電阻發熱元件及其製作方法與流程
2023-07-23 18:44:46 2
本發明涉及加熱裝置，特別是涉及電阻發熱元件及其製作方法。
背景技術：
加熱膜包括電阻發熱體，相關絕緣保護材料，引出電極等組成。電阻發熱體是其核心部件，是一種薄膜狀電阻，通過施加電壓，即可產生熱量。加熱膜是面狀發熱材料，其適應性好，可廣泛應用於工業、交通防霧除冰，恆溫控制，家庭取暖，人體理療，可穿戴發熱設備等。
製作電阻發熱體的材料種類繁多，例如金屬漿料、金屬納米線、導電金屬氧化物、石墨、炭黑、碳纖維、碳納米管、石墨烯等。對於大多數加熱場合，需要加熱的物體是在加熱膜的一側的，例如鋪設在底板上的地暖，需要加熱的是地暖上面的空氣和處於其中的人體，而另一面則需要儘可能進行保溫處理，以減少熱量損失。又如，電加熱衣服是將加熱膜置於衣服適當位置的夾層中，通電發出紅外輻射使人感覺溫暖，這裡需要的是其朝向人體一面輻射熱量，而另一面如果不作處理其實是浪費了能量。目前，對於加熱膜的電阻發熱體，通常是採用增加保溫層或加入額外的反射層來減少非加熱面的熱量損失。這種方式通常一方面需要增加過多的額外材料，另一方面有效加熱效率仍然不高。
技術實現要素：
基於此，有必要提供一種無需額外採用保溫層或反射層，且加熱效率高的電阻發熱元件。
一種電阻發熱元件，包括依次層疊設置的第一輻射層、中間輻射層和第二輻射層；所述中間輻射層的層數≥0層；
所述第一輻射層、中間輻射層和第二輻射層的原料組成包括電阻材料和粘結劑，其中所述粘結劑的質量佔比為0～90％；所述第一輻射層和第二輻射層的黑度不同。
本發明通過研究發現，目前採用的電阻發熱體中，雖然可選擇的材料較多，但是均採用的是單層、同材料的結構設置。
本發明創新性的通過層疊設置至少兩層輻射層，且表面兩輻射層，即第一輻射層和第二輻射層的黑度不同，由此形成的電阻發熱元件的不同表面具有不同的熱輻射的黑度。在該電阻發熱元件內部，雖然存在不同層的界面，但是因為層疊貼合在一起，熱量傳遞方式主要是熱傳遞，基本可以認為是個等溫體，而表面兩輻射層由於黑度不同，內能更傾向於從黑度較高的表面以熱輻射方式釋放，增加該表面的有效加熱效率，而黑度較低的表面則熱輻射相對較小，具備類似保溫層的效果，節約能耗。與現有技術相比較，無需額外採用保溫層或反射層，且加熱效率高。同時兩種不同材料的層疊還便於實現方塊電阻值大範圍調節。
在其中一個實施例中，包括層疊設置的第一輻射層和第二輻射層；其中，所述第一輻射層的黑度小於所述第二輻射層的黑度。
在其中一個實施例中，所述第一輻射層的黑度小於或等於0.5；所述第二輻射層的黑度大於或等於0.9。
在其中一個實施例中，所述第一輻射層的原料組成包括石墨(電阻材料)和第一粘結劑；所述第二輻射層的原料組成包括碳納米管(電阻材料)和第二粘結劑。
分別採用石墨和碳納米管作為所述第一輻射層和第二輻射層的電阻材料，可使該電阻發熱元件的熱慣性小，微波輻射小，通電升溫迅速、斷電降溫迅速。且在用於加熱的第二輻射層採用碳納米管，利用其高比表面積，使得加熱主要以紅外輻射為主，提高加熱效率。
在其中一個實施例中，所述第一粘結劑在所述第一輻射層中的質量佔比為75～90％；所述第二粘結劑在所述第二輻射層中的質量佔比為75～90％。通過合理設置輻射層中粘結劑的用量，可使該電阻發熱元件具有優異的力學性能。
在其中一個實施例中，所述第一粘結劑和第二粘結劑分別獨立任選自聚四氟乙烯乳液(ptfe乳液)、丁苯乳液、醋酸乙烯-乙烯共聚乳液(vae乳液)、丁腈乳液中的一種或多種。輻射層的黑度與採用的材質有關，本發明進一步對粘結劑的種類進行優選，可在獲得較優異力學性能的同時，保證該電阻發熱元件的發熱效率。
在其中一個實施例中，所述第一粘結劑和第二粘結劑分別獨立任選自聚四氟乙烯乳液(ptfe乳液)、醋酸乙烯-乙烯共聚乳液(vae乳液)、丁腈乳液中的一種或多種。
本發明還提供所述的電阻發熱元件的製作方法，包括如下步驟：
a.將所述電阻材料分散於溶劑中，得電阻材料分散液；然後加入所述粘結劑，製成共混液；
b.將所述第一輻射層、中間輻射層和第二輻射層對應的共混液依次成型，得溼紙幅；
c.對所述溼紙幅進行乾燥，即得所述電阻發熱元件。
在其中一個實施例中，所述乾燥的方法為：於溫度為100～120℃，壓強>1kpa條件下烘乾。
在其中一個實施例中，所述烘乾步驟後再進行燒結：採用紅外加熱至300～370℃燒結。
在其中一個實施例中，該電阻發熱元件的製作方法，包括如下步驟：
a.將石墨分散於溶劑中，得石墨分散液；然後加入所述第一粘結劑，製成第一共混液；同時，將碳納米管分散於溶劑中，得碳納米管分散液，然後加入所述第二粘結劑，製成第二共混液；
b.先將所述第一共混液抽濾成型，得第一溼紙幅；然後將所述第二共混液成型於所述第一溼紙幅之上，得第二溼紙幅；即得溼紙幅；或，
先將所述第二共混液抽濾成型，得第二溼紙幅；然後將所述第一共混液成型於所述第二溼紙幅之上，得第一溼紙幅；即得溼紙幅；
c.對所述溼紙幅進行乾燥，即得所述電阻發熱元件。
本發明還提供一種電加熱膜，包括所述的電阻發熱元件，以及設置於該電阻發熱元件上的引出電極。
在其中一個實施例中，該電加熱膜還包括絕緣保護層，所述絕緣保護層鋪設於所述電阻發熱元件的表面。
與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
本發明創新性的通過層疊設置至少兩層輻射層，且表面兩輻射層的黑度不同，由此形成的電阻發熱元件的不同表面具有不同的熱輻射的黑度，可使內能更傾向於從黑度較高的表面以熱輻射方式釋放，增加該電阻發熱元件的有效加熱效率，而黑度較低的表面則能夠具備類似保溫層的效果，減少熱輻射能量的損失，節約能耗。與現有技術相比較，無需額外採用保溫層或反射層，且加熱效率高。
進一步合理設置所述輻射層的材料種類及配比，本發明的電阻發熱元件在保證發熱效率的同時，還具有熱慣性小，通電升溫迅速、斷電降溫迅速的特點，且力學性能優異。
本發明的電阻發熱元件的製備方法，操作簡單，便於工業應用。
附圖說明
圖1為本發明一實施例製得的電阻發熱元件的發熱原理示意圖；
圖2為本發明一實施例製得的電阻發熱元件的溫度隨時間的變化曲線。
具體實施方式
以下結合具體實施例對本發明的電阻發熱元件及其製作方法作進一步詳細的說明。
本發明實施例中發熱效率的計算方法為：
以實施例1分析估算節能情況，圖1為原理示意圖，其中，工作面即指黑度較大的碳納米管層表面；非工作面即指黑度較小的石墨層表面：
碳納米管層和石墨層的黑度分別為0.94和0.44，假設總輻射能量為100％，有兩個輻射面，工作面的熱輻射加熱效率則為68％，非工作面的熱輻射加熱效率為32％，由於工作面的熱輻射能量是有用的，而非工作面的熱輻射是浪費的，因此可認為有效加熱效率為68％。
相對比，如果是採用對稱膜，兩面的黑度都是0.94，假設總輻射能量為100％，有兩個輻射面，工作面熱輻射加熱效率為50％，非工作面熱輻射加熱效率為50％，有效加熱效率為50％。
本發明實施例中所述的碳納米管分散液和石墨分散液的製備方法，包括如下步驟：
將碳納米管粉體和分散劑pvp(質量比2:1)置於水中，碳納米管濃度為0.4％，經過超聲分散，製得碳納米管分散液。
將可膨脹石墨經過高溫或者微波膨脹，製得膨脹石墨，將膨脹石墨置於水中，高速剪切攪拌後，加入分散劑pvp(質量比5:1)，經過超聲分散，製得石墨分散液。
實施例1
本實施例一種電阻發熱膜的製備方法，包括如下步驟：
(a)碳納米管分散液和ptfe乳液按質量比(絕幹)1:3共混，通過溼法抽濾成型得到碳納米管層；
(b)再加入石墨分散液和ptfe乳液(按絕幹質量比1:3共混)的共混液繼續抽濾，得碳納米層，碳納米管層與石墨層質量比為4：1；
(c)抽濾成型後，所得溼紙幅在110℃環境下受壓(壓強>1kpa)烘乾；烘乾後使用紅外加熱至370℃燒結紙張；通過輥壓，讓石墨面更平整光亮，從而得到雙層電阻發熱膜。
雙層電阻發熱膜的測試厚度為73um，用四探針電阻儀測得方塊電阻為4.89ω/sq。
使用紅外測溫儀測試兩面的發射率，表示黑度，測試結果為：石墨面黑度為0.44，碳納米管面黑度為0.94，有效加熱效率為68％。
測試該雙層電阻發熱膜的力學性能：抗張強度為15mpa。
將所述雙層電阻發熱膜製成電加熱膜：於所述雙層電阻發熱膜上設置引出電極，並在所述雙層電阻發熱膜的表面鋪設絕緣材料層，即可。
實施例2
本實施例一種電阻發熱膜的製備方法，包括如下步驟：
(a)碳納米管分散液和ptfe乳液按質量比(絕幹)1:5共混，通過溼法抽濾成型得到碳納米管層；
(b)在該碳納米管層上噴塗一層石墨分散液，完全遮蓋碳納米管層即可，繼續脫水；
(c)成型後，所得溼紙幅在120℃環境下受壓(壓強>1kpa)烘乾；烘乾後使用紅外加熱至370℃燒結紙張；通過輥壓，讓石墨面更平整光亮，從而得到雙層電阻發熱膜。
雙層電阻發熱膜的測試厚度為65um，用四探針電阻儀測得方塊電阻為5.65ω/sq。
使用紅外測溫儀測試兩面的發射率，表示黑度，測試結果為：石墨面黑度為0.41，碳納米管面黑度為0.94，有效加熱效率為69％。
測試該雙層電阻發熱膜的力學性能：18mpa。
實施例3
本實施例一種電阻發熱膜的製備方法，包括如下步驟：
(a)碳納米管分散液和ptfe乳液按質量比(絕幹)1:9共混，通過溼法抽濾成型得到碳納米管層；
(b)在該碳納米管層上噴塗一層石墨分散液，完全遮蓋碳納米管層即可，繼續脫水；
(c)成型後，所得溼紙幅在120℃環境下受壓(壓強>1kpa)烘乾；烘乾後使用紅外加熱至370℃燒結紙張；通過輥壓，讓石墨面更平整光亮，從而得到雙層電阻發熱膜。
雙層電阻發熱膜的測試厚度為76um，用四探針電阻儀測得方塊電阻為10.62ω/sq。
使用紅外測溫儀測試兩面的發射率，表示黑度，測試結果為：石墨面黑度為0.41，碳納米管面黑度為0.93，有效加熱效率為69％。
測試該雙層電阻發熱膜的力學性能：16mpa。
實施例4
本實施例一種電阻發熱膜的製備方法，包括如下步驟：
(a)石墨分散液和丁苯乳液按質量比(絕幹)1:4共混，通過溼法抽濾成型得到碳納米管層；
(b)再倒入的碳納米管分散液和丁苯乳液(按絕幹質量比1:4共混)的共混液繼續抽濾，得碳納米層，石墨層和碳納米管層質量比為5：1；
(c)抽濾成型後，所得溼紙幅在120℃環境下受壓(壓強>1kpa)烘乾；烘乾後，通過輥壓，讓石墨面更平整光亮，從而得到雙層電阻發熱膜。
雙層電阻發熱膜的測試厚度為51um，用四探針電阻儀測得方塊電阻為0.89ω/sq。
使用紅外測溫儀測試兩面的發射率，表示黑度，測試結果為：石墨面黑度為0.47，碳納米管面黑度為0.93，有效加熱效率為66％。
測試該雙層電阻發熱膜的力學性能：抗張強度16mpa。
實施例5
本實施例一種電阻發熱膜的製備方法，包括如下步驟：
(a)碳納米管分散液，通過溼法抽濾成型得到碳納米管層；
(b)在該碳納米管層上噴塗一層石墨分散液，完全遮蓋碳納米管層即可，繼續脫水；
(c)成型後，所得溼紙幅在120℃環境下受壓(壓強>1kpa)烘乾；烘乾後使用紅外加熱至300℃處理紙張；通過輥壓，讓石墨面更平整光亮，從而得到雙層電阻發熱膜。
雙層電阻發熱膜的測試厚度為45um，用四探針電阻儀測得方塊電阻為1.02ω/sq。
使用紅外測溫儀測試兩面的發射率，表示黑度，測試結果為：石墨面黑度為0.42，碳納米管面黑度為0.96，有效加熱效率為69％。
測試該雙層電阻發熱膜的力學性能：抗張強度10mpa。
另外對該雙層電阻發熱膜進行恆壓通電(環境溫度24℃)，測試通電後溫度，和斷電後溫度，得到如圖2所示溫度隨時間的變化曲線：通電後，約3s升溫至341℃；之後達到發熱和散熱平衡，溫度保持平穩；之後斷電，約6s降至室溫。由此可見升降溫均很快，可見其溫度慣性小。
實施例6
本實施例一種電阻發熱膜的製備方法，包括如下步驟：
(a)石墨分散液和丁苯乳液按質量比(絕幹)1:3共混，通過溼法抽濾成型得到石墨層；
(b)抽乾後，再倒入的碳納米管和丁苯乳液(按絕幹質量比1:3共混)的共混液繼續抽濾，得碳納米管層，石墨層和碳納米管層質量比為5：1；
(c)抽濾成型後，所得溼紙幅在120℃環境下受壓(壓強>1kpa)烘乾；烘乾後，通過輥壓，讓石墨面更平整光亮，從而得到雙層電阻發熱膜。
雙層電阻發熱膜的測試厚度為51um，用四探針電阻儀測得方塊電阻為0.92ω/sq。
使用紅外測溫儀測試兩面的發射率，表示黑度，測試結果為：石墨面黑度為0.46，碳納米管面黑度為0.93，有效加熱效率為69％。
測試該雙層電阻發熱膜的力學性能：抗張強度15mpa。
實施例7
本實施例一種電阻發熱膜的製備方法，包括如下步驟：
(a)碳納米管分散液和vae乳液按質量比(絕幹)1:9共混，通過溼法抽濾成型得到碳納米管層；
(b)在該碳納米管層上噴塗一層石墨分散液和vae乳液(按絕幹質量比1:9共混)的共混液，完全覆蓋碳納米管層即可；
(c)抽濾成型後，所得溼紙幅在100℃環境下受壓(壓強>1kpa)烘乾；烘乾後，通過輥壓，讓石墨面更平整光亮，從而得到雙層電阻發熱膜。
雙層電阻發熱膜的測試厚度為45um，用四探針電阻儀測得方塊電阻為80ω/sq。
使用紅外測溫儀測試兩面的發射率，表示黑度，測試結果為：石墨面黑度為0.48，碳納米管面黑度為0.91，有效加熱效率為65％。
測試該雙層電阻發熱膜的力學性能：抗張強度20mpa。
實施例8
本實施例一種電阻發熱膜的製備方法，包括如下步驟：
(a)碳納米管分散液和丁腈乳液按質量比(絕幹)1:9共混，通過溼法抽濾成型得到碳納米管層；
(b)在該碳納米管層上噴塗一層石墨分散液和丁腈乳液(按絕幹質量比1:9共混)的共混液，完全覆蓋碳納米管層即可；
(c)抽濾成型後，所得溼紙幅在100℃環境下受壓(壓強>1kpa)烘乾；烘乾後，通過輥壓，讓石墨面更平整光亮，從而得到雙層電阻發熱膜。
雙層電阻發熱膜的測試厚度為45um，用四探針電阻儀測得方塊電阻為120ω/sq。
使用紅外測溫儀測試兩面的發射率，表示黑度，測試結果為：石墨面黑度為0.47，碳納米管面黑度為0.90，有效加熱效率為65％。
測試該雙層電阻發熱膜的力學性能：16mpa。
以上所述實施例的各技術特徵可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特徵所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特徵的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的範圍。
以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。