一种石墨纸复合加热板及其制备方法与流程

本发明涉及一种基于石墨纸电发热的石墨纸复合加热板及其制备方法。

背景技术：

现有的高温加热膜发热体为刻蚀金属箔形成的线路，金属箔发射率低，因此电热辐射效率较低，无法满足高电热辐射效率电暖装置的需求。发射率指物体的辐射能力与相同温度下黑体的辐射能力之比，也称为辐射率，表征了物体对光的辐射能力。

现有的金属箔加热膜的电热辐射转换效率在20％以下。

金属箔电热膜的主要制作步骤如下：

1、在绝缘膜上覆金属箔；

2、在金属箔上覆感光膜；

3、通过曝光、显影的方法使感光膜图案化；

4、将金属箔放入刻蚀液中刻蚀掉未被保护的区域；

5、在脱膜液中脱去感光膜，在金属箔上覆量一层绝缘膜。

金属箔加热膜工艺步骤较为复杂，且金属箔刻蚀液和脱膜液的使用会对环境造成污染。

石墨纸面向导热率为400-440w/m.k,但石墨纸厚度方向导热率仅为8-12w/m.k，且随着厚度的增加而逐步减小。

中国专利(cn104883760a)公开了以石墨烯薄膜作为发热主体的电热片，石墨烯膜作为发热体容易出现发热不均匀的问题，这是由于石墨烯膜厚度太薄(≈0.34nm)，在制备及加工过程很容易造成破损，石墨烯的方阻不均匀也易造成发热不均；另外，因为石墨烯太薄在大电流工作时容易烧毁，因此较难实现高温加热。

中国专利(cn201520360467.7)公开了以石墨纸和铝板结合木地板制造的复合导热地板，但石墨纸厚度为800μm至1000μm之间，石墨纸面向导热率为400-440w/m.k,但石墨纸厚度方向导热率仅为8-12w/m.k，且随着厚度的增加而逐步减小，因而导热效果不是很好，同时石墨纸厚度大造成对应生产成本高且太厚加工工艺困难，同时没有对石墨纸进行图案化处理，只是简单的夹层结构，没有充分利用石墨烯导热率好的特性。

中国专利(cn201520759944.7)石墨纸加热器与中国专利(cn201520360467.7)类似，只是对石墨纸发热源电流方向长宽尺寸做出简单要求，产品难以满足日益精细化的市场需求。

基于上述问题，在电加热膜片领域，仍急需进一步的探索。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种采用发射率高、发热均匀的石墨纸复合加热板，该加热板可设于墙壁发热、设于地板中发热，等等，应用广泛。

本发明的另一目的是提供上述石墨纸复合加热板的制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：

一种石墨纸复合加热板，包括：

发热膜，包括第一表面和第二表面；

散热板，设置于所述发热膜的第二表面；

所述发热膜包括：

第二绝缘膜，

设置于第二绝缘膜表面的第二树脂胶体层，

设置于第二树脂胶体表面的石墨纸发热层，

设置于石墨纸发热层表面的第一绝缘膜，

设置于第一绝缘膜表面的第一树脂胶体层，

端子，所述端子与石墨纸发热层连接，用于连接电源的正负极；

所述散热板通过第一树脂胶体层与发热膜贴合在一起；

优选地，所述发热膜设有至少一个温度感应器和温度传感器控制模块，所述温度感应器用于感应加热板的温度，通过引线与所述温度传感器控制模块连接，所述温度传感器控制模块与电源连接，用以控制加热板整体温度。

本发明的一个方面，所述石墨纸发热层为pi烧结石墨导热膜、天然石墨导热膜、石墨烯涂布石墨导热膜，优选为pi烧结石墨导热膜。墨导热膜又被大家称为导热石墨片，散热石墨膜，石墨散热膜等等。现有技术中，导热石墨膜是一种新型的导热散热材料，其导热散热的效果是非常明显的，现已经广泛应用于pdp、lcdtv、notebookpc、umpc、flatpaneldisplay、mpu、projector、powersupply、led等电子产品。pi烧结石墨导热膜是指pi膜在一定的压力下高温煅烧石墨化形成的石墨导热膜。优选的，石墨导热膜厚度为20-100μm，例如：20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm，等等；最佳为25μm。

作为本发明的一个方面，所述石墨纸发热层为条形的石墨导热膜按首尾相连的u型图案分布于绝缘膜上，端子分别设于条形的石墨导热膜的两端头。

优选地，所述首尾相连的u型图案的石墨导热膜包括平行的多个竖条部和多个折弯部，相邻竖条部之间形成夹缝。

进一步优选的，所述竖条部的宽度相等，各夹缝的宽度相等；

更进一步优选地，所述竖条部的宽度与夹缝的宽度为(2.5-4)：1，例如：2.5：1，2.6：1，2.7：1，2.8：1，2.9：1，3：1，3.1：1，3.2：1，3.3：1，3.4：1，3.5：1，3.5：1，3.7：1，3.8：1，3.9：1，4：1，等；最佳为3：1。

优选地，所述条形的石墨导热膜的竖条部与折弯部的宽度相等。

进一步优选地，所述发热膜最终升温温度、起始温度、供电电压、条形石墨导热膜的总长度、条形石墨导热膜的宽度、电热膜面积、石墨导热膜的方块电阻符合如下公式：

t＝k·u²·d/(l·s·r)+t，

其中，

t——起始温度，单位为℃；

t——电热膜升温所至最终升温温度，单位为℃；

u——供电电压，单位为v；

d——条形的石墨导热膜的宽度，单位为cm；

l——条形的石墨导热膜发的总长度，单位为cm；

s——电热膜面积，单位为cm²；

r——石墨导热膜方块电阻，单位为ω/□；

k——常数，取值范围为50-400，k取值范围根据电热膜与空气之间的传导系数会有不同，与电热膜与空气之间的传导系数成反比。

优选地，所述条形的石墨导热膜的两端头相邻，最外缘的两竖条部相连，优选的，最外缘的两竖条部相连的折弯部沿绝缘膜的边缘延伸。

进一步优选的，在绝缘膜上设有开孔，将条形的石墨导热膜的两端头布于开孔处。

作为本发明的一个方面，所述散热板采用金属材质，优选铝板或铜板。所述散热板的厚度为20-5000μm，优选500-3000μm；

进一步优选地，所述散热板采用凸起直条纹或斜条纹结构，所述凸起，是一种在不改变板材厚度的前提下，表面凸起，凸起的背面则是凹槽；这种一面凸起一面凹陷的结合，使整个散热板厚度不变，可以更加有效的将石墨纸发射的红外线向周围发散。其中，所述条纹凸起的高度为3-5mm。进一步优选地，两凸起条纹之间的距离是凸起条纹宽度的2-4倍，优选2.5倍。此时，散热效最佳。

作为本发明的一个方面，所述第一树脂胶体层或所述第二树脂胶体层均为透明胶体，优选环氧树脂胶(oca)、热熔胶或双面胶等胶体，厚度均为50-200μm。

作为本发明的一个方面，所述第一绝缘膜或第二绝缘膜选自pet、pen、pc、pi等薄膜，厚度均为20-200μm。

作为本发明的一个方面，所述石墨纸复合加热板还包括反射层，设置于所述发热膜的第一表面，用于接受发热层向其发射的红外线并反射回去。优选地，所述反射层的表面设置有保温层，用于隔绝石墨纸复合发热板与背面物体热隔绝；

作为本发明的一个方面，所述端子处增加金属固定片，固定片用以保护石墨纸端头，降低在加工过程石墨纸端头的损坏，同时方便石墨纸发热层与外部电源更好接触，金属固定片可以为铜片、银片、钢片、镍片等材料中的一种或几种组合。而金属固定片附在石墨纸上，在加热膜后续加工过程中可以起到保护石墨纸的作用。

一种石墨纸复合加热板的制备方法，包括如下步骤：

将石墨纸切成设计好的图案和对位靶标；

将图案化的石墨纸贴合在第二树脂胶体上，然后再贴附第二绝缘膜；

在石墨纸端头处贴附金属固定片；

将第一绝缘膜开孔和制作对位靶标；

将第一绝缘膜与已贴合好第二绝缘膜的石墨纸对位贴合，确保石墨纸端头与第一绝缘膜开孔处对应；

在第一绝缘膜表面贴附第一树脂胶体，裁切成小片外形；

在石墨纸端头处打上金属端子，方便与外部电源连接，发热膜制作完成；

再将发热膜通过第一树脂胶体与散热板贴合；

可选择的，在发热膜背面贴合反射层和保温层；

可选择的，在石墨纸端子处连接温度传感器控制模块，在石墨纸表面设有至少一个薄片式温度感应器，所述温度感应器通过引线与温度传感器控制模块连接。

完成整个石墨纸复合加热板制作，将整个复合加热板连接至目标物体上，完成对目标物体的加热或对整个环境的温度提升。

本发明采用石墨纸作为发热体，取代金属箔发热体，提高了发射率。以铝板等金属板作为散热板，同时具有保护发热体的作用，充分利用石墨纸的高发热效率和铝板的柔韧性，整体置于目标物体的背面，作为目标物体的加热源。同时通过对石墨纸进行精图案化处理，使加热板整体发热均匀，发热温度调整更加精确稳定，适应日益精细化的市场需求。本发明基于中国专利(201610729780.2)一种高温电热膜及其制备方法，采用石墨纸作为发热体，取代金属箔发热体，提高了发射率，通过对石墨纸进行精图案化处理，使加热板整体发热均匀，发热温度调整更加精确稳定，适应日益精细化的市场需求。在该专利基础上在加热体表层增加一层铝板等金属板，作为加热体的散热板，同时具有保护加热体的作用，充分利用石墨纸的高发热效率和铝板的柔韧性，整体置于目标物体的背面，作为目标物体的加热源。在石墨纸精确稳定的发热的同时，利用铝板等金属板作为保护基板，在工作过程中降低加热膜的损坏风险。

进一步的，本发明在加热板背面增加反射层和保温层，反射层负责接受石墨纸发热膜向背面发射的红外线并向表面反射，保温层负责将整体发热板与发热板背面物体隔绝，使整个发热板只能向正面传送热量。同时，可根据需要再增加温度传感器控制模块，根据实际需要通过温度传感器控制模块实时调节加热板温度。

本发明采用石墨纸作为发热层，制作工艺简单，可制作成大尺寸发热板，而不用采用小尺寸发热材料拼接形成大尺寸发热板，减少大尺寸发热板的制作工序，同时添加反射层和保温层，确保整个发热板只能向整面传送热量，提高整个发热板的发热效率，石墨纸发热层结合金属散热板，在保证发热效果的同时，通过金属散热板对石墨纸发热层的保护，降低了石墨纸发热层损坏的风险，提高整个发热板的使用寿命。

本发明采用石墨纸作为发热层，效果如下：

一、充分利用石墨纸发热迅速均匀特点，保证整个发热板发热迅速且均匀，

二、温度控制精准，由于石墨纸方阻只有0.3欧姆左右，方阻均匀性只有不到1％的偏差，而且通过特殊设计对石墨纸进行图案化处理，整个石墨纸发热层在不同电压下温度变化明显，因此通过调控不同电压，可根据实际需求调节整个发热板发热温度，符合现代产品精准控制的要求；

三、由于石墨纸方阻低，因此可根据实际目标产品需要制作不同尺寸的石墨纸复合加热板，加热板尺寸可从1mm*1mm至500mm*500mm，发热均匀性不受影响。

四、相对于金属电热膜，石墨纸发热膜具有更高的发射率和电导率，同时不会像金属电热膜那样在制作过程中对环境造成污染。

产品测试：

实验一：测试通道阻值为54.9ω的复合加热板在室温(22℃)下，在不同电压下的整体升温速率和均匀性。

实验二：测试通道阻值为55.3ω的复合加热板在室温(22℃)下，在不同电压下的整体升温速率和均匀性。

说明书附图

图1是实施例1发热板的结构示意图；

图2是发热膜的结构示意图；

图3是实施例2的发热板的结构示意图；

图4是发热膜设计外形图(一)；

图5是发热膜设计外形图(二)；

图6是石墨纸端头结构示意图；

图7是石墨纸端头金属片示意图；

图8是散热板的结构示意图(直条纹凸起)；

图9是图8的左视图；

图10是散热板的结构示意图(斜条纹凸起)；

图11是本发明加热板温度控制装置的示意图；

其中，1-发热膜，101-第一表面，102-第二表面，11-第二绝缘膜，12-第二树脂胶体层，13-石墨纸发热层，131-竖条部，132-折弯部，133-夹缝，14-第一绝缘膜，15-第一树脂胶体层，2-散热板，21-凸起，3-端子，4-反射层，5-保温层，6-金属固定片，61-开口，7-温度感应器，8-温度传感器模块，9-引线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

一种石墨纸复合加热板，如图1所示，包括：

发热膜1，包括第一表面101和第二表面102；

散热板2，设置于所述发热膜1的第二表面102；

如图2，所述发热膜1包括：

第二绝缘膜11，

设置于第二绝缘膜表面的第二树脂胶体层12，

设置于第二树脂胶体表面的石墨纸发热层13，

设置于石墨纸发热层表面的第一绝缘膜14，

设置于第一绝缘膜表面的第一树脂胶体层15，

端子3，所述端子3与石墨纸发热层13连接，用于连接电源的正负极；

所述散热板2通过第一树脂胶体层15与发热膜1贴合在一起。

所述石墨纸发热层13为pi烧结石墨导热膜、天然石墨导热膜、石墨烯涂布石墨导热膜，优选为pi烧结石墨导热膜。墨导热膜又被大家称为导热石墨片，散热石墨膜，石墨散热膜等等。现有技术中，导热石墨膜是一种新型的导热散热材料，其导热散热的效果是非常明显的，现已经广泛应用于pdp、lcdtv、notebookpc、umpc、flatpaneldisplay、mpu、projector、powersupply、led等电子产品。pi烧结石墨导热膜是指pi膜在一定的压力下高温煅烧石墨化形成的石墨导热膜。优选的，石墨导热膜厚度为20-100μm，例如：20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm，等等；最佳为25μm。

所述第一树脂胶体层或所述第二树脂胶体层均为透明胶体，优选环氧树脂胶(oca)、热熔胶或双面胶等胶体，厚度均为50-200μm。

所述第一绝缘膜或第二绝缘膜选自pet、pen、pc、pi等薄膜，厚度均为20-200μm。

实施例2：

本实施例作为进一步的优选实施例，所述石墨纸复合加热板还包括反射层4，设置于所述发热膜1的第一表面101，用于接受发热层向其发射的红外线并反射回去。所述反射层4的表面设置有保温层5，用于石墨纸复合发热板与背面物体热隔绝。

实施例3：

本实施例作为进一步的优选实施例，对石墨纸发热层13的图案作进行详细的说明。如图4、5、6所示，所述石墨纸发热层13为条形的石墨导热膜按首尾相连的u型图案分布于绝缘膜上，端子3分别设于条形的石墨导热膜的两端头。所述首尾相连的u型图案的石墨导热膜包括平行的多个竖条部131和多个折弯部132，相邻竖条部之间形成夹缝133。

优选的，所述竖条部131的宽度相等，各夹缝133的宽度相等；进一步优选地，所述竖条部131的宽度与夹缝133的宽度为(2.5-4)：1，例如：2.5：1，2.6：1，2.7：1，2.8：1，2.9：1，3：1，3.1：1，3.2：1，3.3：1，3.4：1，3.5：1，3.5：1，3.7：1，3.8：1，3.9：1，4：1，等；最佳为3：1。

进一步优选地，所述条形的石墨导热膜的竖条部131与折弯部132的宽度相等。

进一步优选地，所述发热膜最终升温温度、起始温度、供电电压、条形石墨导热膜的总长度、条形石墨导热膜的宽度、电热膜面积、石墨导热膜的方块电阻符合如下公式：

t＝k·u²·d/(l·s·r)+t，

其中，

t——起始温度，单位为℃；

t——电热膜升温所至最终升温温度，单位为℃；

u——供电电压，单位为v；

d——条形的石墨导热膜的宽度，单位为cm；

l——条形的石墨导热膜发的总长度，单位为cm；

s——电热膜面积，单位为cm²；

r——石墨导热膜方块电阻，单位为ω/□；

k——常数，取值范围为50-400，k取值范围根据电热膜与空气之间的传导系数会有不同，与电热膜与空气之间的传导系数成反比。

优选地，所述条形的石墨导热膜的两端头相邻，最外缘的两竖条部131相连，最外缘的两竖条部相连的折弯部沿绝缘膜的边缘延伸。

在绝缘膜上设有开孔，将条形的石墨导热膜的两端头布于开孔处。

实施例4：

本实施例作为进一步的优选实施例，对石墨导热膜端头和端子之间的设计进行详细的说明。如图6、7所示，所述端子处增加金属固定片6，固定片6用以保护石墨纸端头，降低在加工过程石墨纸端头的损坏，同时方便石墨纸发热层与外部电源更好接触，金属固定片可以为铜片、银片、钢片、镍片等材料中的一种或几种组合。所述金属固定片6上设有开口61，与绝缘膜上的开孔对应，使端子3与石墨纸端头能够顺利接触。

实施例5：

本实施例作为进一步的优选实施例，对散热板2的结构进行了详细的说明。如图8、9、10，所述散热板采用金属材质，优选铝板或铜板。所述散热板的厚度为20-5000μm，例如：20μm、30μm、50μm、60μm、80μm、100μm、150μm、200μm、300μm、400μm、500μm、700μm、800μm、1000μm、1200μm、1500μm、2000μm、2500μm、2700μm、3000μm、3500μm、4000μm、4500μm，5000μm，等；优选500-3000μm。

所述散热板采用凸起直条纹(图8、9)或斜条纹(图10)结构，所述凸起21，是一种在不改变板材厚度的前提下，表面凸起，凸起的背面则是凹槽；这种一面凸起一面凹陷的结合，整个散热板厚度不变，可以更加有效的将石墨纸发射的红外线向周围发散。其中，所述条纹凸起的高度为3-5mm。进一步优选地，两凸起条纹之间的距离是凸起条纹宽度的2-4倍，优选2.5倍。此时，散热效最佳。

实施例6：

本实施例作为进一步的优选实施例，如图11所示，所述发热膜1设有至少一个温度感应器7和温度传感器控制模块8，所述温度感应器用于感应加热板的温度，通过引线9与所述温度传感器控制模块连接，所述温度传感器控制模块与电源连接，用以控制加热板整体温度。

实施例7：加热画的制作

1)将25微米厚石墨纸切成设计好的图案和贴合用对位靶标；图案外形根据加热画产品外形需求设计；

2)将图案化的石墨纸贴合在50微米厚oca上，然后再贴附125微米厚度的pet，

3)在石墨纸端头处贴附15微米的铜片，

4)将另外的100微米厚度pet上开孔和制作对位靶标；

5)将4)的产品与已贴合好125厚度pet的石墨纸对位贴合，确保石墨纸端头与100微米pet开孔处对应；

6)在125厚度pet表面贴附一层50微米厚度oca；

7)在石墨纸端头处打上金属端子，方便与外部电源连接，整个发热膜层制作完成；

8)再将发热膜层通过第一层oca与1000微米厚度铝板贴合；

9)根据需要在发热膜层背面贴合反射层和保温层，根据需要在石墨纸端子处连接温度传感器控制模块或其它固定电源；

10)完成整个石墨纸复合加热板制作，将整个复合加热板连接需要加热的加热画上，完成对加热画的加热以及整个环境的温度提升。

实施例8：加热画的制作

1)将50微米厚石墨纸切成设计好的图案和贴合用对位靶标；图案外形根据加热画产品外形需求设计；

2)将图案化的石墨纸贴合在50微米厚双面胶上，然后再贴附100微米厚度的pet，

3)在石墨纸端头处贴附15微米的镍片，

4)将另外的50微米厚度pet上开孔和制作对位靶标；

5)将4)的产品与已贴合好100厚度pet的石墨纸对位贴合，确保石墨纸端头与50微米pet开孔处对应；

6)在100厚度pet表面贴附一层50微米厚度双面胶；

7)在石墨纸端头处打上金属端子，方便与外部电源连接，整个发热膜层制作完成；

8)再将发热膜层通过第一层双面胶与2000微米厚度铝板贴合；

9)根据需要在发热膜层背面贴合反射层和保温层，根据需要在石墨纸端子处连接温度传感器控制模块或其它固定电源；

10)完成整个石墨纸复合加热板制作，将整个复合加热板连接需要加热的加热画上，完成对加热画的加热以及整个环境的温度提升。

实施例9：加热地暖的制作

1)将25微米厚石墨纸切成设计好的图案和贴合用对位靶标；图案外形根据加热地板外形需求设计；

2)将图案化的石墨纸贴合在50微米厚双面胶上，然后再贴附125微米厚度的pet，

3)在石墨纸端头处贴附15微米的铜镍合金片，

4)将另外的100微米厚度pet上开孔和制作对位靶标；

5)将4)的产品与已贴合好125厚度pet的石墨纸对位贴合，确保石墨纸端头与100微米pet开孔处对应；

6)在125厚度pet表面贴附一层50微米厚度双面胶；

7)在石墨纸端头处打上金属端子，方便与外部电源连接，整个发热膜层制作完成；

8)再将发热膜层通过第一层双面胶与2000微米厚度铝板贴合；

9)根据需要在发热膜层背面贴合反射层和保温层，根据需要在石墨纸端子处连接温度传感器控制模块或其它固定电源；

10)完成整个石墨纸复合加热板制作，将整个复合加热板连接需要加热的加热地板，完成对整个环境的温度提升。

实施例10：加热地暖的制作

1)将50微米厚石墨纸切成设计好的图案和贴合用对位靶标；图案外形根据加热地板外形需求设计；

2)将图案化的石墨纸贴合在100微米厚oca上，然后再贴附125微米厚度的pet，

3)在石墨纸端头处贴附15微米的钢片，

4)将另外的100微米厚度pet上开孔和制作对位靶标；

5)将4)的产品与已贴合好125厚度pet的石墨纸对位贴合，确保石墨纸端头与100微米pet开孔处对应；

6)在125厚度pet表面贴附一层50微米厚度oca；

7)在石墨纸端头处打上金属端子，方便与外部电源连接，整个发热膜层制作完成；

8)再将发热膜层通过第一层oca与1000微米厚度铝板贴合；

9)根据需要在发热膜层背面贴合反射层和保温层，根据需要在石墨纸端子处连接温度传感器控制模块或其它固定电源；

10)完成整个石墨纸复合加热板制作，将整个复合加热板连接需要加热的地板，完成对整个环境的温度提升。

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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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。