CN217693742U

CN217693742U - 柔性低压电热膜

Info

Publication number: CN217693742U
Application number: CN202120963855.XU
Authority: CN
Inventors: 刘耀春; 李爽; 樊小军
Original assignee: Foshan Southern China Institute For New Materials
Current assignee: Foshan Southern China Institute For New Materials
Priority date: 2021-05-07
Filing date: 2021-05-07
Publication date: 2022-10-28
Anticipated expiration: 2031-05-07

Abstract

本实用新型涉及一种柔性低压电热膜，其中，所述柔性低压电热膜包括：第一基材层、连续碳纤维薄膜层、导电载流体、第二基材层，所述连续碳纤维薄膜层呈单取向，所述导电载流体的设置位置与所述连续碳纤维薄膜层的取向方向相垂直。该柔性低压电热膜通过设置具有呈单取向的连续碳纤维薄膜层，让其作为发热体，可以使得该发热体的厚度较薄且均一，且该碳纤维具有良好的导电性、高力学性能，可适用于各种极端环境，即便经过反复多次搓揉、水洗后仍能保持结构性能的稳定性，将导电载流体设置于与所述连续碳纤维薄膜层的取向方向相垂直，可便于形成较好的导电回路。本实用新型的电热膜使用安全，加工成本低，适用于大规模生产应用。

Description

柔性低压电热膜

技术领域

本实用新型属于柔性功能膜材料领域，具体涉及一种柔性低压电热膜。

背景技术

近年来，为提高生活质量、适应寒冷的冬季，同时注重环保要求，研究者们开发出的电采暖技术得到蓬勃发展。电采暖技术根据材质的不同，大致可分为电阻丝加热、印刷浆料加热膜制热以及蚀刻金属薄膜电热体，这些技术分别具有相应的优缺点。如电阻丝加热主要采用将金属丝或碳纤维，通过缝纫工艺加工到布材上，一般适用于穿戴领域，但由于是线状发热体，因而会出现局部温度过高、线路敏感等局限性。而印刷浆料加热膜制热技术，例如碳浆印刷电热膜，目前广泛应用于地暖以及加热桌垫等领域，具备红外发射率高、升温速率快等优点，但局限于导电颗粒与树脂基材之间的结合，因而力学性能较差，不耐搓揉、水洗。而蚀刻金属薄膜电热体广泛应用于各种工艺加热及航空航天等领域，具备加热温度范围广、力学性能强、耐腐蚀等优点，但通常以平板膜或石英等作为基材，因而质地较硬，不适用于某些柔性领域。

而针对碳纤维的面状加热膜，目前市面上一般分为两种，一种通过纺织工艺将碳纤维线束与常规纤维混合编织成布料，工艺成本较高，整体仍旧以线状发热为主。另一种主要采用单纯的碳纤维线束经过经纬编织的方法来制备电热膜，整体膜厚较大，且质感较差。如何制备质地轻柔、发热均匀完整、力学性能佳、抗水洗搓揉性能强的电热膜仍是亟需解决的问题。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种柔性低压电热膜，以解决现有技术制备的电热薄膜柔性差、厚度大、安全性差、加工成本高以及不耐水洗搓揉等技术问题。

根据本实用新型的第一方面，提供一种柔性低压电热膜，包括：第一基材层、连续碳纤维薄膜层、导电载流体、第二基材层，所述连续碳纤维薄膜层呈单取向，所述导电载流体的设置位置与所述连续碳纤维薄膜层的取向方向相垂直。

根据本实用新型实施例的柔性低压电热膜，至少具有如下有益效果：通过设置具有呈单取向的连续碳纤维薄膜层，让其作为发热体，可以使得该发热体的厚度较薄且均一，且该碳纤维具有良好的导电性、高力学性能，可适用于各种极端环境，即便经过反复多次搓揉、水洗后仍能保持结构性能的稳定性，使用该呈单取向的连续碳纤维薄膜层发热膜，可与包括第一基材层、导电载流体以及第二基材层的该电热膜具有广泛的适用范围，其中的碳纤维具有疏松结构，适用于各种高透气场景，且其电阻较小，适用于低电压(<36V)条件，并具备发热面均匀、发热效率高以及红外辐射性强等特点。由于碳纤维具备一定的取向性，若平行于取向方向铺排导电载流体，由于碳纤维与碳纤维之间连接不太紧密，导致不能形成导电桥连，由此导电性能较差，而将导电载流体设置于与所述连续碳纤维薄膜层的取向方向相垂直，可便于形成较好的导电回路。上述柔性低压电热膜的厚度可达到0.2mm以下，相比采用碳纤维编织料制成的电热膜厚度(一般为0.5mm以上)降低较为明显。本实用新型的电热膜使用安全，加工成本低，适用于大规模生产应用，可应用于智能穿戴、家居理疗、户外保暖等领域。

根据本实用新型的一些实施例，所述连续碳纤维薄膜层包括单取向碳纤维预浸料或经过扩展的单取向碳纤维薄膜中的至少一种。

可以理解的是，单取向碳纤维预浸料一般采用单丝碳纤维，将其经过铺排成膜后经过与环氧树脂或酚醛树脂进行复合，然后进行交联固化获得，制得的单取向碳纤维预浸料具备一定力学性能，且厚度较小。而经过扩展的单取向碳纤维膜，则一般采用聚丙烯腈、沥青、粘胶纤维为原料，经过熔融或溶液纺丝后形成纤维，随后经过预氧化、碳化以及石墨化工艺制得含碳量大于90％的导电碳纤维束，然后将6K、12K、24K的导电碳纤维束进行加热软化，随后经过一系列具备一定切力的辊筒或气流吹扫进行分散，从而使纤维束经历分散、加宽、变薄，经过反复的扩展、固定，从而制得厚度较薄且均一的单取向碳纤维薄膜。需要说明的是，上述两种物质的制备方法均属于较为常规的技术。

需要说明的是，由于碳纤维在加工制备过程中一般会经过高温处理，因而相比于常规碳系发热体具备更好的高温稳定性，所能达到的发热温度更高，适用加热温度的范围更广。

可以理解的是，常规碳纤维以成千上万根丝束形式存在，通过将丝束进行扩展形成均匀厚度的单取向纤维膜，一方面降低了纤维层厚度，真正实现了轻薄、柔性的特点，另一方面经过扩展纤维束，实现了由线状集中加热向面均匀加热的转变。随着扩展膜厚的大小、纤维的分布密度、纤维长度的变化，面电阻也会相应的调整。

根据本实用新型的一些实施例，所述单取向碳纤维预浸料的厚度为20～100μm、单位面积质量为15g/m²-100g/m²。

根据本实用新型的一些实施例，所述扩展的单取向碳纤维薄膜厚度为20-80μm。

可以理解的是，将单取向碳纤维预浸料的厚度和单位面积质量以及扩展的单取向碳纤维薄膜的厚度控制在上述范围内，能够确保连续碳纤维薄膜层保持较好的柔性同时兼顾较好的电阻性能，使其在36V低压条件下保持较好的电热性能。若厚度进一步加大，则刚度会增大，同时电阻会进一步减小，不利于电路设计。

根据本实用新型的一些实施例，所述连续碳纤维薄膜层中包含碳纤维，所述碳纤维的单丝直径为5～8μm。

根据本实用新型的一些实施例，所述连续碳纤维薄膜层包括第一表面，所述第一基材层位于所述第一表面，且所述第一基材层与所述连续碳纤维薄膜层之间包括第一粘接层。

根据本实用新型的一些实施例，所述连续碳纤维薄膜层还包括第二表面，所述第二表面与所述第一表面相对设置，所述第二基材层位于所述第二表面，且所述第二基材层与所述连续碳纤维薄膜层之间包括第二粘接层。

可以理解的是，第一粘接层和/或第二粘接层可包括熔融胶、热熔胶膜、热熔胶网膜、耐高温压敏胶等中的一种或多种，粘接贴合工艺可包括辊压贴合、平板压贴合或电熨斗手动热压贴合等中的一种或多种。所述热压技术可通过在90℃～150℃进行连续辊压贴合或间歇式平板压贴合。

根据本实用新型的一些实施例，所述导电载流体设置于所述连续碳纤维薄膜层的两端。

可以理解的是，由于碳纤维具备一定的取向性，如在平行于碳纤维取向方向铺排导电载流体，由于碳纤维与碳纤维之间仅有少量的粘结层连接，难以形成导电桥连，因为导电性较差。在一些实施例中，在每根碳纤维两端都连接有导电载流体，可形成较好的导电回路。

根据本实用新型的一些实施例，所述导电载流体与所述连续碳纤维薄膜层之间具有缝隙，所述缝隙内填充有导电浆料。

可以理解的是，所述导电浆料包括导电银浆、导电铜浆或其他高电导率的混合浆料，所述填充方式可采用印刷、刮涂或其他常规的替代方式，在所述导电载流体与所述连续碳纤维薄膜层之间的缝隙填充上述导电浆料，能够较好的封端连续碳纤维薄膜层以及桥连导电载流体，同时可以增强垂直方向的导电性。

根据本实用新型的一些实施例，所述第一基材层和/或所述第二基材层包括无纺布、化纤、棉麻、丝绸、呢绒、皮革、混纺或平板膜中的至少一种；和/或，所述导电载流体包括导电金属网、导电金属箔或导电布中的至少一种。

需要说明的是，针对蚀刻电路的平板膜，通常情况下一般膜厚度较大，从而导致硬度较大，若选择厚度仅为几十微米的平板膜仍能保持柔性，但柔性一般，此外，即使选用相同厚度的基材，碳纤维类薄膜的柔性相比于蚀刻金属薄膜电热体的金属而言，也更加柔软。

可以理解的是，所述导电载流体的铺排方式可包括采用丝网印刷涂覆高电导率的铜浆、银浆，或直接通过导轨铺排多孔铜箔或具备高电导率的导电布等方式。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明，其中：

图1为本实用新型实施例柔性低压电热膜的截面示意图；

图2为本实用新型实施例柔性低压电热膜平铺状态红外加热示意图；

图3为本实用新型实施例柔性低压电热膜收卷状态红外加热示意图；

图4为本实用新型实施例柔性低压电热膜缠绕状态红外加热主视方向示意图；

图5为本实用新型实施例柔性低压电热膜缠绕状态红外加热俯视方向示意图。

附图标记说明：

第一基材层100、连续碳纤维薄膜层200、导电载流体300、第二基材层400、第一粘接层500、第二粘接层600、导电浆料700。

具体实施方式

以下将结合实施例对本实用新型的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本实用新型的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本实用新型的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

下面详细描述本实用新型的具体实施例。

实施例1

本实施例的柔性低压电热膜以超薄防水涤纶布料作为第一基材层和第二基材层，以单取向碳纤维预浸料作为连续碳纤维薄膜层，以导电铜箔作为导电载流体，以印刷导电银浆的方式填充导电浆料，在预留内外电路连通节点后，通过热熔胶膜实现连续碳纤维薄膜层与第一基材层和第二基材层的复合。具体的制备过程如下：

(1)取表面进行疏水、阻燃处理、膜厚为60μm的超薄防水涤纶布料作为第一基材层和第二基材层，选用膜厚在30μm的碳纤维预浸料作为连续碳纤维薄膜层，选用厚度小于20μm的TPU(热塑性聚氨酯弹性体橡胶)、EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)热熔胶膜作为第一粘接层和第二粘接层，厚度为20μm的导电铜箔作为导电载流体，低温银浆作为导电浆料。

(2)采用辊压贴合的工艺，在150℃条件下将碳纤维预浸料、热熔胶膜和超薄防水涤纶布料进行复合，制得半成品膜。

(3)将上述半成品膜裁剪成适当尺寸，随后根据功率-尺寸，设计相关电路，在垂直碳纤维的取向方向铺排导电铜箔，同时采用丝网印刷的工艺印刷银浆以增强电性能稳定性，随后在80℃下进行预烘干。

(4)针对上述预烘干后的电热膜，在预留两内外电路节点后，通过热熔胶膜经过150℃平板压后实现与超薄防水涤纶布料的封装。最终制得膜厚小于200μm的质地柔软的低压电热膜。

经测试，实施例1提供的柔性低压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，具备较好的耐水洗及搓揉性能。图1为本实用新型实施例的低压柔性电热膜的截面示意图，其中该电热膜包括第一基材层100、连续碳纤维薄膜层200、导电载流体300(在连续碳纤维薄膜层的两端分别设有一个导电载流体300)、第二基材层400，第一基材层100和连续碳纤维薄膜层200之间设置有第一粘接层500，第二基材层400和连续碳纤维薄膜层200之间设置有第二粘接层600，导电载流体300与连续碳纤维薄膜层200之间的缝隙内填充有导电浆料700。

此外，由图2至图5所示，在24V低压条件下，电热膜具备发热面均匀、发热效果佳的特点。当电热膜平铺开时表面温度约为40℃，当经过收卷、缠绕后热量集中，温度进一步升高至60℃以上。该柔性低压电热膜可随意搓揉仍能保持发热稳定性，且该电热膜经过搓揉、收卷、缠绕后仍能保持表面的发热温度均匀性，同时经过缠绕收卷后热量集中从而导致局部温度的升高，因而可根据具体应用场景调节发热面积和温度的关系。此外，该电热膜经过100次机洗后仍能保持99％的发热性能，可应用于智能穿戴、红外理疗等领域。

实施例2

本实施例的柔性低压电热膜以耐高温聚酰亚胺作为第一基材层和第二基材层，以单取向碳纤维预浸料作为连续碳纤维薄膜层，以导电铜箔作为导电载流体，以印刷导电银浆的方式填充导电浆料，在预留内外电路连通节点后，通过聚酰亚胺耐高温胶实现连续碳纤维薄膜层与第一基材层和第二基材层的复合。

具体的制备过程如下：

(1)取膜厚为50μm耐高温的聚酰亚胺胶带作为第一基材层和第二基材层(聚酰亚胺胶带表面自身具备耐高温粘接性能，因而其同时可作为第一粘接层和第二粘接层)，选用膜厚在20μm的碳纤维预浸料作为连续碳纤维薄膜层，厚度为20μm的导电铜箔作为导电载流体，中低温银浆作为导电浆料。

(2)采用面-面贴合工艺，将聚酰亚胺胶带与碳纤维预浸料复合，将其裁剪为3cm*3cm的小膜。在垂直碳纤维取向方向铺排导电铜箔，同时采用丝网印刷的工艺印刷银浆以增强电性能稳定性，随后进行200℃烘干。

(3)将上述半成品膜进行聚酰亚胺胶带封装，从而制备出耐高温柔性电热膜。

经测试，实施例2所制得的电热膜膜厚仅为150μm，在6V超低电压条件下电热膜温度可达300℃以上，同时具备较好的耐老化性能及稳定性。

实施例3

本实施例的柔性低压电热膜以常规棉麻布料作为第一基材层和第二基材层，以经过扩展的单取向碳纤维薄膜作为连续碳纤维薄膜层，以导电铜箔作为导电载流体，以印刷导电银浆的方式填充导电浆料，最后通过聚酰亚胺耐高温胶带实现封装。具体的制备过程如下：

(1)取透气性较好、肤感佳的棉麻布料作为第一基材层和第二基材层，将12K碳纤维束扩展为厚度40μm加热带作为连续碳纤维薄膜层，经扩展的碳纤维束带宽度约为3cm，选用厚度小于10μm的TPU、EVA热熔胶网膜作为第一粘接层和第二粘接层，厚度为20μm的导电铜箔作为导电载流体，低温银浆作为导电浆料。

(2)采用辊压贴合的工艺，在150℃条件下将经过扩展的单取向碳纤维薄膜、热熔胶网膜和棉麻布料进行复合，根据宽度选择合适的纤维带条数，同时扩展纤维束带间保持0.5-1cm间隔，制得半成品膜。

(4)针对上述预烘干后的电热膜，在预留两内外电路节点后，通过热熔胶网膜经过150℃平板压后实现与棉麻布料的封装。最终制得膜厚小于200μm的质地柔软的低压电热膜。

经测试，实施例3所制得的碳纤维柔性电热膜膜厚具备较好的柔性及透气性能、肤感极佳。同时所制得的电热膜发热均匀、耐水洗搓揉性能极佳，经过100次机洗仍能保持99％的发热效率。适用于加热穿戴以及智能家居等领域。

上面结合具体实施方式对本实用新型实施例作了详细说明，但是本实用新型不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本实用新型的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims

1.一种柔性低压电热膜，其特征在于，所述柔性低压电热膜包括：第一基材层、连续碳纤维薄膜层、导电载流体、第二基材层，所述连续碳纤维薄膜层呈单取向，所述导电载流体的设置位置与所述连续碳纤维薄膜层的取向方向相垂直。

2.根据权利要求1所述的柔性低压电热膜，其特征在于，所述连续碳纤维薄膜层包括单取向碳纤维预浸料或经过扩展的单取向碳纤维薄膜中的至少一种。

3.根据权利要求2所述的柔性低压电热膜，其特征在于，所述单取向碳纤维预浸料的厚度为20～100μm、单位面积质量为15g/m²-100g/m²。

4.根据权利要求2所述的柔性低压电热膜，其特征在于，所述扩展的单取向碳纤维薄膜厚度为20-80μm。

5.根据权利要求1至4任一项所述的柔性低压电热膜，其特征在于，所述连续碳纤维薄膜层中包含碳纤维，所述碳纤维的单丝直径为5～8μm。

6.根据权利要求1所述的柔性低压电热膜，其特征在于，所述连续碳纤维薄膜层包括第一表面，所述第一基材层位于所述第一表面，且所述第一基材层与所述连续碳纤维薄膜层之间包括第一粘接层。

7.根据权利要求6所述的柔性低压电热膜，其特征在于，所述连续碳纤维薄膜层还包括第二表面，所述第二表面与所述第一表面相对设置，所述第二基材层位于所述第二表面，且所述第二基材层与所述连续碳纤维薄膜层之间包括第二粘接层。

8.根据权利要求1所述的柔性低压电热膜，其特征在于，所述导电载流体设置于所述连续碳纤维薄膜层的两端。

9.根据权利要求8所述的柔性低压电热膜，其特征在于，所述导电载流体与所述连续碳纤维薄膜层之间具有缝隙，所述缝隙内填充有导电浆料。

10.根据权利要求1所述的柔性低压电热膜，其特征在于，所述第一基材层和/或所述第二基材层包括无纺布、化纤、棉麻、丝绸、呢绒、皮革、混纺或平板膜中的至少一种；和/或，所述导电载流体包括导电金属网、导电金属箔或导电布中的至少一种。