一种含透明石墨烯电路的发热结构及其制备方法和应用的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种含透明石墨烯电路的发热结构，该结构包括基底层和石墨烯电路层。本发明的主要制备方法是通过化学气相沉积法在塑料、玻璃等基底上形成透明石墨烯薄膜，再经过刻蚀，形成透明石墨烯电路，通电后可发热。本发明的发热结构可应用于路灯灯罩和汽车的前挡风玻璃，有效防止积雪、冰块、露水、霜、汽雾及液体污渍在其表面的形成和残留，确保路灯的高透光性，使驾驶员的视线不受阻碍，减少安全隐患，同时也给生活带来便利；也可以应用于火车、动车、高铁和飞机等交通工具的玻璃、塑料中，能使它们避免在寒冷天气里受冰雪积压，减少损失也带来便利。
【专利说明】一种含透明石墨烯电路的发热结构及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种含透明石墨烯电路的发热结构及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002]石墨烯(Graphene)自2004年被英国曼彻斯特大学的教授Geim等报道以其奇特的性能引起了科学家的广泛关注和极大的兴趣被预测很有可能在很多领域引起革命性变化。单层石墨烯以二维晶体结构存在厚度只0.1334nm，它是构筑其它维度炭质材料的基本单元，它可以包裹起来形成零维的富勒烯，卷起来形成一维的碳纳米管层，层堆积形成三维的石墨。石墨烯是一种没有能隙的半导体，具有比硅高100倍的载流子迁移率(2X10cm/v)，在室温下具有微米级自由程和大的相干长度，因此石墨烯是纳米电路的理想材料。石墨烯具有良好的导热性[3000W/ (m-K)]、高强度(IlOGPa)和超大的比表面积(2630m/g)。这些优异的性能使得石墨烯在纳米电子器件、气体传感器、能量存储及复合材料等领域有光明的应用前景。
[0003]LED路灯是以发光二极管作为光源，因其是一种固态冷光源，具有耗电少、光效高、寿命长、抗震能力高、绿色环保等优势逐渐走入人们的视野、成为世界上最具有替代传统光源优势的新一代节能光源，LED路灯将成为道路照明节能改造的最佳选择。但LED路灯是一种固态冷光源，不像传统的白炽灯能够产热，那么LED路灯的灯罩的积雪、霜、冰块等不易去掉，尤其是在寒冷地区，雪雨天气较多且严重，灯罩上的积雪、霜、冰块影响LED路灯的透光率，甚至压坏路灯。
[0004]在冬季的雪雨天气里，火车、飞机、汽车等挡风玻璃上常常会有积雪堆压，或者玻璃上结有冰块，不易去除，给生活带来不便；尤其是在遇到下雨夹雪时汽车前挡风玻璃容易结冰，特别是车辆停放一晚上后，温度在零摄氏度以下时前挡风玻璃有水就容易结冰，且雨刮器易被冰雪粘在挡风玻璃上；如果用热水去融化冰雪容易使挡风玻璃因为温差变化太大而炸裂，也会使雨刮器变形；目前认为较正确的做法是，将空调开至热风，吹风模式为前风挡，待冰雪溶化后雨刮器自然化开，但这种做法耗时耗电且效果不佳；另外，在低温天气里，火车、飞机、汽车等玻璃温度低，而车内或机内温度高，故车内或机内的水蒸汽易在冰冷的玻璃上凝结，遮挡驾驶人的视线，看不清前方路况，酿造安全隐患，为了去除玻璃上凝结的水珠，通常需要用抹布拭去，对驾驶带来不便，容易分散驾驶人注意力，也会带来安全隐患；市场上出售的除雾剂在一定的时间内可以防止挡风玻璃表面形成汽雾，但除雾剂通常呈油脂状并不一定能与挡风玻璃表面的贴膜相融合，有时反而形成一层更模糊视线的油脂层，且不易擦掉，严重威胁到安全驾驶。目前，仍没有很好的方法解决上述问题和隐患。
【发明内容】
[0005]为解决上述存在的各种问题，本发明在路灯灯罩、汽车、火车、动车、高铁和飞机等交通工具的挡风玻璃等相关材质表面形成含透明石墨稀电路，通电后，石墨稀发热可有效防止积雪、冰块、露水、霜、汽雾及液体污溃在上述材质表面的形成和残留。[0006]本发明的目的在于提供一种含透明石墨烯电路的发热结构。
[0007]本发明的另一目的在于提供一种含透明石墨烯电路的发热结构的制备方法。
[0008]本发明的再一目的在于提供含透明石墨烯电路发热结构在路灯灯罩中的应用。
[0009]本发明的再一目的在于提供含透明石墨烯电路发热结构在汽车、火车、动车、高铁和飞机交等交通工具的玻璃中的应用。
[0010]本发明所采取的技术方案是:
一种含透明石墨烯电路的发热结构，该结构包括基底层和石墨烯电路层。
[0011]一种含透明石墨烯电路的发热结构的制备方法为在基底上形成石墨烯电路。
[0012]进一步的，一种含透明石墨烯电路的发热结构的制备方法为:
1)在基底上制备石墨烯薄膜；
2)对基底上的石墨烯薄膜进行刻蚀，形成石墨烯电路，即含透明石墨烯电路的发热结构。
[0013]进一步的，步骤I)所述的制备石墨烯薄膜方法包括化学制备方法和物理制备方法。
[0014]进一步的，上述的化学制备方法包括:化学气相沉积法、氧化石墨还原法。
[0015]进一步的，上述的物理制备方法包括:外延生长法、机械剥离法、真空抽滤法、旋转涂覆法和喷射涂覆法。
[0016]进一步的，步骤I)所述的刻蚀包括光刻、等离子体刻蚀和溶液腐蚀。
[0017]进一步的，一种含透明石墨烯电路的发热结构的制备方法还可以为:
1)制备喷墨打印用的纳米石墨烯浆料，该浆料中含有10?20wt%纳米石墨烯粉末、I?3wt%表面活性剂、2?10wt%分散剂和70?87wt%溶剂；
2)利用喷墨打印机将纳米石墨稀衆料在目的基材表面打印出电路图，即含透明石墨稀电路的发热结构。
[0018]进一步的，一种含透明石墨烯电路的发热结构的制备方法还可以为:
1)将10?20wt%纳米石墨烯粉末、2?10wt%分散剂、I?3wt%溶剂与70?87wt%透明耐高温粘结剂混匀形成浆料；
2)将衆料涂覆在基底上形成石墨稀电路，晚干，即含透明石墨稀电路的发热结构。
[0019]进一步的，上述所有的基底选自塑料、玻璃。
[0020]进一步的，上述的所述的塑料选自PET、PVC、PC、OPP、AS、PS、PMMA、PP和ABS，所述
的玻璃选自钢化玻璃、普通平板玻璃、压花玻璃、夹丝玻璃、中空玻璃、防弹玻璃、夹层玻璃。
[0021]本发明的有益效果是:
本发明巧妙运用透明石墨烯通电发热的现象，在路灯灯罩、汽车、火车、动车、高铁和飞机等交通工具的挡风玻璃等相关材质表面形成含透明石墨烯电路的薄膜，通电后，石墨烯发热可有效防止积雪、冰块、露水、霜、汽雾及液体污溃在上述材质表面的形成和残留。可有效避免路灯灯罩、汽车、火车、动车、高铁和飞机等在寒冷天气受冰雪积压，也可有效防止露水、汽雾及液体污溃在汽车前挡风玻璃表面的形成和残留，使驾驶员的视线不受阻挡，并且透明石墨烯电路在工作过程中不会像其他汽车自动喷液法、手动抹擦法等影响到驾驶员的视线，更有利于安全驾驶。【具体实施方式】
[0022]实施例1:
一、化学气相沉积法制备透明的石墨烯薄膜
在Si/Si02衬底上用磁控溅射、电子束蒸发或热蒸发制备厚IOOnm?500nm的Ni薄膜，作为化学气相沉积的催化剂放入管式炉中，在氢气和氩气气氛中，升温至850°C?1000°C，用氢气还原20分钟后，通入甲烷，反应时间3?5分钟，停止甲烷，在氢气保护下降温，取出样品，制得Si/Si02衬底-镍膜-石墨烯。
[0023]二、石墨烯薄膜转移到有机玻璃(PMMA)基底上
1)取Si/Si02衬底-镍膜-石墨烯样品放入lmol/L的NaOH水溶液，加热80°C，直到镍膜从硅片上脱落，取出脱落的镍膜-石墨烯；
2)将目的基底PMMA置于镍膜-石墨烯的石墨烯表面，在130°C条件下，利用热压贴合法制得镇膜_石墨稀-PMMA ；
3)将镍膜-石墨烯-PMMA放入lmol/L的FeCl3水溶液中，溶解掉镍膜后取出，洗干净得石墨烯-PMMA。
[0024]三、刻蚀石墨烯薄膜形成石墨烯电路
通过氧等离子体刻蚀PMMA基底上的石墨烯薄膜，以形成石墨烯电路，即为含透明石墨烯电路的发热结构。
[0025]实施例2:
一、化学气相沉积法制备透明的石墨烯薄膜
在Si/Si02衬底上用磁控溅射、电子束蒸发或热蒸发制备厚IOOnm?500nm的Ni薄膜，作为化学气相沉积的催化剂放入管式炉中，在氢气和氩气气氛中，升温至850°C?1000°C，用氢气还原20分钟后，通入甲烷，反应时间3?5分钟，停止甲烷，在氢气保护下降温，取出样品，制得Si/Si02衬底-镍膜-石墨烯。
[0026]二、石墨烯薄膜转移到有PET基底上
1)取Si/Si02衬底-镍膜-石墨烯样品放入lmol/L的NaOH水溶液，加热80°C，直到镍膜从硅片上脱落，取出脱落的镍膜-石墨烯；
2)将目的基底PET(聚对苯二甲酸类塑料)置于镍膜-石墨烯的石墨烯表面，在130°C条件下，利用热压贴合法制得镍膜-石墨烯-PET ；
3)将镍膜-石墨烯-PET放入lmol/L的FeCl3水溶液中，溶解掉镍膜后取出，洗干净得石墨烯-PET。
[0027]三、刻蚀石墨烯薄膜形成电路
通过氧等离子体刻蚀PET基底上的石墨烯薄膜，以形成石墨烯电路，即为含透明石墨烯电路的发热结构。
[0028]实施例3:
一、以玻璃为基底制备石墨烯薄膜
I)配置氧化石墨烯溶液:氧化石墨烯(graphene oxide, GO)粉未加入水中，通过超声处理，得到的分布均匀的GO溶液，其中浓度为2mg/mL。
[0029]2)玻璃的亲水处理
玻璃先经超声波清洗干净，再置于含质量百分数10%双氧水和65%浓硫酸的溶液中，在60?90°C条件下处理30min，再用去离子水清洗干净。
[0030]3)制备氧化石墨烯薄膜:在亲水处理后的玻璃上滴涂2mg/mL的GO溶液，待液滴完全在玻璃上摊开后，放入烘箱，70°C干燥2h，取出备用，其中氧化石墨烯厚度控制在I?IOnm0
[0031]或者，在亲水处理后的玻璃上的旋转中心滴加2mg/mL的GO溶液，旋转lmin，转速为1500rpm,然后放入烘箱，70°C干燥2h,取出备用，其中氧化石墨烯厚度控制在I?10nm。
[0032]4)高温还原制备石墨烯薄膜
在Ar、H2混合气体的氛围中，IOOO0C的环境中，将玻璃基底上的GO薄膜高温还原2h，制得透明石墨烯薄膜，薄膜厚I?10nm。
[0033]二、刻蚀石墨烯薄膜形成电路
通过氧等离子体刻蚀玻璃基底上的石墨烯薄膜，以形成石墨烯电路，即为含透明石墨烯电路的发热结构。
[0034]实施例4:
1)制备透明导电丝网印刷油墨:
透明导电丝网印刷油墨按质量百分比含有纳米石墨烯粉末40%?50%、水溶性丙烯酸树脂5?10%、增稠剂5?10%、分散剂0.3?0.8%、去离子水20?35%、乙二醇醚2?
8% o
[0035]首先将纳米石墨烯粉未与去离子水、分散剂、乙二醇醚混合、制成水溶性稀溶液，具有透明导电的性能，备用；然后选用水溶性丙烯酸作为粘着剂加入至前述制得的水溶性稀溶液，提高材料在塑料或玻璃片材上的附着力；最后，加入增稠剂调节粘度，即制成适合丝网印刷的透明导电油墨；
2)将做好的含有相应电路图的丝网印版与承印物玻璃对应放好，使丝网版上的图案与玻璃上的位置对应准确；
3)将I)中制备的透明导电油墨放到丝网印版上进行印刷；这时透明导电油墨在丝网模版和刮板之间，既被挤压又被推移，迫使印料穿过网孔，被印到承印物玻璃上；清洗干净，可获得含透明石墨烯电路的发热结构。
[0036]实施例5:
1)制备透明导电丝网印刷油墨:
透明导电丝网印刷油墨按质量百分比含有纳米石墨烯粉末50%、水溶性丙烯酸树脂5%、水性增稠剂3030 (德国迪高)5%、分散剂DISPERBYK-118 0.5%、去离子水34.5%、乙二醇Bi 5% o
[0037]首先将纳米石墨烯粉未与去离子水、分散剂、乙二醇醚混合、制成水溶性稀溶液，具有透明导电的性能，备用；然后选用水溶性丙烯酸作为粘着剂加入至前述制得的水溶性稀溶液，提高材料在塑料或玻璃片材上的附着力；最后，加入增稠剂调节粘度，即制成适合丝网印刷的透明导电油墨；
2)将做好的含有相应电路图的丝网印版与承印物玻璃对应放好，使丝网版上的图案与玻璃上的位置对应准确；
3)将I)中制备的透明导电油墨放到丝网印版上进行印刷；这时透明导电油墨在丝网模版和刮板之间，既被挤压又被推移，迫使印料穿过网孔，被印到承印物玻璃上；清洗干净，可获得含透明石墨烯电路的发热结构。
[0038]实施例6:
O制备纳米石墨烯浆料:
取0.5mL油胺作为表面活性剂，加入2ml有机溶剂(由环戊烷、十一烷、石油醚按体积比1:1:1组成)，混合均匀，然后取0.4ml混合液加入2g纳米石墨烯粉末中，放入球磨罐中球磨改性Ih。
[0039]取Iml硬脂酸聚乙二醇酯作为分散剂，加入IOml含有环戊烷、十一烷、石油醚的有机溶剂，混合均匀作为溶剂，然后加入球磨改性过的纳米石墨烯粉末中，继续球磨4h后得到纳米石墨烯衆料。
[0040]2)利用喷墨打印机将纳米石墨烯浆料在玻璃或有机玻璃表面打印出相应的电路图，即可获得含透明石墨烯电路的发热结构。
[0041]实施例7:
1)称取5份石墨稀粉末和4份耐闻温的酌醒树脂粘结剂，将18wt%纳米石墨稀粉末、8wt%分散剂月桂基聚乙二醇酯、3被％有机溶剂(由环戊烷、十一烷、石油醚按体积比1:1:1组成)、71wt%透明耐高的环氧树脂粘结剂混匀形成浆料；
2)将浆料涂覆在PC基底 上，形成电路，晾干(或烘干)后即为含透明石墨烯电路的发热结构。
[0042]实施例8:
1)取透明的耐高温的环氧树脂粘结剂，在玻璃基底上涂成电路线路；
2)在粘结剂凝固之前，在粘结剂上喷涂一层纳米石墨烯粉末，石墨烯电路，即为含透明石墨烯电路的发热结构。
[0043]上述实施例中制备的含透明石墨烯电路的发热结构的石墨烯电路两端连有电极，通过电极与外部电源连接后，透明石墨烯电路就能将电能转化为热能，所产生的热能可有效防止积雪、冰块、露水、霜、汽雾及液体污溃在该发热结构表面的形成和残留。这种含透明石墨烯电路的发热结构可应用于路灯灯罩中，及汽车、火车、动车、高铁和飞机交等交通工具的玻璃中，可有效防止积雪、冰块、露水、霜、汽雾及液体污溃在灯罩和交通工具的玻璃表面的形成和残留。
【权利要求】
1.一种含透明石墨烯电路的发热结构，其特征在于:该结构包括基底层和石墨烯电路层。
2.权利要求1所述的一种含透明石墨烯电路的发热结构的制备方法，其特征在于:在基底上形成石墨稀电路。
3.根据权利要求2所述的一种含透明石墨烯电路的发热结构的制备方法，其特征在于:包括以下步骤: 1)在基底上制备石墨烯薄膜； 2)对基底上的石墨烯薄膜进行刻蚀，形成石墨烯电路，即含透明石墨烯电路的发热结构。
4.根据权利要求3所述的一种含透明石墨烯电路的发热结构的制备方法，其特征在于:步骤I)所述的制备石墨烯薄膜方法包括化学制备方法和物理制备方法。
5.根据权利要求3所述的一种含透明石墨烯电路的发热结构的制备方法，其特征在于:所述的化学制备方法包括:化学气相沉积法、氧化石墨还原法。
6.根据权利要求3所述的一种含透明石墨烯电路的发热结构的制备方法，其特征在于:所述的物理制备方法包括:外延生长法、机械剥离法、真空抽滤法、旋转涂覆法和喷射涂覆法。
7.根据权利要求3所述的一种含透明石墨烯电路的发热结构的制备方法，其特征在于:步骤I)所述的刻蚀包括光刻、等离子体刻蚀和溶液腐蚀。
8.根据权利要求2所述的一种含透明石墨烯电路的发热结构的制备方法，其特征在于:包括以下步骤: 1)制备喷墨打印用的纳米石墨烯浆料，该浆料中含有10?20wt%纳米石墨烯粉末、I?3wt%表面活性剂、2?10wt%*散剂和70?87wt%溶剂； 2)利用喷墨打印机将纳米石墨稀衆料在目的基材表面打印出电路图，即含透明石墨稀电路的发热结构。
9.根据权利要求2所述的一种含透明石墨烯电路的发热结构的制备方法，其特征在于:包括以下步骤: 1)将10?20wt%纳米石墨烯粉末、2?10wt%分散剂、I?3wt%溶剂与70?87wt%透明耐高温粘结剂混匀形成浆料； 2)将衆料涂覆在基底上形成石墨稀电路，晚干，即含透明石墨稀电路的发热结构。
10.根据权利要求2、3或8所述的一种含透明石墨烯电路的发热结构的制备方法，其特征在于:所述的基底选自塑料、玻璃。
11.根据权利要求9所述的一种含透明石墨烯电路的发热结构的制备方法，其特征在于:所述的塑料选自PET、PVC、PC、OPP、AS、PS、PMMA、PP和ABS，所述的玻璃选自钢化玻璃、普通平板玻璃、压花玻璃、夹丝玻璃、中空玻璃、防弹玻璃、夹层玻璃。
12.权利要求1所述的含透明石墨烯电路的发热结构在路灯灯罩中的应用。
13.权利要求1所述的含透明石墨烯电路的发热结构在交通工具的玻璃中的应用。
14.根据权利要求13所述的应用，其特征在于:所述的交通工具为汽车、火车、动车、高铁和飞机。
【文档编号】H05B3/84GK103747548SQ201310708081
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月20日 优先权日:2013年12月20日
【发明者】汪海林, 王蕻檳, 陈义能, 叶勤兴 申请人:深圳市千积水电子材料有限公司