CN111629457A - 发热膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种发热膜及其制备方法，该发热膜包括石墨烯复合纤维膜、内集流部和外集流部，其中内集流部位于所述石墨烯复合纤维膜的两端，外集流部位于所述内集流部的外表面；所述石墨烯复合纤维膜包括纤维和分散于所述纤维中的石墨烯。本公开发热膜的结构设计简单合理且制备工艺简单，所得发热膜能够使热量更加均匀的散发出来，减少了能量的损失与浪费。该发热膜的单位功率密度最高可达1500w/m2，能够在180℃～260℃范围内长期使用，具有良好的应用前景。

Description

发热膜及其制备方法
技术领域
本公开涉及加热设备领域，具体涉及一种发热膜及其制备方法。
背景技术
能源问题一直以来都备受关注，而工业加热设备加热温度普遍较高，并且用电量较大，这是由于加热设备通常是对一个相对封闭***进行加热，而传统的加热器件主要为外部包裹陶瓷类材料的电阻丝，其加热方式是由中间向四周辐射，造成温度分布存在一定的差异，封闭空间中通常由以温度最低点为标准进行温度调节，这就造成一定程度的能量浪费。
另外一种烘干设备主要是将需要烘干的物体放在传送带上，传送带下方或上方使用电热管进行加热，在这种相对开放的空间中，由于能量的不均匀性，更容易造成能量的浪费与损失。
需注意的是，前述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种具有高功率的耐高温发热膜及其制备方法，以解决现有工业设备使用电热管热量不均匀造成的能量浪费问题。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
本公开提供一种发热膜，包括：石墨烯复合纤维膜，内集流部及外集流部，内集流部位于石墨烯复合纤维膜的两端；外集流部位于内集流部的外表面；其中，石墨烯复合纤维膜包括纤维和分散于纤维中的石墨烯。
根据本公开的一个实施方式，发热膜还包括粘结剂，以将石墨烯和纤维粘结成整体；粘结剂选自常温下为液态且耐受温度≥260℃有机硅树脂、环氧树脂、聚酰亚胺和双马来酰亚胺中的一种或多种。
根据本公开的一个实施方式，纤维为耐受温度≥260℃的碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维中的一种或多种，纤维的长度为1mm～10mm，直径为5μm～20μm；石墨烯为粉体石墨烯或粉体还原氧化石墨烯，石墨烯和纤维的质量比为0.001～1：100。
根据本公开的一个实施方式，内集流部的材料为导电银浆或金属，外集流部的材料选自铜箔、铝箔等金属材料中的一种或多种；
本公开还提供前述发热膜的制备方法，包括：将纤维置于水中分散得到分散液，分散液经过滤、沉积得到纤维膜；纤维膜浸渍于含有还原剂的氧化石墨烯溶液中进行还原反应，得到石墨烯复合纤维膜；石墨烯复合纤维膜的两端分别浸渍于导电液体中，得到含有内集流部的石墨烯复合纤维膜；及于内集流部的外表面连接外集流部，得到发热膜。
根据本公开的一个实施方式，还包括将粘结剂涂布或浸渍于含有内集流部的石墨烯复合纤维膜进行固化。
根据本公开的一个实施方式，纤维由碳纤维和玻璃纤维组成时，分散液经过滤、沉积后，再浸渍于含有1wt％～5wt％聚甲基丙烯酸甲酯的丙酮或二甲基甲酰胺溶液中5s～30s后烘干，得到纤维膜。
根据本公开的一个实施方式，分散液中还包括分散剂，分散剂选自羧甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、吐温-80、十二烷基苯磺酸钠和十六烷基三甲基溴化铵中一种或多种。
根据本公开的一个实施方式，氧化石墨烯溶液的浓度为0.1mg/ml～10mg/ml，还原剂选自葡萄糖、维生素C和水合肼中一种或多种，所述还原剂为葡萄糖时，所述还原反应的时间为24h～72h；所述还原剂为维生素C时，所述还原反应的时间为1h～24h。
根据本公开的一个实施方式，导电液体为导电银浆或熔融态的导电金属，石墨烯复合纤维膜的两端分别浸渍于导电液体中1s～10s后取出，经压延固化，得到两个内集流部。
由上述技术方案可知，本公开的有益效果在于：
本公开提出的发热膜的结构设计简单合理且制备工艺简单，制备过程易于实现，所选用的材料耐受温度均≥260℃，能够在180～260℃的温度范围内长期使用，并可以通过选用不同种类、规格的纤维调节高功率发热膜的强度、功率密度等。所得的发热膜由于呈膜状结构，表面温度均匀，能够使热量更加均匀的散发出来，减少了能量的损失与浪费。该发热膜的单位功率密度大于1000w/m2，最高可达1500w/m2，能够在180℃～260℃范围内长期使用，具有良好的应用前景。
附图说明
为了让本公开实施例能更容易理解，以下配合所附附图作详细说明。应该注意，根据工业上的标准范例，各个部件未必按照比例绘制，且仅用于图示说明的目的。实际上，为了让讨论清晰易懂，各个部件的尺寸可以被任意放大或缩小。
图1是本公开一个实施方式的发热膜的制备工艺流程图；
图2A-图2H分别示出了本公开一个实施方式的发热膜的制备工艺流程的结构示意图。
其中，附图标记说明如下：
10：水槽
20：滤网
101：纤维膜
102：石墨烯
103：粘结剂
201、202：内集流部
301、302：外集流部
A：水
B：氧化石墨烯溶液
C：导电液体
具体实施方式
体现本公开特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本公开能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本公开的范围，且其中的说明及附图在本质上是作说明之用，而非用以限制本公开。
在对本公开的不同示例性实施方式的下面描述中，参照附图进行，所述附图形成本公开的一部分，并且其中以示例方式显示了可实现本公开的多个方面的不同示例性结构、***和步骤。应理解的是，可以使用部件、结构、示例性装置、***和步骤的其他特定方案，并且可在不偏离本公开范围的情况下进行结构和功能性修改。而且，虽然本说明书中可使用术语“之上”、“之间”、“之内”等来描述本公开的不同示例性特征和元件，但是这些术语用于本文中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。本说明书中的任何内容都不应理解为需要结构的特定三维方向才落入本公开的范围内。
参阅图1，其代表性地示出了本公开一个实施方式的发热膜的制备工艺流程图；图2A-图2H分别示出了本发明一个实施方式的发热膜的制备工艺流程的结构示意图。本公开提出的发热膜是以应用于工业加热设备中为例进行说明的。本领域技术人员容易理解的是，为将本公开的相关设计应用于其他类型的设备中，而对下述的具体实施方式做出多种改型、添加、替代、删除或其他变化，这些变化仍在本公开提出的发热膜的原理的范围内。
如图2H所示，在本实施方式中，本公开提出的发热膜主要包括石墨烯复合纤维膜、内集流部201、202和外集流部301、302，其中石墨烯复合纤维膜包括纤维101和分散于纤维101中的石墨烯102，通过粘结剂103粘结成整体。下面将结合上述附图，对本公开提出的发热膜的一示例性实施方式的主要制备过程、各组成部分的结构、连接方式和功能关系进行详细说明。
如图1和图2A-图2H所示，在本实施方式中，发热膜的制备方法包括步骤如下：将纤维置于水溶液中分散得到分散液，分散液经过滤、沉积得到纤维膜；纤维膜浸渍于石墨烯溶液中，得到石墨烯复合纤维膜；石墨烯复合纤维膜的两端分别浸渍于导电液体中，得到含有内集流部的石墨烯复合纤维膜；及于内集流部的外表面连接外集流部，得到发热膜。
具体地，如图2A所示，将纤维置于含有水A的水槽10中，其中水槽10为内部设有滤网20的上方开口的容器，能够使水溶液在其中驻留。滤网20为上方开口的网格容器，其网格大小为500目～50目，能够使水流出，而使各种短切纤维留在网格内。
本公开所采用的纤维为耐受温度≥260℃的碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维中的一种或多种，纤维的长度为1mm～10mm，直径为5μm～20μm。
以所采用的纤维由短切碳纤维和短切玻璃纤维组成为例，将两种纤维分散在含有分散剂的水溶液中，并采用疏解机、高速搅拌机或超声分散机等使纤维能够在水溶液中均匀的分散。其中碳纤维与玻璃纤维的质量比可以为1～10：1。然后将纤维分散液倒入前述内部有滤网20的水槽10中。
如图2B所示，将滤网20向上缓慢抬起，过滤掉溶液中的水，此时纤维沉积在滤网底部，通过纤维材料之间相互搭接形成一张具有一定强度的自支撑膜状材料，也即纤维膜101。
在一些实施例中，还包括将该纤维膜101浸渍在含有浓度范围为1wt％～5wt％的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的丙酮或二甲基甲酰胺(DMF)溶液中5s～30s，随后放入烘箱中进行烘干。通过该操作可以使碳纤维相互粘连在一起，成为一个整体。需注意的是，如采用玻璃纤维和/或芳纶纤维时，则可省略此步骤。
在一些实施例中，前述的分散剂可以为羧甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、吐温-80、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵等能够使碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维能够在水中均匀分散的物质。
如图2C所示，将该纤维膜101浸渍在氧化石墨烯溶液B中反应5min～360min，例如5min、10min、50min、70min、100min、170min、250min、300min、3200min、345min等，使氧化石墨烯部分还原并沉积在纤维膜上，得到石墨烯复合纤维膜(如图2D所示)。在石墨烯复合纤维膜中，纤维起到自支撑的作用，石墨烯102作为导电发热部分分散在自支撑纤维的孔隙中，片层与片层之间相互搭接，形成导电通路。可以理解的是，沉积还原时间越长，纤维膜上沉积的石墨烯越多，则导电发热能力增加。但沉积时间不能过长，否则制备的发热膜电阻过小，接通电源后会使功率过大，烧坏电路。
在一些实施例中，所述氧化石墨烯溶液B的浓度为0.1mg/ml～10mg/ml，例如0.1mg/ml、0.8mg/ml、1mg/ml、3mg/ml、3.8mg/ml、4.5mg/ml、6mg/ml、7mg/ml、8mg/ml等，并且溶有一定浓度的能够还原氧化石墨烯的还原剂，例如葡萄糖、维生素C、水合肼等。其中宜采用葡萄糖、维生素C等环境友好型的还原剂。例如，当还原剂为葡萄糖时，还原剂的质量浓度为0.1mg/ml～5mg/ml，还原反应时间为24h～72h；还原剂为维生素C时，还原剂的质量浓度为0.001mg/ml～0.05mg/ml，还原反应时间为1h～24h，本发明不限于此。
如图2E所示，进一步地，将图2D所示的石墨烯复合纤维膜的两端分别浸渍于导电液体C中制备内集流部201、202(如图2F所示)。其中，导电液体可以导电银浆，也可以是熔融态的导电金属，例如熔融的铝水。当导电液体为导电银浆时，石墨烯复合纤维膜的两端浸渍在导电银浆中1s～10s，取出后进行压延并加热固化；或者当导电液体为熔融的铝水时，将石墨烯复合纤维膜的两端浸渍在熔融的铝水中1s～10s，取出后冷却并进行压延固化。此步骤可使内集流部很好的浸入石墨烯复合纤维膜的内部，与石墨烯导电发热部分结合，使得接触电阻更小。
如图2G所示，本公开还包括将粘结剂103涂布或浸渍于所述含有内集流部201、202的石墨烯复合纤维膜进行固化，其中粘结剂为耐受温度≥260℃的有机硅树脂、环氧树脂、聚酰亚胺、双马来酰亚胺等可由液态经固化操作形成具有一定柔韧性的有机高分子聚合物。粘结剂103在其液态时具有一定的流动性，涂布或浸渍于填充了石墨烯导电发热部分的纤维表面时，经其自身的流延作用后填充剩余空间，将纤维膜101和石墨烯102粘接成整体。
在一些实施例中，粘结剂103使用涂布的方式，在石墨烯复合纤维膜上缓慢涂布，或者也可以使用浸渍法使粘结剂103填充进石墨烯复合纤维膜中，等涂布完全或浸渍完成之后进行部分固化，并使用压延机进行压延，使膜表面更加平整。
如图2H所示，还包括分别在内集流部201、202的外表面连接外集流部301、302，得到本公开的发热膜。其中，外集流部301、302可使用物理连接的方式与内集流部201、202分别进行连接，如铆钉连接、耐高温硅胶连接等；并使用导线将其与电源进行连接，接通电源后即可发热。在一些实施例中，外集流部的材料可以为铜箔、铝箔等金属材料。
本公开通过前述的方法可获得高功率发热膜，如图2H所示，该发热膜包括石墨烯复合纤维膜、内集流部201、202和外集流部301、302，其中石墨烯复合纤维膜为包括纤维101和石墨烯102的复合材料，通过粘结剂103粘结成整体。其中，石墨烯和纤维的质量比为0.001～1：100。
本公开发热膜的结构设计简单合理且制备工艺简单，制备过程易于实现，所选用的材料耐受温度均≥260℃，能够在180～260℃的温度范围内长期使用。该方法可通过调节不同纤维的种类与长度、氧化石墨烯和还原剂溶液的浓度及沉积还原时间调节发热膜的电阻，使其符合特定的使用场景。所得的发热膜由于呈膜状结构，表面温度均匀，能够使热量更加均匀的散发出来，减少了能量的损失与浪费。该发热膜的单位功率密度大于1000w/m2，最高可达1500w/m2，能够在180℃～260℃范围内长期使用，具有良好的应用前景。
本领域技术人员应当注意的是，本公开所描述的实施方式仅仅是示范性的，可在本公开的范围内作出各种其他替换、改变和改进。因而，本公开不限于上述实施方式，而仅由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种发热膜，其特征在于，包括：
石墨烯复合纤维膜，
内集流部，所述内集流部位于所述石墨烯复合纤维膜的两端；及
外集流部，所述外集流部位于所述内集流部的外表面；
其中，所述石墨烯复合纤维膜包括纤维和分散于所述纤维中的石墨烯。
2.根据权利要求1所述的发热膜，其特征在于，所述发热膜还包括粘结剂，以将所述石墨烯和纤维粘结成整体；所述粘结剂选自常温下为液态且耐受温度≥260℃有机硅树脂、环氧树脂、聚酰亚胺和双马来酰亚胺中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的发热膜，其特征在于，所述纤维为耐受温度≥260℃的碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维中的一种或多种，所述纤维的长度为1mm～10mm，直径为5μm～20μm；所述石墨烯为粉体石墨烯或粉体还原氧化石墨烯，所述石墨烯和纤维的质量比为0.001～1：100。
4.根据权利要求1所述的发热膜，其特征在于，所述内集流部的材料为导电银浆或金属，所述外集流部的材料选自铜箔、铝箔中的一种或多种。
5.一种权利要求1～4中任一项所述的发热膜的制备方法，其特征在于，包括：
将纤维置于水中分散得到分散液，所述分散液经过滤、沉积得到纤维膜；
所述纤维膜浸渍于含有还原剂的氧化石墨烯溶液中进行还原反应，得到石墨烯复合纤维膜；
所述石墨烯复合纤维膜的两端分别浸渍于导电液体中，得到含有内集流部的石墨烯复合纤维膜；及
于所述内集流部的外表面连接外集流部，得到所述发热膜。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，还包括将粘结剂涂布或浸渍于所述含有内集流部的石墨烯复合纤维膜进行固化。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述纤维由碳纤维和玻璃纤维组成时，所述分散液经所述过滤、沉积后，再浸渍于含有1wt％～5wt％聚甲基丙烯酸甲酯的丙酮或二甲基甲酰胺溶液中5s～30s后烘干，得到所述纤维膜。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述分散液中还包括分散剂，所述分散剂选自羧甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、吐温-80、十二烷基苯磺酸钠和十六烷基三甲基溴化铵中一种或多种。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯溶液的浓度为0.1mg/ml～10mg/ml；所述还原剂选自葡萄糖、维生素C和水合肼中一种或多种；所述还原剂为葡萄糖时，所述还原反应的时间为24h～72h；所述还原剂为维生素C时，所述还原反应的时间为1h～24h。
10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述导电液体为导电银浆或熔融态的导电金属，所述石墨烯复合纤维膜的两端分别浸渍于所述导电液体中1s～10s后取出，经压延固化，得到所述两个内集流部。
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