一种柔性热电器件的制作方法

1.本公开涉及一种柔性热电器件，属于电加热应用领域。


背景技术：

2.目前，常见的电加热器件原理一般为电热丝加热。如电热毯、加热座椅等，它们是将软索式电热元件呈盘蛇状织入或缝入毛毯里，通电时发出热量，该加热方式温度不均匀，且其产生的电磁辐射对人体的健康影响广泛。丝断即停止工作，人体感受度差。其他一些膜类的加热器件，如pi膜电加热器，其组成有电阻片和导线，电阻片需根据设计阻值经蚀刻而成，然后用由pi膜封装，工艺复杂，需要大量的人工操作，使得生产效率低，制造成本高，无法连续化批量生产。
3.随着社会的发展，市面上现有的加热产品已逐渐不能满足人们对产品的功能化、多样化和安全性的要求，而对一些安全环保、理疗、可穿戴、具有柔性等特点的热电器件的需求越来越突出。


技术实现要素：

4.为了解决至少一个上述技术问题，本公开提供了一种柔性热电器件。
5.根据本公开的一个方面，一种柔性热电器件，所述柔性热电器件包括发热层，所述发热层为所述柔性热电器件的发热元件，所述发热层包括柔性碳纤维薄件；封装层，所述封装层铺叠在发热层的两外表面，用于保护发热层并向外引导远红外辐射；以及远红外陶瓷涂层，所述远红外陶瓷涂层喷涂在封装层的外表面。
6.根据本公开的一个方面，所述封装层还包括预浸料，所述碳纤维薄件的上表面和下表面均设置至少1层所述预浸料。
7.根据本公开的一个方面，所述预浸料为阻燃型透明预浸料。
8.根据本公开的一个方面，所述预浸料包括热塑或热固玻纤。
9.根据本公开的一个方面，所述柔性碳纤维薄件包括碳纤维布或碳纤维纸。
10.根据本公开的一个方面，所述发热层的功率和所能达到的表面温度由所述碳纤维纸或碳纤维布的碳纤维的含量决定。
11.根据本公开的一个方面，所述发热层还包括导线，所述导线设置在碳纤维薄件的两端。
12.根据本公开的一个方面，所述发热层还包括导线接入点，所述导线接入点与所述导线连接。
13.根据本公开的一个方面，所述柔性热电器件还包括温控器，所述温控器连接至所述导线接入点。
14.根据本公开的一个方面，所述柔性热电器件还包括电源，所述电源通过所述温控器为发热层供电。
15.本公开具有如下有益效果：
16.1、热量传递主要以远红外辐射为主，电磁辐射小，以远红外方式向外辐射能量，而且还释放出5～15μm的远红外线光波，提高血液含氧量，增强细胞活力，促进新陈代谢，起到一定理疗效果；
17.2、通过碳纤维丝之间搭接形成导电通路，丝断不断路，不影响发热效果；发热器件升温快速均匀；发热器能耗低，节能环保，可在安全电压下使用(直流交流均可)，电流密度极小，对人体毫无伤害；
18.3、封装用的超薄透明热塑性材料，柔性可任意弯折，适用于多种场合，封装既可用于保护发热层，也可便于发热层发出的远红外辐射可通过其直接向外发散，还能够使传导发热层产生的热量，使热量均匀分布；
19.4、表面喷涂有远红外陶瓷涂层，一是增加热传导效率，易清洁；二是可以对内部发热器件进行保护，弯折不会脱落或起皱；三是可以增强表面的耐磨性，提高柔性热电器件的使用寿命，四是可以增强表面绝缘性，增强使用的安全型，五是利用其良好的导热性提高发热效率，减少能量损耗，并且进一步提高热量的均匀部分；六是进一步向外释放出5～15μm的远红外线光波，提高血液含氧量，增强细胞活力，促进新陈代谢；
20.5、发热温度可设计，可组合成各种不同功率与温度的产品；
21.6、利用发热层超薄封装层以及陶瓷涂层，能够大大提高热量分布的均匀性，使人体对温度感知均匀性好，显著提高使用体验。
附图说明
22.附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
23.图1是根据本公开至少一个实施方式的柔性热电器件的结构示意图。
24.图中附图标记表示为：
[0025]1‑
发热层、2
‑
封装层、3
‑
陶瓷涂层、4
‑
温控器、5
‑
电源。
具体实施方式
[0026]
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
[0027]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。
[0028]
本公开提供了一种柔性热电器件的制备方法。
[0029]
在本公开的至少一个实施方式中，本公开提供了一种柔性热电器件，如图1所示，其包括：
[0030]
发热层1，为柔性热电器件的发热元件，包括柔性碳纤维薄件，该柔性碳纤维薄件通过导体件接入导线端；可以采用碳纤维布或碳纤维纸，具有成熟的制备工艺和合理的成本。
[0031]
封装层2，采用浸料工艺铺叠在发热层1的上下两外表面并通过热塑工艺成型，浸
料可采用超薄热塑或热固玻纤预浸料，封装层2的作用一是用于保护发热层1，二是发热层1发出的远红外辐射可通过其直接向外发散，三是还能够使传导发热层1产生的热量，使热量均匀分布。
[0032]
远红外陶瓷涂层3，采用喷涂工艺喷涂在上下两封装层2外表面，陶瓷涂层3的作用一是可以对内部发热器件进行保护，二是可以增强表面的耐磨性，提高柔性热电器件的使用寿命，三是可以增强表面绝缘性，增强使用的安全型，四是利用其良好的导热性提高发热效率，减少能量损耗，并且进一步提高热量的均匀部分；五是进一步向外释放出5～15μm的远红外线光波，提高血液含氧量，增强细胞活力，促进新陈代谢；
[0033]
采用上述的发热层1、超薄的封装层2以及喷涂的陶瓷涂层3，能够确保柔性热电器件具有良好的弯曲性能且不易起皱，可任意弯折和卷曲，适用于多种场合。
[0034]
本公开利用碳纤维导电与导热性能，利用碳纤维纸或碳纤维布，结合热塑性浸料工艺，搭建稳定的导电网络，运用热塑或热固工艺进行压合定型，通过碳纤维丝的含量来调节碳纤维发热薄件的功率和所能达到的表面温度。
[0035]
本公开提供的柔性热电器件可根据下述方法制备：
[0036]
一、制备发热层1，采用碳纤维布或碳纤维纸，
[0037]
①
若采用碳纤维纸，根据本公开的至少一个实施方式，其制造工艺采用短切碳纤维和植物纤维混合，用传统的湿法造纸工艺抄造成形，可以生产出导电率可调整和纸张强度良好的碳纤维导电纸，生产的普通碳纤维导电纸成本低且容易形成规模化生产能力，也可用小规模、低成本的设备来生产。
[0038]
工艺包括：将水注入散浆机内并加热；
[0039]
将溶解的分散剂加入所述散浆机中并搅拌均匀；
[0040]
将碳纤维加入所述散浆机中进行分散；
[0041]
将木浆短纤加入到所述散浆机中进行分散；
[0042]
待所述木浆短纤和所述碳纤维完全分散后，将混合物抽至配浆池中；以及
[0043]
对木浆长纤进行处理，并加入所述配浆池中进行混合。
[0044]
具体制造工艺为：将碳纤维原料经浸渍抽提后热水洗涤，再通过散浆机分散，分散完成后进行润滑保护进入储存池中待用；另一方面将漂白木浆通过水力碎浆机碎浆，浆料进入浆池，通过双盘磨浆机磨浆进入下一个浆池待用；将储存池中的碳纤维浆料与浆池中的木浆料在配浆池中混合搅拌配浆，根据用量导入调浆箱，用除砂器除砂，再用旋翼筛过筛，然后导入高位箱中，用圆网抄纸机抄纸，再依次经压榨、烘干、卷曲和切纸后形成成品。
[0045]
②
若采用碳纤维布，根据本公开的至少一个实施方式，其制造工艺采用静电纺丝法，静电纺丝法是在聚合物溶液.上施加几千伏的高压静电，液流在电场中被拉伸，最终形成纳微米级纤维材料的方法。可以通过控制溶液的黏度、电压的大小、聚合物的分子量、针头的形状、湿度和温度等来制备不同直径的纤维。通过静电纺丝制备的导电发热材料比表面积大，尺寸可以调节，并且可以通过在纤维表面进一步的改性和涂覆等，进一步提升导电发热材料的性能，具有极高的应用价值。
[0046]
具体制造工艺为：采用静电纺丝设备将聚丙烯腈/二甲基甲酰胺的混合溶液纺织成纤维丝之后，采用氢氧化钾扩孔的方法制备成多孔碳纤维丝；然后通过机织、针织、编织、预浸布或无纺布工艺将碳纤维丝制备成碳纤维布。
[0047]
二、根据温度和尺寸要求，裁取设计好尺寸的碳纤维纸或碳纤维布，用铜片将垂直于碳纤维方向的纸张或布匹边缘用铜片缝纫，通过铜片导线缝纫碳纤维纸或碳纤维布并接入导线端；
[0048]
三、将铜片导线连接后的碳纤维纸或碳纤维布置于略大于碳纤维纸或碳纤维布的超薄热塑或热固玻纤预浸料上，并在碳纤维纸上再铺一层相同尺寸的预浸料；其中根据本公开的至少一个实施方式，预浸料为阻燃型透明材质预浸料，可以为：
[0049]
①
无卤阻燃环氧树脂组成物，具有优异的耐热和耐湿性，如：由双酚a环氧树脂(epikote 1256，epikote 1001)103，brg 558(酚醛树脂)6.3，三聚氰胺5，a1(oh)
3 25，2e4mz 0.2以及苯氧环磷腈低聚物15份组成胶液。
[0050]
②
带有苯酚结构和三嗪结构的化合物及含p化合物，如：玻璃布浸渍含有1,6
‑
二羟基萘
‑
环氧氯丙烷共聚物44.3，苯胍胺
‑
甲醛共聚物34.6及px200(磷酸酯)2211份组成胶液。
[0051]
③
阻燃性含磷环氧树脂组成物，如含有含磷环氧树脂[从eocn1020(邻甲酚醛环氧树脂)，双酚a和hca(9，10
‑
二氢化
‑9‑
氧杂
‑
10
‑
氧化膦杂菲
‑
10制备)100份；双氧胺3.52份；2
‑
乙基
‑4‑
甲基咪唑(2e4mz)0.05份；嵌段共聚物(从5
‑
羟基间苯二甲酸/间苯二甲酸
‑
3，4c
‑
氧撑
‑
双苯胺低聚物和羟端基丁二烯
‑
丙烯腈共聚物(hycarctbn)制备)30份。
[0052]
该预浸料的制备方法如下：将织物浸渍于阻燃型胶液中，从而制备得到阻燃型预浸料。此处，织物包括玻璃纤维织物或碳纤维织物。阻燃型预浸料的设置使得本公开提供的发热片具备阻燃、防火特性，能够满足不同应用场合对防火的要求。
[0053]
四、在预浸料上铺上超细脱模布，使固化片表面形成微型网格阵列，便于涂层的附着。然后铺上离型纸，防止热压时溢料难以清理；
[0054]
五、将以上在压机上按照预浸料的固化工艺进行固化成型(按照预浸料的固化工艺)，所用压力为0.3mpa，温度为120～130℃，处理时间为30～60min；固化完成后，将余料修边打磨；通过一次成型技术，预浸料固化时直接将碳纤维纸或碳纤维布封装起来，减少了生产工序，节约了生产成本。
[0055]
六、将固化后的发热器件进行远红外陶瓷涂料的喷涂，固化后与温控器4组装得到一种柔性的热电器件，温控器4用于根据实际的室内温度和温度的设定值控制柔性热电器件的工作状态，将外部电源5与温控器4连接，为发热层1提供电力。
[0056]
以上制备步骤和参数可以根据实际需要省略或进行修改，其仅作为示例以说明本公开的技术实施细节，而不作为对本公开的范围的限定。
[0057]
发热层1主要采用的是“碳纤维复合发热”技术，在通电后产生电位差的物理环境下，碳纤维发生晶格振动，其实质是碳原子相互震动摩擦发生的热运动现象，并通过热传导和热辐射的形式进行传递。发热表面为电子通路，其利用碳纤维网络为发热源，是一种环保清洁和高舒适标准的供暖方式。该发热层1的优势主要体现在以下几个方面：
[0058]
1)发热均匀：由于碳纤维纸或碳纤维布结合超薄封装层2的热传导和热辐射是整个平面发热和辐射，不是点状或线性发热，温差小，平面发热，同步升温，持续、稳定散热，因而发热均匀，热量易于传递、疏散，热辐射性好；
[0059]
2)热能转换效率高：即开即热，快速采暖，发热体升温快速均匀，无空置能耗，热效率理论值高达99.99％，在实际应用中一般可达97％，与传统采暖方式比较，节能可达到20％～50％，有利于节能环保，降低能耗；
[0060]
3)舒适性好：热量传递主要以远红外辐射为主，释放出5～15μm的远红外线光波，其传热方式类似太阳光，提高了舒适感，还可以提高血液含氧量，增强细胞活力，促进新陈代谢；
[0061]
4)易于设计：发热体可以根据功率和规格要求，自由组合成各种不同功率与温度的发热材料，以满足不同要求；
[0062]
5)安全环保：在一般电压下(220v)整个面都是电子通路，电流密度极小，对人体毫无伤害；同时，柔性热电器件是碳纤维碳分子发热，为微电流，经检测电磁辐射仅为手机的1/375，因此不存在电磁辐射，孕妇也可放心使用；阻燃型预浸料的使用使得发热板具有良好的阻燃、防火性能；
[0063]
6)智能温控：独有温控技术可以实现分时分区控制，还可根据对舒适程度的需求进行调节；
[0064]
7)表面质量高：表面喷涂远红外陶瓷涂层3，一是增加热传导效率，易清洁；二是可以对内部发热器件进行保护，弯折不会脱落或起皱；三是可以增强表面的耐磨性，提高柔性热电器件的使用寿命，四是可以增强表面绝缘性，增强使用的安全型，五是利用其良好的导热性提高发热效率，减少能量损耗，并且进一步提高热量的均匀部分；六是进一步向外释放出5～15μm的远红外线光波，提高血液含氧量，增强细胞活力，促进新陈代谢。
[0065]
本公开提供的柔性热电器件较为适用于于人体相接触的材料领域，由于其柔性可弯曲折叠的特点，应用极为广泛，列如理疗领域如电热毯或电热椅等，可穿戴领域如电热衣或电热鞋等，功能装饰领域如汽车内饰或座椅蒙皮等，建筑领域如内饰或窗帘等。
[0066]
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。