第一汇流条220和第二汇流条230可以是如本文公开的导电油墨。第一汇流条220和第二汇流条230可电耦合至图2的电接口130。第一汇流条220和第二汇流条230可被配置成在内部伴热组件140中承载电流。
在各种实施方案中，绝缘体240围绕第一汇流条220、第二汇流条230和陶瓷PTC元件210安置。绝缘体240可以是本领域中已知的任何电绝缘体(例如，聚乙烯、交联聚乙烯-XLPE、聚氯乙烯PVC、聚四氟乙烯、硅树脂、聚烯烃、含氟聚合物等)。绝缘体240可被配置成将从第一汇流条220、第二汇流条230和陶瓷PTC元件210产生的电与图2的水系统100中安置的水绝缘。
在各种实施方案中，粘合剂安置在绝缘体240与陶瓷PTC元件210之间。在各种实施方案中，粘合剂安置在绝缘体240与第一汇流条220和第二汇流条230之间。绝缘体240可包括第一柔性基板242。在各种实施方案中，当第一汇流条220和第二汇流条230是导电油墨时，导电油墨沉积在沿着柔性基板242的长度延伸的第一柔性基板242上。第一汇流条220和第二汇流条230是基于热固性的油墨，例如可从密西根州米德兰的杜邦(DuPont)购得的以商标DuPont® 5025出售的银导体、可从德国杜塞尔多夫的汉高公司(HenkelCorporation)购得的以商标Loctite® ECI 1010 E&C出售的导体。在各种实施方案中，陶瓷PTC元件210可包括陶瓷PTC的薄膜。在各种实施方案中，陶瓷PTC的薄膜可沿着第二柔性基板244的长度印刷在第二柔性基板244上。在各种实施方案中，在印刷陶瓷PTC元件210之前可将液体封闭物涂覆在第二基板244上，并且可在将陶瓷PTC元件210印刷在第二基板244上之后固化液体封闭物。在各种实施方案中，PTC元件210的固体膜封闭物通过粘合剂结合在其上。
现在参考图4，示出了根据各种实施方案的用于飞机10上的水系统400的一部分的示意图。水系统400包括管410、电接口430和伴热组件440。管410可被配置成承载例如灰水等的流体。管410可包括进水口412和出水口414。水系统100可在第一方向C上从管410的进水口412流过管410的出水口414。
在各种实施方案中，电接口430靠近管410安置。电接口430可以是本领域中已知的任何电接口430，例如电连接器等。电接口430可与控制器和/或监视系统电连通。电接口430耦合至伴热组件440。伴热组件440与电接口430电连通。内部伴热组件440的第一端442固定在电接口430处，而第二端444固定至管410的外表面。例如，第二端144可通过例如粘合剂等本领域中已知的任何方法固定至管410的外表面。伴热组件440可被配置成在正常操作期间控制安置在水系统100中的水的温度。在各种实施方案中，安置在伴热组件140中的汇流线可在正常操作期间从电接口430通过伴热组件440的长度传导电流。
虽然相对于飞机10公开了水系统400，但带温度控制的任何水系统都在本公开的范围之内。
现在参考图5，示出了根据各种实施方案的耦合至管的外表面的伴热组件440的截面图。伴热组件440包括陶瓷PTC元件210、第一汇流条220、第二汇流条230和绝缘体240。在各种实施方案中，陶瓷PTC元件210可沿着伴热组件440的长度延伸。陶瓷PTC元件210可安置在第一汇流条220与第二汇流条230之间，且耦合至第一汇流条220和第二汇流条230。在各种实施方案中，陶瓷PTC元件与第一汇流条220和第二汇流条230电连通。第一汇流条220和第二汇流条230可以是本领域中已知的任何导电元件。例如，第一汇流条220和第二汇流条230可以是如本文公开的导电油墨。第一汇流条220和第二汇流条230可电耦合至图4的电接口430。第一汇流条220和第二汇流条230可被配置成在内部伴热组件140中承载电流。
在各种实施方案中，绝缘体240围绕第一汇流条220、第二汇流条230和陶瓷PTC元件210安置且耦合至管410的外表面550。绝缘体540可以是本领域中已知的任何电绝缘体(例如，聚乙烯、交联聚乙烯-XLPE、聚氯乙烯PVC、聚四氟乙烯(PTFE)、硅树脂、聚烯烃、含氟聚合物等)。绝缘体540可被配置成将从第一汇流条220、第二汇流条230和陶瓷PTC元件210产生的电与图4的水系统400中的外部部件绝缘。
现在参考图6，示出了根据各种实施方案的导电油墨600。导电油墨600可被配置用于增强的抗机械疲劳性。在各种实施方案中，第一汇流条220和第二汇流条230可包括导电油墨600。尽管关于内部伴热组件140进行了描述，但是导电油墨600可用于转子叶片和/或固定翼电热防冰。例如，导电油墨600可用作转子叶片和/或固定翼中的电热防冰系统的汇流条。通过利用导电油墨600，防冰系统可更坚固(即，导电油墨可在转子叶片或固定翼的振动期间提供抗机械疲劳性)。
导电油墨包括高熔化温度热塑性聚氨酯(TPU) 610和多个导电颗粒620。如本文所公开的“高熔化温度TPU”是熔点在120℃ (248℉)与200℃ (392℉)之间、或140℃(284℉)与190℃ (374℉)之间、或140°C (284℉)与185°C (365℉)之间的TPU。在各种实施方案中，高熔化温度TPU可以是本领域已知的任何高熔化温度TPU，例如可从美国俄亥俄州威克利夫的路博润公司(Lubrizol)购得的以商标Pearlbond® 960 EXP、Pearlbond® 95AB0 NAT、021 Pearlbond® HMS EXP出售的高熔化温度TPU、可从美国得克萨斯州伍德兰兹市的亨斯迈公司(Huntsman Corporation)购得的IROGRAN® A 98 P 4535、ELASTOLLAN® 785 A 10HPM聚酯等。
在各种实施方案中，多个导电颗粒620可以是本领域中已知的任何导电颗粒。例如，多个导电颗粒可包括银颗粒、银片状颗粒、纳米银或这三种的任何组合。在各种实施方案中，多个导电颗粒620可包括碳纳米管(CNT)石墨烯等。
现在参考图7，示出了根据各种实施方案的导电油墨700。导电油墨包括混合物710和多个导电颗粒620。在各种实施方案中，混合物710包括高熔化温度热塑性聚氨酯(TPU)和自由基交联剂，例如过氧化物。在各种实施方案中，导电颗粒620可安置在聚氨酯弹性体内。
在各种实施方案中，导电油墨600、700可包括按重量计占导电油墨的60%至95%、或在65%与90%之间的量的多个导电颗粒620。在各种实施方案中，当导电颗粒包括CNT时，CNT颗粒的量可在70%与85%之间。
在各种实施方案中，与化学蚀刻等相比，导电油墨600、700可在四点弯曲循环疲劳测试中显示出提供增强的抗疲劳性。导电油墨600、700可用于外部加热的复合结构，例如转子叶片、固定翼、凸起物、发动机唇缘电热防冰等。
现在参考图8，示出了根据各种实施方案的用于制造导电油墨的方法800。方法800包括将高熔化温度TPU与多个导电颗粒混合(步骤802)。在各种实施方案中，混合还可包括混合自由基交联剂，例如过氧化物。如上所述，混合物可与导电油墨600、700一致。所述方法还可包括固化高熔化温度TPU与多个导电颗粒的混合物(步骤804)。在各种实施方案中，固化可包括加热混合物，从而导致高熔化温度TPU与自由基交联剂之间的交联。在各种实施方案中，固化可包括添加充当增强剂的添加剂以及粘合促进剂，例如二氧化钛颗粒。
本文已关于特定实施方案描述了益处、其它优势和问题的解决方案。此外，在本文包括的各个图中示出的连接线意在表示各种元件之间的示例性功能关系和/或物理耦合。应注意，许多替代性或附加的功能关系或物理连接可存在于实际的系统中。然而，所述益处、优势、问题的解决方案以及可致使任何益处、优势或解决方案发生或变得更加突出的任何要素不应被解释为本公开的关键、所需或必要的特征或要素。本公开的范围因此将仅由所附权利要求书及其法律等效物限制，其中除非明确因此规定，否则提到单数形式的元件无意是指“一个且仅一个”，而是指“一个或多个”。另外，在权利要求中使用了类似于“A、B或C中的至少一者”的短语的情况下，期望所述短语被解释为是指仅A可存在于一个实施方案中，仅B可存在于一个实施方案中，仅C可存在于一个实施方案中，或者元件A、B和C的任何组合可存在于单个实施方案中；例如，A和B、A和C、B和C或A和B和C。
本文提供了系统、方法和设备。在本文的详细描述中，提到“各种实施方案”、“一个实施方案”、“实施方案”、“实例实施方案”等指示所描述的实施方案可包括特定特征、结构或特性，但是每个实施方案可能不一定包括特定的特征、结构或特性。此外，此类短语不一定指代同一实施方案。另外，在结合实施方案描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，认为本领域技术人员能够结合其他实施方案来实现此类特征、结构或特性。在阅读了说明书之后，相关领域的技术人员将明白如何在替代性实施方案中实施本公开。
此外，本公开中的元件、部件或方法步骤无意奉献给公众，而不管所述元件、部件或方法步骤是否在权利要求中明确叙述。没有权利要求要素意在援引35 U.S.C.112(f) ，除非使用短语“用于……的构件”来明确叙述所述元件。如本文使用，术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”或其任何其它变化意在涵盖非排他性包括，使得包括一列要素的过程、方法、制品或设备不仅包括那些要素，而且可包括未明确列出的或此类过程、方法、制品或设备固有的其它要素。

Claims (15)

1. 一种导电油墨，包括：
高熔化温度热塑性聚氨酯(TPU)，所述高熔化温度TPU包括在120℃ (248℉)与200℃(392℉)之间的熔点；以及
安置在所述高熔化温度TPU中的多个导电颗粒，所述多个导电颗粒按重量计占所述导电油墨的60%与95%之间。
2.如权利要求1所述的导电油墨，其还包括自由基交联剂。
3.如权利要求2所述的导电油墨，其中所述自由基交联剂包括过氧化物。
4.如权利要求1所述的导电油墨，其中所述多个导电颗粒包括银片状颗粒和纳米银中的至少一者。
5.如权利要求1所述的导电油墨，其中所述多个导电颗粒包括碳纳米管(CNT)，其中所述CNT按重量计占所述导电油墨的70%与85%之间。
6.一种伴热组件，包括：
绝缘体；
耦合至所述绝缘体的陶瓷正温度系数(PTC)元件，所述陶瓷PTC元件沿着所述绝缘体的长度延伸；
第一汇流条，所述第一汇流条沿着所述绝缘体的所述长度延伸；以及
第二汇流条，所述第二汇流条沿着所述绝缘体的所述长度延伸，所述陶瓷PTC元件耦合至所述第一汇流条和所述第二汇流条。
7. 如权利要求6所述的伴热组件，其中：
所述陶瓷PTC元件是陶瓷PTC的薄膜；或者
所述第一汇流条是第一导电油墨，并且其中所述第二汇流条是第二导电油墨。
8. 如权利要求7所述的伴热组件，其中所述第一导电油墨和所述第二导电油墨各自包括：
高熔化温度热塑性聚氨酯(TPU)，所述高熔化温度TPU包括在120℃ (248℉)与200℃(392℉)之间的熔点；以及
安置在所述高熔化温度TPU中的多个导电颗粒，所述多个导电颗粒按重量计占每种导电油墨的60%与95%之间。
9.如权利要求8所述的伴热组件，其中所述第一导电油墨和所述第二导电油墨各自包括自由基交联剂。
10.如权利要求9所述的伴热组件，其中所述自由基交联剂包括过氧化物。
11.如权利要求8所述的伴热组件，其中所述多个导电颗粒包括银片状颗粒和纳米银中的至少一者。
12.如权利要求8所述的伴热组件，其中所述多个导电颗粒包括碳纳米管(CNT)，其中所述CNT按重量计占所述导电油墨的70%与85%之间。
13. 如权利要求6所述的伴热组件，其中：
所述绝缘体包括第一柔性基板，其中所述陶瓷PTC元件通过粘合剂耦合至所述第一柔性基板；或者
所述绝缘体包括第二柔性基板，并且其中所述第一汇流条和所述第二汇流条通过粘合剂耦合至所述第二柔性基板；或者
所述绝缘体包括第一柔性基板，其中所述第一汇流条和所述第二汇流条通过粘合剂耦合至所述第一柔性基板。
14. 一种制造导电油墨的方法，所述方法包括：
将高熔化温度热塑性聚氨酯(TPU)与多个导电颗粒混合，所述高熔化温度TPU包括在120℃ (248℉)与200℃ (392℉)之间的熔点，所述多个导电颗粒占所得混合物的60%与95%之间；以及
固化所述高熔化温度TPU和所述多个导电颗粒。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述混合还包括将至少一种自由基交联剂与所述高熔化温度TPU和所述多个导电颗粒混合，并且其中固化还包括加热所述所得混合物。
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