CN111889334A - 单壁纳米碳管加热薄膜及其制造方法 - Google Patents

单壁纳米碳管加热薄膜及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种单壁纳米碳管加热薄膜，包括单壁纳米碳管复合导电涂层和薄膜，单壁纳米碳管复合导电涂层设置在薄膜上，单壁纳米碳管复合导电涂层包括单壁纳米碳管和溶剂，单壁纳米碳管复合导电涂层中单壁纳米碳管的浓度为0.1％重量～0.5％重量，单壁纳米碳管通过添加一部分溶剂物理研磨后再添加剩余部分溶剂然后涂覆在薄膜上而成单壁纳米碳管复合导电涂层。较佳地，物理研磨为超声波物理研磨。薄膜是柔性耐高温薄膜。溶剂是水、N‑甲基吡咯烷酮或苯类溶剂。单壁纳米碳管复合导电涂层的厚度为0.5μm～2μm。还提供了上述的单壁纳米碳管加热薄膜的制备方法。本发明的单壁纳米碳管加热薄膜电热转化率高，实现高效，节能的加热效果。

Description

单壁纳米碳管加热薄膜及其制造方法
技术领域
本发明涉及加热元件技术领域，特别涉及加热薄膜技术领域，具体是指一种单壁纳米碳管加热薄膜及其制造方法。
背景技术
传统的电加热领域一直延续金属通电加热的方式，可直接电阻加热的物体为导体，但要有较高的电阻率。利用电流流过导体的焦耳效应产生的热能对物料进行加热，
电加热原理为Q(热量)＝I(电流)的平方*R(电阻)*T(时间)，电流越大，升温效果越好。虽然电阻升高也可以提高生热效率，但是效果没有提高电流有效。
间接电阻加热需由专门的合金材料或非金属材料制成发热元件，由发热元件产生热能，通过辐射、对流和传导等方式传到被加热物体上。国内现阶段电加热通常采用金属通电来实现。存在热能转化率低，能耗高，加热效率慢等缺点。长时间使用还会因为金属氧化导致热转化率进一步降低。
因此，需要提供一种加热元件，其电热转化率高，实现高效，节能的加热效果。
发明内容
为了克服上述现有技术中的缺点，本发明的一个目的在于提供一种单壁纳米碳管加热薄膜，其电热转化率高，实现高效，节能的加热效果，适于大规模推广应用。
本发明的另一目的在于提供一种单壁纳米碳管加热薄膜，其设计巧妙，结构简洁，制造简便，成本低，适于大规模推广应用。
本发明的另一目的在于提供一种单壁纳米碳管加热薄膜的制备方法，采用该方法制备的单壁纳米碳管加热薄膜电热转化率高，实现高效，节能的加热效果，适于大规模推广应用。
本发明的另一目的在于提供一种单壁纳米碳管加热薄膜的制备方法，其设计巧妙，操作简便，成本低，适于大规模推广应用。
为达到以上目的，在本发明的第一方面，提供一种单壁纳米碳管加热薄膜，其特点是，包括单壁纳米碳管复合导电涂层和薄膜，所述单壁纳米碳管复合导电涂层设置在所述薄膜上，所述单壁纳米碳管复合导电涂层包括单壁纳米碳管和溶剂，所述单壁纳米碳管复合导电涂层中所述单壁纳米碳管的浓度为0.1％重量～0.5％重量，所述单壁纳米碳管通过添加一部分所述溶剂物理研磨后再添加剩余部分所述溶剂然后涂覆在所述薄膜上而成所述单壁纳米碳管复合导电涂层。
较佳地，所述物理研磨为超声波物理研磨。
较佳地，所述薄膜是柔性耐高温薄膜。
较佳地，所述溶剂是水、N-甲基吡咯烷酮或苯类溶剂。
较佳地，所述单壁纳米碳管复合导电涂层的厚度为0.5μm～2μm。
在本发明的第二方面，提供一种上述的单壁纳米碳管加热薄膜的制备方法，其特点，包括以下步骤：
(1)将所述单壁纳米碳管添加该一部分所述溶剂进行物理研磨以将所述单壁纳米碳管分散开，从而形成单壁纳米碳管导电网络；
(2)添加该剩余部分所述溶剂；
(3)涂覆在所述薄膜上形成所述单壁纳米碳管复合导电涂层。
较佳地，在所述步骤(1)中，所述物理研磨为超声波物理研磨。
更佳地，在所述步骤(1)中，所述超声波物理研磨的步骤具体包括：先用三辊研磨机进行预分散，再用超声波球磨设备进行精细分散。
较佳地，在所述步骤(3)中，所述薄膜是柔性耐高温薄膜。
较佳地，在所述步骤(2)中，所述溶剂是水、N-甲基吡咯烷酮或苯类溶剂。
本发明的有益效果主要在于：
1、本发明的单壁纳米碳管加热薄膜包括单壁纳米碳管复合导电涂层和薄膜，单壁纳米碳管复合导电涂层设置在薄膜上，单壁纳米碳管复合导电涂层包括单壁纳米碳管和溶剂，单壁纳米碳管复合导电涂层中单壁纳米碳管的浓度为0.1％重量～0.5％重量，单壁纳米碳管通过添加一部分溶剂物理研磨后再添加剩余部分溶剂然后涂覆在薄膜上而成单壁纳米碳管复合导电涂层，因此，其电热转化率高，实现高效，节能的加热效果，适于大规模推广应用。
2、本发明的单壁纳米碳管加热薄膜包括单壁纳米碳管复合导电涂层和薄膜，单壁纳米碳管复合导电涂层设置在薄膜上，单壁纳米碳管复合导电涂层包括单壁纳米碳管和溶剂，单壁纳米碳管复合导电涂层中单壁纳米碳管的浓度为0.1％重量～0.5％重量，单壁纳米碳管通过添加一部分溶剂物理研磨后再添加剩余部分溶剂然后涂覆在薄膜上而成单壁纳米碳管复合导电涂层，因此，其设计巧妙，结构简洁，制造简便，成本低，适于大规模推广应用。
3、本发明的单壁纳米碳管加热薄膜的制备方法包括以下步骤：(1)将单壁纳米碳管添加一部分溶剂进行物理研磨以将单壁纳米碳管分散开，从而形成单壁纳米碳管导电网络；(2)添加剩余部分溶剂；(3)涂覆在薄膜上形成单壁纳米碳管复合导电涂层，因此，采用该方法制备的单壁纳米碳管加热薄膜电热转化率高，实现高效，节能的加热效果，适于大规模推广应用。
本发明的特点和优势，通过下述的详细说明、附图和权利要求得以充分体现，并可通过所附权利要求中特地指出的手段、装置和它们的组合得以实现。
附图说明
图1是本发明的单壁纳米碳管加热薄膜的一具体实施例的主视示意图。
图2是本发明的实施例1～实施例3制备的加热薄膜I、加热薄膜II、加热薄膜III的加热效果示意图。
(符号说明)
1单壁纳米碳管复合导电涂层；2薄膜。
具体实施方式
为了使得发热元件电热转化率高，实现高效，节能的加热效果，本发明人对发热元件进行了深入研究，由此提供一种单壁纳米碳管加热薄膜，包括单壁纳米碳管复合导电涂层1和薄膜2，所述单壁纳米碳管复合导电涂层1设置在所述薄膜2上，所述单壁纳米碳管复合导电涂层1包括单壁纳米碳管和溶剂，所述单壁纳米碳管复合导电涂层1中所述单壁纳米碳管的浓度为0.1％重量～0.5％重量，所述单壁纳米碳管通过添加一部分所述溶剂物理研磨后再添加所述剩余部分溶剂然后涂覆在所述薄膜2上而成所述单壁纳米碳管复合导电涂层1。
所述单壁纳米碳管的直径通常为1.5nm～2nm，长度为5um～10um，1g中的单壁纳米碳管1015pcs。所述单壁纳米碳管分散后呈现三维的网状立体结构，可以在极少含量下表现出导电的性能。
所述物理研磨可以是任何合适的物理研磨，在本发明的一具体实施例中，所述物理研磨为超声波物理研磨。
所述薄膜2可以是任何合适的薄膜，在本发明的一具体实施例中，所述薄膜2是柔性耐高温薄膜。耐温范围在80℃～300℃。
所述溶剂可以是任何合适的溶剂，较佳地，所述溶剂是水、N-甲基吡咯烷酮或苯类溶剂。在本发明的一具体实施例中，所述溶剂是水。在本发明的另一具体实施例中，所述溶剂是N-甲基吡咯烷酮。在本发明的又一具体实施例中，所述溶剂是苯。
所述单壁纳米碳管复合导电涂层1的厚度可以根据需要确定，较佳地，所述单壁纳米碳管复合导电涂层1的厚度为0.5μm～2μm。在本发明的一具体实施例中，所述单壁纳米碳管复合导电涂层1的厚度为0.5μm。在本发明的另一具体实施例中，所述单壁纳米碳管复合导电涂层1的厚度为2μm。在本发明的又一具体实施例中，所述单壁纳米碳管复合导电涂层1的厚度为1μm。
还提供了上述的单壁纳米碳管加热薄膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将所述单壁纳米碳管添加该一部分所述溶剂进行物理研磨以将所述单壁纳米碳管分散开，从而形成单壁纳米碳管导电网络；优选地，所述单壁纳米碳管的浓度为0.5％重量～1％重量；
(2)添加该剩余部分所述溶剂；优选地，所述单壁纳米碳管的浓度为0.1％重量～0.5％重量；
(3)涂覆在所述薄膜2上形成所述单壁纳米碳管复合导电涂层1。
在所述步骤(1)中，所述物理研磨可以是任何合适的物理研磨，在本发明的一具体实施例中，在所述步骤(1)中，所述物理研磨为超声波物理研磨。
在所述步骤(1)中，所述超声波物理研磨可以采用任何合适的具体步骤，在本发明的一具体实施例中，在所述步骤(1)中，所述超声波物理研磨的步骤具体包括：先用三辊研磨机进行预分散，再用超声波球磨设备进行精细分散。优选地，将所述单壁纳米碳管添加该一部分所述溶剂的一部分用三辊研磨机进行预分散，所述单壁纳米碳管的浓度为1％重量～10％重量，再加该一部分所述溶剂的剩余部分用超声波球磨设备进行精细分散，所述单壁纳米碳管的浓度为0.5％重量～1％重量。
在所述步骤(3)中，所述薄膜2可以是任何合适的薄膜，在本发明的一具体实施例中，在所述步骤(3)中，所述薄膜2是柔性耐高温薄膜。耐温范围在80℃～300℃。
在所述步骤(2)中，所述溶剂可以是任何合适的溶剂，较佳地，在所述步骤(2)中，所述溶剂是水、N-甲基吡咯烷酮或苯类溶剂。在本发明的一具体实施例中，在所述步骤(2)中，所述溶剂是水。在本发明的另一具体实施例中，在所述步骤(2)中，所述溶剂是N-甲基吡咯烷酮。在本发明的又一具体实施例中，在所述步骤(2)中，所述溶剂是苯。
在所述步骤(3)中，所述单壁纳米碳管复合导电涂层1的厚度可以根据需要确定，较佳地，在所述步骤(3)中，所述单壁纳米碳管复合导电涂层1的厚度为0.5μm～2μm。在本发明的一具体实施例中，在所述步骤(3)中，所述单壁纳米碳管复合导电涂层1的厚度为0.5μm。在本发明的另一具体实施例中，在所述步骤(3)中，所述单壁纳米碳管复合导电涂层1的厚度为2μm。在本发明的又一具体实施例中，在所述步骤(3)中，所述单壁纳米碳管复合导电涂层1的厚度为1μm。
原有的金属加热方式，存在热损失的缺陷---电热丝的热能转化率损失。本发明的单壁纳米碳管加热薄膜在通电后，除了转化为热传导能外，还可通过远红外的形式对外辐射热量，一般情况下，电热膜远红外的波长为5-14um，刚好可以被人体吸收，给人体提供热量，给房间提供热量，其电热转化率高达95％以上，电热转化率远高于其他加热电器。
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。其中：
单壁纳米碳管(生产厂家：奥克西艾尔贸易(深圳)有限公司；品名：TUBALL；规格：TUBALL)
实施例1
将单壁纳米碳管加水后先用三辊研磨机进行预分散(单壁纳米碳管浓度为10％重量，再加水用超声波球磨设备进行精细分散(单壁纳米碳管浓度为1％重量)，将单壁纳米碳管分散开，从而形成单壁纳米碳管导电网络；然后再添加水，形成单壁纳米碳管导电涂层溶液(单壁纳米碳管为0.3％重量)；将单壁纳米碳管导电涂层溶液涂覆在薄膜(生产厂家：DuPont；品名：Kapton；规格：Kapton@MT 25μ；耐温温度：-200℃～400℃)上形成单壁纳米碳管复合导电涂层，厚度为0.5μm，获得加热薄膜I。
实施例2
将单壁纳米碳管加N-甲基吡咯烷酮(NMP，生产厂家：BASF,品名：N-甲基吡络烷酮)后先用三辊研磨机进行预分散(单壁纳米碳管浓度为5％重量)，再加N-甲基吡咯烷酮用超声波球磨设备进行精细分散(单壁纳米碳管浓度为0.5％重量)，将单壁纳米碳管分散开，从而形成单壁纳米碳管导电网络；然后再添加N-甲基吡咯烷酮(NMP，生产厂家：BASF,品名：N-甲基吡络烷酮)，形成单壁纳米碳管导电涂层溶液(单壁纳米碳管：0.1％重量)；将单壁纳米碳管导电涂层溶液涂覆在薄膜(生产厂家：DuPont；品名：Kapton；规格：Kapton@MT 25μ；耐温温度：-200℃～400℃)上形成单壁纳米碳管复合导电涂层，厚度为2μm，获得加热薄膜II。
实施例3
将单壁纳米碳管加二甲苯后先用三辊研磨机进行预分散(单壁纳米碳管预分散浓度为1％重量)，再加二甲苯用超声波球磨设备进行精细分散(单壁纳米碳管浓度为0.7％重量)，将单壁纳米碳管分散开，从而形成单壁纳米碳管导电网络；然后再添加二甲苯苯类溶剂，形成单壁纳米碳管导电涂层溶液(单壁纳米碳管：0.5％重量)；将单壁纳米碳管导电涂层溶液涂覆在薄膜(生产厂家：DuPont；品名：Kapton；规格：Kapton@MT 25μ；耐温温度：-200℃～400℃)上形成单壁纳米碳管复合导电涂层，厚度为1μm，获得加热薄膜III。
请参见图2所示，采用本发明的新型的纳米导电材料制备的加热薄膜I、加热薄膜II、加热薄膜III，在8～12伏电压下通电15分钟，就可达到50～100摄氏度，完全满足民用加热领域的要求，包括汽车、户外取暖、家装采暖等相关行业，同时具有操作电压低，安全节能的优点。(薄膜I适用范围：-50℃～100℃；薄膜II适用范围：-50℃～300℃；薄膜III适用范围：-50℃～180℃)
因此选用柔性耐高温薄膜，表面涂覆纳米碳管浆料，制备出了柔性、轻便的加热薄膜。辅助于简单的温控器件，就可实现快速升温、控温、低耗电的加热元器件。
因此，本发明是以单壁纳米碳管为主要导电材料，通过超声波物理研磨以及添加溶剂材料，制备出高性能的复合导电涂层浆料，然后以一定厚度(电阻率)涂敷在薄膜表面，由于碳管良好的导电性能，在低电压下就能产生很大的电流，电热转化率高，实现高效，节能的加热效果。
以地热为例，纳米碳管发热材料之所以能够对瓷砖起到迅速升温的作用，就在于其100％的电能输入被有效的转换成了超过60％的传导热能和超过30％的红外辐射能。这种双重制热原理，使被加热物体升温更快，吸收的热能更充足。在接通电源后，碳发热材料会产生大量向上的波长在5-14微米的远红外线，瓷砖接受红外线后，能被吸收转化为热能，使瓷砖的温度升高。
本发明属于低耗能环保控温元器件领域，主要应用于汽车，家居，消费品等行业。
综上，本发明的单壁纳米碳管加热薄膜电热转化率高，实现高效，节能的加热效果，设计巧妙，结构简洁，制造简便，成本低，适于大规模推广应用。
由此可见，本发明的目的已经完整并有效的予以实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中予以展示和说明，在不背离所述原理下，实施方式可作任意修改。所以，本发明包括了基于权利要求精神及权利要求范围的所有变形实施方式。

Claims (10)

1.一种单壁纳米碳管加热薄膜，其特征在于，包括单壁纳米碳管复合导电涂层和薄膜，所述单壁纳米碳管复合导电涂层设置在所述薄膜上，所述单壁纳米碳管复合导电涂层包括单壁纳米碳管和溶剂，所述单壁纳米碳管复合导电涂层中所述单壁纳米碳管的浓度为0.1％重量～0.5％重量，所述单壁纳米碳管通过添加一部分所述溶剂物理研磨后再添加剩余部分所述溶剂然后涂覆在所述薄膜上而成所述单壁纳米碳管复合导电涂层。
2.如权利要求1所述的单壁纳米碳管加热薄膜，其特征在于，所述物理研磨为超声波物理研磨。
3.如权利要求1所述的单壁纳米碳管加热薄膜，其特征在于，所述薄膜是柔性耐高温薄膜。
4.如权利要求1所述的单壁纳米碳管加热薄膜，其特征在于，所述溶剂是水、N-甲基吡咯烷酮或苯类溶剂。
5.如权利要求1所述的单壁纳米碳管加热薄膜，其特征在于，所述单壁纳米碳管复合导电涂层的厚度为0.5μm～2μm。
6.一种如权利要求1所述的单壁纳米碳管加热薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将所述单壁纳米碳管添加该一部分所述溶剂进行物理研磨以将所述单壁纳米碳管分散开，从而形成单壁纳米碳管导电网络；
(2)添加该剩余部分所述溶剂；
(3)涂覆在所述薄膜上形成所述单壁纳米碳管复合导电涂层。
7.如权利要求6所述的单壁纳米碳管加热薄膜的制备方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，所述物理研磨为超声波物理研磨。
8.如权利要求7所述的单壁纳米碳管加热薄膜的制备方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，所述超声波物理研磨的步骤具体包括：先用三辊研磨机进行预分散，再用超声波球磨设备进行精细分散。
9.如权利要求6所述的单壁纳米碳管加热薄膜的制备方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，所述薄膜是柔性耐高温薄膜。
10.如权利要求6所述的单壁纳米碳管加热薄膜，其特征在于，在所述步骤(2)中，所述溶剂是水、N-甲基吡咯烷酮或苯类溶剂。
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