一种低电压透明电热膜及其制备工艺、高温电热片及其制备工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种透明电热膜及其制备工艺，尤其是一种低电压透明电热膜及其制备方法；同时，本发明还涉及一种高温电热片及其制备工艺;透明电热膜和高温电热片均同属于电热膜领域。
【背景技术】
[0002]透明加热膜通常采用在膜材表面镀透明导电涂层，然后在导电涂层表面制作导电电极，电极通常为两平行的金属条，两金属条分别接电源正极和负极，电流流经透明导电涂层产生热量，如图1所示(参见公开号为CN103828482A的专利)。目前常用的透明导电层石墨烯、碳纳米管、IT0、FT0、AZ0等在膜厚较薄时方块电阻较大，这使得必须使用较高的供电电压才能满足加热要求，不利于电热膜的安全和便携性使用要求;而且，厚度增加虽可以降低使用电压，但增加了材料成本，同时降低了生产效率和透光率。
[0003]公开号为CN102883486A、名称为“一种基于石墨烯的透明电加热薄膜及其制备方法”的专利中，透明电加热薄膜包括透明柔性衬底，透明柔性衬底上设置石墨烯膜，石墨烯膜上设有导电连接网膜，导电连接网膜上设有电极，电极与导电连接网膜及石墨烯膜电连接；电极上设置防护层，防护层覆盖在电极上，并覆盖在石墨烯膜及导电连接网膜上。该专利提出采用石墨烯和导电连接网膜作为电热膜的透明加热材料，该方法可以通过导电连接网膜降低整体透明导电材料的方阻，但存在如下缺点:
[0004]I)导电连接网膜的方阻通常远小于石墨烯方阻，而二者是并连关系，这样起加热作用的主要是导电连接网膜而不是石墨烯。
[0005]2)导电连接网膜的线径<5μπι，采用常规的金属材料通电时极易被烧毁使电热膜失效。
[0006]现有技术中也曾提出一种石墨烯柔性透明加热元件及其制备方法，为增强加热的均匀性使用图案化透明电极，透明电极中部接电极。但图案化电极也使用透明导电材料，因透明导电材料导电性较差，引入图案化电极后也很难获得降低使用电压的效果，因此必须使用多层(5-6层)石墨烯降低电阻以降低使用电压。此外，如果使用两平行电极而不是图案化电极，则获得的加热均匀性较差，温度最高点和最低点差别60Κ以上，难以实现实用化的要求。
【发明内容】
[0007]为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种低电压透明电热膜，该透明电热膜可以在低电压(< 12V)下工作，达到预期的温度。
[0008]进一步地，该透明电热膜加热均匀性良好。
[0009]更进一步地，该透明电热膜使用较薄的透明导电层加热，使用石墨烯作为透明导电层时可使用单层石墨烯，同时该电热膜使用很低的电压(如< 1.5V)即可获得与传统透明电热膜相同的加热效果，且起发热作用的是透明导电层。
[0010]本发明的另一目的是提供上述低电压透明电热膜的制备工艺。
[0011]为了解决前述技术问题，达到上述技术效果，本发明提供了如下的技术方案:
[0012]—种低电压透明电热膜，包括透明基材、透明导电层、电极;透明导电层形成于透明基材的至少一侧；电极由汇流条和若干内电极构成，内电极由汇流条相向延伸形成叉指电极；电极位于透明导电层上且与透明导电层电接触。
[0013]优选地，电极由粗的汇流条和若干细的内电极构成，汇流条接电源的正极或负极，使得两相邻的内电极极性相反，通电时正极汇流条提供的电流由各正极内电极流入对应负极内电极最终全部汇入负极汇流条。
[0014]优选地，汇流条一端接电源的正极或负极。
[0015]进一步优选地，可以在透明导电层两面分别设置正、负两套电极，这两套电极的内电极错开一定距离，即正、负叉指电极分别置于透明导电层两侧，形成被透明导电层隔开的叉指电极，保证电流均匀通过透明导电层，这样可进一步保证加热的均匀性。
[0016]优选地，透明导电层的材料包含但不限于石墨烯、碳纳米管、IT0、FT0、AZ0等。
[0017]优选地，电极可由透明导电材料制成，其中，优选的透明电极材料为石墨烯。
[0018]优选地，电极位于石墨烯层上且与石墨烯层一体形成。
[0019]优选地，电极材料包含但不限于银、银浆、铜、铜浆、铝、ITO等导电性能良好的材料。电极材料以铜箔最佳。
[0020]优选地，电极可形成于透明基材与透明导电层之间。
[0021]优选地，透明基材可为玻璃或聚合物，透明基材包含但不限于PET、PVC、PE、PC等薄膜。更优选地，聚合物可为:PET，PMMA，PVDF，PANI，或者其组合物。
[0022]优选地，所述透明导电层为单层或多层石墨烯。最佳为单层石墨烯。
[0023]本发明的特殊结构的电极应用于单层石墨烯上，可使得该透明电热膜在低电压(< 12V)下工作，用于多层石墨烯上可使用更低电压。
[0024]优选地，石墨烯层可使用掺杂剂;更优选地，掺杂剂可为无机/有机掺杂剂。
[0025]优选地，可在电极和石墨烯层上覆盖保护层;更优选地，保护层可采用柔性透明材料。
[0026]优选地，透明覆盖层的材料包含但不限于PET、PVC、PE、PC等薄膜。
[0027]优选地，可将本发明的电极串联或并联。
[0028]优选地，可将本发明的透明电热膜串联或并联。
[0029]进一步的，所述内电极为直线形、波浪形或锯齿形，所述汇流条根据电热膜的形状和应用需求，可呈直线形、曲线形，汇流条和内电极组成的图案形状根据电热膜的形状和应用需求，也可围成方形、圆形、椭圆形或任意形状。
[0030]更优选的，所述汇流条位于透明导电层的边缘，且与透明导电层接触良好，所述内电极由一汇流条向另一汇流条延伸，相邻内电极来自不同汇流条，相向延伸。
[0031]进一步地，本发明的发明人发现，为在低电压下获得良好的温度均匀性，针对本发明特殊结构的电极，最终升温温度、起始温度、供电电压、两内电极间距和透明导电层的方块电阻符合如下公式:
[0032]T = kU2/d2R+t (I)
[0033]其中:两内电极间距按照透明导电层一面上的内电极间距计算，
[0034]t 起始温度，单位为°〇；
[0035]T一一电热膜升温所至最终升温温度，单位为°〇；
[0036]U——供电电压，单位为V，U< 12V;
[0037]d--内电极间距，单位为cm;
[0038]R——透明导电层方块电阻，单位为Ω/口；
[0039]k——常数，取值范围为10_200，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。
[0040]采用本发明特殊结构的电极、通过减小两内电极间的间距使得两电极间的透明导电层的电阻减小，是一种优选途径，使得使用低电压供电成为可能。正常可以采用日用的锂电池电压，即可达到迅速加热升温。
[0041]优选地，电热膜的汇流条与内电极可以为同种材料，也可为不同材料，其长度根据电热膜的尺寸设计。为保证温度均匀性，汇流条的宽度和厚度需考虑所用材料的电流承载能力和电阻率，电阻率要足够小，以减小汇流条上的电压降，保证内电极设置在汇流条的不同位置最高电压和最低电压相差不超过10%，而且电流承载能力决定了汇流条截面积必须大于某一数值才能保证汇流条不被烧毁。本发明的发明人发现存在如下公式(2):
[0042]n(n+l)lpi/WHR<l/5 (2)
[0043]其中:
[0044]η一一内电极使汇流条围成的面积内共产生了 η个间隔；
[0045]p1--汇流条材料电阻率，单位为Ω.m;
[0046]I——内电极每根长度，长度不等时按其中最长内电极计算，单位为m;
[0047]W一一汇流条宽度，单位为m;
[0048]H--汇流条厚度，单位为m ；
[0049]R——透明导电层方块电阻，单位为Ω/口。
[0050]优选地，内电极保证电流承载能力和考虑同一内电极上最大电压差不超过10%。本发明的发明人发现存在如下公式(3):
[0051 ] n I2P2MLR <1/5 (3)
[0052]其中:
[0053]η一一内电极使汇流条围成的面积内共产生了 η个间隔；
[0054]I——内电极每根长度，长度不等时按其中最长内电极计算，单位为m;
[0055]P2--内电极材料电阻率，单位为Ω.m;
[0056]w--内电极宽度，单位为m;
[0057]h--内电极厚度，单位为m;
[0058]L——每根汇流条上由第一根内电极起到最后一根内电极止共产生的长度，单位m；
[0059]R——透明导电层方块电阻，单位为Ω/口。
[0060]本发明通过采用特殊结构的电极、减小两内电极间的间距使得两电极间的透明导电层的电阻减小，从而可以使用低电压供电，正常可以采用日用的锂电池电压，即可达到迅速加热至90_180°C。可以将正、负两套电极分别设置于石墨烯两面，形成被石墨烯隔开的叉指电极，这样可进一步保证加热的均匀性，在同样的低电压下提高加热的温度。
[0061]对于生长于金属箔衬底上的透明导电材料，可采用表面生长好透明导电薄膜的金属箔衬底制作图案化电极，这样可以简化制备过程，节省时间和材料成本，同时金属箔的导电性良好，有利于电热膜温度均匀性的控制，具体过程如下:
[0062]1、制备生长于金属箔衬底上的透明导电材料；
[0063]2、将透明基材与金属箔生长有透明导电材料的一面粘合在一起；
[0064]3、在金属箔面上通过光刻或印刷的方法制作掩膜，掩膜图案按要求设计；
[0065]4、将制作好掩膜的透明基材/透明导电层/金属箔置于刻蚀液中，刻蚀掉未被掩膜保护的金属；
[0066]5、去掉金属电极表面的掩膜，形成图案化电极。
[0067]进一步优选地，可在透明导电层及图案化电极上覆盖透明保护层，具体步骤如下:
[0068]6、将带胶的透明保护层开孔，以便在其与下层电极和透明导电层贴合时露出要引线的电极；
[0069]7、将透明保护层的孔与电极对好位后贴合；
[0070]8、在小孔露出的电极处制作引线。
[0071]优选地，透明导电材料可为石墨烯。
[0072]优选地，使用透明胶将透明基材与金属箔生长有透明导电材料的一面进行粘合。更优选地，所述透明胶包含但不限于各种UV光固化树脂、热熔胶、硅胶等。
[0073]优选地，所述金属箔可选自但不限于铜箔、镍箔、铜镍合金箔等。
[0074]优选地，所述刻蚀液根据金属箔选择，刻蚀液中可加入改善透明导电材料导电性的物质。
[0075]优选地，所述去掉金属电极表面掩膜的方法可以根据掩膜材料选择手剥或溶液去除的方法。
[0076]优选地，本发明所述的一种低电压透明电热膜的制备方法也可采用如下步骤:
[0077]1、将透明基材与透明导电层粘合在一起；
[0078]2、在透明导电层上制作电极，可采用直接印刷导电浆料或蒸镀导电材料的方法进行，电极图案根据加热需求设计。
[0079]进一步优选地，可在透明导电层及电极上覆盖保护层，具体步骤如下:
[0080]3、将带胶的透明保护层开孔，以便在其与下层电极和透明导电层贴合时露出要引线的电极；
[0081]4、将透明保护层的孔与电极对好位后贴合；