CN113630916A - 一种大面积柔性电加热片的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大面积柔性电加热片的制备方法及其应用，制备方法步骤至少包含以下几步：(1)纳米碳复合薄膜制备；(2)薄膜打孔；(3)柔性导电电极贴合；(4)导热膜贴合；(5)表面柔性基材贴合。本申请中，通过纳米碳复合薄膜多层功能层薄膜的复合制备方法制备的柔性电加热片，具有优异的电加热性能，且同时避免了现有一些电加热片所具有的质地硬、异物感明显、透气性能差等缺陷，并具有优异的电发热效率，耐弯折和耐水洗等性能，具有广阔的发展前景。
Description
技术领域
本发明涉及IPC分类的H05B3/02领域，尤其涉及一种大面积柔性电加热片的制备方法及其应用。
背景技术
热源在人们的生产、生活、科研中起着重要的作用。面热源是热源的一种。面热源为二维结构，将待加热物体置于该二维结构的上方对物体进行加热，因此，面热源可对待加热物体的各个部位同时加热，加热面较大、加热均匀且效率较高。面热源已成功用于工业领域、科研领域或生活领域等，如电加热器、电热毯、红外治疗仪及电暖器等。
现有面热源一般包括加热元件和至少两个电极，该至少两个电极设置于该加热元件的表面，并与该加热元件电连接。当通过电极向加热元件通入电压或电流时，由于加热元件具有较大电阻，通入加热元件的电能转换成热能，并从加热元件释放出来。现在市售的面热源通常采用金属丝或碳纤维制成的电热丝作为加热元件进行电热转换。但是现有的一些面热源的厚度较大质地硬，发热面积与产品面积的占比极小，不耐弯折、极大的影响了面热源/电加热片的各项性能，例如石墨烯浆料面加热系统，使用PET或PI片材作为承载基体，石墨烯导电浆料印刷至承载基体上，两层基体夹一层发热体的三明治结构，但因PET或PI片材质地较硬，只可弯曲不能折叠、揉搓、洗涤等，柔韧性和舒适性较差。
更特殊一点是，现有技术中的面热源因为受到加热体元件的性能限制，而导致面热源自身的导热面积难以得到有效的扩大，且不具有较强的耐折叠和耐弯曲性能，这些都限制了面热源产品的性能质量和相应的应用环境和领域。
现有技术(CN201911297921.8)提供了一种碳材料电加热片的制备方法，其步骤主要包括：通过将碳材料发热元件贴敷在热塑性薄膜的表面用导线将热塑性薄膜连接电源，然后进行发热，其声称具有能耗低，效率高的优点。但是，在实际使用过程中，由于其碳纤维发热元件为单一的短切碳纤维材料，在传热和发热密度上留有了一定孔隙，质地不够柔软，耐折叠性和耐弯曲性能较差，且无法有效的进一步扩大电加热片的发热面积，实际使用效率低下。
因此，研发一种大面积柔性电加热片的制备方法是一项十分有意义的事情。本发明申请中的电加热片的制备方法中，最主要的通过纳米碳复合薄膜与导热膜的热贴合形成了均热层结构，能够将纳米碳复合薄膜所散发的热量通过面积更大的导热膜进行进一步的热量扩散，在减少集热现象的同时，还能够极大的扩展电加热片的发热面积，从而解决了电加热片行业内发热面积占比无法有效扩展的行业痛点。
发明内容
为了解决上述问题，本发明第一方面提供了一种大面积柔性电加热片的制备方法，步骤至少包含以下几步：(1)纳米碳复合薄膜制备；(2)薄膜打孔；(3)柔性导电电极贴合；(4)导热膜贴合；(5)表面柔性基材贴合。
在一些优选的实施方式中，所述纳米碳复合薄膜制备为：称取碳纳米碳复合薄膜所需原料高温熔融搅拌，之后将复合材料通过流延、压延、牵伸和定型后在膜表面印刷导电银浆，烘干既得所述纳米碳复合薄膜。
在一些优选的实施方式中，所述薄膜打孔为：在纳米碳复合薄膜表面通过激光打孔的方式增加圆形穿孔，穿孔之间的间距为0.2～0.5cm；所述圆形穿孔的直径为0.1～0.3cm。
在一些优选的实施方式中，所述柔性导电电极贴合为：在纳米碳复合薄膜的表面贴合柔性导电电极，并在柔性导电电极表面上结合有PET或PI材料的保护层。
在一些优选的实施方式中，所述导热膜贴合为：在贴合有柔性导电电极的纳米碳复合薄膜表面再贴合一层导热膜形成均热层结构。
在一些优选的实施方式中，表面柔性基材贴合为：在均热层的上下表面贴合柔性基材形成完整的电加热片。
在一些优选的实施方式中，所述纳米碳复合薄膜的原料至少包含多维碳材料，热塑性树脂。
在一些优选的实施方式中，所述多维碳材料，热塑性树脂的质量比为5～8：2～4。
在一些优选的实施方式中，所述多维碳材料，热塑性树脂的质量比为7：3。
在一些优选的实施方式中，所述纳米碳复合薄膜的方阻为0.1～10欧姆。
在一些优选的实施方式中，所述纳米碳复合薄膜的厚度为10～100μm。
在一些优选的实施方式中，所述多维碳材料为纳米碳粉、碳包覆纳米金属、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、还原氧化石墨烯中的至少两种。
在一些优选的实施方式中，所述多维碳材料为纳米碳粉，多壁碳纳米管和石墨烯。
在一些优选的实施方式中，所述纳米碳粉，多壁碳纳米管和石墨烯的质量比为2～3：4～5：2～3。
在一些优选的实施方式中，所述纳米碳粉，多壁碳纳米管和石墨烯的质量比为2.5：4.5：2。
在一些优选的实施方式中，所述纳米碳粉的细度为50～300nm。
在一些优选的实施方式中，所述纳米碳粉的细度为80nm。
在一些优选的实施方式中，所述石墨烯的厚度为3～4nm，片径为6～8um。
在一些优选的实施方式中，所述石墨烯的厚度为4nm，片径为6um。
在一些优选的实施方式中，所述多壁碳纳米管的直径为10～18nm，长度为60～90um。
在一些优选的实施方式中，所述多壁碳纳米管的直径为15nm，长度为80um。
在一些优选的实施方式中，所述热塑性树脂为平均粘度范围为8000～26000cps，25℃的聚氨酯树脂、酚醛树脂、环氧树脂中的至少一种。
在一些优选的实施方式中，所述热塑性树脂为平均粘度为10000cps，25℃的聚氨酯树脂。
在一些优选的实施方式中，所述纳米碳复合薄膜制备的具体方法为：(1)称取所需量的多维碳材料和热塑性树脂通过高速搅拌机熔融共混搅拌均匀，共混搅拌温度为140～200℃；(2)混合均匀后，复合材料通过流延、压延、牵伸和定型后得到均匀复合膜；(3)在复合膜表面印刷导电银浆，制备导电银浆层，烘干既得。
在一些优选的实施方式中，所述导电银浆的方阻为5～10毫欧；所述导电银浆层的厚度为3～5微米。
在一些优选的实施方式中，所述贴合的方法为热熔胶热复合贴合。
在一些优选的实施方式中，所述热熔胶为聚氨酯弹性橡胶、EVA中的至少一种。
在一些优选的实施方式中，所述柔性导电电极为导电丝、导电金属箔、导电布中的至少一种。
在一些优选的实施方式中，所述柔性导电电极为2条，且柔性导电电极通过电线、柔性电路板与电源连通电。
在一些优选的实施方式中，所述导热膜为导热硅脂膜、石墨烯导热膜、导热凝胶膜、导热织物膜中的至少一种。
在一些优选的实施方式中，所述表面柔性基材为纤维织物、柔性硅胶、蓄热材料、反射材料中的至少一种。
本发明第二方面提供了一种上述大面积柔性电加热片的制备方法的应用，包括该柔性电加热片的制备方法在大面积柔性电加热片、耐水洗柔性电加热片、耐弯折柔性电加热片制备中的应用。
有益效果：
1.本申请中，通过纳米碳复合薄膜多层功能层薄膜的复合制备方法制备的柔性电加热片，具有优异的电加热性能，且同时避免了现有一些电加热片所具有的质地硬、异物感明显、透气性能差等缺陷，并具有优异的电发热效率，耐弯折和耐水洗等性能。
2.本申请中，通过纳米碳复合薄膜与导热膜的贴合形成的均热层，有效的减少了集热效应，使得发热速度更快，更均匀，并且大幅度的提升了电加热片整体的发热面积，避免了冷热交替等现象。
3.本申请中，通过对发热元件，纳米碳复合薄膜，进行激光、模切等打孔操作，解决透气性的同时，通过孔的尺寸排布、形状和数量等的设计与变换，能够改变碳材料膜上的电子传输走向，对电加热片的电阻、发热温度和发热区域进行调节，使得在生产制备过程中，仅需同一种的碳材料膜即可通过打孔的排布和形状的变换而实现多种电阻、多种发热情况的产品，具有极大的经济和使用效益。
具体实施方式
实施例1
实施例1第一方面提供了一种面积柔性电加热片的制备方法，步骤至少包含以下几步：(1)纳米碳复合薄膜制备；(2)薄膜打孔；(3)柔性导电电极贴合；(4)导热膜贴合；(5)表面柔性基材贴合。
所述纳米碳复合薄膜制备(以重量份计)：(1)称取70份纳米碳粉，多壁碳纳米管和石墨烯的混合物和30份聚氨酯树脂通过高速搅拌机熔融共混搅拌均匀，共混搅拌温度为180℃；(2)混合均匀后，复合材料通过流延、压延、牵伸和定型后得到均匀复合膜；(3)在复合膜表面印刷导电银浆，制备导电银浆层，烘干既得。
导电银浆的方阻为8毫欧；导电银浆层的厚度为4微米。
纳米碳复合薄膜的厚度为60μm；方阻为8欧姆。
纳米碳粉，多壁碳纳米管和石墨烯的质量比为2.5：4.5：2。
纳米碳粉的平均细度为80nm。
石墨烯的厚度为4nm，片径为6um；多壁碳纳米管的直径为15nm，长度为80um。
聚氨酯树脂的粘度为10000cps，25℃。
所述薄膜打孔为：在纳米碳复合薄膜表面通过激光打孔的方式增加圆形穿孔，穿孔之间的间距为0.3cm；所述圆形穿孔的直径为0.2cm。
所述柔性导电电极贴合为：在纳米碳复合薄膜的表面贴合柔性导电电极，并在柔性导电电极表面上结合有PET材料的保护层。
柔性导电电极为上下2条导导电布，柔性导电电极与电线连接直通电源。
所述导热膜贴合为：在贴合有柔性导电电极的纳米碳复合薄膜表面再贴合一层导热膜形成均热层结构。
导热膜为石墨烯导热膜。
所述表面柔性基材贴合为：在均热层的上下表面贴合柔性基材形成完整的电加热片。
表面柔性基材为聚丙烯腈纤维织物。
所述贴合的方法为热熔胶热复合贴合；所述热熔胶为聚氨酯弹性橡胶。
本实施例中，导电银浆为慧州市腾辉科技有限公司出售的导电银浆产品。
本实施例中，纳米碳粉、多碳纳米管和石墨烯为上海肖晃纳米科技有限公司出售的纳米碳粉、多碳纳米管和石墨烯产品。
本实施例中，聚氨酯树脂为安徽中恩化工有限公司出售的平均粘度为10000cps，25℃的聚氨酯树脂产品。
本实施例中，导电布为苏州八钻新材料科技有限公司出售的黑色导电布产品。
本实施例中，石墨烯导热膜为深圳市麦积高新科技有限公司出售的导热系数为1500w/mk的石墨烯导热膜产品。
本实施例中，聚丙烯腈柔性纤维织物为沈阳艾瑞特特种工程材料有限公司出售的聚丙烯腈柔性纤维织物产品。
本实施例中，聚氨酯弹性橡胶为东莞市品塑高分子科技有限公司出售的聚氨酯弹性橡胶产品。
实施例2
本实施例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：纳米碳粉，多壁碳纳米管和石墨烯的质量比为3：5：2。
实施例3
本实施例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：纳米碳粉的细度为120nm。
对比例1
本对比例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：纳米碳粉，多壁碳纳米管和石墨烯的质量比为1：5：2。
对比例2
本对比例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：纳米碳粉的细度为500nm。
性能评价
1.方阻值：对所有实施例和对比例制得的碳纳米复合膜的方阻值通过方阻测试仪进行测试，每个实施例对比例测试5个试样，测得的数值的平均值记入表1。
弯曲折叠性：对所有实施例和对比例制得的大面积柔性电加热片料裁剪成5cmx5cm大小的样片，进行样片的对折测试，每个样片对折100次，观察100次之后，样品表面是否有明显的折痕和断裂情况，观察的情况记入表1。
2.耐水洗性：对所有实施例和对比例制得的大面积柔性电加热片料裁剪成20cmx20cm大小的样片，进行样片的水洗测试，测试方法参考GB/T 13769-2009和GB/T8629-2017，观察加热片的工作情况，观察的情况记入表1。
表1
通过实施例1～3、对比例1～2和表1可以得知，本发明提供的一种大面积柔性电加热片的制备方法及其应用，制备出的柔性电加热片具有优异的质地感和柔软手感，且还具有优异的耐水洗性，耐弯曲折叠性和发热效果，并且有效增广了电加热片的加热面积，适宜在纺织品领域推广，具有广阔的发展前景。其中实施例1在具有最佳的原料配比和制备工艺等因素下获得了最佳性能指数。
Claims (10)
1.一种大面积柔性电加热片的制备方法，其特征在于：步骤至少包含以下几步：(1)纳米碳复合薄膜制备；(2)薄膜打孔；(3)柔性导电电极贴合；(4)导热膜贴合；(5)表面柔性基材贴合。
2.根据权利要求1所述的大面积柔性电加热片的制备方法，其特征在于：所述纳米碳复合薄膜的原料至少包含多维碳材料，热塑性树脂。
3.根据权利要求1～2任一项所述的大面积柔性电加热片的制备方法，其特征在于：所述纳米碳复合薄膜的方阻为0.1～10欧姆。
4.根据权利要求1～3任一项所述的大面积柔性电加热片的制备方法，其特征在于：所述纳米碳复合薄膜的厚度为10～100μm。
5.根据权利要求1所述的大面积柔性电加热片的制备方法，其特征在于：所述贴合的方法为热熔胶热复合贴合。
6.根据权利要求5所述的大面积柔性电加热片的制备方法，其特征在于：所述热熔胶为聚氨酯弹性橡胶、EVA中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的大面积柔性电加热片的制备方法，其特征在于：所述柔性导电电极为导电丝、导电金属箔、导电布中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的大面积柔性电加热片的制备方法，其特征在于：所述导热膜为导热硅脂膜、石墨烯导热膜、导热凝胶膜、导热织物膜中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的大面积柔性电加热片的制备方法，其特征在于：所述表面柔性基材为纤维织物、柔性硅胶、蓄热材料、反射材料中的至少一种。
10.一种根据权利要求1～9任意一项所述的大面积柔性电加热片的制备方法的应用，其特征在于：包括该柔性电加热片的制备方法在大面积柔性电加热片、耐水洗柔性电加热片、耐弯折柔性电加热片制备中的应用。
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