本发明涉及电发热领域，具体而言，涉及一种电热膜、制备方法及其应用。
背景技术：
电热膜是将金属箔制作成各种电阻线路，并将其夹在两层绝缘簿片之间形成的电热元件。pi(polyimide)聚酰亚胺电热膜是以聚酰亚胺膜为外绝缘体，以金属箔、金属丝为内导电发热体，经高温高压热合而成。聚酰亚胺电热膜的绝缘层是聚酰亚胺膜，聚酰亚胺膜具有绝缘强度好、抗电强度优异、热传导效率高等特点；发热体采用特殊的金属箔或金属丝制成，其电阻具有超强的稳定性，这使得它能够广泛地适用于加热领域并能够获得相当高的温度控制精度。
电热膜供暖是世界上新兴的供暖方式之一，它是一种以电能为源，通过红外辐射进行传热的新型供暖方式；因其具有耐高压、耐潮湿、承受温度范围广、高韧度和低收缩率等优良性能，进而得到了越来越广泛的应用。
随着科技的日新月异，电热器的发热设备朝着节能、产品小型化、轻量化、薄型化的趋势发展，所需电热膜的发热性能也随之提高。然而，目前现有技术中的电热膜及用其制造的供暖设备因材料和工艺的限制均存在电热转换率低、电能得不到充分的利用、功率损耗大、浪费能源的缺点。
有鉴于此，特提出本发明。
技术实现要素：
本发明的第一目的在于提供一种电热膜，该电热膜具有导电导热性能高、热转换效率高、功率损耗小、节能环保、抗腐蚀性能好、发热温度均匀和使用安全性高的优点。
本发明的第二目的在于提供一种电热膜的制备方法，该方法工艺科学简单，易于操作，适合大批量生产，生产成本低，制备得到的电热膜具有导电导热性能高、热转换效率高、功率损耗小、节能环保、抗腐蚀性能好、发热温度均匀和使用安全性高的优点。
本发明的第三目的在于提供一种供暖设备、烤箱或热水器，该供暖设备、烤箱或热水器包含上述电热膜，因而至少具有与上述电热膜相同的优点。
本发明的第四目的在于提供一种上述电热膜在供暖设备、烤箱或热水器中的应用，能够提高供暖设备、烤箱或热水器的热转换效率、节能环保性、发热温度均匀性、抗腐蚀性和使用安全性等。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种电热膜，包括绝缘膜和导电发热层，所述绝缘膜包括复合区和设置于所述复合区外围的绝缘区，所述导电发热层设置于所述复合区表面；
所述导电发热层包括石墨烯材料内层和载流条，所述载流条设置于石墨烯材料内层的外围。
作为进一步优选的技术方案，所述石墨烯材料内层包括石墨烯内层和/或石墨烯复合材料内层。
作为进一步优选的技术方案，所述石墨烯复合材料内层包括石墨烯-高分子复合材料内层和/或石墨烯-无机纳米复合材料内层。
作为进一步优选的技术方案，所述载流条包括金属箔和/或金属丝。
作为进一步优选的技术方案，所述绝缘膜包括聚酰亚胺膜。
作为进一步优选的技术方案，所述绝缘膜和所述导电发热层之间还设置有粘合层；
优选地，所述粘合层的厚度为8-12μm；
优选地，所述绝缘膜的厚度为30-100μm；
优选地，所述石墨烯材料内层的厚度为30-50μm；
优选地，所述载流条的厚度为10-50μm。
第二方面，本发明提供了一种上述电热膜的制备方法，包括以下步骤：分别将石墨烯材料和载流条涂覆于绝缘膜的复合区表面即可得到所述电热膜。
作为进一步优选的技术方案，首先在绝缘膜的复合区表面涂覆粘合剂，然后再分别将石墨烯材料和载流条涂覆于复合区表面；
优选地，在将载流条涂覆于复合区表面后还包括压延的步骤；
优选地，所述涂覆方法为喷涂法；
优选地，所述方法包括以下步骤：
(a)在电热膜的复合区表面喷涂粘合剂；
(b)将载流条喷涂于复合区表面，再依次进行压延和干燥；
(c)将石墨烯材料喷涂于复合区表面，干燥后形成石墨烯材料内层；
(d)封装后得到所述电热膜。
第三方面，本发明提供了一种包含上述电热膜的供暖设备、烤箱或热水器。
第四方面，本发明提供了一种上述电热膜在供暖设备、烤箱或热水器中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的电热膜的导电发热层包括石墨烯材料内层，石墨烯材料具有优良的导电导热特性，从而使电热膜具有导电导热性能高、热转换效率高、功率损耗小和节能环保的优点，此外还具有抗腐蚀性能好和发热温度均匀的优点。具体的，通电后载流条和石墨烯材料内层均有电流通过，并产生热量，同时载流条将电流限制在载流条以内的区域，避免导电发热层外侧通电，与绝缘膜上预设的绝缘区相互配合，共同提高电热膜的使用安全性。
本发明提供的电热膜的制备方法工艺科学简单，仅需将石墨烯材料和载流条涂覆于绝缘膜的复合区表面即可，易于操作，适合大批量生产，生产成本低，制备得到的电热膜具有导电导热性能高、热转换效率高、功率损耗小、节能环保、抗腐蚀性能好、发热温度均匀和使用安全性高的优点。
本发明提供的供暖设备、烤箱或热水器包含上述电热膜，因而至少具有与上述电热膜相同的优点。
将本发明提供的电热膜应用于供暖设备、烤箱或热水器中，能够提高供暖设备、烤箱或热水器的热转换效率、节能环保性、发热温度均匀性、抗腐蚀性和使用安全性等。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种实施方式的电热膜的主视图；
图2是本发明提供的一种实施方式的电热膜的仰视图。
图标：1-绝缘膜；101-复合区；102-绝缘区；2-导电发热层；201-石墨烯材料内层；202-载流条；3-粘合层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，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做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
第一方面，如图1和图2所示，在一些实施例中提供了一种电热膜，包括绝缘膜1和导电发热层2，绝缘膜1包括复合区101和设置于复合区101外围的绝缘区102，导电发热层2设置于复合区101表面；
导电发热层2包括石墨烯材料内层201和载流条202，载流条202设置于石墨烯材料内层201的外围。
上述绝缘膜的材质包括但不限于聚酰亚胺、聚酯、碳纤维、硅橡胶或云母等。
上述石墨烯材料内层是指主要由石墨烯材料制成的内层，石墨烯材料是指包含石墨烯的材料。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。石墨烯具有非常好的热传导性能，纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300w/mk，是目前为止导热系数最高的碳材料，高于单壁碳纳米管(3500w/mk)和多壁碳纳米管(3000w/mk)，当它作为载体时，导热系数也可达600w/mk。石墨烯的化学性质与石墨类似，石墨烯可以吸附并脱附各种原子和分子，当这些原子或分子作为给体或受体时可以改变石墨烯载流子的浓度，而石墨烯本身却可以保持很好的导电性。此外，石墨烯极为坚韧，可塑性良好，可以弯曲到很大角度而不断裂，其杨氏模量约为1100gpa，断裂强度为130gpa，并且，石墨烯在可见光下透明但不透气，具有很好的阻隔性能，化学性质稳定，防腐蚀性能好。
上述载流条主要由能够导通电流的物质制成。载流条的材质包括但不限于金属或合金，其中，金属包括但不限于铜、铝、银或金等，合金包括但不限于铜合金或铝合金等。
上述电热膜的导电发热层包括石墨烯材料内层，石墨烯材料具有优良的导电导热特性，从而使电热膜具有导电导热性能高、热转换效率高、功率损耗小和节能环保的优点，此外还具有抗腐蚀性能好和发热温度均匀的优点。具体的，通电后载流条和石墨烯材料内层均有电流通过，并产生热量，同时载流条将电流限制在载流条以内的区域，避免导电发热层外侧通电，与绝缘膜上预设的绝缘区相互配合，共同提高电热膜的使用安全性。
上述电热膜与传统电加热体有明显的不同，具体包括以下六点：
1、电-热转换效率高，辐射热占比大：发热膜的电-热转换效率是所有电加热元件中最高或并列最高的，在能量转换过程中几乎没有任何其他形式的能量损失，电热转换效率达到99％以上，节能省电发热快，通电即热，2分钟达到设计温度，发热的温度均匀，面状发热，不起泡，不起层。
2、电磁辐射小，对人体无危害：对于发热膜产品，发热体材料和产品结构决定了发热膜在使用过程中的电磁辐射量均很小，约为0.1-1.0μt(100μt＝1高斯)左右，不会构成对人体的危害。国际非电离放射线防护委员会(简称：icnirp)1998年对于电器产品电磁辐射量限定值推荐为：50hz的电磁辐射量为100μt，20-30khz的电磁辐射量为6.25μt。发热膜使用中的电磁辐射量比其他家用电器产品的电磁辐射量要小得多，如：电子微波炉20μt、吸尘器20μt、手机电话20μt、彩色电视机2μt(据美国环境署公布数据)另外，发热膜在使用过程中也不会对其它电器产品产生电磁干扰现象。
3、有效发热面积大，热均匀性和热舒适性好：发热膜作为电加热产品，发热面积大，热散布快；发热膜表面功率密度均匀，表面温差小，热均匀性能好；发热膜以远红外辐射热为主，用于供暖时对空气干扰影响小，体感温度高，热舒适性好。
4、物理性能稳定，功率变化小，使用寿命长：尽管不同类型发热膜所用的发热材料不同，但是在用做低温辐射电热膜使用时，石墨烯材料的性能相对稳定，发热膜在使用过程中的物理化学性质变化小，功率密度变化小，使用寿命长。
5、厚度薄，柔性好，占用空间小：发热膜是所有电加热体中厚度最薄的，通常在1mm以内，可称为超薄电加热体；外覆绝缘层以聚酯薄膜柔性材料为主，易于后加工和运输、安装等，同时也是所有电加热产品中占用空间面积最小的。
6、开发空间大，产品应用领域广：发热膜作为通电后可以直接将电能转化为热能的电加热元件，再加上利用某些发热膜的个性特征，可以开发出不同应用领域、多种产品系列。
在一种优选的实施方式中，所述石墨烯材料内层包括石墨烯内层和/或石墨烯复合材料内层。石墨烯复合材料内层主要由基于石墨烯的复合材料制成，基于石墨烯的复合材料具有比表面积大、电导率高、能量密度高和量产成本低的优点。
上述石墨烯内层优选采用纯度不低于99.5％，片径为6-80μm的石墨烯制成。上述片径是指中位片径。
在一种优选的实施方式中，所述石墨烯复合材料内层包括石墨烯-高分子复合材料内层和/或石墨烯-无机纳米复合材料内层。
在一种优选的实施方式中，所述载流条包括金属箔和/或金属丝。
在一种优选的实施方式中，所述绝缘膜包括聚酰亚胺膜。聚酰亚胺膜呈黄色透明，相对密度1.39～1.45，有突出的耐高温、耐辐射、耐化学腐蚀和电绝缘性能，可在250～280℃空气中长期使用；玻璃化温度分别为280℃(upilexr)、385℃(kapton)和500℃以上(upilexs)；20℃时拉伸强度为200mpa，200℃时大于100mpa，特别适宜用作柔性印制电路板基材和各种耐高温电机电器绝缘材料。
在一种优选的实施方式中，如图2所示，绝缘膜1和导电发热层2之间还设置有粘合层3。粘合层具有粘性，能够将绝缘膜和导电发热层粘合到一起。
需要说明的是，除了在绝缘膜和导电发热层之间设置粘合层来使二者结合到一起之外，还可以采用其他方式使绝缘膜和导电发热层结合到一起，例如高温热压合法。
优选地，所述粘合层的厚度为8-12μm。上述粘合层的厚度典型但非限制性的为8μm、8.5μm、9μm、9.5μm、10μm、10.5μm、11μm、11.5μm或12μm。
优选地，所述绝缘膜的厚度为30-100μm。上述绝缘膜的厚度典型但非限制性的为30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm、90μm、95μm或100μm。
优选地，所述石墨烯材料内层的厚度为30-50μm。上述石墨烯材料内层的厚度典型但非限制性的为30μm、32μm、34μm、36μm、38μm、40μm、42μm、44μm、46μm、48μm或50μm。
优选地，所述载流条的厚度为10-50μm。上述截流条的厚度典型但非限制性的为10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm或50μm。
将粘合层、绝缘膜、石墨烯材料内层和载流条的厚度控制在上述厚度范围内，能够使电热膜的厚度控制在合理的范围内，不会过薄或过厚，同时还能保证具有足够的热传导能量。
上述绝缘膜的大小可选500*1000mm，复合区的大小可选460*960mm，绝缘区的宽度可选20mm，载流条的宽度可选10mm，石墨烯材料内层的大小可选440*940mm。
第二方面，在一些实施例中提供了一种上述电热膜的制备方法，包括以下步骤：分别将石墨烯材料和载流条涂覆于绝缘膜的复合区表面即可得到所述电热膜。
上述方法工艺科学简单，仅需将石墨烯材料和载流条涂覆于绝缘膜的复合区表面即可，易于操作，适合大批量生产，生产成本低，制备得到的电热膜具有导电导热性能高、热转换效率高、功率损耗小、节能环保、抗腐蚀性能好、发热温度均匀和使用安全性高的优点。
在一种优选的实施方式中，首先在绝缘膜的复合区表面涂覆粘合剂，然后再分别将石墨烯材料和载流条涂覆于复合区表面。
在涂覆粘合剂时，为了避免粘合剂涂覆到绝缘区，需要在涂覆之前采用pet膜等对绝缘区进行遮挡。
上述粘合剂包括但不限于水溶型粘合剂、热熔型粘合剂(热熔胶)、溶剂型粘合剂、乳液型粘合剂或无溶剂型液体粘合剂。
优选地，在将载流条涂覆于复合区表面后还包括压延的步骤。压延能够使载流条与复合区的结合更加紧密、平整，防止脱落。压延时采用压延机(calender)，压延机由两个或两个以上的辊筒按一定形式排列，在一定温度下，将橡胶或塑料压制展延成一定厚度和表面形状的胶片。
优选地，所述涂覆方法为喷涂法。喷涂通过喷枪或碟式雾化器，借助于压力或离心力，分散成均匀而微细的雾滴，施涂于被涂物表面的涂装方法，喷涂作业生产效率高，适用于手工作业及工业自动化生产。
应当理解的是，上述涂覆方法还可以采用旋涂法或浸涂法等。
优选地，所述方法包括以下步骤：
(a)在电热膜的复合区表面喷涂粘合剂；
(b)将载流条喷涂于复合区表面，再依次进行压延和干燥；
(c)将石墨烯材料喷涂于复合区表面，干燥后形成石墨烯材料内层；
(d)封装后得到所述电热膜。
优选地，步骤(b)中干燥的温度为65-75℃，典型但非限制性的为65℃、66℃、67℃、68℃、69℃、70℃、71℃、72℃、73℃、74℃或75℃。
优选地，步骤(c)中干燥的温度为115-125℃，典型但非限制性的为115℃、116℃、117℃、118℃、119℃、120℃、121℃、122℃、123℃、124℃或125℃。
上述封装采用现有的封装方法即可，本发明对此不做特别限制。
第三方面，在一些实施例中提供了一种包含上述电热膜的供暖设备、烤箱或热水器。上述供暖设备、烤箱或热水器包含上述电热膜，因而至少具有与上述电热膜相同的优点。
第四方面，在一些实施例中提供了一种上述电热膜在供暖设备、烤箱或热水器中的应用。将上述电热膜应用于供暖设备、烤箱或热水器中，能够提高供暖设备、烤箱或热水器的热转换效率、节能环保性、发热温度均匀性、抗腐蚀性和使用安全性等。
实施例1
一种电热膜，包括聚酰亚胺膜和导电发热层，聚酰亚胺膜包括复合区和设置于所述复合区外围的绝缘区，所述导电发热层设置于所述复合区表面；
所述导电发热层包括石墨烯内层和金属箔，所述金属箔设置于石墨烯内层的外围；
聚酰亚胺膜和导电发热层之间还设置有粘合层。
上述电热膜的总厚度为150μm，聚酰亚胺膜厚度为100μm，粘合层厚度为10μm，石墨烯内层厚度为40μm；
石墨烯参数：石墨烯纯度≥99.5％，石墨烯的片径d50＝6～80μm。
聚酰亚胺膜的大小为500*1000mm，复合区的大小为460*960mm，绝缘区的宽度为20mm，金属箔的宽度为10mm，石墨烯内层的大小为440*940mm。
上述电热膜的制备方法，包括以下步骤：(a)在电热膜的复合区表面喷涂热熔胶；
(b)将载流条喷涂于复合区表面，再依次进行压延和干燥，干燥温度为70℃；
(c)将石墨烯材料喷涂于复合区表面，干燥后形成石墨烯材料内层，干燥温度为120℃；
(d)封装后得到所述电热膜。
对实施例1中的电热膜进行产品检测，结果如下：
电阻：65ω，方阻：110ω；产品喷涂区域无漏喷现象，喷涂均匀公差5μm；产品外观无破损、严重皱褶等现象。
用功率测试仪验证电阻、方阻，不同点检测的电阻和方阻值如下：
电阻：73.8ω，73.2ω，68.8ω，66.9ω，60.6ω，64.6ω，65.1ω，59.1ω；
方阻：111.5ω，90.7ω，89ω，87.8ω，114.3ω。
使用该电热膜的供暖设备，其产品功率500w，供暖设备产品发热温度200～220℃，产品发热温度均匀，产品设计安全可靠，功率损率低，电阻变化率0.1ω，发热效率提高40％，用电节能提高30％。
对比例1
一种电热膜，本对比例与实施例1的区别仅在于采用碳纤维内层取代实施例1中的石墨烯内层。
对对比例1中的电热膜进行产品检测，结果如下：
电阻：110ω，方阻：200ω。
用功率测试仪验证电阻、方阻，不同点检测的电阻和方阻值如下
电阻：108.8ω，108.6ω，109.6ω，106.8ω，113.6ω，110.8ω；
方阻：198.5ω，199.3ω，203.4ω，202.6ω，203.3ω。
可以看出，实施例1中的电热膜的电阻和方阻均明显低于对比例1，说明实施例1中的电热膜的导电性和导热性更好，发热效率更高，功率损耗更低，更加节能环保。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案。