石墨烯/碳纳米结构加热元件

技术领域

本公开涉及车辆中的加热元件。

背景技术

电阻加热元件(诸如用于汽车后窗上的除霜器的那些加热元件)可由糊状物制造而成。所述糊状物包括分散在有机载体中的金属银、过渡金属氧化物和玻璃釉料以及其他成分。可通过丝网印刷或其他合适的技术将糊状物沉积到窗户上。然后，加热糊状物以烧结并粘合银和玻璃釉料，从而形成连续的导电路径。

发明内容

根据本公开的示例的物品包括衬底和粘合到所述衬底的电阻加热元件。电阻加热元件由按重量计10％至45％的石墨烯、0.25％至45％的不同于石墨烯的碳纳米结构(CNS)材料和其余部分玻璃釉料组成。石墨烯和CNS材料包括将石墨烯和碳纳米结构材料与至少玻璃釉料粘合的偶联剂。

在前述实施例中的任何一个的另一实施例中，所述衬底是玻璃窗。

前述实施例中的任何一个的另一实施例包括20％至30％的所述石墨烯、5％至20％的所述碳纳米结构材料以及所述其余部分玻璃釉料。

在前述实施例中的任何一个的另一实施例中，石墨烯具有两个至五个原子层。

在前述实施例中的任何一个的另一实施例中，所述CNS材料包括碳纳米管。

在前述实施例中的任何一个的另一实施例中，所述碳纳米管通过碳分支连接在一起。

在前述实施例中的任何一个的另一实施例中，偶联剂选自由以下组成的组：钛酸盐，硅烷以及它们的组合。

在前述实施例中的任何一个的另一实施例中，偶联剂选自由钛酸盐组成的组。

在前述实施例中的任何一个的另一实施例中，偶联剂是三(二辛基)磷酸根-O-2,2(双2-丙烯氧基甲基)丁醇合钛IV(titanium IV 2,2(bis2-propenolatomethyl)butanolato,tris(dioctyl)phosphato-O)。

在前述实施例中的任何一个的另一实施例中，偶联剂选自由硅烷组成的组。

在前述实施例中的任何一个的另一实施例中，玻璃釉料具有380℃至460℃的熔化温度。

根据本公开的示例的组合物包含按重量计：40％至80％的载液；10％至45％的石墨烯；0.25％至7％的不同于所述石墨烯的碳纳米结构(CNS)材料；10％至50％的玻璃釉料；以及偶联剂，所述偶联剂被配置成将所述石墨烯和所述CNS材料与玻璃釉料粘合。

在前述实施例中的任何一个的另一实施例中，所述载液包括丁基卡必醇醋酸酯、松油醇或乙二醇中的至少一种。

如权利要求13所述的组合物，其还包含增稠剂，所述增稠剂包括乙基纤维素。

如权利要求12所述的组合物，其包含45％至70％的所述载液、20％至30％的所述石墨烯、1％至5％的所述碳纳米结构材料和10％至30％的所述玻璃釉料。

在前述实施例中的任何一个的另一实施例中，石墨烯具有两个至五个原子层。

在前述实施例中的任何一个的另一实施例中，所述CNS材料包括通过碳分支连接在一起的碳纳米管。

在前述实施例中的任何一个的另一实施例中，偶联剂选自由钛酸盐组成的组。

在前述实施例中的任何一个的另一实施例中，偶联剂选自由硅烷组成的组。

在前述实施例中的任何一个的另一实施例中，玻璃釉料具有380℃至460℃的熔化温度。

本公开可单独地或以其任何组合包括上文和/或下文公开的个别特征中的任何一个或多个。

附图说明

根据下面的具体实施方式，本公开的各种特征和优点对于本领域技术人员将变得显而易见。可如下简要描述随附于具体实施方式的附图。

图1示出了具有由具有石墨烯和碳纳米结构材料的糊状物形成的加热元件的物品。

图2示出了物品的一部分的截面视图。

图3示出了偶联剂。

图4示出了呈糊状物形式的组合物。

具体实施方式

图1示意性地示出了物品20。在该示例中，物品20是汽车的后车窗。然而，应当理解，本文的示例可应用于其他最终用途产品，且不限于汽车后车窗。

物品20包括衬底22和一个或多个电阻加热元件24。在该示例中，衬底22是玻璃窗，并且存在粘合在衬底22上的呈细长的相对窄的平行线形式的多个电阻加热元件24。如下面将讨论的，电阻加热元件24利用石墨烯和碳而不是金属银作为导电成分。

图2通过衬底22和电阻加热元件24中的一个示出了制品20的代表性截面视图。在该示例中，电阻加热元件24包括碳层26、粘合的玻璃釉料层28以及它们之间的碳/玻璃层30。碳层26和碳/玻璃层中的碳包括石墨烯和碳纳米结构(CNS)材料，这将在下面更详细地讨论。

电阻加热元件24由按重量计10％至45％的石墨烯、0.25％至45％的CNS材料(不同于石墨烯)和其余部分(诸如，10％至50％的玻璃釉料)组成。石墨烯和CNS材料包括将石墨烯和CNS材料与碳/玻璃层30和玻璃釉料层28中的至少玻璃釉料粘合的偶联剂。例如，图3示出了位于玻璃釉料34的一部分附近的碳结构32的一部分，诸如石墨烯或CNS材料。偶联剂36包括将碳结构32粘合到玻璃釉料34的配体36a。

偶联剂36选自钛酸盐、硅烷或它们的组合。在一个示例中，偶联剂36是三(二辛基)磷酸根-O-2,2(双2-丙烯氧基甲基)丁醇合钛IV，其一种形式可作为LICA 12从Kenrich石油化学公司获得。一种示例硅烷偶联剂可作为BYK-C 8013从BYK Chemicals公司获得。

玻璃釉料层28的玻璃釉料是相对低熔化温度的玻璃。例如，为了在不过度加热衬底22的玻璃的情况下烧结和粘合电阻加热元件24，玻璃釉料具有远低于衬底的玻璃的熔化温度的熔化温度。作为示例，衬底22的玻璃是钠玻璃，并且玻璃釉料具有380℃至460℃的熔化温度。

虽然已知石墨烯是导电的，但是仅将其并入到加热元件中并不能提供与银基电阻加热元件相当的导电性/电阻和耐久性。然而，所选择的碳的类型、偶联剂和电阻加热元件24的处理产生与银基元件相似的性能。

图4示出了用于制作电阻加热元件24的制造过程中的糊状物50。应当了解，虽然本文通过糊状物50的示例展示了所公开的组合物，但是所述组合物可适用于除丝网印刷之外的其他过程。糊状物50的组合物按重量计包含：40％至80％的载液；10％至45％的石墨烯54；0.25％至7％的CNS材料56；10％至50％的玻璃釉料58；以及偶联剂，所述偶联剂用于将石墨烯54和CNS材料与玻璃釉料58粘合。

要制作糊状物50，将石墨烯和CNS材料的起始材料与偶联剂一起添加到高剪切混合器中。起始石墨烯呈石墨烯薄片的形式，所述石墨烯薄片的长度在10至90个百分位数范围内为约5微米至33微米，并且包含大约6至10个石墨烯单层。作为示例，石墨烯薄片可从NanoXplore以名称GrapheneBlack

然后，将涂覆的石墨烯和CNS材料与载液52(最典型地为有机介质)混合以产生油墨。例如，所述载液包括丁基卡必醇醋酸酯、松油醇或乙二醇中的至少一种，但不限于此。通常，载液将包括醇、醇的酯(包括乙酸酯和丙酸酯)、松烯(诸如松油、松油醇等)、树脂(诸如聚甲基丙烯酸酯)的溶液，或乙基纤维素在溶剂(诸如，松油和乙二醇单乙酸酯的单丁醚)中的溶液。载液52还可包括额外成分，诸如但不限于增稠剂和挥发性液体，以促进在印刷到衬底之后的快速固化。一种示例增稠剂包括乙基纤维素。

然后，玻璃釉料58也与油墨混合以形成糊状物50。作为示例，玻璃釉料58是但不限于可从诸如Nippon Glass、Yek Glass或Dragon Glass等来源获得的无铅玻璃。在一个示例中，玻璃釉料58可从YEK Glass以名称YMF 001获得，所述玻璃釉料的粒度为大约10微米至55微米，并且熔化温度为440℃至460℃。

至少在一些情况下，糊状物50可用作制作加热元件24的过程中的银糊状物的简易(drop-in)替代品。举例来说，该过程包括通过180目标准筛网丝网印刷到平坦的未成形的后窗玻璃上。任选地，然后可在约150℃下干燥经印刷的组合物。然后，将玻璃衬底和印刷的糊状物在650℃的空气中加热2分钟至5分钟。在加热之后，通过在模具中压缩使软化的车窗玻璃成形，并且然后通过快速冷却进行淬火。石墨烯、CNS材料和玻璃釉料烧结并由此粘合到玻璃衬底，从而创建连续的导电路径，所述导电路径现在是电阻加热元件24。在加热期间，通过蒸发和热解移除载液和任何乳化剂。

偶联剂有助于石墨烯、CNS材料与玻璃釉料之间的强粘合，这增强了电阻加热元件24的耐久性。所述CNS材料和所述石墨烯的分支的纳米管也有助于所述导电路径的形成。举例来说，来自CNS材料的分支的碳纳米管薄片占据相当大的体积并且容易与石墨烯薄片和其他分支的碳纳米管薄片互连，从而形成连续的电气路径，所述连续的电气路径在加热元件24中产生与由银糊状物生产的加热元件相当的导电性/电阻。另外，糊状物50可比具有相等量的固体的银糊状物更便宜。举例来说，石墨烯和CNS材料具有2.2克/立方厘米的密度，这是银密度的大约20％。因此，对于相同体积的银，糊状物50在按重量计的基础上包含较少的石墨烯和CNS材料，并且因此与银相比，按重量计产生糊状物50的对应减少。

虽然在示出的示例中示出了特征的组合，但是并非需要组合所有特征来实现本公开的各种实施例的益处。换句话说，根据本公开的实施例设计的系统将不一定包括附图中的任何一个中示出的所有特征或附图中示意性地示出的所有部分。此外，一个示例性实施例的所选特征可以与其他示例性实施例的所选特征组合。

前文描述在本质上是示例性的而非限制性的。对所公开的示例的变型和修改不一定脱离本公开，其对于本领域技术人员而言可能变得显而易见。仅可通过研究以下权利要求来确定赋予本公开的法律保护的范围。

根据本发明，提供了一种物品，具有：衬底；以及电阻加热元件，所述电阻加热元件粘合到所述衬底，所述电阻加热元件由按重量计10％至45％的石墨烯、0.25％至45％的不同于石墨烯的碳纳米结构(CNS)材料和其余部分玻璃釉料组成，所述石墨烯和所述CNS材料包括将石墨烯和碳纳米结构材料与至少玻璃釉料粘合的偶联剂。

根据实施例，所述衬底是玻璃窗。

根据实施例，所述物品包含20％至30％的所述石墨烯、5％至20％的所述碳纳米结构材料以及所述其余部分玻璃釉料。

根据实施例，所述石墨烯具有两个至五个原子层。

根据实施例，所述CNS材料包括碳纳米管。

根据实施例，所述碳纳米管通过碳分支连接在一起。

根据实施例，偶联剂选自由以下组成的组：钛酸盐，硅烷以及它们的组合。

根据实施例，偶联剂选自由钛酸盐组成的组。

根据实施例，偶联剂是三(二辛基)磷酸根-O-2,2(双2-丙烯氧基甲基)丁醇合钛IV。

根据实施例，偶联剂选自由硅烷组成的组。

根据实施例，所述玻璃釉料具有380℃至460℃的熔化温度。

根据实施例，提供了一种组合物，具有按重量计：40％至80％的载液；10％至45％的石墨烯；0.25％至7％的不同于所述石墨烯的碳纳米结构(CNS)材料；10％至50％的玻璃釉料；以及偶联剂，所述偶联剂被配置成将所述石墨烯和所述CNS材料与玻璃釉料粘合。

根据实施例，所述载液包括丁基卡必醇醋酸酯、松油醇或乙二醇中的至少一种。

根据实施例，本发明的特征还在于增稠剂，所述增稠剂包括乙基纤维素。

根据实施例，所述组合物包含45％至70％的所述载液、20％至30％的所述石墨烯、1％至5％的所述碳纳米结构材料和10％至30％的所述玻璃釉料。

根据实施例，所述石墨烯具有两个至五个原子层。

根据实施例，所述CNS材料包括通过碳分支连接在一起的碳纳米管。

根据实施例，偶联剂选自由钛酸盐组成的组。

根据实施例，偶联剂选自由硅烷组成的组。

根据实施例，所述玻璃釉料具有380℃至460℃的熔化温度。