阅读说明：本技术 苯并噁嗪树脂基高功率碳晶电热板及其制备方法与应用 (Benzoxazine resin based high-power carbon crystal electric heating plate and preparation method and application thereof ) 是由 鲁在君 牟浩然 王凯 于 2020-06-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种苯并噁嗪树脂基高功率碳晶电热板及其制备方法与应用,电热板,从一侧至另一侧依次设置第一绝缘层、碳晶导电油墨层和第二绝缘层,油墨层与绝缘层之间设置有金属薄片电极；所述碳晶导电油墨层中的树脂包括苯并噁嗪树脂和改性有机硅树脂；第一绝缘层和第二绝缘层的材质均为苯并噁嗪树脂。苯并噁嗪树脂的玻璃化转变温度较高,可以减少发热层在长时间工作时的氧化速度,可以整体提高电热板的使用寿命。(The invention discloses a benzoxazine resin based high-power carbon crystal electric heating plate and a preparation method and application thereof.A first insulating layer, a carbon crystal conductive ink layer and a second insulating layer are sequentially arranged from one side to the other side of the electric heating plate, and a metal sheet electrode is arranged between the ink layer and the insulating layer; the resin in the carbon crystal conductive ink layer comprises benzoxazine resin and modified organic silicon resin; the first insulating layer and the second insulating layer are made of benzoxazine resin. The glass transition temperature of the benzoxazine resin is higher, the oxidation speed of the heating layer in long-time work can be reduced, and the service life of the electric heating plate can be integrally prolonged.)

苯并噁嗪树脂基高功率碳晶电热板及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于电加热技术领域，涉及一种苯并噁嗪树脂基高功率碳晶电热板及其制备方法与应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

碳纤维电热板是近几年在市场上出现的新型电取暖器，碳纤维电热板由三明治结构构成：上、下两层是绝缘层，中间是含碳纤维的碳纸发热层。其工作原理是在通电下碳纤维会辐射远红外线，以辐照方式进行加热。与传统的电油汀、小太阳、空调等取暖设备相比，碳纤维电热板具有以下突出的优点：节能、健康、安全、加热速率快等。因此，它被认为是最合理、最健康、最具发展潜力的家庭取暖方式。

但是，目前市场上已有的碳纤维电热板，存在以下两个缺点：

①功率不高。通常低于800w(尺寸0.6米×1.0米)，与传统的电油汀、小太阳、空调(通常大于2000w)等相比差距很大；

②存在安全隐患。碳纤维很难均匀分布在碳纸里，这会造成碳纸电阻值不均匀。由此，易引发电热板表面温度不均匀，温差可达8～15℃，甚至在极端情况下会出现局部温度过高的情况，不仅容易烧坏电热板，还存在安全隐患。

虽然已经有碳纤维电热板实现了大功率(如ZL201410527378.7中的碳纤维电热板的功率可以达到1100-1500W)，但该种碳纤维电热板采用碳纸作为发热层，仍存在发热不均匀的弊端，其表面温差可达8～15℃，尤其在高功率使用时易引起碳纤维电热板翘曲变形。

为了解决缺点②，目前人们发展了“丝网印刷技术”来制备电热板。丝网印刷的基本原理是：采用含碳粉的油墨来代替碳纤维，利用丝网印版图文部分网孔透油墨，非图文部分网孔不透墨的基本原理进行印刷。具体操作为：在丝网印版一端上倒入含碳粉的油墨，用刮印刮板在丝网印版上的油墨部位施加一定压力，同时朝丝网印版另一端移动。油墨在移动中被刮板从图文部分的网孔中挤压到苯并噁嗪树脂/玻纤绝缘层上。采用丝网印刷技术解决了碳纤维分布不均的问题，从而获得发热均匀的电热板。由于采用碳粉(又叫碳晶)而不是碳纤维，所以这种电热板称作碳晶电热板，但现有报道的碳晶电热板均采用传统的环氧树脂，受限于环氧树脂的耐热性能，该种碳晶电热板的功率<800W(尺寸0.6米×1.0米)，多数集中在300-500W，仍存在功率不高的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种苯并噁嗪树脂基高功率碳晶电热板及其制备方法与应用。

为实现上述发明目的，本发明的一个或多个实施例公开了以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种苯并噁嗪树脂基高功率碳晶电热板，从一侧至另一侧依次设置第一绝缘层、碳晶导电油墨层和第二绝缘层，油墨层与绝缘层之间设置有金属薄片电极；

所述碳晶导电油墨层中的树脂包括苯并噁嗪树脂和改性有机硅树脂；

第一绝缘层和第二绝缘层的材质均为苯并噁嗪树脂。

第二方面，提供所述苯并噁嗪树脂基高功率碳晶电热板的制备方法，包括如下步骤：

将导电填料、分散剂和溶剂混合、球磨，得到复合导电剂，将复合导电剂、苯并噁嗪树脂、改性有机硅树脂和助剂混合、研磨，制得碳晶导电油墨；

将碳晶导电油墨丝网印刷于第一绝缘层预浸料上，加热固化后，再在导电油墨层上覆盖第二绝缘层预浸料；

再次加热固化，然后进行后处理，即得。

第三方面，提供所述苯并噁嗪树脂基高功率碳晶电热板在供暖中的应用，所述供暖包括家庭住宅供暖、公共建筑供暖、温室供暖和实验供暖。

第四方面，提供一种供暖器，其电热板为所述苯并噁嗪树脂基高功率碳晶电热板。

与现有技术相比，本发明的以上一个或多个技术方案取得了以下有益效果：

碳晶导电油墨中的树脂为苯并噁嗪树脂和改性有机硅树脂的混合物，苯并噁嗪树脂的玻璃化转变温度较高，可以减少发热层在长时间工作时的氧化速度，可以整体提高电热板的使用寿命。

采用苯并噁嗪树脂做绝缘层，采用丝网印刷技术以该碳晶导电油墨替换碳纸作为发热层。制得的电热板的表面发热更加均匀，表面温差小于5℃，从而获得发热均匀、使用寿命更长，更加安全的新型大功率碳晶电热板。

采用苯并噁嗪树脂做绝缘层，用丝网印刷技术以导电油墨替换碳纸作为发热层制得的电热板，功率可达1100～1900W，与传统400～800W的碳晶电热板相比，不仅扩展了人们感受到热的距离，还使达到同样加热效果的电热板成本大大降低。

产生远红外辐射所需温度较高，一般150℃以上才会有较强辐射，改良后的导电油墨配合苯并噁嗪绝缘层制备得到的电热板在工作时可以有效增强理疗效果。

通过苯并噁嗪代替环氧树脂改进电热板，使得电热板承受的热量增大，功率更高，温度阈值增大。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是高功率碳晶电热板的结构示意图。

图中：1.碳晶导电油墨层，2.第一绝缘层，3.铜箔条，4.焊点，5.导线，6.第二绝缘层。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明的目的是针对现有大功率碳纤维电热板，因碳纤维在碳纸中分布不均匀而造成发热不均匀的问题，而改进采用丝网印刷技术制备发热均匀的碳晶导电油墨层，以及采用苯并噁嗪及其改性树脂作为绝缘层，从而获得表面温度均匀、高功率、更加安全、使用寿命更长的新型碳晶电热板。

第一方面，本发明提供了一种苯并噁嗪树脂基高功率碳晶电热板，从一侧至另一侧依次设置第一绝缘层、碳晶导电油墨层和第二绝缘层，油墨层与绝缘层之间设置有金属薄片电极；

所述碳晶导电油墨层中的树脂包括苯并噁嗪树脂和改性有机硅树脂，苯并噁嗪树脂提供耐热性，改性有机硅树脂提供韧性；

第一绝缘层和第二绝缘层的材质均为苯并噁嗪树脂，或者苯并噁嗪树脂与环氧树脂、双马来酰亚胺树脂的混合物。

在一些实施例中，碳晶导电油墨中苯并噁嗪树脂和改性有机硅树脂的质量比为9-5:1-5。

在一些实施例中，碳晶导电油墨中的导电填料为导电炭黑、或者导电碳黑和石墨烯的混合物，石墨烯添加量占混合物总的质量比为0.1-20％，石墨烯的加入是为了提高电热转化效率和寿命。

在一些实施例中，所述改性有机硅树脂为ZL201110001172.7中记载的含苯并噁嗪基团的有机硅树脂，以便增加与苯并噁嗪树脂的相容性。

在一些实施例中，碳晶导电油墨中的分散剂为德谦9086。

在一些实施例中，所述第一绝缘层和第二绝缘层均为玻璃布增强的苯并噁嗪树脂绝缘层。

第二方面，提供所述苯并噁嗪树脂基高功率碳晶电热板的制备方法，包括如下步骤：

将导电填料、分散剂和溶剂混合、球磨，得到复合导电剂，将复合导电剂、苯并噁嗪树脂、改性有机硅树脂和助剂混合、研磨，制得碳晶导电油墨；

将碳晶导电油墨丝网印刷于第一绝缘层预浸料上，加热固化后，再在导电油墨层上覆盖第二绝缘层预浸料；

再次加热固化，然后进行后处理，即得。

在一些实施例中，碳晶导电油墨中，导电填料、分散剂、树脂和溶剂的质量比为3-5：1：1.5-2.5：2.5-3.5。

第三方面，提供所述苯并噁嗪树脂基高功率碳晶电热板在供暖中的应用，所述供暖包括家庭住宅供暖、公共建筑供暖、温室供暖和实验供暖。

第四方面，提供一种供暖器，其电热板为所述苯并噁嗪树脂基高功率碳晶电热板。

实施例1

如图1所示，大功率碳晶电热板主要包括玻璃布增强的苯并噁嗪树脂绝缘层Ⅰ、碳晶导电油墨层2和铜箔带3。中间油墨层、被苯并噁嗪树脂/玻纤绝缘层Ⅰ、苯并噁嗪树脂/玻纤绝缘层Ⅱ上下封装起来，同时铜箔带3作为电极也被封装在碳晶导电油墨1和树脂/玻纤绝缘层Ⅰ2，和/或碳晶导电油墨与苯并噁嗪树脂/玻纤绝缘层Ⅱ6之间，通过焊点4与导线5连接，并通过有机硅树脂密封。

苯并噁嗪树脂/玻纤绝缘层Ⅰ和苯并噁嗪树脂/玻纤绝缘层Ⅱ各自均包括固化的苯并噁嗪树脂，玻璃布作为树脂的增强材料。

碳晶电热板的尺寸为60cm×100cm，厚度为1.8mm，其形状为平板形。

碳晶电热板的发热层为采用了丝网印刷技术的油墨层。

碳晶电热板的加工工艺，包括如下步骤：

步骤1把玻璃布浸渍在苯并噁嗪树脂溶液中，树脂的质量百分含量为55％，干燥去除溶剂后得到苯并噁嗪树脂/玻纤预浸料Ⅰ；

步骤2把苯并噁嗪树脂预浸料Ⅰ平铺，在其上面铺设铜箔带，然后在160℃温度、6MPa压强下压制成型；

步骤3在上述压制成型的苯并噁嗪树脂/玻纤预浸料Ⅰ进行丝网印刷，印刷碳晶导电油墨后，在150℃温度下固化油墨层；碳晶导电油墨由导电填料、分散剂、树脂及溶剂比例为4：1：2：3组成；

导电填料由炭黑和石墨烯组成，炭黑和石墨烯的质量比为6:4，石墨烯导电材料操作简单、缺陷少、产量高、成本低廉，通过对石墨烯材料一系列重要物性的改良，改善导电油墨电导率的稳定性。

树脂为苯并噁嗪树脂与改性有机硅树脂的混合物，苯并噁嗪树脂与改性有机硅树脂的质量比为8:2。热固性树脂为苯并噁嗪树脂，热塑性树脂为改性有机硅胶树脂，改性有机硅树脂为含苯并噁嗪基团的有机硅树脂。

所述的碳晶导电油墨分散剂为德谦9086。

溶剂为丙酮、DMF、乙二醇丁醚醋酸酯和去离子水按质量比为3:2:4:1组成。

碳晶导电油墨的制备方法，包括如下步骤：将石墨烯、导电炭黑、分散剂和溶剂混合1.5h，然后球磨5h，得到复合导电剂，将复合导电剂、树脂混合，通过三辊机研磨2h，得到所述电热油墨。

步骤4在上面覆盖苯并噁嗪树脂/玻纤预浸料Ⅱ；

步骤5在140℃温度、6MPa压强、100min时间下固化成型，再在200℃烘箱进行热处理180min。

碳晶电热板与导线的连接接点为绝缘盒。首先在电热板上磨出圆孔，孔的直径为5mm，然后露出铜箔电极，把导线与之进行焊接，形成焊点，最后用有机硅树脂把焊点进行密封。

碳晶电热板连接功率控制开关，这样可以方便人们根据实际加热情况，来控制发热主板的发热量，既可以选择高功率，也可以选择低功率。

实施例2

把玻璃布浸渍在苯并噁嗪树脂溶液中，干燥去除溶剂后得到苯并噁嗪树脂/玻纤预浸料，胶含量为50％左右。

把苯并噁嗪树脂/玻纤预浸料平铺，在其上面铺设铜箔带，然后在180℃温度、6MPa压强下压制成型；在上述压制成型的苯并噁嗪树脂/玻纤预浸料进行丝网印刷，印刷碳晶导电油墨后，在180℃温度下固化；待固化完毕后，在上面再次覆盖苯并噁嗪树脂/玻纤预浸料。最后在170℃温度、8MPa压强、180min时间下固化成型，再在200℃烘箱进行热处理120min。通过焊接使铜箔电极与导线连接起来，制得碳晶电热板。

实施例3

苯并噁嗪树脂以重量百分比为70％的比例，与环氧树脂重量百分比为30％进行共混，制备绝缘层树脂。然后按照高功率碳晶电热板制备实施例1中的步骤制备碳晶电热板。

实施例4

将苯并噁嗪树脂以重量百分比为60％的比例，与双马来酰亚胺重量百分比为40％进行共混。然后按照高功率碳晶电热板制备实施例1中的步骤制备碳晶电热板D。

实施例5

将苯并噁嗪树脂以重量百分比为60％的比例，与环氧树脂和双马来酰亚胺重量百分比为40％进行共混，其中环氧树脂占10％，双马来酰亚胺占30％，然后按照高功率碳晶电热板制备实施例1中的步骤制备碳晶电热板。

实施例6

将苯并噁嗪树脂以重量百分比为90％的比例，与环氧树脂和双马来酰亚胺重量百分比为10％进行共混，其中，环氧树脂占5％，双马来酰亚胺占5％，制得绝缘层的树脂，然后按照高功率碳晶电热板制备实施例1中的步骤制备碳晶电热板。

实施例7

采用实施例1的制备工艺来制备电热板，区别点在于：

碳晶导电油墨由导电填料、分散剂、树脂及溶剂比例为4：1：2：3组成；

导电填料由炭黑和石墨烯组成，炭黑和石墨烯的质量比为5:4。

树脂为苯并噁嗪树脂与改性有机硅树脂的混合物，苯并噁嗪树脂与改性有机硅树脂的质量比为9:1。热固性树脂为苯并噁嗪树脂，热塑性树脂为改性有机硅胶树脂，改性有机硅树脂为含苯并噁嗪基团的有机硅树脂。

所述的碳晶导电油墨分散剂为德谦9086。

溶剂为丙酮、DMF、乙二醇丁醚醋酸酯和去离子水按质量比为3:2:4:1组成。

实施例8

采用实施例1的制备工艺来制备电热板，区别点在于：

碳晶导电油墨由导电填料、分散剂、树脂及溶剂比例为4：1：2：3组成；

导电填料由炭黑和石墨烯组成，炭黑和石墨烯的质量比为5:5。

树脂为苯并噁嗪树脂与改性有机硅树脂的混合物，苯并噁嗪树脂与改性有机硅树脂的质量比为5:5。热固性树脂为苯并噁嗪树脂，热塑性树脂为改性有机硅胶树脂，改性有机硅树脂为含苯并噁嗪基团的有机硅树脂。

所述的碳晶导电油墨分散剂为德谦9086。

溶剂为丙酮、DMF、乙二醇丁醚醋酸酯和去离子水按质量比为3:2:4:1组成。

对比例1

采用实施例1的制备工艺来制备电热板，区别点在于：

碳晶导电油墨由导电填料、分散剂、树脂及溶剂比例为4：1：2：3组成；

导电填料由炭黑和石墨烯组成，炭黑和石墨烯的质量比为5:5。

树脂为苯并噁嗪树脂。

所述的碳晶导电油墨分散剂为德谦9086。

溶剂为丙酮、DMF、乙二醇丁醚醋酸酯和去离子水按质量比为3:2:4:1组成。

对比例2

采用实施例1的制备工艺来制备电热板，区别点在于：

碳晶导电油墨由导电填料、分散剂、树脂及溶剂比例为4：1：2：3组成；

导电填料由炭黑和石墨烯组成，炭黑和石墨烯的质量比为5:5。

树脂为含苯并噁嗪基团的有机硅树脂。

所述的碳晶导电油墨分散剂为德谦9086。

溶剂为丙酮、DMF、乙二醇丁醚醋酸酯和去离子水按质量比为3:2:4:1组成。

对比例3

采用实施例1的制备工艺来制备电热板，区别点在于：

碳晶导电油墨由导电填料、分散剂、树脂及溶剂比例为4：1：2：3组成；

导电填料为炭黑。

树脂为苯并噁嗪树脂与改性有机硅树脂的混合物，苯并噁嗪树脂与改性有机硅树脂的质量比为5:5。热固性树脂为苯并噁嗪树脂，热塑性树脂为改性有机硅胶树脂，改性有机硅树脂为含苯并噁嗪基团的有机硅树脂。

所述的碳晶导电油墨分散剂为德谦9086。

溶剂为丙酮、DMF、乙二醇丁醚醋酸酯和去离子水按质量比为3:2:4:1组成。

对比例4

采用实施例1的制备工艺来制备电热板，区别点在于：

碳晶导电油墨由导电填料、分散剂、树脂及溶剂比例为4：1：2：3组成；

导电填料为石墨烯。

树脂为苯并噁嗪树脂与改性有机硅树脂的混合物，苯并噁嗪树脂与改性有机硅树脂的质量比为5:5。热固性树脂为苯并噁嗪树脂，热塑性树脂为改性有机硅胶树脂，改性有机硅树脂为含苯并噁嗪基团的有机硅树脂。

所述的碳晶导电油墨分散剂为德谦9086。

溶剂为丙酮、DMF、乙二醇丁醚醋酸酯和去离子水按质量比为3:2:4:1组成。

通过实施例1-8和对比例1-4制得的碳晶电热板分别进行功率、表面温度、表面温差和升温时间测试，所得结果见表1。从表1中可以看出，制得的碳晶电热板具有高的功率，可达1500～1800W，表面温度可达154～180℃，在5分钟内升到最高温度，温升速度很快。由于采用丝网印刷碳晶导电油墨，极大地改进了发热均匀性，实验数据显示表面温差<5℃，极大地改进了温度阈值，相比于纯环氧树脂表现出更高的耐热性。

表1碳晶电热板的性能

升温时间是指从加电开始计时到温度不再升高所用的时间。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。