CN103379681B - 加热垫 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种加热垫，其包括：一加热元件、该加热元件包括柔性基底，以及一固定于该柔性基底的碳纳米管层，所述加热元件具有第一端以及与该第一端相对设置的第二端，该第一端被分割成多个第一条带结构，该第二端被分割成多个第二条带结构；以及多个第一电极以及多个第二电极，该多个第一电极分别夹持所述多个第一条带结构，并与该多个第一条带结构电连接，且所述多个第一电极电连接，所述多个第二电极分别夹持所述多个第二条带结构，并与该多个第二条带结构电连接，且所述多个第二电极电连接。

Description

加热垫
技术领域
本发明涉及一种加热垫，尤其涉及一种柔性加热垫。
背景技术
在日常生活中，有很多地方要用到加热垫，例如，汽车座椅加热垫，电热毯，加热保健腰带等。传统的加热垫一般采用电阻丝作为加热材料，该电阻丝一般有纯金属电阻丝和合金电阻丝，但在使用过程中，该电阻丝由于抗拉伸强度弱，耐弯折性差，所以存在由于造成断裂引起触电等事故的隐患，且使用寿命较短。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种柔性加热垫。
一种加热垫，其包括一加热元件、该加热元件包括柔性基底，以及一固定于该柔性基底的碳纳米管层，所述加热元件具有第一端以及与该第一端相对设置的第二端，该第一端被分割成多个第一条带结构，该第二端被分割成多个第二条带结构；以及多个第一电极以及多个第二电极，该多个第一电极分别夹持所述多个第一条带结构，并与该多个第一条带结构电连接，且所述多个第一电极电连接，所述多个第二电极分别夹持所述多个第二条带结构，并与该多个第二条带结构电连接，且所述多个第二电极电连接。
一种加热垫，其包括一加热元件，该加热元件包括层叠设置的一柔性基底以及一碳纳米管层，该加热元件具有第一端以及与该第一端相对设置的第二端；以及一第一电极以及第二电极，该第一电极与第二电极分别设置于所述加热元件的第一端与第二端，所述第一电极与第二电极分别与所述碳纳米管层的接触电阻小于等于0.3欧姆。
与现有技术相比较，本发明的加热垫在柔性基底上设置所述碳纳米管层，由于所述柔性基底和所述碳纳米管层均具有柔韧性，所以该加热垫为柔性加热垫。另外，所述碳纳米管层包含碳纳米管，该碳纳米管在轴向具有较优的导电性，所以，该加热元件在碳纳米管的延伸方向的电阻较小，故，该加热垫具有工作所需的功率小，升温速度快等优点。
附图说明
图1为本发明第一实施例加热垫的剖面结构示意图。
图2为本发明第一实施例加热垫的局部立体结构示意图。
图3为本发明第一实施例中从碳纳米管阵列中拉取获得的碳纳米管膜的扫描电镜照片。
图4为本发明第二实施例加热垫中加热元件的碳纳米管层侧的照片。
图5为本发明第二实施例加热垫中加热元件的碳纳米管层侧的光学显微镜照片。
主要元件符号说明
加热垫 10
加热元件 11
第一电极 13
第二电极 14
碳纳米管膜 16
导线 21
柔性基底 110
粘结层 111
碳纳米管层 112
第二条形结构 114
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
请一并参阅图1和图2，本发明第一实施例提供一种加热垫10。该加热垫10包括一加热元件11、多个第一电极13以及多个第二电极14，所述加热元件11包括柔性基底110，设置于该柔性基底110的粘结层111，以及通过该粘结层111固定于该柔性基底110的碳纳米管层112，所述加热元件11具有第一端（图未示）以及与该第一端相对设置的第二端（图未示），该第一端被分割成多个第一条带结构（图未示），所述多个第一电极13分别夹持所述多个第一条带结构，并与该多个第一条带结构电连接，且所述多个第一电极13电连接，该第二端被分割成多个第二条带结构114，所述多个第二电极14分别夹持所述多个第二条带结构114，并与该多个第二条带结构114电连接，且所述多个第二电极14电连接。
所述柔性基底110的材料选自柔性并具有一定韧性及强度的绝缘材料，如硅橡胶、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、无纺布、PU、PVC、以及真皮等。本实施例中，所述柔性基底110为一长方形的PU，其尺寸为40厘米×30厘米。
所述柔性基底110的表面涂布有一层粘结层111，本实施例中该粘结层111为硅胶层。
所述柔性基底110的表面设置有一碳纳米管层112，该碳纳米管层112通过所述硅胶层粘附于所述柔性基底110，且该硅胶层的硅胶渗入到所述碳纳米管层112中相邻的碳纳米管之间。所述碳纳米管层112由两百层碳纳米管膜16组成，相邻碳纳米管膜16中的碳纳米管形成一交叉角，该交叉角大于等于0度且小于等于90度，本实施例中，相邻的碳纳米管膜16中的碳纳米管基本沿同一方向择优取向排列，且相邻的碳纳米管膜16通过范德华力结合。该碳纳米管层112中碳纳米管的延伸方向与所述柔性基底110的长度方向一致。
请参见图3，所述碳纳米管膜16是由若干碳纳米管组成的自支撑结构。所述若干碳纳米管基本沿同一方向择优取向排列，所述择优取向排列是指在碳纳米管膜16中大多数碳纳米管的整体延伸方向基本朝同一方向。而且，所述大多数碳纳米管的整体延伸方向基本平行于碳纳米管膜16的表面。进一步地，所述碳纳米管膜16中大多数碳纳米管是通过范德华力首尾相连。具体地，所述碳纳米管膜16中基本朝同一方向延伸的大多数碳纳米管中每一碳纳米管与在延伸方向上相邻的碳纳米管通过范德华力首尾相连。当然，所述碳纳米管膜16中存在少数随机排列的碳纳米管，这些碳纳米管不会对碳纳米管膜16中大多数碳纳米管的整体取向排列构成明显影响。所述自支撑为碳纳米管膜16不需要大面积的载体支撑，而只要相对两边提供支撑力即能整体上悬空而保持自身膜状状态，即将该碳纳米管膜16置于（或固定于）间隔一定距离设置的两个支撑体上时，位于两个支撑体之间的碳纳米管膜16能够悬空保持自身膜状状态。所述自支撑主要通过碳纳米管膜16中存在连续的通过范德华力首尾相连延伸排列的碳纳米管而实现。
具体地，所述碳纳米管膜16中基本朝同一方向延伸的多数碳纳米管，并非绝对的直线状，可以适当的弯曲；或者并非完全按照延伸方向上排列，可以适当的偏离延伸方向。因此，不能排除所述碳纳米管膜16中基本朝同一方向延伸的多数碳纳米管中并列的碳纳米管之间可能存在部分接触。
具体地，所述，所述碳纳米管膜16中基本朝包括多个连续且定向排列的碳纳米管片段。该多个碳纳米管片段通过范德华力首尾相连。每一碳纳米管片段包括多个相互平行的碳纳米管，该多个相互平行的碳纳米管通过范德华力紧密结合并形成多个间隙。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。所述碳纳米管膜16中基本朝中的碳纳米管沿同一方向择优取向排列。
可以理解，由于所述碳纳米管膜16具有较大的比表面积，且基本不含无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等杂质，故，所述碳纳米管层112本身具有较大的粘性，因此，该碳纳米管层112也可以通过本身的粘性固定于所述柔性基底110的表面，即不需要在所述柔性基底110的表面形成粘结层111，该柔性基底110与所述碳纳米管层112层叠设置。
所述加热元件11在长度方向分别具有第一端（图未示）以及与该第一端相对设置的第二端(图未示)，该第一端形成43个第一条形结构，该第一条形结构是通过切割所述加热元件11的第一端形成的，所述第二端形成43个第二条形结构114，该第二条形结构114是通过切割所述加热元件11的第二端形成的。进行切割时，沿平行于所述加热元件11的长度方向切割，该相邻切割线的距离为7毫米，该切割线的切割深度为10毫米。因此，所述第一条形结构和第二条形结构114的宽度为7毫米，长度为10毫米。
各个条形结构分别设置有插簧，该插簧的一端通过所述插簧弹片固定在所述条形结构。在插簧的另一端设置导线21，该导线21通过所述插簧弹片夹持，使位于加热元件11各个端部的插簧电连接。从而在所述加热元件11的长度方向的两端部形成多个电极，该电极与所述加热元件11电连接，该电极与所述碳纳米管层112的接触电阻优选小于等于0.3欧姆，本实施例中，该接触电阻为0.1欧姆。所述加热垫10中的碳纳米管从加热元件11的第一电极13延伸到第二电极14，并且，所述从第一电极13延伸到第二电极14的多个碳纳米管通过范德华力首尾相连。当然，并不限于此，所述加热垫中的碳纳米管的延伸方向也可以与加热元件的第一电极和第二电极的排列方向一致，也就是说，所述第一电极和第二电极分别在碳纳米管的直径方向与该碳纳米管电连接。
由于所述加热元件11各端的条形结构无间隙设置，所以如果各个第一电极13和各个第二电极14分别并排设置，那么所述第一电极13和所述第二电极14分别呈扇形设置，故，加热元件11可能在相邻的电极处断裂且各个电极直径容易产生干扰。所以，该各个第一电极13和各个第二电极14最好是在该加热元件11的厚度方向上错开设置。
本发明第二实施例提供一种加热垫。该加热垫包括一加热元件、多个第一电极以及多个第二电极，所述加热元件包括柔性基底，设置于该柔性基底的粘结层，以及通过该粘结层固定于该柔性基底的碳纳米管层，所述加热元件具有第一端（图未示）以及与该第一端相对设置的第二端（图未示），该第一端被分割成多个第一条带结构，所述多个第一电极分别夹持所述多个第一条带结构，并与该多个第一条带结构电连接，且所述多个第一电极电连接，该第二端被分割成多个第二条带结构，所述多个第二电极分别夹持所述多个第二条带结构，并与该多个第二条带结构电连接，且所述多个第二电极电连接。
所述加热垫的结构与第一实施例的加热垫的结构基本相同，其不同在于所述加热元件中碳纳米管层的结构。请一并参阅图4和图5，所述碳纳米管层中的碳纳米管在该碳纳米管层的法线方向向上弯曲形成多个突起，也就是说，该碳纳米管的某一部分已经高出其他部分，所以该碳纳米管层从宏观结构看，包括多个褶皱，表面呈褶皱状态（请参阅图4）。用光学显微镜观察来看，在与碳纳米管延伸方向的交叉方向形成有多个皱纹（请参阅图5），该皱纹的延伸方向基本上垂直于所述碳纳米管层中碳纳米管的延伸方向。即、该加热元件在其长度方向即碳纳米管的延伸方向有拉伸余量。所述加热件在碳纳米管的延伸方向上电阻为5.4欧姆。
即使所述加热元件在其长度方向上受到一定范围内的拉伸，由于所述柔性基底具有弹性，该碳纳米管层在加热元件的长度方向有拉伸余量，该碳纳米管层中的碳纳米管不会断裂。又所述碳纳米管层在垂直于所述碳纳米管延伸方向上本来即具有较优的抗拉伸性。所以，该加热元件为在一定范围内抗拉伸，耐弯折，机械强度较高。
所述加热元件的具体形成方法为：首先，对所述PU施加一外力，使该PU在长度方向上拉伸至44厘米，即该PU在长度方向发生10%的变形。其次，在所述PU的表面涂布硅胶，形成一硅胶层。然后，将所述两百层碳纳米管膜层叠铺设于所述PU，形成碳纳米管预制体。最后，去除施加在所述PU的外力，使该PU在长度方向上收缩至40厘米，此时，所述碳纳米管预制体也会随着所述PU收缩，形成碳纳米管层。该碳纳米管层的碳纳米管在碳纳米管层的法线方向向上弯曲形成多个突起，因此，该碳纳米管层为褶皱状态。
第二实施例的加热垫除了碳纳米管层的结构与第一实施例的碳纳米管层的结构不同之外，其他的结构与第一实施例的完全相同。
对本发明第二实施例的加热垫进行快速升温测试，具体的，对该加热垫施加56.4伏电压，10.16安培的电流，经测量得到如表1的测量结果：
表1
通电时间 与环境温度的温度差
15s 16℃
30s 31℃
60s 62℃
从表1可知，由于所述加热垫中的碳纳米管层由碳纳米管组成，该碳纳米管在轴向具有较优的导电性，故，该加热元件在碳纳米管长度方向的电阻为5.4欧姆，又电极与该加热元件11的接触电阻为0.1欧姆，所以，该加热垫在短时间内即可达到较高温度，即该加热垫的升温速度较快，在一定的功率范围内，该加热垫可以快速升温加热其他物品。
对本发明第二实施例的加热垫进行小功率保温测试，具体的，对该加热垫施加12.0伏电压，2.18安培的电流，在室温26.4℃的环境下经测量得到如表2的测量结果：
表2
通电时间 温度 通电时间 温度
0s 26.4℃ 5min 36.9℃
30s 27.7℃ 6min 37.8℃
60s 29.2℃ 7min 38.4℃
1min30s 30.7℃ 8min 38.7℃
2min 32.0℃ 9min 39.3℃
2min30s 33.1℃ 10min 39.4℃
3min 34.0℃ 11min 39.9℃
3min30s 34.9℃ 12min16s 40.2℃
4min 35.6℃ 15min38s 40.4℃
4min30s 36.3℃ 29min48s 41.0℃
从表2可知，该加热垫在小功率范围内，可以缓慢升温并升温到一定范围并保持该温度。
对本发明第二实施例的加热垫在较大功率范围内进行测试，具体的，对该加热垫施加24.0伏电压，4.29安培的电流，在室温25.6℃的环境下经测量得到如表3的测量结果：
表3
通电时间 温度 通电时间 温度
0s 25.5℃ 4min 56.0℃
30s 27.9℃ 5min 59.9℃
60s 33.2℃ 6min 61.4℃
1min30s 38.4℃ 7min 63.0℃
2min 42.8℃ 16min 66.6℃
3min 50.8℃ 17min 67.2℃
从表3可知，功率越大，该加热垫的升温速度越快，所达到的温度越高。
本发明第二实施例的所述柔性基底的材料也可以是热收缩材料，所谓热收缩材料就是该材料经加热以后即收缩变形，该热收缩材料可以为ABS、EVA、PET等等。本实施例中，该热收缩材料为聚烯烃，该柔性基底是采用高能电子束轰击交联的环保性聚烯烃热缩材料制成，该柔性基底的收缩比例为2：1，收缩温度为84℃～120℃，工作温度为-55℃～125℃。
所述加热元件的具体形成方法为：首先，在所述柔性基底的表面涂布硅胶，形成一硅胶层。然后，将所述两百层碳纳米管膜层叠铺设于所述柔性基底，形成碳纳米管预制体。最后，加热该柔性基底，使该柔性基底收缩，此时，所述碳纳米管预制体也会随着所述柔性基底收缩，形成碳纳米管层。该碳纳米管层的碳纳米管在该碳纳米管层的法线方向向上弯曲形成多个突起，因此，该碳纳米管层包括多个褶皱。表面呈褶皱状态。也就是说，碳纳米管层在碳纳米管的延伸方向有拉伸余量。
可以理解，所述加热垫的结构不限于第一实施例和第二实施例的具体结构，只要电极与所述碳纳米管层的接触电阻小于等于0.3欧姆，那么，该加热垫即能迅速升温，并达到一稳定的温度。
本发明实施例的加热垫可以应用于汽车座椅、家庭、电影院以及其他娱乐场所的取暖之用。例如，可以应用于电热毯、加热保健腰带等。
本发明实施例的加热垫在柔性基底上设置所述碳纳米管层，由于所述柔性基底和所述碳纳米管层均具有柔韧性，所以该加热垫为柔性加热垫。另外，所述碳纳米管层由碳纳米管组成，该碳纳米管在轴向具有较优的导电性，所以，该加热元件在碳纳米管的延伸方向的电阻较小，又电极与该加热元件的接触电阻较小，故，该加热垫具有工作所需的功率小，升温速度快等优点。并且，设置于该柔性基底的碳纳米管层在该碳纳米管层的法线方向向上弯形成有多个突起，所以，表面呈褶皱状态，因此，该加热垫在该方向上抗拉伸、耐弯折。又所述碳纳米管层在垂直于所述碳纳米管延伸方向上本来即具有较优的抗拉伸性。因此。所述加热垫具有较好的机械强度、抗拉伸性、耐弯折性以及使用寿命较长。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (19)

1.一种加热垫，其包括：
一加热元件，该加热元件包括一柔性基底以及一固定于该柔性基底的碳纳米管层，所述加热元件具有第一端以及与该第一端相对设置的第二端，该第一端被分割成多个第一条带结构，该第二端被分割成多个第二条带结构；以及
多个第一电极以及多个第二电极，该多个第一电极分别夹持所述多个第一条带结构，并与该多个第一条带结构电连接，且所述多个第一电极电连接，所述多个第二电极分别夹持所述多个第二条带结构，并与该多个第二条带结构电连接，且所述多个第二电极电连接，所述碳纳米管层包括多个褶皱。
2.如权利要求1所述的加热垫，其特征在于，所述多个第一电极和多个第二电极为金属插簧，分别***所述多个第一条带结构和多个第二条带结构，且固定于该多个第一条带结构和多个第二条带结构。
3.如权利要求1所述的加热垫，其特征在于，所述多个第一电极和多个第二电极分别在所述加热元件的厚度方向上下错开设置。
4.如权利要求1所述的加热垫，其特征在于，所述多个第一电极分别通过导线电连接，所述多个第二电极分别通过导线电连接。
5.如权利要求1所述的加热垫，其特征在于，所述多个第一电极和多个第二电极与所述碳纳米管层的接触电阻小于等于0.3欧姆。
6.如权利要求1所述的加热垫，其特征在于，所述多个第一电极和多个第二电极与所述碳纳米管层的接触电阻为0.1欧姆。
7.如权利要求1所述的加热垫，其特征在于，所述柔性基底与所述碳纳米管层层叠设置。
8.如权利要求1所述的加热垫，其特征在于，所述第一条带结构与所述第二条带结构分别包括层叠设置的部分柔性基底与部分碳纳米管层。
9.如权利要求1所述的加热垫，其特征在于，所述碳纳米管层包括多个层叠设置的碳纳米管膜，各个碳纳米管膜中的碳纳米管沿相同的方向延伸。
10.如权利要求1所述的加热垫，其特征在于，所述碳纳米管层由多个碳纳米管组成，且该碳纳米管从加热元件的多个第一电极向多个第二电极延伸。
11.如权利要求10所述的加热垫，其特征在于，所述碳纳米管层中碳纳米管首尾相连从所述第一电极延伸至第二电极。
12.如权利要求1所述的加热垫，其特征在于，所述柔性基底的材料为硅橡胶、聚四氟乙烯、无纺布、PU、PVC或真皮。
13.如权利要求1所述的加热垫，其特征在于，所述柔性基底的材料为热收缩性材料。
14.如权利要求1所述的加热垫，其特征在于，所述碳纳米管层通过自身粘性固定于所述柔性基底。
15.如权利要求1所述的加热垫，其特征在于，所述碳纳米管层通过粘结层固定于所述柔性基底。
16.如权利要求1所述的加热垫，其特征在于，所述褶皱为碳纳米管层中首尾相连的碳纳米管形成的突起。
17.如权利要求1所述的加热垫，其特征在于，所述褶皱的延伸方向与碳纳米管层中碳纳米管的延伸方向交叉。
18.如权利要求17所述的加热垫，其特征在于，所述褶皱的延伸方向与碳纳米管层中碳纳米管的延伸方向基本垂直。
19.一种加热垫，其包括:
一加热元件，该加热元件包括层叠设置的一柔性基底以及一碳纳米管层，该加热元件具有第一端以及与该第一端相对设置的第二端；以及
一第一电极以及第二电极，该第一电极与第二电极分别设置于所述加热元件的第一端与第二端，所述第一电极与第二电极分别与所述碳纳米管层的接触电阻小于等于0.3欧姆，所述碳纳米管层包括多个褶皱。
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