一种远红外电热膜及其制备方法和电热器

技术领域

本发明涉及电热膜技术领域，特别涉及一种远红外电热膜及其制备方法和电热器。

背景技术

电热膜是一种通电后能发热的半透明聚酯薄膜，工作时以电热膜为发热体，将热量以辐射的形式送入空间，使人体和物体首先得到温暖，其综合效果优于传统的供暖方式。相较于传统的导电发热材料（如金属导体材料），近年来被研发出来的电热膜由于其具备电热转换效率高，使用寿命长，且其会发射出远红外线等的优点而日益受到人们的关注。

利用例如石墨烯膜层发热的薄膜发热片相对于线圈式电阻器机械构成发热或/与例如暖暖包的化学反应发热包，更适合人体使用且具有能重复使用的环保特性，薄型化易于贴附使用并且小型化能够方便携带或能夹附于衣物中。市场上现有电热膜技术和产品都普遍存在无法均匀发热，使用上容易烫伤人体，并且具有漏电的危险，还不能防水，发热效率也不够高等质量问题。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种远红外电热膜，旨在提高远红外电热膜的性能。

为实现上述目的，本发明提出的一种远红外电热膜，包括：

基底，所述基底具有上表面和下表面；

隔热层，所述隔热层设置于所述基底上表面；

石墨烯发热层，所述石墨烯发热层设置于所述隔热层上，所述石墨烯发热层按质量分数配比包括：石墨烯15%~40%，聚吡咯10%~30%，分散剂5%~15%，固化剂10%~20%，流平剂5%~10%；

绝缘层，所述绝缘层设置于所述石墨烯发热层上；

防水层，所述防水层设置于所述绝缘层上，并包裹所述远红外电热膜的侧面；

保护层，所述保护层设置于所述防水层上。

可选地，所述石墨烯发热层按质量分数还包括5%~10%的氧化银。

可选地，所述石墨烯发热层按质量分数还包括：5%~20%的氧化锰和/或氧化锌。

可选地，所述石墨烯发热层按质量分数还包括10%~20%的碳化硼、氮化硼和/或磷化硼。

可选地，所述固化剂为氟硼酸、氧化铝、氯化镉中的一种或多种。

可选地，所述隔热层为玻璃纤维、石棉、岩棉、硅酸盐、聚苯板、气凝胶毡或真空板中的任一种。

本发明还提供一种远红外电热膜的制备方法，包括：

提供一基底，所述基底具有上表面和下表面；

在所述基底上表面粘接隔热层；

按质量分数配比称取石墨烯15%~40%，聚吡咯10%~30%，分散剂5%~15%，固化剂10%~20%，流平剂5%~10%，并将所称取的各成分混合制成浆料；

在所述隔热层上附着所述制成的浆料，得到石墨烯发热层；

在所述石墨烯发热层上粘接绝缘层；

在所述绝缘层上和所述远红外电热膜的侧面涂覆防水层；

在所述防水层上设置保护层。

可选地，采用喷涂、沉积或者蒸镀方法将所述制成的浆液附着于基底上。

可选地，所述基底为绝缘陶瓷或绝缘金属。

本发明还提供一种电热器，所述电热器上制作有采用上述的制备方法得到的远红外电热膜。

本发明技术方案一方面通过改变远红外电热膜的结构，在基底上增加隔热层，防止石墨烯发热层产生的热向基底层扩散，并且在绝缘层上增加防水层，防水层包裹远红外电热膜的侧面，从而提高远红外电热膜的防水性能；另一方面通过改变石墨烯发热层的配方，增加导电材料聚吡咯，使得石墨烯发热层的发热效率更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明远红外电热膜的结构示意图；

图2为本发明远红外电热膜的制备方法流程示意图。

附图标号说明：

1：基底；3：隔热层；5：石墨烯发热层；7：绝缘层；9：防水层；11：保护层。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种远红外电热膜，该远红外电热膜的防水性能好，导热性能好。

参照图1，图1为本发明远红外电热膜的结构示意图，在本发明实施例中，该远红外电热膜，包括：基底1，所述基底1具有上表面和下表面；隔热层3，所述隔热层3设置于所述基底1上表面；石墨烯发热层5，所述石墨烯发热层5设置于所述隔热层3上，所述石墨烯发热层5按质量分数配比包括：石墨烯15%~40%，聚吡咯10%~30%，分散剂5%~15%，固化剂10%~20%，流平剂5%~10%；绝缘层7，所述绝缘层7设置于所述石墨烯发热层5上；防水层9，所述防水层9设置于所述绝缘层7上，并包裹所述远红外电热膜的侧面；保护层11，所述保护层11设置于所述防水层9上。

本发明技术方案一方面通过改变远红外电热膜的结构，在基底1上增加隔热层3，防止石墨烯发热层5产生的热向基底1扩散，并且在绝缘层7上增加防水层9，防水层9包裹远红外电热膜的侧面，从而提高远红外电热膜的防水性能；另一方面通过改变石墨烯发热层5的配方，增加导电材料聚吡咯，使得石墨烯发热层5的发热效率更高。

具体的，基底1作为载体起到支撑所述远红外电热膜的作用，基底1的选择一般需要考虑其绝缘性、热导率和弹性模量。基底1应该具有良好的绝缘性，以保证在石墨烯发热层5中形成良好的载流子通路；对于远红外电热膜，其属于面外型热电器件，即其热量是向外辐射的，基底1还应该具有低的热导率，以防止石墨烯发热层5产生的热量从基底1扩散出去；弹性模量表征材料抵抗形变能力的大小，模量越大，材料的刚性就越大，而柔性就越小。

可选地，基底1可以为刚性材料，例如，所述基底1为绝缘陶瓷或绝缘金属，基底1的刚性决定了远红外电热膜的刚性，这样的刚性远红外电热膜可以应用于电热板、养生杯垫以及电磁炉等电热器中。

可选地，基底1也可以为柔性材料，基底1的柔性决定了远红外电热膜的柔性，例如，所述基底1可以为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯和环氧树脂材料等，这样的柔性远红外电热膜可以应用于地暖、围脖以及马桶坐垫加热等场景。

具体的，隔热层3的作用是防止石墨烯发热层5产生的热量向基底1传导，通过设置隔热层3可以进一步减少石墨烯发热层5的热量损失，提高远红外电热膜的发热效率。

可选地，所述隔热层3可以为玻璃纤维、石棉、岩棉、硅酸盐、聚苯板、气凝胶毡或真空板中的任一种。具体的，聚苯板，又叫EPS板，不仅保温效果很好，而且价格也比较适中，唯一的缺点就是强度不够，适于应用于柔性远红外电热膜。岩棉板虽然保温效果并不是很好，但是具备防水、阻燃等功效。气凝胶毡常温下导热系数0.018W/(K·m)，厚度2mm~10mm，白色或蓝色，柔性毡，适于应用于柔性远红外电热膜，也可根据要求定制成硬性板状材料，适用于刚性远红外电热膜。

具体的，石墨烯发热层5是远红外电热膜的核心层，石墨烯发热层5连接电源，产生热量，石墨烯具有良好的导电、导热性能。本发明实施例的石墨烯远红外电热膜可以促进和改善血液循环远红外线能够深入人体的皮下组织，使皮下深层皮肤温度上升，扩张微血管，促进血液循环，复活酵素，强化血液及细胞组织代谢；还可以增强身体活力，石墨烯电热膜远红外线深透力可达肌肉关节深处，使身体内部温暖，放松肌肉，带动微血管网的氧气及养分交换，排除体内积存的疲劳物质和乳酸等老化废物，对消除内肿、缓和酸痛的效果卓越。

可选地，所述石墨烯发热层5的厚度为20~40um。优先地，所述石墨烯发热层5的厚度为30um。

可选地，本发明实施例的远红外电热膜通过在石墨烯发热层5中添加聚吡咯，聚吡咯为导电聚合物质，经吡咯单体聚合而成，提高石墨烯发热层5的导电性，从而提高发热效率，聚吡咯无毒，保证远红外电热膜的安全性。

可选地，所述石墨烯发热层5还包括5%~10%的氧化银，氧化银通常作为氧化银电池的电极材料，导电性能好，通过添加氧化银进一步提高石墨烯发热层5的导电性能，提高发热效率。

可选地，所述石墨烯发热层5还包括5%~20%的氧化锰和/或氧化锌，氧化锰和氧化锌为负温度系数热敏电阻，其电阻值随温度增大而减小。由于石墨烯发热层5在通电发热过程中会产生较高的温度，以向外辐射，通过添加氧化锰和/或氧化锌可以使得石墨烯发热层5在工作产生高温的时候依然具有优良的导电性，提高发热效率，提高远红外电热膜的可靠性，延长器件使用寿命。

可选地，所述石墨烯发热层5还包括10%~20%的碳化硼和/或氮化硼和/或磷化硼。碳化硼、氮化硼和磷化硼为耐高温材料，石墨烯发热层5添加耐高温材料可以提高器件的可靠性，提高远红外电热膜的耐热性能，防止自燃，使得器件在高温工作条件下不易损坏。

可选地，所述固化剂为氟硼酸、氯化镉中的一种或多种。

可选地，所述分散剂为低分子蜡，或3-氨丙基三乙氧基硅烷。

可选地，所述流平剂为有机硅类流平剂或丙烯酸类流平剂的一种或两种混合物。

具体的，所述绝缘层7设置在所述石墨烯发热层5上，以提高远红外电热膜的绝缘性能，防止发生漏电情况，提高远红外电热膜的安全性。可选地，所述绝缘层7为芳族聚酰胺，芳族聚酰胺具有良好的绝缘能力。

具体的，通过将防水层9设置在绝缘层7上，并且防水层9包裹远红外电热膜的侧面，使得本发明实施例的远红外电热膜不仅能够在正面防水，而且还能提高侧面的防水性能，提高产品的整体防水性能，使得本发明实施例的远红外电热膜泡水不损坏。

优选地，所述防水层9的厚度为10~30um，防水性能好，且节约成本。

具体的，保护层11用于防止远红外电热膜被刮伤，影响器件性能，如果不设置保护层11，外层的防水层9刮损丧失防水的能力，降低远红外电热膜的防水性能。

本发明还提出一种远红外电热膜的制备方法，请参阅图2，包括：

提供一基底，所述基底具有上表面和下表面；

在所述基底上表面粘接隔热层；

按质量分数配比称取石墨烯15%~40%，聚吡咯10%~30%，分散剂5%~15%，固化剂10%~20%，流平剂5%~10%，并将所称取的各成分混合制成浆料；

在所述隔热层上附着所述制成的浆料，得到石墨烯发热层；

在所述石墨烯发热层上粘接绝缘层；

在所述绝缘层上和所述远红外电热膜的侧面涂覆防水层；

在所述防水层上设置保护层。

具体的，基底作为载体起到支撑所述远红外电热膜的作用，基底的选择一般需要考虑其绝缘性、热导率和弹性模量。基底应该具有良好的绝缘性，以保证在石墨烯发热层中形成良好的载流子通路；对于远红外电热膜，其属于面外型热电器件，即其热量是向外辐射的，基底还应该具有低的热导率，以防止石墨烯发热层产生的热量从基底扩散出去；弹性模量表征材料抵抗形变能力的大小，模量越大，材料的刚性就越大，而柔性就越小。

可选地，基底可以为刚性材料，例如，所述基底为绝缘陶瓷或绝缘金属，基底的刚性决定了远红外电热膜的刚性，这样的刚性远红外电热膜可以应用于电热板、养生杯垫以及电磁炉等电热器中。

可选地，基底也可以为柔性材料，基底的柔性决定了远红外电热膜的柔性，例如，所述基底可以为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯和环氧树脂材料等，这样的柔性远红外电热膜可以应用于地暖、围脖以及马桶坐垫加热等场景。

具体的，隔热层的作用是防止石墨烯发热层产生的热量向基底传导，通过设置隔热层可以进一步减少石墨烯发热层的热量损失，提高远红外电热膜的发热效率。

可选地，所述隔热层可以为玻璃纤维、石棉、岩棉、硅酸盐、聚苯板、气凝胶毡或真空板中的任一种。具体的，聚苯板，又叫EPS板，不仅保温效果很好，而且价格也比较适中，唯一的缺点就是强度不够，适于应用于柔性远红外电热膜。岩棉板虽然保温效果并不是很好，但是具备防水、阻燃等功效。气凝胶毡常温下导热系数0.018W/(K·m)，厚度2mm~10mm，白色或蓝色，柔性毡，适于应用于柔性远红外电热膜，也可根据要求定制成硬性板状材料，适用于刚性远红外电热膜。

具体的，石墨烯发热层是远红外电热膜的核心层，石墨烯发热层连接电源，产生热量，石墨烯具有良好的导电、导热性能。本发明实施例的远红外电热膜制备方法得到的石墨烯远红外电热膜可以促进和改善血液循环远红外线能够深入人体的皮下组织，使皮下深层皮肤温度上升，扩张微血管，促进血液循环，复活酵素，强化血液及细胞组织代谢；还可以增强身体活力，石墨烯电热膜远红外线深透力可达肌肉关节深处，使身体内部温暖，放松肌肉，带动微血管网的氧气及养分交换，排除体内积存的疲劳物质和乳酸等老化废物，对消除内肿、缓和酸痛的效果卓越。

可选地，采用喷涂、沉积或者蒸镀方法将所述制成的浆液附着于基底上。所述石墨烯发热层的厚度为20~40um。优先地，所述石墨烯发热层的厚度为30um。

可选地，本发明实施例的远红外电热膜的制备方法通过在石墨烯发热层中添加聚吡咯，聚吡咯为导电聚合物质，经吡咯单体聚合而成，提高石墨烯发热层的导电性，从而提高发热效率，聚吡咯无毒，保证远红外电热膜的安全性。

可选地，所述石墨烯发热层还包括5%~10%的氧化银，氧化银通常作为氧化银电池的电极材料，导电性能好，通过添加氧化银进一步提高石墨烯发热层的导电性能，提高发热效率。

可选地，所述石墨烯发热层还包括5%~20%的氧化锰和/或氧化锌，氧化锰和氧化锌为负温度系数热敏电阻，其电阻值随温度增大而减小。由于石墨烯发热层在通电发热过程中会产生较高的温度，以向外辐射，通过添加氧化锰和/或氧化锌可以使得石墨烯发热层在工作产生高温的时候依然具有优良的导电性，提高发热效率，提高远红外电热膜的可靠性，延长器件使用寿命。

可选地，所述石墨烯发热层还包括10%~20%的碳化硼和/或氮化硼和/或磷化硼。碳化硼、氮化硼和磷化硼为耐高温材料，石墨烯发热层添加耐高温材料可以提高器件的可靠性，提高远红外电热膜的耐热性能，防止自燃，使得器件在高温工作条件下不易损坏。

可选地，所述固化剂为氟硼酸、氯化镉中的一种或多种。

可选地，所述分散剂为低分子蜡或3-氨丙基三乙氧基硅烷。

可选地，所述流平剂为有机硅类流平剂或丙烯酸类流平剂的一种或两种混合物。

具体的，所述绝缘层设置在所述石墨烯发热层上，以提高远红外电热膜的绝缘性能，防止发生漏电情况，提高远红外电热膜的安全性。可选地，所述绝缘层为芳族聚酰胺，芳族聚酰胺具有良好的绝缘能力。

具体的，通过将防水层设置在绝缘层上，并且防水层包裹远红外电热膜的侧面，使得本发明实施例的远红外电热膜制备方法得到的远红外电热膜不仅能够在正面防水，而且还能提高侧面的防水性能，提高产品的整体防水性能，使得本发明实施例得到的远红外电热膜泡水不损坏。

优选地，所述防水层的厚度为10~30um，防水性能好，且节约成本。

具体的，保护层用于防止远红外电热膜被刮伤，影响器件性能，如果不设置保护层，外层的防水层刮损丧失防水的能力，降低远红外电热膜的防水性能。

本发明还提出一种电热器，该电热器上制作有上述制备方法得到的远红外电热膜，该远红外电热膜的具体结构参照上述实施例，由于本电热器采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

下面将结合具体实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

本实施例提供的一种远红外电热膜的制备方法如下：

提供一基底，所述基底具有上表面和下表面；

在所述基底上表面粘接隔热层；

按质量分数配比称取石墨烯15%，聚吡咯10%，分散剂5%，固化剂10%，流平剂5%，并将所称取的各成分混合制成浆料；

在所述隔热层上沉积所述制成的浆料，得到石墨烯发热层；

在所述石墨烯发热层上粘接绝缘层；

在所述绝缘层上和所述远红外电热膜的侧面涂覆防水层，所述防水层的厚度为10um；

在所述防水层上设置保护层，制备得到实施例的远红外电热膜。

实施例2

本实施例与实施例1的区别仅在于石墨烯发热层按质量分数配比为石墨烯25%，聚吡咯20%，分散剂10%，固化剂15%，流平剂7%，并且所述防水层的厚度为30um，其它步骤与实施例1相同，在此不再赘述。

实施例3

本实施例与实施例1的区别仅在于石墨烯发热层按质量分数配比为石墨烯40%，聚吡咯30%，分散剂15%，固化剂20%，流平剂10%，并且所述防水层仅设置在所述绝缘层之上，没有包裹远红外电热膜的侧面，其它步骤与实施例1相同，在此不再赘述。

实施例4

本实施例与实施例1的区别仅在于石墨烯发热层按质量分数配比还包括5%的氧化银，其它步骤与实施例1相同，在此不再赘述。

实施例5

本实施例与实施例3的区别仅在于石墨烯发热层按质量分数配比还包括10%的氧化银和20%的碳化硼，其它步骤与实施例3相同，在此不再赘述。

实施例6

本实施例与实施例4的区别仅在于石墨烯发热层按质量分数配比还包括5%的氧化锰，其它步骤与实施例4相同，在此不再赘述。

实施例7

本实施例与实施例4的区别仅在于石墨烯发热层按质量分数配比还包括20%的氧化锰，其它步骤与实施例4相同，在此不再赘述。

实施例8

本实施例与实施例5的区别仅在于石墨烯发热层按质量分数配比还包括5%的氧化锰，其它步骤与实施例5相同，在此不再赘述。

实施例9

本实施例与实施例1的区别仅在于石墨烯发热层按质量分数配比还包括15%的碳化硼，其它步骤与实施例1相同，在此不再赘述。

实施例10

本实施例与实施例6的区别仅在于石墨烯发热层按质量分数配比还包括15%的碳化硼，其它步骤与实施例6相同，在此不再赘述。

试验例1 防水等级实验

按GB 4208-2008《外壳防护等级》规定的方法对上述实施例的远红外电热膜进行防水等级实验，其中浸水时间为72h，溶液为1%的氯化钠水溶液。

试验例2 电-热辐射转换率实验

按照GB/T 7287-2008 《红外辐射加热器实验方法》对上述实施例的远红外电热膜进行电-热辐射转换率实验。

试验例3 耐热、耐燃实验

按GB 4706.82-2008《家用和类似用途电器的安全房间加热用软片加热元件的特殊要求》第三十章规定的方法对上述实施例的远红外电热膜进行耐热、耐燃实验。

实验结果

各试验结果如表1所示，表1为上述各实施例远红外电热膜性能检验结果，包括防水等级结果、电-热辐射转换率结果以及耐热度结果。

从表1 可得出，本发明的远红外电热膜的防水层为10um厚度时，远红外电热膜的防水等级为IPX 7，即在规定的条件下远红外电热膜即使浸在水中水也不会进入器件内部，防水性能好。当防水层为30um厚时，远红外电热膜的防水等级为IPX 9，即该红外电热膜在相对湿度大于90%的湿气环境下一样能使用，防水性能最好。而当实施例3中的防水层没有包裹远红外电热膜的侧面时，其防水等级为IPX 3，即仅能防护垂直方向上的水的影响，不能对任一方向的水都进行防护，防水性能较差。

远红外电热膜的电-热辐射转换率跟发热层的导电性相关，从表1中看出，本发明方案中，石墨烯发热层包括石墨烯和聚吡咯时，其电-热辐射转换率能达到80%以上，且随着石墨烯和聚吡咯的质量分数增大，电-热辐射转换率增大。当石墨烯发热层包括石墨烯、聚吡咯和氧化银时，其电-热辐射转换率相较于不包括氧化银的远红外电热膜增大，且随着氧化银的质量分数越大，电-热辐射转换率也越大。当石墨烯发热层包括石墨烯、聚吡咯、氧化银和氧化锰时，其电-热辐射转换率相较于不包括氧化银和氧化锰的远红外电热膜增大，且随着氧化银和氧化锰的质量分数越大，电-热辐射转换率也越大。

碳化硼作为耐高温材料增加了远红外电热膜的耐热温度，本发明方案通过设置隔热层，使得远红外电热膜的耐热温度达到150℃以上，然而当在石墨烯发热层添加碳化硼时，例如实施例5、实施例8、实施例9以及实施例10 ，相应的远红外电热膜的耐热温度可以达到近180℃，大大提高了远红外电热膜的耐热、阻燃性能。

以上实验结果证明，本发明实施例提供的远红外电热膜通过改进其结构，以及石墨烯发热层的配方，大大提高了远红外电热膜的性能。

表1. 各实施例远红外电热膜性能检验结果

以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。