CN109587841A - 一种发热效率高的电发热膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种发热效率高的电发热膜及其制备方法，属于发热材料制备技术领域。该电发热膜由电发热层、绝缘导热层、绝缘隔热层组成，电发热层由混合粉和胶粘剂混合后涂覆在电发热层基体材料上形成，混合粉是由50nm粒径以内的石墨粉、Ce粉、Y粉和Cu粉混合组成，胶粘剂是由二甲苯、二甲基酰胺、聚氨酯和聚酰亚胺高分子溶液混合组成；电发热层基体材料为聚酰亚胺，绝缘导热层是氧化铝陶瓷层。本发明的电发热膜通过导电材料进行优化，提高材料的发热效率，通过选择氧化铝陶瓷层作为对导热层，提高热传导率，采用具高热反射率的铝与绝缘层复合作为绝缘隔热层可减少热量散失，通过三个手段的结合，可以在现有技术的基础上进一步提高热效率。

Description

一种发热效率高的电发热膜及其制备方法
【技术领域】
本发明涉及发热材料制备技术领域，具体涉及一种发热效率高的电发热膜及其制备方法。
【背景技术】
电发热膜，是由电绝缘材料与封装其内的发热电阻材料组成的平面型发热元件，是近年来新兴的一种电热元件，它吸取了PTC和导电涂料两种电热元件的特点制造而成，主要用于室内取暖和环境温度保持方面，工作时将电能转化为热能，并将热能主要以辐射的形式向外传递，电发热膜相对于电热丝的发热效率已经有较大幅度的提高，但其在提高升温速度、加热温度、提高热效率、提高热传导率等方面还有待提升的空间。
【发明内容】
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种电发热膜及其制备方法，本发明的电发热膜通过导电材料进行优化，提高材料的发热效率，通过选择氧化铝陶瓷层作为对导热层，提高热传导率，采用具高热反射率的铝与绝缘层复合作为绝缘隔热层可减少热量散失，通过三个手段的结合，可以在现有技术的基础上进一步提高热效率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种发热效率高的电发热膜，所述电发热膜是由电发热层和分别包覆在电发热层正反两面的绝缘导热层、绝缘隔热层组成，所述电发热层是由混合粉和胶粘剂按质量比2-3:10混合后涂覆在电发热层基体材料上形成，其中，混合粉是由50nm粒径以内的石墨粉、Ce粉、Y粉和Cu粉按质量比为12-18:2:3:6混合组成，胶粘剂是由二甲苯、二甲基酰胺、聚氨酯和聚酰亚胺高分子溶液按质量配比是1:2:1:4-6混合组成；所述电发热层基体材料为聚酰亚胺，所述绝缘导热层采用的是氧化铝陶瓷层。
优选地，所述绝缘隔热层包括聚酰亚胺柔性基底层，且在聚酰亚胺柔性基底层的一个面上镀有一层铝膜。
优选地，所述铝膜采用直流磁控溅射技术，且铝膜厚度为0.03-0.05mm。
上述发热效率高的电发热膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)电发热层浆料的制备：将50nm粒径以内的石墨粉、Ce粉、Y粉和Cu粉按质量比为12-18:2:3:6称量后混合得混合粉，然后按照混合粉与胶粘剂按质量比为2-3:10向混合粉中加入胶粘剂，充分混合、研磨，即得电发热层浆料，其中，胶粘剂是由二甲苯、二甲基酰胺、聚氨酯和聚酰亚胺高分子溶液按质量配比是1:2:1:4-6混合组成；
(2)将电发热层浆料经过涂布机涂在聚酰亚胺基体材料上，经加热烘干设备烘烤后使电发热层浸入并固化在聚酰亚胺基体材料上形成电发热膜，烘烤过程中的温度是由100℃-300℃逐渐升高的；
(3)在电发热膜上植入电极，电极用铜箔或者用铝箔；
(4)采用直流溅射技术在电发热膜涂布有电发热层浆料的一面镀上氧化铝陶瓷层；
(5)采用覆膜机在电发热层基体材料上包裹绝缘隔热层，包裹时，绝缘隔热层镀有铝膜的一面与发热层基体材料接触。
优选地，步骤(4)的具体要求为：以高纯铝为靶材，溅射的工作气体中Ar/O2的流量比为12-18:1，工作气压为1.0-3.0Pa，溅射功率为50-120W，热处理温度为200～300℃。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明的电发热膜通过导电材料进行优化，通过在石墨粉中掺入Cu粉、以及稀土中的Ce粉、Y粉，并控制一定的混合比例，有利于提高电发热膜由电能转换为热辐射能的转换效率。
2、电发热膜中绝缘层是必需的结构，但绝缘层采用的材料一般为高分子聚合物，具有较低的导热系数，因此会带来热量的衰减，本发明的电发热膜采用的是氧化铝陶瓷层，氧化铝陶瓷层不仅具有很好的绝缘性，而且本身不蓄积热量，导热率非常高，工作时，将发热层产生的热量直接通过氧化铝陶瓷层传导出去，不会有绝缘层而衰减热量，能在同一时间内带走更多的热量，减少热量的损失，进一步提高电发热膜的热传导效率。
3、电发热膜在使用环境中，一般只需要单面传热，因此需要另一面具有较好的绝热性，以避免热量的损失，本发明采用具高热反射率的铝与绝缘层复合作为绝缘隔热层可减少热量散失，使更多的热量从导热层导出，可进一步提高发热膜的热效率。
【具体实施方式】
为了更清楚地表达本发明，以下通过具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种发热效率高的电发热膜，所述电发热膜是由电发热层和分别包覆在电发热层正反两面的绝缘导热层、绝缘隔热层组成，所述电发热层是由混合粉和胶粘剂按质量比2:10混合后涂覆在电发热层基体材料上形成，其中，混合粉是由50nm粒径以内的石墨粉、Ce粉、Y粉和Cu粉按质量比为12:2:3:6混合组成，胶粘剂是由二甲苯、二甲基酰胺、聚氨酯和聚酰亚胺高分子溶液按质量配比是1:2:1:4混合组成；所述电发热层基体材料为聚酰亚胺，所述绝缘导热层采用的是氧化铝陶瓷层；所述绝缘隔热层包括聚酰亚胺柔性基底层，且在聚酰亚胺柔性基底层的一个面上镀有一层铝膜，且铝膜厚度为0.03mm。
上述发热效率高的电发热膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备绝缘隔热层：采用直流磁控溅射技术，在聚酰亚胺柔性基底层的一个面镀上一层铝膜，且通过控制溅射功率、气体压力和走带速度，制得厚度为0.03mm的铝膜。
(2)电发热层浆料的制备：将50nm粒径以内的石墨粉、Ce粉、Y粉和Cu粉按质量比为12:2:3:6称量后混合得混合粉，然后按照混合粉与胶粘剂按质量比为2:10向混合粉中加入胶粘剂，充分混合、研磨，即得电发热层浆料，其中，胶粘剂是由二甲苯、二甲基酰胺、聚氨酯和聚酰亚胺高分子溶液按质量配比是1:2:1:4混合组成；
(3)将电发热层浆料经过涂布机涂在聚酰亚胺基体材料上，经加热烘干设备烘烤后使电发热层浸入并固化在聚酰亚胺基体材料上形成电发热膜，烘烤过程中的温度是由100℃-300℃逐渐升高的，升温速度控制在30min/℃；保温时间30min；
(4)在电发热膜上植入电极，电极用铜箔或者用铝箔；
(5)采用直流溅射技术在电发热膜涂布有电发热层浆料的一面镀上氧化铝陶瓷层；直流溅射的具体要求为：以高纯铝为靶材，溅射的工作气体中Ar/O2的流量比为12:1，工作气压为1.0Pa，溅射功率为50W，热处理温度为200℃；
(6)采用覆膜机在电发热层基体材料上包裹绝缘隔热层，包裹时，绝缘隔热层镀有铝膜的一面与发热层基体材料接触。
实施例2
一种发热效率高的电发热膜，所述电发热膜是由电发热层和分别包覆在电发热层正反两面的绝缘导热层、绝缘隔热层组成，所述电发热层是由混合粉和胶粘剂按质量比2.5:10混合后涂覆在电发热层基体材料上形成，其中，混合粉是由50nm粒径以内的石墨粉、Ce粉、Y粉和Cu粉按质量比为15:2:3:6混合组成，胶粘剂是由二甲苯、二甲基酰胺、聚氨酯和聚酰亚胺高分子溶液按质量配比是1:2:1:5混合组成；所述电发热层基体材料为聚酰亚胺，所述绝缘导热层采用的是氧化铝陶瓷层；所述绝缘隔热层包括聚酰亚胺柔性基底层，且在聚酰亚胺柔性基底层的一个面上镀有一层铝膜，且铝膜厚度为0.04mm。
上述发热效率高的电发热膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备绝缘隔热层：采用直流磁控溅射技术，在聚酰亚胺柔性基底层的一个面镀上一层铝膜，且通过控制溅射功率、气体压力和走带速度，制得厚度为0.04mm的铝膜。
(2)电发热层浆料的制备：将50nm粒径以内的石墨粉、Ce粉、Y粉和Cu粉按质量比为12:2:3:6称量后混合得混合粉，然后按照混合粉与胶粘剂按质量比为2.5:10向混合粉中加入胶粘剂，充分混合、研磨，即得电发热层浆料，其中，胶粘剂是由二甲苯、二甲基酰胺、聚氨酯和聚酰亚胺高分子溶液按质量配比是1:2:1:5混合组成；
(3)将电发热层浆料经过涂布机涂在聚酰亚胺基体材料上，经加热烘干设备烘烤后使电发热层浸入并固化在聚酰亚胺基体材料上形成电发热膜，烘烤过程中的温度是由100℃-300℃逐渐升高的，升温速度控制在30min/℃；保温时间50min；
(4)在电发热膜上植入电极，电极用铜箔或者用铝箔；
(5)采用直流溅射技术在电发热膜涂布有电发热层浆料的一面镀上氧化铝陶瓷层；直流溅射的具体要求为：以高纯铝为靶材，溅射的工作气体中Ar/O2的流量比为15:1，工作气压为2.0Pa，溅射功率为80W，热处理温度为250℃；
(6)采用覆膜机在电发热层基体材料上包裹绝缘隔热层，包裹时，绝缘隔热层镀有铝膜的一面与发热层基体材料接触。
实施例3
一种发热效率高的电发热膜，所述电发热膜是由电发热层和分别包覆在电发热层正反两面的绝缘导热层、绝缘隔热层组成，所述电发热层是由混合粉和胶粘剂按质量比3:10混合后涂覆在电发热层基体材料上形成，其中，混合粉是由50nm粒径以内的石墨粉、Ce粉、Y粉和Cu粉按质量比为18:2:3:6混合组成，胶粘剂是由二甲苯、二甲基酰胺、聚氨酯和聚酰亚胺高分子溶液按质量配比是1:2:1:6混合组成；所述电发热层基体材料为聚酰亚胺，所述绝缘导热层采用的是氧化铝陶瓷层；所述绝缘隔热层包括聚酰亚胺柔性基底层，且在聚酰亚胺柔性基底层的一个面上镀有一层铝膜，且铝膜厚度为0.05mm。
上述发热效率高的电发热膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备绝缘隔热层：采用直流磁控溅射技术，在聚酰亚胺柔性基底层的一个面镀上一层铝膜，且通过控制溅射功率、气体压力和走带速度，制得厚度为0.05mm的铝膜。
(2)电发热层浆料的制备：将50nm粒径以内的石墨粉、Ce粉、Y粉和Cu粉按质量比为18:2:3:6称量后混合得混合粉，然后按照混合粉与胶粘剂按质量比为3:10向混合粉中加入胶粘剂，充分混合、研磨，即得电发热层浆料，其中，胶粘剂是由二甲苯、二甲基酰胺、聚氨酯和聚酰亚胺高分子溶液按质量配比是1:2:1:6混合组成；
(3)将电发热层浆料经过涂布机涂在聚酰亚胺基体材料上，经加热烘干设备烘烤后使电发热层浸入并固化在聚酰亚胺基体材料上形成电发热膜，烘烤过程中的温度是由100℃-300℃逐渐升高的，升温速度控制在30min/℃；保温时间60min；
(4)在电发热膜上植入电极，电极用铜箔或者用铝箔；
(5)采用直流溅射技术在电发热膜涂布有电发热层浆料的一面镀上氧化铝陶瓷层；直流溅射的具体要求为：以高纯铝为靶材，溅射的工作气体中Ar/O2的流量比为18:1，工作气压为3.0Pa，溅射功率为120W，热处理温度为300℃；
(6)采用覆膜机在电发热层基体材料上包裹绝缘隔热层，包裹时，绝缘隔热层镀有铝膜的一面与发热层基体材料接触。
对比例1
本例与实施例2的不同之处在于：混合粉采用等量的石墨粉代替，绝缘导热层和绝缘隔热层均采用聚酰亚胺膜，不做其他处理。
对比例2
本例与实施例2的不同之处在于：混合粉中的Ce粉采用等量的石墨粉代替，绝缘导热层中的氮化硅采用氮化铝代替。
对比例3
本例与实施例2的不同之处在于：混合粉中的石墨粉、Ce粉、Y粉和Cu粉的质量比为2:2:3:2，绝缘导热层采用聚酰亚胺膜代替。
发热性能试验：
试验1：升温速度试验
为了使比较结果更准确，在制作时，各实施例和对比例的电发热膜各层的厚度接近一致，将实施例1-3和对比例制成的发热膜制作成长度和宽度分别为80mm×10mm的大小一致的方片，将电极接上电压为10V的电源，用温度测试仪的探头压紧电发热膜的正面(有导热绝缘层的一面)和反面(有隔热绝缘层的一面)，分别于通电1min、5min和10min时测试电发热膜正反两面的温度，其结果如下表1所示。
表1发热膜两面的温度测试结果
从表1的结果可以看出，本发明实施例1-3组中的发热膜在电源相同的前提下，加热相同的时间，升温速度比对比例1-3中的电发热膜更快，温度稳定后维持的温度更高，说明本发明通过在发热材料和导热绝缘层方面进行改进，使其在快速升温方面更有优势。实施例1-3组中电发热膜正反面的温差更大，说明本发明通过设置Al反射层，使其绝缘隔热膜具有较好的隔热性能。
试验二:热效率评估
为了使比较结果更准确，在制作时，各实施例和对比例的电发热膜各层的厚度接近一致，将实施例1-3和对比例1-3制成的发热膜制作成长度和宽度分别为200mm×10mm的大小一致的方片，测试将发热膜的正面中部温度升温至300℃时的耗电量，其结果如下表2所示。
表2发热膜耗电量测试结果
实施例1 实施例2 实施例3 对比例1 对比例2 对比例3
耗电量(W) 76.8 80.2 78.7 137.2 127.9 132.3
从表1的结果可以看出，本发明实施例1-3组中的发热膜在与对比例1和2中的发热膜均升温至300℃时，实施例1-3中的电发热膜更省电，说明本发明在热效率方面更有优势。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (5)

1.一种发热效率高的电发热膜，其特征在于：所述电发热膜是由电发热层和分别包覆在电发热层正反两面的绝缘导热层、绝缘隔热层组成，所述电发热层是由混合粉和胶粘剂按质量比2-3:10混合后涂覆在电发热层基体材料上形成，其中，混合粉是由50nm粒径以内的石墨粉、Ce粉、Y粉和Cu粉按质量比为12-18:2:3:6混合组成，胶粘剂是由二甲苯、二甲基酰胺、聚氨酯和聚酰亚胺高分子溶液按质量配比是1:2:1:4-6混合组成；所述电发热层基体材料为聚酰亚胺，所述绝缘导热层采用的是氧化铝陶瓷层。
2.根据权利要求1所述的一种发热效率高的电发热膜，其特征在于：所述绝缘隔热层包括聚酰亚胺柔性基底层，且在聚酰亚胺柔性基底层的一个面上镀有一层铝膜。
3.根据权利要求3所述的一种发热效率高的电发热膜，其特征在于：所述铝膜采用直流磁控溅射技术，且铝膜厚度为0.03-0.05mm。
4.根据权利要求2-3中任一项所述的一种发热效率高的电发热膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)电发热层浆料的制备：将50nm粒径以内的石墨粉、Ce粉、Y粉和Cu粉按质量比为12-18:2:3:6称量后混合得混合粉，然后按照混合粉与胶粘剂按质量比为2-3:10向混合粉中加入胶粘剂，充分混合、研磨，即得电发热层浆料，其中，胶粘剂是由二甲苯、二甲基酰胺、聚氨酯和聚酰亚胺高分子溶液按质量配比是1:2:1:4-6混合组成；
(2)将电发热层浆料经过涂布机涂在聚酰亚胺基体材料上，经加热烘干设备烘烤后使电发热层浸入并固化在聚酰亚胺基体材料上形成电发热膜，烘烤过程中的温度是由100℃-300℃逐渐升高的；
(3)在电发热膜上植入电极，电极用铜箔或者用铝箔；
(4)采用直流溅射技术在电发热膜涂布有电发热层浆料的一面镀上氧化铝陶瓷层；
(5)采用覆膜机在电发热层基体材料上包裹绝缘隔热层，包裹时，绝缘隔热层镀有铝膜的一面与发热层基体材料接触。
5.根据权利要求4中所述的一种发热效率高的电发热膜的制备方法，其特征在于：步骤(4)的具体要求为：以高纯铝为靶材，溅射的工作气体中Ar/O2的流量比为12-18:1，工作气压为1.0-3.0Pa，溅射功率为50-120W，热处理温度为200～300℃。
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