CN111809816B - 定向传热一体板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种定向传热一体板，所述定向传热一体板包括面层、导电带、电热转换层、隔热反射层、第一密封层和第二密封层，所述面层、第一密封层、电热转换层、隔热反射层和第二密封层依次层叠，所述面层对于波长为5‑18微米的红外线的透过率不小于20％；所述电热转换层、隔热反射层和密封层的总厚度为10‑800微米。本发明还提供了所述定向传热一体板的制备方法，本发明制得的可定向导热的发热板，可以将热能集中释放至指定空间，极大提升了采暖效率；并且由于定向传热，赋予了普通建材定向辐射波长为5‑15微米红外线的功能。

Description

定向传热一体板及其制备方法
技术领域
本发明属于采暖领域，尤其涉及一种通过远红外线定向进行辐射传热的一体化板材及其制备方法。
背景技术
目前国内外采暖的主要方式为集中供暖、空调和电采暖。
集中供暖是以不高于60℃的热水为热媒，在加热管内循环流动，加热地板，通过地面以辐射和对流的传导方式向室内供热的供暖方式，但消耗煤炭、天然气等一次性能源，在有些地区已经开始逐渐向新能源转变，如煤改电等。
空调一般采用电力驱动，制热时，气体氟利昂被压缩机加压，成为高温高压气体，进入室内机的换热器(此时为冷凝器)，冷凝液化放热，成为液体，同时将室内空气加热，从而达到提高室内温度的目的，由于空调是通过机械动力直接吹出热风，使用时会有很明显的风吹感，会使室内空气比较干燥，对人体健康不利。
电采暖为一种环保的方式，通过电热元件，将电能转换为热能和红外线。但目前市面上的电采暖方式，由于热交换向四周传导，能量利用率较低，极为消耗电力，因此急需一款既环保又节能的采暖产品。
发明内容
本发明以纳米浆料固化制得发热辐射层，提出一种定向导热和辐射红外线的定向传热一体板，将普通建筑装饰材料(地板、瓷砖、墙纸等)转变为可对外定向辐射红外线和少量热源的一体化建材，且不改变原有建材的外观和质地。
本发明首先提供了一种定向传热一体板，所述定向传热一体板包括面层、导电带、电热转换层、隔热反射层、第一密封层和第二密封层，所述面层、第一密封层、电热转换层、隔热反射层和第二密封层依次层叠，所述面层对于波长为5-18微米的红外线的透过率不小于20％；
所述电热转换层、隔热反射层和密封层的总厚度为10-800微米。
在本发明的一些实施例内，面层为透过率不小于20％的红外玻璃、红外透过聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯或红外透过树脂。
所述定向传热一体板包括基材，所述基材可以选用市售普通建筑材料，如地板、瓷砖、墙纸、木板等材料。
通常，应对基材进行处理，以使得所述基材适宜于进行定向传热一体板的制备。在本发明的一个实践中，所述基材按照如下的方式进行处理：对基材进行打磨抛光处理。打磨抛光为本领域的常规操作，通常此操作可以达到如下的技术效果：表面粗糙度不大于0.8微米。
作为所述定向传热一体板一个较好的选择，所述定向传热一体板至少含有一防水层，所述防水层位于基材和所述电热转换层间；或所述密封层防水等级大于IP67。在湿度较大的场景下，通常需要提供防水层以保证定向传热一体板的正常工作。在本发明的一个实例中，所述定向传热一体板含有防水层，所述防水层位于基材和所述低阻碳素微晶膜间。在贴合侧可能受到水侵蚀的场景中，应当提供一防水层以保证定向传热一体板的正常工作。在本发明的一个实践中，所述定向传热一体板含有一防水层，其和所述密封层直接接触。
所述的防水层的材质为高分子薄膜或涂料，可以选择的材料包括聚乙烯(PE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、无机纳米陶瓷涂料、金刚漆、以及聚四氟乙烯(PTFE)，其厚度可以选择为0.001-0.8mm。
在本发明的一个实例内，防水层的厚度为1-30微米。
在本发明的一个实例内，防水层的厚度为30-100微米。
在本发明的一个实例内，防水层的厚度为100-200微米。
在本发明的一个实例内，防水层的厚度为200-800微米。
在定向传热一体板可能因受外力而导致失效的场景下，应当提供一耐磨层以提供对发热部件的保护。
所述的耐磨层的材质为涂料或薄膜，可以选择的材料包括无机纳米陶瓷涂料、金刚漆、耐磨纸、聚氨酯涂料、环氧树脂、以及氧化铝涂料，成膜后其厚度可以选择为0.001-0.8mm。
在本发明的一个实例内，耐磨层的厚度为1-30微米。
在本发明的一个实例内，耐磨层的厚度为30-100微米。
在本发明的一个实例内，耐磨层的厚度为100-200微米。
在本发明的一个实例内，耐磨层的厚度为200-800微米。
在本发明的一个实施例中，按照电源输入功率计，至少90％的输入功率以5-20微米波长红外线辐射。
在本发明的一个实施例中，制备电热转换层的原料包括阻值为10-300Ω/□的低阻碳素微晶、阻值为300-1000Ω/□的中阻电碳素微晶以及阻值为1000Ω/□以上的高阻碳素微晶中的一种或多种。
在本发明的一个实施例中，制备电热转换薄膜的原料包括阻值为10-300Ω/□的低阻碳素微晶，制备碳素微晶膜的原料还包括阻值为300-1000Ω/□的中阻碳素微晶以及阻值为1000Ω/□以上的高阻碳素微晶中的一种或多种。
在约定中线为两电极或者两导电带中间处时，在本发明的一个实例中，所述电热转换层的方块电阻沿远离导电带靠近中线方向逐渐增加或梯度增加。
在约定中线为两电极或者两导电带中间处时，在本发明的一个实例中，所述电热转换层的厚度沿远离导电带靠近中线方向逐渐增加或梯度增加。
作为所述定向传热一体板一个较好的选择，定义x为距离一电极距离和两电极或导电带间距离的比值，Rx为相应位置处的电阻时，碳素微晶膜的R0为0.01-30Ω/□，R0.1为50-500Ω/□，R0.2为200-600Ω/□，R0.3为300-800Ω/□，R0.4为600-1000Ω/□。
作为定向传热一体板的一个较优的选择，所述定向传热一体板包括隔热反射层，所述隔热反射层含有金属膜层，所述金属膜层的厚度为0.05μm～100μm。在本发明的一个实例中，所述板材为带有铝膜的PET薄膜，PET为绝缘材料，铝膜可以反射红外线，此结构可以使得红外行在向不期待的方向进行辐射时，可以被定向反射至设定方向。
所述隔热层可以为导热系数低于0.2W/(m·K)的阻热膜，其厚度为0.5mm。
在本发明的一个实例内，隔热层的厚度为1-50微米。
在本发明的一个实例内，隔热层的厚度为50-100微米。
在本发明的一个实例内，隔热层的厚度为100-200微米。
在本发明的一个实例内，隔热层的厚度为200-500微米。
所述密封层可以为防水涂料、AB胶、陶瓷涂料等，其厚度为1-50微米。
在本发明的一个实例内，密封层的厚度为1-10微米。
在本发明的一个实例内，密封层的厚度为10-20微米。
在本发明的一个实例内，密封层的厚度为20-36微米。
在本发明的一个实例内，密封层的厚度为36-50微米。
本发明还提供了制备所述定向传热一体板的制备方法，包括：
1)提供一个面被抛光的基材作为基底，并对基底进行修饰；
2)在修饰后的基底上构建或堆叠隔热反射层、电热转换膜，并在电热转换层上设置导电带，后在导电带上堆叠或构建第二密封层和面层；或在修饰后的基底上构建或堆叠隔热反射层、绝缘层、电热转换膜，并在电热转换层上设置导电带，后在导电带上堆叠或构建第二密封层和面层。
在本发明的一个实施例内，所述定向传热一体板按照如下的方法制备：
1)提供一个面被抛光的基材作为基底；
2)在所述基底上依次堆叠或构建密封层、隔热反射层、绝缘层、电热转换膜，并在电热转换膜上设置导电带，后在导电带上堆叠或构建绝缘密封层和面层。
上述的步骤1)中，可以包括在基底上构建防水层的步骤。
上述的步骤2)中，可以选择性包括在在最外侧构建防水层的步骤。
上述的步骤2)中，所述绝缘反射层为通过在磁控溅射法于PET上沉积金属电介质反射膜制备得到。
在本发明的另一个实施例内，所述定向传热一体板按照如下的方法制备：
提供处理过的基材，并依次在基材上叠压防水层、绝缘层、碳材料层，并引出导线，后叠压绝缘反射层、隔热层、密封层、第二防水层、耐磨层。
在本发明的另一个实施例内，所述定向传热一体板按照如下的方法制备：
通过丝网印刷法将纳米碳素微晶涂覆于绝缘层之上，且碳素微晶膜层由外向内厚度逐渐减薄，两端处电阻最小，并在两端植入导电铜带作为导线，然后再制备中高电阻的纳米碳素微晶材料，采用上述同样的方法依次制备隔热反射层、绝缘层和面层。最终制得辐射加热所占比例为92％的定向热传导一体化板材。在通电时，整个加热过程中是以辐射加热为主，占比为92％，以传导和对流加热为辅，且所述发热材料本体上设置有电流导入点，通过电连接器嵌入至定向导热一体板之中。
本发明可选用市售普通建筑材料，对背面(非装饰面)进行打磨抛光处理，然后依次制备防水层、绝缘层，然后制备低阻纳米碳素微晶层，且低阻碳素微晶膜层由外向内厚度逐渐减薄，两端处电阻最小，并在两端植入导线，然后再制备低阻碳素微晶，固化后依次制备中、高电阻的纳米碳素微晶材料，绝缘反红外线层(通过磁控溅射法于PET上沉积金属电介质反射膜制备得到)、隔热层、密封防水层和耐磨层。最终制得辐射热所占比例约为90％的一体化板材。整个加热过程中是以辐射加热为主，占比高于90％，以传导和对流加热为辅，占比不高于10％，且所述发热材料的边缘设置有几对电流导入点，通过电连接器嵌入至一体化板材中。
本发明采用磁控溅射沉积金属电介质，获取高反射红外线薄膜，并制得可定向导热的发热板，以将热能集中释放至指定空间(红外线波段为5-15微米，对应水分子的共振频率，可以使其发生共振，转换为热能)，极大提升了采暖效率；并且由于定向导热，赋予了普通建材定向辐射波长为5-15微米红外线的功能。
附图说明
图1、本发明实施例1获得的定向传热一体板结构示意图；
图2、本发明实施例2获得的定向传热一体板结构示意图；
图3、本发明实施例3获得的定向传热一体板结构示意图；
附图标识：
1、基材；2、防水层；3、绝缘层；4、电热转换层(由三层不同阻值的碳素微晶层组成)；5、绝缘反射层；6、隔热层；7、密封层；8、第二防水层；9、耐磨层；10、导线。
具体实施方式
如下为本发明的实例，其仅用作对本发明的解释而并非限制。
本发明提供了制备了所述定向传热一体板的制备方法，包括：
本发明用于构建碳素微晶膜的碳素微晶来源为市购；关于其更多性质的表述参见CN106084989A、CN107949081A、CN208241914U。
所述导电带可以选择铜线/带、铜箔、铝箔等材料。
对于相应性能的测试参照JGT 286-2010标准进行，但是对于输出功率辐射占比按照面层测得值计算。
实施例1
制备定向传热一体板的方法包括：
取12mm厚的木板一块，对背面(非装饰面)进行打磨抛光处理，使得其表面粗糙度为0.7微米，取防水涂料PI通过刮涂在瓷砖背面均匀制备第一防水层，其固化后厚度为1微米，固化后通过自粘型PET膜覆盖在第一防水层之上，形成耐候绝缘层，其厚度为1微米，然后通过丝网印刷法将低阻纳米碳素微晶(阻值为10-300Ω/□)涂覆于绝缘层之上，其厚度为220微米，之后植入导电铜带，120摄氏度烘干去除溶剂后，在此基础上逐层制备中电阻的纳米碳素微晶材料(阻值为300-1000Ω/□，厚度为150微米)，之后烘干去除溶剂，在此基础上逐层制备中电阻的纳米碳素微晶材料(阻值大于1000Ω/□，厚度为110微米)，之后烘干去除溶剂，并在180摄氏度焙烧形成碳素微晶层，之后在其上覆盖PET层，之后采用通过在磁控溅射法于PET上沉积铝膜，厚度为0.8微米，之后在其上形成密封防水层(材料为PI，厚度为1微米)和耐磨层(材料为氧化铝，厚度为0.1mm)。最终制得面层辐射加热所占比例为92％的定向热传导一体化板材。整个加热过程中是以辐射加热为主，占比为92％，以传导和对流加热为辅，且所述发热材料本体上设置有电流导入点，通过导电带电连接碳素微晶膜。
请参见图1，其示出了一按照实施例1方法制备获得的取暖板材，其包括基材1、防水层2、绝缘层3、电热转换层4、绝缘反射层5、隔热层6、密封层7、第二防水层8、耐磨层9，以及引出的导线10。
实施例2
制备定向传热一体板的方法包括：
1)取10mm厚的岩态板作为基板，对表面进行打磨抛光清洁处理，使得其表面粗糙度为0.8微米；
2)取PET自粘膜在基板抛光面制备第一防水层，其厚度为75微米；
3)在PET第一防水层之上制备金属电介质反射膜，形成隔热反射层，其厚度为30微米；
4)在隔热反射层之上制备绝缘层，其厚度为10微米；
5)通过丝网印刷法将低阻纳米碳素微晶(阻值为10-300Ω/□)涂覆于绝缘层之上，其厚度为100微米，120摄氏度烘干去除溶剂后，得到低阻碳素微晶层；
6)植入导电铝带；
7)制备中电阻的纳米碳素微晶材料(阻值为300-1000Ω/□，厚度为200微米)，之后烘干去除溶剂；
8)制备高电阻的纳米碳素微晶材料(阻值大于1000Ω/□，厚度为200微米)，之后烘干去除溶剂，并在180摄氏度焙烧形成碳素微晶层；
9)形成密封防水层(材料为PET，厚度为10微米)和面层(材料为氧化硅，厚度为0.1mm)。最终制得面层辐射传热所占比例为92％的定向热传导一体化板材。整个加热过程中是以辐射加热为主，占比为92％，以传导和对流加热为辅，且所述发热材料本体上设置有电流导入点，通过导电带电连接碳素微晶层。
请参见图2，其示出了一按照实施例1方法制备获得的取暖板材，其包括基材1、第一防水密封层2、隔热反射层3、绝缘层4、电热转换层5、第二密封防水层6、面层7，以及引出的导线8。
实施例3
制备定向传热一体板的方法包括：
1)取11mm厚的岩壁板作为基板，对表面进行打磨抛光清洁处理，使得其表面粗糙度为0.8微米；
2)取PET自粘膜在基板抛光面制备第一防水层，其厚度为75微米；
3)在PET第一防水层之上制备金属电介质反射膜，形成隔热反射层，其厚度为30微米；
4)在隔热反射层之上制备绝缘层，其厚度为10微米；
5)通过丝网印刷法将低阻纳米碳素微晶(阻值为10-300Ω/□)涂覆于绝缘层之上，其厚度为220微米，120摄氏度烘干去除溶剂后，得到低阻碳素微晶层；
6)植入导电铝带；
7)制备中电阻的纳米碳素微晶材料(阻值为300-1000Ω/□，厚度为180微米)，之后烘干去除溶剂；
8)制备高电阻的纳米碳素微晶材料(阻值大于1000Ω/□，厚度为150微米)，之后烘干去除溶剂，并在180摄氏度焙烧形成碳素微晶层；
9)形成密封防水层(材料为PET，厚度为10微米)和面层(材料为红外陶瓷，厚度为0.1mm)。最终制得面层辐射传热所占比例为90％的定向热传导一体化板材。整个加热过程中是以辐射加热为主，占比为90％，以传导和对流加热为辅，且所述发热材料本体上设置有电流导入点，通过导电带电连接碳素微晶层。
请参见图3，其示出了一按照实施例1方法制备获得的取暖板材，其包括基材1、第一防水密封层2、隔热反射层3、绝缘层4、电热转换层5、第二密封防水层6、面层7，以及引出的导线8。
实施例4
制备定向传热一体板的方法包括：
1)取10mm厚的岩壁板作为基板，对表面进行打磨抛光清洁处理，使得其表面粗糙度为0.8微米；
2)在基板抛光面刮涂第一防水涂层，固化后其厚度为30微米；
3)在PET第一防水层之上制备金属电介质反射膜，形成隔热反射层，其厚度为3微米；
4)在隔热反射层之上制备绝缘层，其厚度为9微米；
5)通过丝网印刷法将低阻纳米碳素微晶(阻值为10-300Ω/□)涂覆于绝缘层之上，其厚度为200微米，120摄氏度烘干去除溶剂后，得到低阻碳素微晶层；
6)植入导电铝带；
7)制备中电阻的纳米碳素微晶材料(阻值为300-1000Ω/□，厚度为200微米)，之后烘干去除溶剂；
8)制备高电阻的纳米碳素微晶材料(阻值大于1000Ω/□，厚度为200微米)，之后烘干去除溶剂，并在180摄氏度焙烧形成碳素微晶层；
9)形成密封防水层(材料为PET，厚度为10微米)和面层(材料为红外陶瓷，厚度为0.1mm)。最终制得面层辐射传热所占比例为89％的定向热传导一体化板材。整个加热过程中是以辐射加热为主，占比为89％，以传导和对流加热为辅，且所述发热材料本体上设置有电流导入点，通过导电带电连接碳素微晶层。
请参见图3，其示出了一按照实施例1方法制备获得的取暖板材，其包括基材1、第一防水密封层2、隔热反射层3、绝缘层4、电热转换层5、第二密封防水层6、面层7，以及引出的导线8。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种定向传热一体板，其特征在于：所述定向传热一体板包括面层、导电带、电热转换层、隔热反射层、第一密封层和第二密封层，所述面层、第一密封层、电热转换层、隔热反射层和第二密封层依次层叠，所述面层对于波长为5-18微米的红外线的透过率不小于20%；
所述电热转换层、隔热反射层和密封层的总厚度为10-800微米；
按照电源输入功率计，至少55%的输入功率自面层以5-20微米波长红外线辐射输出；
所述电热转换层的方块电阻沿远离导电带靠近中线方向逐渐增加或梯度增加。
2.如权利要求1所述的定向传热一体板，其特征在于，所述定向传热一体板包括基材，所述基材一个表面的粗糙度不大于0.8微米。
3.如权利要求1所述的定向传热一体板，其特征在于，所述定向传热一体板至少含有一防水层，所述防水层位于基材和所述电热转换层间；或所述密封层防水等级大于IP67。
4.如权利要求1或3所述的定向传热一体板，其特征在于，所述定向传热一体板含有绝缘层，所述绝缘层层叠于所述电热转换层上；或所述密封层的电阻大于20MΩ。
5.如权利要求1所述的定向传热一体板，其特征在于，制备电热转换薄膜的原料包括阻值为10-300Ω/□的低阻碳素微晶，制备碳素微晶膜的原料还包括阻值为300-1000Ω/□的中阻碳素微晶以及阻值为1000Ω/□以上的高阻碳素微晶中的一种或多种。
6.如权利要求1所述的定向传热一体板，其特征在于，所述隔热反射层含有金属和电介质膜层，所述金属膜层的厚度为0.05µm ~100µm。
7.制备权利要求1-6任一所述定向传热一体板的制备方法，包括：
1）提供一个面被抛光的基材作为基底，并对基底进行修饰；
2）在修饰后的基底上构建或堆叠隔热反射层、电热转换膜，并在电热转换层上设置导电带，后在导电带上堆叠或构建第二密封层和面层；或在修饰后的基底上构建或堆叠隔热反射层、绝缘层、电热转换膜，并在电热转换层上设置导电带，后在导电带上堆叠或构建第二密封层和面层。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述隔热反射层为通过在磁控溅射法于PET上沉积金属电介质反射膜制备得到。
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