一种低温环境下超薄低压电热膜材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种低温环境下超薄低压电热膜材料及其制备方法，属于电热领域。

背景技术：

互联网推进了各类智能电子产品的发展，从按键手机到智能机，从厚重的台式电脑到轻薄的笔记本，许多电子产品改变了人们的生活、工作和娱乐的方式，许多人可以选择移动化办公，出差、旅游带上便携的平板电脑，即可随时随地办公娱乐两不误。电子产品给我们的生活带来了许多便利，但是据报道很多电子产品如平板，手机等在冬天出现充不上电的情况。这种情况出现的原因是低温对电子产品内部产生了一些影响，使得其在正常情况下无法充电。解决这种问题的方法有很多种，如靠近暖源充电，放在被子里充电等，但是这些繁琐的方法效果都不太理想，电热膜由于其优秀的电热表现，将其应用到电子产品领域，为解决此类问题提供了极大的可能性。

近年来，柔性电热膜在现代半导体工业、理疗保健、可穿戴电子设备和除雾除霜等方面的优异的表现引起了越来越多的关注。在过去，氧化铟锡(ito)电热膜因其优异的光学透明性和高导电性而被广泛用作薄膜加热器。然而，近年来ito的价格一直在上涨。更糟糕的是，铟和锡固有的脆性极大地限制了它们的应用。

为了克服这些障碍，研究者们使用石墨烯等具有极高电导率的导电物质来制备电热膜，一方面希望降低电热膜的制造成本，另一方面希望提高电热膜的柔韧性。石墨烯因其极高的导电率和导热系数(5000wm^-1k^-1)而被广泛用作导电材料。这些优异的性能赋予石墨烯制备的电热膜具有极低的薄层电阻和极快的温度响应。但是石墨烯的还原程度直接决定了其导电性能的高低，具有良好导电性能的石墨烯仍没有简易的制备方法。通过hummers方法所得的石墨烯的导电性受还原程度和还原方法影响较大——热还原制备得石墨烯导电性能较好，但至少1500℃或以上的热还原才具有优异的导电性能，此法甚为耗费能源和耗时且不利于再次分散和利用；而cvd法所需的设备复杂，且安全性不高，不利于石墨烯的再分散、成型和利用。

碳化钛(ti3c2tx)是最近研究的一大热点，它是由过渡金属碳化物和氮化物形成的新型可溶液分散的二维纳米材料，由于其独特的片层结构和超高的电导率被广泛用作电磁屏蔽材料，具有优异的导电性、成膜性，亲水性，且与聚合物相互作用力强，与同为二维片层材料的石墨烯相比，其生产工艺简单，理论电导率容易实现，而且更容易在溶剂中分散，但是目前在电热领域的研究相对较少。单独使用二维片层导电填料来制备导电聚合物，会因为片层材料之间的空隙而影响其电导率。因此，本发明通过将二维的钛系导电组分和一维导电组分相结合，用一维导电填料去填补二维导电填料之间的空隙，进而提高材料的整体电导率，制备出了具有优良电导率的电热膜，所制备的电热膜不仅在零下50℃依然有良好的电热表现，而且还具有超薄的厚度，可以广泛应用于电子电气领域。

技术实现要素：

本发明针对上述现有技术所存在的不足，提供了一种低温环境下超薄低压电热膜材料及其制备方法，成功制备出了在零下50℃具有优良电热表现的超薄电热膜。

本发明通过真空抽滤技术，使用两种不同维度的导电填料，成功制备出了具有极高电导率的超薄低压耐低温的电热膜。本发明制备的电热膜一方面只有30um的厚度，用在电子产品中不会明显增加电子产品的体积大小，另一方面这种电热膜在零下50℃的超低温环境下仍然具有很好的发热效果，从而提高了其在电子产品中应用的可能性。

本发明方法适用范围更广，可用多种二维导电填料和线性导电填料之间协效作用来提高电热膜的电热性能。本发明方法能明显提升电热膜在极端环境中的使用性能，提高了电热膜的使用范围。

本发明低温环境下超薄低压电热膜材料，是由如下质量份的原料加工获得：

高分子基材40-60质量份，导电填料a30-40质量份，导电填料b10-20质量份。

所述高分子基材选自纤维素、聚乙烯醇、海藻酸、可溶性淀粉、聚乙二醇、聚氧乙烯、聚丙烯酸、聚乙烯基吡咯烷酮等中的一种。

所述导电填料a选自碳化钛、氮化钛、碳氮化钛等中的一种；所述导电填料b选自碳纳米管、碳纤维、银纳米线等中的一种。

本发明低温环境下超薄低压电热膜材料的制备方法，是以高分子为基材，在基材中添加不同形态的导电填料，经真空抽滤制备获得超薄低电压电热膜。具体包括如下步骤：

步骤1：在60-80℃下，向装有搅拌器、回流冷凝管和溶剂水的三口烧瓶中加入40-60质量份的高分子基材，搅拌4-6h使其分散均匀，获得高分子分散液；

步骤2：向步骤1获得的高分子分散液中加入30-40质量份的导电填料a和10-20质量份的导电填料b，超声搅拌2-4h使其分散均匀，得到电热膜浆料；

步骤3：将步骤2获得的电热膜浆料加入到真空抽滤装置中，在真空条件下抽滤8-12h，获得具有一定湿度的电热膜，随后将其在80℃烘箱中烘干，即得超薄低压电热膜。

本发明制备的超薄低压电热膜的厚度为30-40um。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明制备过程简单，制备过程中均使用水为溶剂，没有其它有毒有害副产物产生，符合绿色环保可持续发展的要求；

2、本发明制备的电热膜具有超薄的结构，其厚度范围为30-40um，能在很低的电压下就可以有很好发热性能，适合用于电子产品中；

3、本发明制备的电热膜在零下50℃表现出很好的电加热性能，电热膜耐极端环境的能力明显提高。

附图说明

图1是实施例1制备的电热膜1的光学和sem图片(以碳化钛和碳纳米管为例)。

图2是实施例1制备的电热膜1在常温下的发热曲线(以碳化钛和碳纳米管为例)。

图3是实施例1制备的电热膜1在低温下10v的发热曲线(以碳化钛和碳纳米管为例)。

具体实施方式

实施例1-3中的原材料及测试为国家重点研发计划(2017yfc0805900)资助。

实施例1：

本实施新型超薄电压耐低温电热膜是以高分子基材、溶剂水、钛系化合物、线性导电填料为原料，通过真空抽滤的方法制备的电热膜。其中高分子基体选用纤维素，钛系化合物选用碳化钛，线性导电填料选用碳纳米管，按如下步骤制备：

步骤1：在60℃下，向装有搅拌器、回流冷凝管和溶剂水的三口烧瓶中加入40质量份的纤维素，加入完成后搅拌4h使其完全溶解获得纤维素溶液；

步骤2：取步骤1获得纤维素溶液，向其中加入40质量份的碳化钛和20质量份的碳纳米管，然后将混合导电填料超声搅拌2h使其混合均匀，得到电热膜浆料；

步骤3：将步骤2获得的电热膜浆料加入的真空抽滤装置中，在真空条件下抽滤8h，获得具有一定湿度的电热膜，随后将其在80℃烘箱中烘干10min即得超薄低压电热膜。同时制备了单独使用二维和一维导电填料的电热膜进行电热性能的对比。

从图1的sem照片可以看出电热膜具有超薄的结构，由图2可以看出电热膜在低压下有优异的发热性能，由图3和表1可以看出电热膜1在10v电压下可以从零下50℃升温到57℃，说明电热膜在极端低温环境下有很好的电热性能。从表1还可以看出使用二维导电填料和一维导电填料协效的电热膜1比单独使用二维导电填料的电热膜2和一维导电填料的电热膜3具有更好的电热表现。

表1电热膜的配比以及相应的电热性能

实施例2：

本实施新型超薄电压耐低温电热膜是以高分子基体、溶剂水、钛系化合物、线性导电填料为原料，通过真空抽滤的方法制备的电热膜。其中高分子基体选用聚乙烯醇，钛系化合物选用氮化钛，线性导电填料选用碳纤维，按如下步骤制备：

步骤1：在70℃下，向装有搅拌器、回流冷凝管和溶剂水的三口烧瓶中加入50质量份的聚乙烯醇，加入完成后搅拌5h使其完全溶解获得纤维素溶液；

步骤2：取步骤1获得聚乙烯醇溶液，向其中加入35质量份的氮化钛和15质量份的碳纤维，然后将混合导电填料超声搅拌2h使其混合均匀，得到电热膜浆料；

步骤3：将步骤2获得的电热膜浆料加入的真空抽滤装置中，在真空条件下抽滤9h，获得具有一定湿度的电热膜，随后将其在80℃烘箱中烘干10min即得超薄低压电热膜。同时制备了单独使用二维和一维导电填料的电热膜进行电热性能的对比。

由表2可以看出电热膜4在10v电压下可以从零下50℃升温到53℃，说明电热膜在极端低温环境下有很好的电热性能。从表2还可以看出使用二维导电填料和一维导电填料协效的电热膜4比单独使用二维导电填料的电热膜5和一维导电填料的电热膜6具有更好的电热表现。

表2电热膜的配比以及相应的电热性能

实施例3：

本实施新型超薄电压耐低温电热膜是以高分子基体、溶剂水、钛系化合物、线性导电填料为原料，通过真空抽滤的方法制备的电热膜。其中高分子基体选用聚乙二醇，钛系化合物选用碳氮化钛，线性导电填料选用银纳米线，按如下步骤制备：

步骤1：在80℃下，向装有搅拌器、回流冷凝管和溶剂水的三口烧瓶中加入60质量份的纤维素，加入完成后搅拌6h使其完全溶解获得纤维素溶液；

步骤2：取步骤1获得聚乙二醇溶液，向其中加入30质量份的碳氮化钛和10质量份的银纳米线，然后将混合导电填料超声搅拌4h使其混合均匀，得到电热膜浆料；

步骤3：将步骤2获得的电热膜浆料加入的真空抽滤装置中，在真空条件下抽滤10h，获得具有一定湿度的电热膜，随后将其在80℃烘箱中烘干10min即得超薄低压电热膜。同时制备了单独使用二维和一维导电填料的电热膜进行电热性能的对比。

由表3可以看出电热膜7在10v电压下可以从零下50℃升温到63℃，说明电热膜在极端低温环境下有很好的电热性能。从表3还可以看出使用二维导电填料和一维导电填料协效的电热膜7比单独使用二维导电填料的电热膜8和一维导电填料的电热膜9具有更好的电热表现。

表3电热膜的配比以及相应的电热性能