一种智能柔性电加热系统及其制备方法
阅读说明：本技术 一种智能柔性电加热系统及其制备方法 (Intelligent flexible electric heating system and preparation method thereof ) 是由 童潇 马冬雷 苏同峰 汤同森 于 2021-08-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种智能柔性电加热系统及其制备方法,结构至少包括：碳材料复合薄膜,柔性导电电极,导热膜和表面柔性基材。本申请通过碳材料复合薄膜与其他功能薄膜的复合制备方法制备的柔性电加热系统,具有优异的电加热性能,且同时避免了现有一些现有技术电加热片所具有的质地硬、异物感明显、透气性能差等缺陷,并具有优异的发热效率,耐弯折和耐水洗等性能,其构建的均热层结构,能够在同样的功耗下,减少集热效应,获得更大的放热面积,打孔结构来任意调节电阻、发热区域、发热温度等设计,具有极大的成本优势和经济效益。(The invention discloses an intelligent flexible electric heating system and a preparation method thereof, and the structure at least comprises the following components: the carbon material composite film, flexible conductive electrode, heat conduction membrane and surperficial flexible substrate. This application is through flexible electric heating system of compound preparation method preparation of carbon material composite film and other functional films, excellent electric heating performance has, and it is hard to have avoided the texture that some prior art electric heating pieces of current have simultaneously, the foreign matter sense is obvious, air permeability is poor, and excellent efficiency of generating heat has, resistant performance such as buckling and water-fast washing, the soaking layer structure of its constitution, can be under same consumption, reduce the thermal-arrest effect, obtain bigger heat release area, the structure of punching comes arbitrary regulating resistance, the region that generates heat, design such as the temperature of generating heat, very big cost advantage and economic benefits have.)
技术领域
本发明涉及IPC分类的H05B3/02领域，尤其涉及一种智能柔性电加热系统及其制备方法。
背景技术
热源在人们的生产、生活、科研中起着重要的作用。面热源是热源的一种。面热源为二维结构，将待加热物体置于该二维结构的上方对物体进行加热，因此，面热源可对待加热物体的各个部位同时加热，加热面较大、加热均匀且效率较高。面热源已成功用于工业领域、科研领域或生活领域等，如电加热器、电热毯、红外治疗仪及电暖器等。
近些年来，纺织品领域的面热源系统应用越来越广泛。但是，一些现有技术所制备出的面加热系统还具有较多的技术性问题，例如，线装发热体面热源，使用纤维织物作为柔性承载基体，碳纤维或金属纤维发热体通过缝纫或胶接的方式固定在承载基体上，两层柔性基体夹一层发热体的三明治结构，但其厚度较大质地硬，发热面积相对于产品面积的占比极小，不耐弯折；碳纳米管二维材料面加热系统，使用纤维织物作为柔性承载基体，发热体通过热熔胶复合的方式固定在承载基体上，两层柔性基体夹一层发热体的三明治结构，形成电加热系统，但是其依靠碳纳米管二维材料的范德华力层层结合，电加热片水洗、揉搓性能差，且制备工艺要求较高，需要高温和高危气体环境，成本较高，难以做大发热面积；石墨烯浆料面加热系统，使用PET或PI片材作为承载基体，石墨烯导电浆料印刷至承载基体上，两层基体夹一层发热体的三明治结构，但因PET或PI片材质地较硬，只可弯曲不能折叠、揉搓、洗涤等，柔韧性和舒适性较差。
而一些现有技术中的电加热系统，因为受到其内部的电加热元件的性能影响，不能够做到大面积的均匀发热，且发热面积较小，容易出现冷热交替现象。这些问题对于柔性电加热系统的应用环境、领域以及相应的产品质量等产生较大的负面影响。
例如，现有技术(CN201610013179.3)提供了一种双面高导热能力的厚膜发热元件，申请中通过覆盖层，厚膜涂层和载体的材料的选择，并且通过满足一定的三层结构的传热速率提高电加热系统的传热效率和解决漏电的安全性问题，并且具有两面导热能力，但是其并未能够将电加热发热元件的发热面积进行有效的扩大，从而具有更高效的发热效率，在具有较低的发热元件面积的情况下具有极大的发热面积，有效提供了电加热系统在面料中的适用性。
因此，亟需一种具有优良的柔性、耐水洗、发热面积占比高的柔性电加热系统。本发明申请中通过碳材料复合薄膜与柔性导电电极和导热膜形成的均热层结构，能够有效的将碳材料复合薄膜产生的热量传递到面积更大的导热膜上，使得电加热系统在具有良好的耐折叠和耐弯曲性能的同时具有优异的发热面积，解决了行业痛点；与此同时，本申请还可以对纳米碳复合薄膜进行打孔操作，解决透气性的同时，通过打孔的形状、密度和位置对电加热片的电阻、发热温度和发热区域进行调节，从而提高了电加热片的灵活运用性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明第一方面提供了一种智能柔性电加热系统，结构至少包括：碳材料复合薄膜，柔性导电电极，导热膜和表面柔性基材。
在一些优选的实施方式中，所述碳材料复合薄膜原料至少包含多维碳材料和基体树脂。
在一些优选的实施方式中，所述碳材料复合薄膜表面印刷有导电银浆层；所述导电银浆层的方阻为6～8毫欧；所述导电银浆层的厚度为4～5μm。
在一些优选的实施方式中，所述碳材料复合薄膜具有有序排列的透气穿孔结构。
在一些优选的实施方式中，所述碳材料复合薄膜的透气穿孔结构的大孔方式为激光打孔、模切、冲孔中的至少一种。
在一些优选的实施方式中，所述透气穿孔的形状为圆形、方形、三角形、梯形中的至少一种。
在一些优选的实施方式中，所述透气穿孔的形状为圆形。
在一些优选的实施方式中，所述圆形的直径为0.1～1cm。
在一些优选的实施方式中，所述圆形的直径为0.2～0.4cm。
在一些优选的实施方式中，所述透气穿孔的间距为0.1～1cm。
在一些优选的实施方式中，所述透气穿孔的间距为0.3～0.5cm。
在一些优选的实施方式中，所述纳米碳复合薄膜的方阻为4～10欧姆。
在一些优选的实施方式中，所述纳米碳复合薄膜的厚度为40～80μm。
在一些优选的实施方式中，所述多维碳材料，基体树脂的质量比为6～9：1～4。
在一些优选的实施方式中，所述多维碳材料，热塑性树脂的质量比为8：2。
在一些优选的实施方式中，所述多维碳材料为纳米碳粉、纳米金刚石、多壁碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、还原氧化石墨烯中的至少两种。
在一些优选的实施方式中，所述多维碳材料为纳米碳粉，多壁碳纳米管和石墨烯。
在一些优选的实施方式中，所述纳米碳粉，多壁碳纳米管和石墨烯的质量比为3～4：2～3：1～2。
在一些优选的实施方式中，所述纳米碳粉，多壁碳纳米管和石墨烯的质量比为3.5：2.5：1.5。
在一些优选的实施方式中，所述基体树脂为聚氨酯树脂、酚醛树脂、不饱和脂肪酸树脂，环氧树脂、聚酯树脂中的至少一种。
在一些优选的实施方式中，所述基体树脂为聚氨酯树脂。
在一些优选的实施方式中，所述基体树脂的粘度为15000～25000cps，25℃。
在一些优选的实施方式中，所述聚氨酯树脂的粘度为18000cps，25℃。
在一些优选的实施方式中，所述纳米碳粉的细度为30～80nm。
在一些优选的实施方式中，所述纳米碳粉的细度为50nm。
在一些优选的实施方式中，所述石墨烯的厚度为2～3nm，片径为6～7μm。
在一些优选的实施方式中，所述石墨烯的厚度为3nm，片径为7μm。
在一些优选的实施方式中，所述多壁碳纳米管的直径为12～16nm，长度为70～80μm。
在一些优选的实施方式中，所述多壁碳纳米管的直径为14nm，长度为75μm。
在一些优选的实施方式中，所述柔性导电电极为2条，位于碳材料复合薄膜表面；所述柔性导电电极表面还设置有PET或PI材料的防水保护层。
在一些优选的实施方式中，所述柔性导电电极表面还设置有PET防水保护层。
在一些优选的实施方式中，所述柔性导电电极为导电金属箔、导电布中的至少一种。
在一些优选的实施方式中，所述导热膜为导热硅脂膜、石墨烯导热膜、导热凝胶膜、导热织物膜中的至少一种。
在一些优选的实施方式中，所述导热膜的导热系数为1000～1800w/mk。
在一些优选的实施方式中，所述表面柔性基材为柔性纤维织物、柔性硅胶、蓄热材料中的至少一种。
在一些优选的实施方式中，所述表面柔性基材为柔性纤维织物。
本发明第二方面提供了一种上述智能柔性电加热系统的制备方法，步骤包含以下几步：(1)称取碳材料复合薄膜所需材料高温熔融，压延牵伸成膜，之后膜表面印刷导电银浆，形成导电银浆层；(2)碳材料复合薄膜打孔；(3)在纳米碳复合薄膜的表面贴合柔性导电电极；(4)在柔性导电电极的上方贴合导热膜形成均热层结构；(5)在均热层结构的上下表面各贴合一层表面柔性基材。
在一些优选的实施方式中，所述贴合的方式为热熔胶复合；所述热熔胶为TPU、EVA防水透气膜中的至少一种。
在一些优选的实施方式中，所述热熔胶为TPU。
在一些优选的实施方式中，所述智能柔性电加热系统的多层结构的贴合叠加方式为并排叠加或部分叠加中的至少一种。
在一些优选的实施方式中，所述智能柔性电加热系统中碳材料复合薄膜的面积为导热膜面积的30～60％。
有益效果：
1.本申请中，通过碳材料复合薄膜与其他功能薄膜的复合制备方法制备的柔性电加热系统，具有优异的电加热性能，且同时避免了一些现有技术电加热片所具有的质地硬、异物感明显、透气性能差等缺陷，并具有优异的发热效率，耐弯折和耐水洗等性能，其构建的均热层结构，能够在同样的功耗下，减少集热效应，获得更大的放热面积。
2.本发明申请中，通过多种维度的碳材料的复配，充分发挥多维碳材料之间在基体树脂中的相互填充作用，有效避免了单种碳材料之间的团聚现象，增强复合材料的紧密度，提供了占比更高的发热导电面积。
3.本发明申请中，通过对发热元件，纳米碳复合薄膜，进行激光、模切等打孔操作，解决透气性的同时，通过孔的尺寸排布、形状和数量等的设计与变换，能够改变碳材料膜上的电子传输走向，对电加热片的电阻、发热温度和发热区域进行调节，使得在生产制备过程中，仅需同一种的碳材料膜即可通过打孔的排布和形状的变换而实现多种电阻、多种发热情况的产品，具有极大的经济和使用效益。
4.本发明申请中，通过碳材料复合薄膜与柔性导电电极和导热膜形成的均热层结构，能够有效的将碳材料复合薄膜产生的热量传递到面积更大的导热膜上，使得电加热系统在具有良好的耐折叠和耐弯曲性能的同时具有更大的发热面积，解决了行业痛点。
附图说明
图1为本申请中智能柔性加热系统的结构示意图；
图中：1-表面柔性基材，2-导热膜，3-柔性导电电极，4-柔性导电电极的防水保护层，5-碳材料复合薄膜，6-碳材料复合薄膜通孔。
具体实施方式
实施例1
实施例1第一方面提供了一种智能柔性电加热系统，结构至少包括：碳材料复合薄膜，柔性导电电极，导热膜和表面柔性基材。
碳材料复合薄膜表面还具有导电银浆层，方阻为7毫欧，厚度为4.5μm。
碳材料复合薄膜具有有序排列的圆形透气穿孔结构；圆形透气穿孔结构的圆直径为0.3cm，圆形透气穿孔结构的间距为0.4cm。碳材料复合薄膜的厚度为55μm。
碳材料复合薄膜原料为(以重量份计)：80份多维碳材料，20份聚氨酯树脂。
多维碳材料为纳米碳粉、多碳纳米管和石墨烯，重量比为3.5：2.5：1.5。
聚氨酯树脂的粘度为18000cps，25℃。
纳米碳粉的细度为50nm。
石墨烯的厚度为3nm，片径为7μm。
多壁碳纳米管的直径为14nm，长度为75μm。
柔性导电电极为2条导电布，位于碳材料复合薄膜表面；所述柔性导电电极表面还设置有PET防水保护层。
导热膜的导热系数为1500w/mk的石墨烯导热膜。
表面柔性基材为聚丙烯腈柔性纤维织物。
本实施例第二方面提供了一种上述智能柔性电加热系统的制备方法，步骤包含以下几步：(1)称取碳材料复合薄膜所需材料高温熔融，压延牵伸成膜，之后膜表面印刷导电银浆，形成导电银浆层；(2)碳材料复合薄膜打孔；(3)在纳米碳复合薄膜的表面贴合柔性导电电极；(4)在柔性导电电极的上方贴合导热膜形成均热层结构；(5)在均热层结构的上下表面各贴合一层表面柔性基材。
所述贴合的方式为热熔胶复合；所述热熔胶为TPU。
所述智能柔性电加热系统的多层结构的贴合叠加方式为并排叠加；其中碳材料复合薄膜的面积为导热膜面积的50％。
本实施例中，导电银浆为慧州市腾辉科技有限公司出售的导电银浆产品。
本实施例中，纳米碳粉、多碳纳米管和石墨烯为上海肖晃纳米科技有限公司出售的纳米碳粉、多碳纳米管和石墨烯产品。
本实施例中，聚氨酯树脂为安徽中恩化工有限公司出售的平均粘度为18000cps，25℃的聚氨酯树脂产品。
本实施例中，导电布为苏州八钻新材料科技有限公司出售的黑色导电布产品。
本实施例中，石墨烯导热膜为深圳市麦积高新科技有限公司出售的导热系数为1500w/mk的石墨烯导热膜产品。
本实施例中，聚丙烯腈柔性纤维织物为沈阳艾瑞特特种工程材料有限公司出售的聚丙烯腈柔性纤维织物产品。
本实施例中，TPU为东莞市品塑高分子科技有限公司出售的熔融TPU产品。
实施例2
本实施例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：聚氨酯树脂的粘度为15000cps，25℃。
实施例3
本实施例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：纳米碳粉的细度为80nm。
对比例1
本对比例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：聚氨酯树脂的粘度为5000cps，25℃。
对比例2
本对比例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：纳米碳粉的细度为200nm。
对比例3
本对比例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：纳米碳粉，多壁碳纳米管和石墨烯的质量比为1：2.5：5。
性能评价
1.方阻值：对所有实施例和对比例制得的碳材料复合膜的方阻值通过方阻测试仪进行测试，每个实施例对比例测试5个试样，测得的数值的平均值记入表1。
2.弯曲折叠性：对所有实施例和对比例制得的大面积柔性电加热片料裁剪成5cmx5cm大小的样片，进行样片的对折测试，每个样片对折100次，观察100次之后，样品表面是否有明显的折痕和断裂情况，观察的情况记入表1。
3.耐水洗性：对所有实施例和对比例制得的大面积柔性电加热片料裁剪成20cmx20cm大小的样片，进行样片的水洗测试，测试方法参考GB/T 13769-2009和GB/T8629-2017，清洗次数为100次，观察加热片的工作情况，观察的情况记入表1。
表1
通过实施例1～3、对比例1～3和表1可以得知，本发明提供的一种智能柔性电加热系统及其制备方法，制备出的柔性电加热系统具有优异的质地感和柔软手感，且还具有优异的耐水洗性，耐弯曲折叠性和发热效果，并且有效增广了电加热系统的加热面积，适宜在纺织品领域推广，具有广阔的发展前景。其中实施例1在具有最佳的原料配比和制备工艺等因素下获得了最佳性能指数。
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