CN205356712U - 一种低压电热材料 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种低压电热材料，包括依次叠加的相变材料层和包含石墨烯的加热层。本实用新型的低压电热材料不仅具有节能、轻便、柔韧性好、可大面积使用、不易氧化、导电导热性能高等优点，而且具有良好的蓄热功能，而且适用范围广，可用于制造服装、人体护理、航空设备、医疗设备、家用采暖设备、汽车等多种领域。

Description

一种低压电热材料

技术领域

本实用新型涉及电热材料领域，具体而言，涉及一种低压电热材料。

背景技术

随着煤炭、石油、天然气等不可再生资源的不断枯竭以及环境污染的日益严重，研究和开发出可再生、绿色的清洁能源及其配套的工业品、日用品显得尤为迫切和重要。在太阳能、核电、水电及风电取代不可再生资源来发热发电的大背景下，众多工业品和日用品也越来越注重节能减排。另外，随着人们对产品便携和可穿戴性能的需求提升，低能耗、轻便集成化的产品展现出了巨大的市场潜力。

石墨烯作为新兴的碳材料，具有高导电导热性能的同时，具有轻便、柔韧性好、可大面积使用、不易氧化等优点，具有比其它碳材料更加突出的远红外辐射性能，制成的加热元件具有体感温度高、热舒适性好的特点，因此石墨烯具备优异电热材料的特点。但是市面上以石墨烯制成的电热材料因为不具备蓄热功能，其节能性也未能有效体现。

有鉴于此，特提出本实用新型。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种低压电热材料，所述的低压电热材料不仅具有轻便、柔韧性好、可大面积使用、不易氧化、导电导热性能高等优点，而且具有良好的蓄热功能，而且适用范围广，可用于制造服装、人体护理、航空设备、医疗设备、家用采暖设备、汽车等多种领域。

为了实现本实用新型的上述目的，特采用以下技术方案：

一种低压电热材料，包括依次叠加的相变材料层和石墨烯加热层。

与现有技术相比，本实用新型主要是创新将石墨烯加热层与相变材料结合起来，扬长避短，充分利用两者的优点，组成的低压电热材料既具备石墨烯优异的电热性能，又具备良好的蓄热性能。其次，本实用新型采用层层叠加的构造关系，避免了材料之间的性能干扰。

所述的石墨烯加热层是指含有石墨烯的加热层，本实用新型的低压电热材料可以使用现有技术中所有已知的含有石墨烯的加热材料作为石墨烯加热层。

上述低压电热材料主要用于低压条件下的加热，尤其是1-5V下的高温度(室温～130℃)工作，其中的加热层既可以仅由纯的石墨烯与电极材料组成，也可以由混合有各种改性剂的石墨烯与电极材料组成；添加的改性剂如果合理，也可以用于高压加热。复合层之间的粘结可以通过印刷、刮涂、喷涂、浸渍、压合等工艺来实现。

另外，上述低压电热材料既可应用于医疗、日常家用物品的加热夹层，也可用于建筑地暖壁暖、温室大棚等，也可应用于低温环境下工作的舰艇、车辆、飞行器等的管线、仪表、零部件的除冰。

上述低压电热材料还可以进一步改进：

针对加热层，本实用新型采用的是电加热原理，因此在布设加热层时可以采用以下两种方式：

方式一，所述加热层由石墨烯导电导热层和印刷在所述石墨烯导电导热层表面的电路层组成。

所述石墨烯导电导热层是指含有石墨烯的导电导热层。本实用新型的低压电热材料可以使用现有技术中所有已知的含有石墨烯的导电导热材料作为石墨烯导电导热层。

这种结构的材料适宜大批量生产，即在大面积的石墨烯导电导热层上印刷多个子电路，再裁切成小元件，而且更易实现质量控制。另外，为了提高电路层在石墨烯层上的导电性能，还可以在制作石墨烯层时加入改性剂提高石墨烯的分散度或粘性。另外，这种结构可以做成纸张的结构单独使用，而无需固定基体，这样应用范围更广。

以上结构的加热层与相变材料层配合时，可以是印刷电路层直接与相变材料接触，也可以是石墨烯层与相变材料接触，可以视实际情况调整。

方式二，所述加热层远离所述相变材料层的一面还设有基体层，所述加热层由焊接在所述基体层上的电极与石墨烯导电导热层组成。

电极一般是焊接在基体的边缘位置，其不会覆盖石墨烯层，这样石墨烯层中就可以增加一些可能会干扰电场的改性剂，例如远红外整理剂(例如氧化钛、氧化锆、氧化钇、氧化锌、氧化铝等)，以提高远红外低温辐射性能。

在此情况下，所述石墨烯加热层和相变材料层之间还设有绝缘导热层，以隔离可能暴露在外的电极材料，提高安全性。当然，不采用此结构时，也可以增设绝缘导热层。

优选地，包括封装所述石墨烯加热层和相变材料层的绝缘保护层。

增设绝缘保护层是为了提高电热材料的安全性，以便直接用于人体。绝缘保护层可使用塑料或树脂类材料，根据应用领域不同，该绝缘保护层中可添加1‰-3‰的耐氧耐热剂。

优选地，所述相变材料层为固-固相变材料层。

固-固相变材料层适用范围更广，避免了固-液相变材料受液体流动的限制。可采用的固-固相变材料有无机相变材料如硫酸钠类、醋酸钠类、氯化钙类、磷酸盐类，有机相变材料如石蜡类、脂肪酸或其脂类、高级脂肪烃类、醇类、芳香烃类、酰胺类和多羟基碳酸类等，以及高分子相变材料如聚烯烃类、聚多元醇类、聚烯醇类、聚烯酸类、聚酰胺类等。其中以多元醇类固-固相变材料层为最优，其成本较低。

优选地，所述低压电热材料为板状、柱状或面料状。

低压电热材料的形状主要由其用途决定，例如，当用于制作功能性面料时，一般为面料状；当用于家庭或工业采暖时，一般为柱状，而用于机械设备的除冰时一般为板状。当然，也可以根据实际技术需求或美观要求，设计成任意形状。

优选地，所述基体层由以下任意一种材料制成：纤维面料、塑料、金属。

基体也是根据材料用途而定。

本实用新型所用的石墨烯可以采用任意公开的技术制得，例如，专利申请CN104724696A、CN105217621A等。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

(1)导热性能优异；

(2)具有良好的蓄热性能；

(3)基体以外的材料质地柔软舒适；

(4)节能环保；

(5)应用范围广；

(6)轻便易携带。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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的附图。

图1为本实用新型实施例1提供的电热材料的结构；

图2为本实用新型提供的一种电热材料的结构；

图3为本实用新型提供的一种电热材料的结构；

图4为本实用新型实施例2提供的电热材料的结构；

附图标记：

1-基体层；2-电极；3-含石墨烯的导电导热层

4-绝缘导热层5-相变材料层6-绝缘保护层

7-电路层。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下文实施例中所添加的各种改性剂的百分比均指相对于浆料总量。

实施例1

(1)将石墨烯与碳纤维以3:1的比例均匀复合，加入0.5wt％的远红外整理剂(氧化钛)，并加入1wt％苯乙烯-马来酸酐共聚酯、0.1wt％的硅油和2％的氨丙基三甲氧基硅烷，充分分散于水中，获得100mg/mL的浆料。

(2)在纤维面料两端压合焊接铜箔条作为电极。

(3)将浆料均匀涂覆在纤维面料表面形成厚度为0.1mm的膜，晾干或烘干后形成石墨烯辐射发热膜。

(4)除气，随后使用导热塑料材料进行一次封装。

(5)裁切、铣靶，获得接线焊点，接线后使用绝缘材料封闭接点。

(6)在导热塑料外部层叠厚度为0.5mm的相变材料(醋酸钠)薄膜后，使用绝缘层进行整体二次封装。

本实施例获得具有优良远红外功能、蓄热能力好、节能、阻值稳定的电热膜，有利于人体健康舒适。可应用于医疗、日常家用物品的加热夹层。

该实施例获得的产品结构如图1所示，包括基体层1(即纤维面料)，电极2，含石墨烯的导电导热层3，绝缘导热层4，相变材料层5，绝缘保护层6。

在此基础上，也可以在基体层1的下表面对称设置绝缘导热层4，如图2所示；或者在基体层1的下表面对称设置绝缘导热层4，相变材料层5，如图3所示。

实施例2：

(1)将石墨烯与碳纤维以5:1的比例均匀混合，配以一定量的2wt％的聚乙烯吡咯烷酮、0.05wt％的硬脂肪酰胺和1wt％的聚二甲基硅氧烷并溶于乙醇中，获得浓度为150mg/mL的石墨烯复合材料浆料。

(2)将耐热纸浆和上述生物质石墨烯浆料1:1的比例复合制成耐热导电纸，厚度可按实际需要进行调控。

(3)使用铜浆(银浆)在耐热导电纸表面印刷出电极和线路。则加热膜制作完毕。

(4)选择合适相变温度的多元醇类固-固相变材料薄膜(季戊四醇PE)贴合在加热膜表面。

(5)除气、随后使用绝缘层进行整体封装。

本实施例获得的加热膜轻便，柔韧性好，适用于小工作电压工作，工作温度适宜人体承受。可广泛应用于服装、人体护理可穿戴物品。

该实施例获得的产品结构如图4所示，包括含石墨烯的导电导热层3，电路层7，相变材料层5，绝缘保护层6。

实施例3：

(1)将石墨烯与碳纤维以5:1的比例均匀混合，配以一定量的分散剂0.5wt％聚氧乙烯醚甲基丙烯酸酯、0.01wt％的硬脂酸铝和3％的丙烯酸双环戊二烯酯单体并溶于水中，获得浓度为100mg/mL的石墨烯复合材料浆料。

(2)向上述生物质石墨烯浆料中添加3％的远红外整理剂(氧化铝)，作为导电油墨，将油墨打印在耐热塑料基板上。

(3)随后使用铜浆或银浆打印电极或直接压合铜箔作为电极。

(4)除气，随后使用导热塑料材料进行一次封装。

(5)裁切、铣靶，获得接线焊点，接线后使用绝缘材料封闭接点。

(6)选择合适相变温度的固-固相变材料(季戊四醇PE)薄膜贴合在加热膜表面。

(7)除气、随后使用绝缘层进行整体封装。

本实施例获得具有优良远红外功能、蓄热能力好，节能的建筑用采暖电热膜。具有电热转换效率高，辐射热占比例大，体感温度高、热舒适性好的特点。适用于建筑地暖壁暖、温室大棚等。

本实施例具有类似实施例1的结构。

实施例4：

(1)将石墨烯与碳纤维以10:1的比例均匀混合，配以一定量的分散剂1wt％的苯乙烯-马来酸酐共聚酯、0.1wt％硅油和2wt％的氨丙基三甲氧基硅烷并溶于乙醇中，获得浓度为50mg/mL的石墨烯复合材料浆料。

(2)将上述浆料喷涂于舰艇船只管线，卫星天线，飞行器、汽车部件等表面，充分干燥。

(3)将上述干燥完毕的加热膜接入低压电路。

(4)于加热膜表面喷涂一层导热保护层。

本实施例可应用于低温环境下工作的舰艇、车辆、飞行器等的管线、仪表、零部件的除冰。可以在小电压条件下(1～5V)实现表面快速加热的目的。

本实施例具有类似实施例4的结构。

实施例5：

(1)将石墨烯和碳纤维按照10:1的比例，配以0.5wt％的聚氧丙烯醚丙烯酸酯、0.1wt％的硅油和2wt％的氨丙基三甲氧基硅烷并溶于水中，随后加入0.1％的远红外整理剂(氧化钛)，获得浓度为100mg/mL的石墨烯复合浆料。

(2)将纤维面料、发泡材料充分浸渍于上述浆料中，随后经过挤压或过滤、烘干等工艺步骤。

(3)然后在烘干的石墨烯层表面喷涂相变材料(季戊四醇PE)。

将上述纤维面料或发泡材料分别应用于衣物、填充物的内表面或夹层，可根据实际情况选择是否外接电路。

本实施例应用了生物质石墨烯自身的远红外辐射性能和抑菌性能，提高了衣物、汽车座椅等类型产品的体感舒适性和保暖增暖性能。

以上实施例1至5针对的主要是板状或面料状的电热材料，对于柱状(即电线)的材料，工艺的先后顺序及每步工序加入的助剂及条件可以参照上述实施例，但是每层之间的结合方法更宜采用浸渍法，例如，将石墨烯层浸渍到相变材料中，使相应的液体能均匀附着在石墨烯层表面。

由上文描述可知，与现有技术相比，本实用新型主要是创新将石墨烯加热层与相变材料结合起来，扬长避短，充分利用两者的优点，组成的低压电热材料既具备石墨烯优异的电热性能，又具备良好的蓄热性能。其次，本实用新型采用层层叠加的构造关系，避免了材料之间的性能干扰。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种低压电热材料，其特征在于，包括依次叠加的相变材料层和石墨烯加热层。

2.根据权利要求1所述的低压电热材料，其特征在于，所述石墨烯加热层由石墨烯导电导热层和印刷在所述石墨烯导电导热层表面的电路层构成。

3.根据权利要求1所述的低压电热材料，其特征在于，所述石墨烯加热层远离所述相变材料层的一面还设有基体层。

4.根据权利要求3所述的低压电热材料，其特征在于，所述加热层由焊接在所述基体层上的电极与石墨烯导电导热层组成。

5.根据权利要求1所述的低压电热材料，其特征在于，包括封装所述加热层和相变材料层的绝缘保护层。

6.根据权利要求1或4所述的低压电热材料，其特征在于，所述加热层和相变材料层之间还设有绝缘导热层。

7.根据权利要求1所述的低压电热材料，其特征在于，所述相变材料层为固-固相变材料层。

8.根据权利要求1所述的低压电热材料，其特征在于，所述低压电热材料为板状、柱状或面料状。

9.根据权利要求3所述的低压电热材料，其特征在于，所述基体层为纤维基体层、塑料基体层、或金属基体层。

10.根据权利要求1所述的低压电热材料，其特征在于，所述石墨烯为生物质石墨烯。