CN107046738A - 电阻发热元件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电阻发热元件及其制备方法，包括依次层叠设置的第一辐射层、中间辐射层和第二辐射层；所述中间辐射层的层数≥0层；所述第一辐射层、中间辐射层和第二辐射层的原料组成包括电阻材料和粘结剂，其中所述粘结剂的质量占比为0～90％；所述第一辐射层和第二辐射层的黑度不同。本发明创新性的通过层叠设置至少两层辐射层，且表面两辐射层的黑度不同，可使内能更倾向于从黑度较高的表面以热辐射方式释放，增加该电阻发热元件的有效加热效率，而黑度较低的表面则能够具备类似保温层的效果，减少热辐射能量的损失，节约能耗。与现有技术相比较，无需额外采用保温层或反射层，且加热效率高。

Description

电阻发热元件及其制作方法

技术领域

本发明涉及加热装置，特别是涉及电阻发热元件及其制作方法。

背景技术

加热膜包括电阻发热体，相关绝缘保护材料，引出电极等组成。电阻发热体是其核心部件，是一种薄膜状电阻，通过施加电压，即可产生热量。加热膜是面状发热材料，其适应性好，可广泛应用于工业、交通防雾除冰，恒温控制，家庭取暖，人体理疗，可穿戴发热设备等。

制作电阻发热体的材料种类繁多，例如金属浆料、金属纳米线、导电金属氧化物、石墨、炭黑、碳纤维、碳纳米管、石墨烯等。对于大多数加热场合，需要加热的物体是在加热膜的一侧的，例如铺设在底板上的地暖，需要加热的是地暖上面的空气和处于其中的人体，而另一面则需要尽可能进行保温处理，以减少热量损失。又如，电加热衣服是将加热膜置于衣服适当位置的夹层中，通电发出红外辐射使人感觉温暖，这里需要的是其朝向人体一面辐射热量，而另一面如果不作处理其实是浪费了能量。目前，对于加热膜的电阻发热体，通常是采用增加保温层或加入额外的反射层来减少非加热面的热量损失。这种方式通常一方面需要增加过多的额外材料，另一方面有效加热效率仍然不高。

发明内容

基于此，有必要提供一种无需额外采用保温层或反射层，且加热效率高的电阻发热元件。

一种电阻发热元件，包括依次层叠设置的第一辐射层、中间辐射层和第二辐射层；所述中间辐射层的层数≥0层；

所述第一辐射层、中间辐射层和第二辐射层的原料组成包括电阻材料和粘结剂，其中所述粘结剂的质量占比为0～90％；所述第一辐射层和第二辐射层的黑度不同。

本发明通过研究发现，目前采用的电阻发热体中，虽然可选择的材料较多，但是均采用的是单层、同材料的结构设置。

本发明创新性的通过层叠设置至少两层辐射层，且表面两辐射层，即第一辐射层和第二辐射层的黑度不同，由此形成的电阻发热元件的不同表面具有不同的热辐射的黑度。在该电阻发热元件内部，虽然存在不同层的界面，但是因为层叠贴合在一起，热量传递方式主要是热传递，基本可以认为是个等温体，而表面两辐射层由于黑度不同，内能更倾向于从黑度较高的表面以热辐射方式释放，增加该表面的有效加热效率，而黑度较低的表面则热辐射相对较小，具备类似保温层的效果，节约能耗。与现有技术相比较，无需额外采用保温层或反射层，且加热效率高。同时两种不同材料的层叠还便于实现方块电阻值大范围调节。

在其中一个实施例中，包括层叠设置的第一辐射层和第二辐射层；其中，所述第一辐射层的黑度小于所述第二辐射层的黑度。

在其中一个实施例中，所述第一辐射层的黑度小于或等于0.5；所述第二辐射层的黑度大于或等于0.9。

在其中一个实施例中，所述第一辐射层的原料组成包括石墨(电阻材料)和第一粘结剂；所述第二辐射层的原料组成包括碳纳米管(电阻材料)和第二粘结剂。

分别采用石墨和碳纳米管作为所述第一辐射层和第二辐射层的电阻材料，可使该电阻发热元件的热惯性小，微波辐射小，通电升温迅速、断电降温迅速。且在用于加热的第二辐射层采用碳纳米管，利用其高比表面积，使得加热主要以红外辐射为主，提高加热效率。

在其中一个实施例中，所述第一粘结剂在所述第一辐射层中的质量占比为75～90％；所述第二粘结剂在所述第二辐射层中的质量占比为75～90％。通过合理设置辐射层中粘结剂的用量，可使该电阻发热元件具有优异的力学性能。

在其中一个实施例中，所述第一粘结剂和第二粘结剂分别独立任选自聚四氟乙烯乳液(PTFE乳液)、丁苯乳液、醋酸乙烯-乙烯共聚乳液(VAE乳液)、丁腈乳液中的一种或多种。辐射层的黑度与采用的材质有关，本发明进一步对粘结剂的种类进行优选，可在获得较优异力学性能的同时，保证该电阻发热元件的发热效率。

在其中一个实施例中，所述第一粘结剂和第二粘结剂分别独立任选自聚四氟乙烯乳液(PTFE乳液)、醋酸乙烯-乙烯共聚乳液(VAE乳液)、丁腈乳液中的一种或多种。

本发明还提供所述的电阻发热元件的制作方法，包括如下步骤：

a.将所述电阻材料分散于溶剂中，得电阻材料分散液；然后加入所述粘结剂，制成共混液；

b.将所述第一辐射层、中间辐射层和第二辐射层对应的共混液依次成型，得湿纸幅；

c.对所述湿纸幅进行干燥，即得所述电阻发热元件。

在其中一个实施例中，所述干燥的方法为：于温度为100～120℃，压强>1kPa条件下烘干。

在其中一个实施例中，所述烘干步骤后再进行烧结：采用红外加热至300～370℃烧结。

在其中一个实施例中，该电阻发热元件的制作方法，包括如下步骤：

a.将石墨分散于溶剂中，得石墨分散液；然后加入所述第一粘结剂，制成第一共混液；同时，将碳纳米管分散于溶剂中，得碳纳米管分散液，然后加入所述第二粘结剂，制成第二共混液；

b.先将所述第一共混液抽滤成型，得第一湿纸幅；然后将所述第二共混液成型于所述第一湿纸幅之上，得第二湿纸幅；即得湿纸幅；或，

先将所述第二共混液抽滤成型，得第二湿纸幅；然后将所述第一共混液成型于所述第二湿纸幅之上，得第一湿纸幅；即得湿纸幅；

c.对所述湿纸幅进行干燥，即得所述电阻发热元件。

本发明还提供一种电加热膜，包括所述的电阻发热元件，以及设置于该电阻发热元件上的引出电极。

在其中一个实施例中，该电加热膜还包括绝缘保护层，所述绝缘保护层铺设于所述电阻发热元件的表面。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明创新性的通过层叠设置至少两层辐射层，且表面两辐射层的黑度不同，由此形成的电阻发热元件的不同表面具有不同的热辐射的黑度，可使内能更倾向于从黑度较高的表面以热辐射方式释放，增加该电阻发热元件的有效加热效率，而黑度较低的表面则能够具备类似保温层的效果，减少热辐射能量的损失，节约能耗。与现有技术相比较，无需额外采用保温层或反射层，且加热效率高。

进一步合理设置所述辐射层的材料种类及配比，本发明的电阻发热元件在保证发热效率的同时，还具有热惯性小，通电升温迅速、断电降温迅速的特点，且力学性能优异。

本发明的电阻发热元件的制备方法，操作简单，便于工业应用。

附图说明

图1为本发明一实施例制得的电阻发热元件的发热原理示意图；

图2为本发明一实施例制得的电阻发热元件的温度随时间的变化曲线。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的电阻发热元件及其制作方法作进一步详细的说明。

本发明实施例中发热效率的计算方法为：

以实施例1分析估算节能情况，图1为原理示意图，其中，工作面即指黑度较大的碳纳米管层表面；非工作面即指黑度较小的石墨层表面：

碳纳米管层和石墨层的黑度分别为0.94和0.44，假设总辐射能量为100％，有两个辐射面，工作面的热辐射加热效率则为68％，非工作面的热辐射加热效率为32％，由于工作面的热辐射能量是有用的，而非工作面的热辐射是浪费的，因此可认为有效加热效率为68％。

相对比，如果是采用对称膜，两面的黑度都是0.94，假设总辐射能量为100％，有两个辐射面，工作面热辐射加热效率为50％，非工作面热辐射加热效率为50％，有效加热效率为50％。

本发明实施例中所述的碳纳米管分散液和石墨分散液的制备方法，包括如下步骤：

将碳纳米管粉体和分散剂PVP(质量比2:1)置于水中，碳纳米管浓度为0.4％，经过超声分散，制得碳纳米管分散液。

将可膨胀石墨经过高温或者微波膨胀，制得膨胀石墨，将膨胀石墨置于水中，高速剪切搅拌后，加入分散剂PVP(质量比5:1)，经过超声分散，制得石墨分散液。

实施例1

本实施例一种电阻发热膜的制备方法，包括如下步骤：

(a)碳纳米管分散液和PTFE乳液按质量比(绝干)1:3共混，通过湿法抽滤成型得到碳纳米管层；

(b)再加入石墨分散液和PTFE乳液(按绝干质量比1:3共混)的共混液继续抽滤，得碳纳米层，碳纳米管层与石墨层质量比为4：1；

(c)抽滤成型后，所得湿纸幅在110℃环境下受压(压强>1kPa)烘干；烘干后使用红外加热至370℃烧结纸张；通过辊压，让石墨面更平整光亮，从而得到双层电阻发热膜。

双层电阻发热膜的测试厚度为73um，用四探针电阻仪测得方块电阻为4.89Ω/sq。

使用红外测温仪测试两面的发射率，表示黑度，测试结果为：石墨面黑度为0.44，碳纳米管面黑度为0.94，有效加热效率为68％。

测试该双层电阻发热膜的力学性能：抗张强度为15MPa。

将所述双层电阻发热膜制成电加热膜：于所述双层电阻发热膜上设置引出电极，并在所述双层电阻发热膜的表面铺设绝缘材料层，即可。

实施例2

本实施例一种电阻发热膜的制备方法，包括如下步骤：

(a)碳纳米管分散液和PTFE乳液按质量比(绝干)1:5共混，通过湿法抽滤成型得到碳纳米管层；

(b)在该碳纳米管层上喷涂一层石墨分散液，完全遮盖碳纳米管层即可，继续脱水；

(c)成型后，所得湿纸幅在120℃环境下受压(压强>1kPa)烘干；烘干后使用红外加热至370℃烧结纸张；通过辊压，让石墨面更平整光亮，从而得到双层电阻发热膜。

双层电阻发热膜的测试厚度为65um，用四探针电阻仪测得方块电阻为5.65Ω/sq。

使用红外测温仪测试两面的发射率，表示黑度，测试结果为：石墨面黑度为0.41，碳纳米管面黑度为0.94，有效加热效率为69％。

测试该双层电阻发热膜的力学性能：18MPa。

实施例3

本实施例一种电阻发热膜的制备方法，包括如下步骤：

(a)碳纳米管分散液和PTFE乳液按质量比(绝干)1:9共混，通过湿法抽滤成型得到碳纳米管层；

(b)在该碳纳米管层上喷涂一层石墨分散液，完全遮盖碳纳米管层即可，继续脱水；

(c)成型后，所得湿纸幅在120℃环境下受压(压强>1kPa)烘干；烘干后使用红外加热至370℃烧结纸张；通过辊压，让石墨面更平整光亮，从而得到双层电阻发热膜。

双层电阻发热膜的测试厚度为76um，用四探针电阻仪测得方块电阻为10.62Ω/sq。

使用红外测温仪测试两面的发射率，表示黑度，测试结果为：石墨面黑度为0.41，碳纳米管面黑度为0.93，有效加热效率为69％。

测试该双层电阻发热膜的力学性能：16MPa。

实施例4

本实施例一种电阻发热膜的制备方法，包括如下步骤：

(a)石墨分散液和丁苯乳液按质量比(绝干)1:4共混，通过湿法抽滤成型得到碳纳米管层；

(b)再倒入的碳纳米管分散液和丁苯乳液(按绝干质量比1:4共混)的共混液继续抽滤，得碳纳米层，石墨层和碳纳米管层质量比为5：1；

(c)抽滤成型后，所得湿纸幅在120℃环境下受压(压强>1kPa)烘干；烘干后，通过辊压，让石墨面更平整光亮，从而得到双层电阻发热膜。

双层电阻发热膜的测试厚度为51um，用四探针电阻仪测得方块电阻为0.89Ω/sq。

使用红外测温仪测试两面的发射率，表示黑度，测试结果为：石墨面黑度为0.47，碳纳米管面黑度为0.93，有效加热效率为66％。

测试该双层电阻发热膜的力学性能：抗张强度16MPa。

实施例5

本实施例一种电阻发热膜的制备方法，包括如下步骤：

(a)碳纳米管分散液，通过湿法抽滤成型得到碳纳米管层；

(b)在该碳纳米管层上喷涂一层石墨分散液，完全遮盖碳纳米管层即可，继续脱水；

(c)成型后，所得湿纸幅在120℃环境下受压(压强>1kPa)烘干；烘干后使用红外加热至300℃处理纸张；通过辊压，让石墨面更平整光亮，从而得到双层电阻发热膜。

双层电阻发热膜的测试厚度为45um，用四探针电阻仪测得方块电阻为1.02Ω/sq。

使用红外测温仪测试两面的发射率，表示黑度，测试结果为：石墨面黑度为0.42，碳纳米管面黑度为0.96，有效加热效率为69％。

测试该双层电阻发热膜的力学性能：抗张强度10MPa。

另外对该双层电阻发热膜进行恒压通电(环境温度24℃)，测试通电后温度，和断电后温度，得到如图2所示温度随时间的变化曲线：通电后，约3s升温至341℃；之后达到发热和散热平衡，温度保持平稳；之后断电，约6s降至室温。由此可见升降温均很快，可见其温度惯性小。

实施例6

本实施例一种电阻发热膜的制备方法，包括如下步骤：

(a)石墨分散液和丁苯乳液按质量比(绝干)1:3共混，通过湿法抽滤成型得到石墨层；

(b)抽干后，再倒入的碳纳米管和丁苯乳液(按绝干质量比1:3共混)的共混液继续抽滤，得碳纳米管层，石墨层和碳纳米管层质量比为5：1；

(c)抽滤成型后，所得湿纸幅在120℃环境下受压(压强>1kPa)烘干；烘干后，通过辊压，让石墨面更平整光亮，从而得到双层电阻发热膜。

双层电阻发热膜的测试厚度为51um，用四探针电阻仪测得方块电阻为0.92Ω/sq。

使用红外测温仪测试两面的发射率，表示黑度，测试结果为：石墨面黑度为0.46，碳纳米管面黑度为0.93，有效加热效率为69％。

测试该双层电阻发热膜的力学性能：抗张强度15MPa。

实施例7

本实施例一种电阻发热膜的制备方法，包括如下步骤：

(a)碳纳米管分散液和VAE乳液按质量比(绝干)1:9共混，通过湿法抽滤成型得到碳纳米管层；

(b)在该碳纳米管层上喷涂一层石墨分散液和VAE乳液(按绝干质量比1:9共混)的共混液，完全覆盖碳纳米管层即可；

(c)抽滤成型后，所得湿纸幅在100℃环境下受压(压强>1kPa)烘干；烘干后，通过辊压，让石墨面更平整光亮，从而得到双层电阻发热膜。

双层电阻发热膜的测试厚度为45um，用四探针电阻仪测得方块电阻为80Ω/sq。

使用红外测温仪测试两面的发射率，表示黑度，测试结果为：石墨面黑度为0.48，碳纳米管面黑度为0.91，有效加热效率为65％。

测试该双层电阻发热膜的力学性能：抗张强度20MPa。

实施例8

本实施例一种电阻发热膜的制备方法，包括如下步骤：

(a)碳纳米管分散液和丁腈乳液按质量比(绝干)1:9共混，通过湿法抽滤成型得到碳纳米管层；

(b)在该碳纳米管层上喷涂一层石墨分散液和丁腈乳液(按绝干质量比1:9共混)的共混液，完全覆盖碳纳米管层即可；

(c)抽滤成型后，所得湿纸幅在100℃环境下受压(压强>1kPa)烘干；烘干后，通过辊压，让石墨面更平整光亮，从而得到双层电阻发热膜。

双层电阻发热膜的测试厚度为45um，用四探针电阻仪测得方块电阻为120Ω/sq。

使用红外测温仪测试两面的发射率，表示黑度，测试结果为：石墨面黑度为0.47，碳纳米管面黑度为0.90，有效加热效率为65％。

测试该双层电阻发热膜的力学性能：16MPa。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电阻发热元件，其特征在于，包括依次层叠设置的第一辐射层、中间辐射层和第二辐射层；所述中间辐射层的层数≥0层；

所述第一辐射层、中间辐射层和第二辐射层的原料组成包括电阻材料和粘结剂，其中所述粘结剂的质量占比为0～90％；所述第一辐射层和第二辐射层的黑度不同。

2.根据权利要求1所述的电阻发热元件，其特征在于，包括层叠设置的第一辐射层和第二辐射层；其中，所述第一辐射层的黑度小于所述第二辐射层的黑度。

3.根据权利要求2所述的电阻发热元件，其特征在于，所述第一辐射层的黑度小于或等于0.5；所述第二辐射层的黑度大于或等于0.9。

4.根据权利要求2所述的电阻发热元件，其特征在于，所述第一辐射层的原料组成包括石墨和第一粘结剂；所述第二辐射层的原料组成包括碳纳米管和第二粘结剂。

5.根据权利要求4所述的电阻发热元件，其特征在于，所述第一粘结剂在所述第一辐射层中的质量占比为75～90％；所述第二粘结剂在所述第二辐射层中的质量占比为75～90％。

6.根据权利要求4所述的电阻发热元件，其特征在于，所述第一粘结剂和第二粘结剂分别独立任选自聚四氟乙烯乳液、丁苯乳液、醋酸乙烯-乙烯共聚乳液、丁腈乳液中的一种或多种。

7.根据权利要求6所述的电阻发热元件，其特征在于，所述第一粘结剂和第二粘结剂分别独立任选自聚四氟乙烯乳液、醋酸乙烯-乙烯共聚乳液、丁腈乳液中的一种或多种。

8.权利要求1-7任一项所述的电阻发热元件的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.将所述电阻材料分散于溶剂中，得电阻材料分散液；然后加入所述粘结剂，制成共混液；

b.将所述第一辐射层、中间辐射层和第二辐射层对应的共混液依次成型，得湿纸幅；

c.对所述湿纸幅进行干燥，即得所述电阻发热元件。

9.根据权利要求8所述的电阻发热元件的制作方法，其特征在于，所述干燥的方法为：于温度为100～120℃，压强>1kPa条件下烘干。

10.一种电加热膜，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的电阻发热元件，以及设置于该电阻发热元件上的引出电极。