一种基于石墨烯的耐冲击透明发热膜的制作方法

本发明涉及远红外技术领域，具有涉及一种基于石墨烯的耐冲击发热膜。

背景技术：

通过cvd(chemicalvapordeposition，化学气相沉积)制备的单层石墨烯或多层石墨烯，其微观尺度含氧极性基团极少，从而宏观上呈现出化学惰性，表面能很低，尤其是单层石墨烯，表面极易受到外力作用而损坏。

由于cvd法制备的石墨烯制备的发热膜，升温速度快且发热稳定均匀，因此，基于石墨烯发热材料来制备发热产品成为一个新的热点。但在实际应用中，由于外力作用，如弯折或重物局部冲击等，使得单层石墨烯损坏，从而使得发热膜出现发热温度不均匀或者局部不发热/过热等现象，从而影响基于石墨烯的发热膜的使用，即由于石墨烯自身的局限性，使得基于石墨烯的发热膜的使用耐久性差，进而严重制约了石墨烯发热产品的发展。

有鉴于此，有人提出由于发泡材料，如泡棉，具有大量孔隙，能够有效吸收冲击应力，因此，可将泡棉材料设置在石墨烯层和电极层之间。但发泡材料为非透明材质，空洞的存在也导致其光的透过率显著下降，而cvd石墨烯发热膜作为一款追求高透明的材料，因此，泡棉等非透明的发泡材料是不能够应用于石墨烯发热膜作为缓冲层的，如专利cn201720046374.6中各种泡棉材料实际上并不适用要求高透明的石墨烯发热膜。

技术实现要素：

针对上述存在的技术问题，本发明提供一种基于石墨烯的耐冲击透明发热膜。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于石墨烯的耐冲击透明发热膜，其包括自下而上依次层叠设置的支撑层、石墨烯发热层和缓冲层。

其中，所述石墨烯发热层包括石墨烯层和设置在所述石墨烯层至少一侧的电极层，且所述电极层采用叉指电极。

进一步地，所述叉指电极的正极和负极分别设置在所述石墨烯层的两侧；或者，所述石墨烯层的两侧分别设置两套叉指电极。

其中，所述缓冲层为乙烯-醋酸乙烯酯、热塑性聚氨酯、聚丙烯酸酯压敏胶、聚乙烯醇缩丁醛材料中的任意一种或多种材料的组合而制成的层状膜结构。优选的，缓冲层材料为热塑性聚氨酯、乙烯-醋酸乙烯酯

其中，所述缓冲层的厚度为所述耐冲击透明发热膜厚度的10-90％。

其中，所述缓冲层的杨氏模量为10-100mpa，优选20-50mpa。

其中，所述缓冲层的断裂伸长率范围为200-3000％，优选500-1500％。

其中，所述石墨烯层为单层石墨烯或多层石墨烯。

其中，所述支撑层厚度为1-500um，优选20-150um。

其中，所述支撑层热膨胀系数范围0.1-100*10^-6/℃；优选10-60*10^-6/℃。

其中，所述支撑层弹性模量范围为0.5-20gpa，优选2-8gpa。

其中，所述表面封装层为pet、pp、pi、pmma、pc，优选的表面封装层材料为pet。

其中，所述表面封装层厚度范围为1-500um；优选的表面封装层厚度范围为20-150um。

本发明的有益之处在于：

本发明公开了一种基于石墨烯的耐冲击透明发热膜，通过在石墨烯发热层下层设置支撑层，保持整体结构强度，避免了应力造成石墨烯结构破坏，并通过在石墨烯发热层的上层设置光学级透明材料作为缓冲层，吸收发热膜膜结构内部传导应力，及释放界面应力，避免应力集中而造成的层间结构破坏。本发明的耐冲击透明发热膜极大地增强石墨烯发热膜使用耐久性，延长石墨烯发热膜使用寿命。

附图说明

图1为本发明的一种基于石墨烯的耐冲击透明发热膜的一实施例的结构示意图；

图2为图1中耐冲击透明发热膜的石墨烯发热层中电极层的一实施例的示意图；

图3a和图3b分别为空白样品落球冲击试验前、后红外图像；

图4a和图4b分别为空白样品弯曲疲劳试验前、后红外图像；

图5a和图5b分别为实施例一中的耐冲击透明发热膜落球冲击试验前、后红外图；

图6a和图6b分别为实施例一中的耐冲击透明发热膜弯曲疲劳试验前、后红外图像；

图7a和图7b分别为为实施例二中的耐冲击透明发热膜落球冲击试验前、后红外图像；

图8a和图8b分别为实施例二中的耐冲击透明发热膜弯曲疲劳试验前、后红外图像；

图9a和图9b分别为实施例三中的耐冲击透明发热膜落球冲击试验前、后红外图像；

图10a和图10b分别为实施例三中的耐冲击透明发热膜弯曲疲劳试验前、后红外图像。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

参见图1，为本发明的一种基于石墨烯的耐冲击透明发热膜的一实施例的结构示意图，具体地，本实施例中该耐冲击透明发热膜包括自下而上依次层叠设置的支撑层1、石墨烯发热层2和缓冲层3(当然，还包括封装层4)。

本实施例中，该缓冲层3为厚度为200um的乙烯-醋酸乙烯脂薄膜热压在该石墨烯发热层2上的透明层状膜，且其乙烯-醋酸乙烯脂薄膜厚度占比(占整个透明发热膜的厚度的占比)为50％，杨氏模量为35mpa，断裂拉伸率650％。

本实施例中，该石墨烯发热层2包括石墨烯层21和设置在该石墨烯层21至少一侧的电极层22。其中，石墨烯层为采用cvd法制备的单层石墨烯或多层石墨烯。而该电极层22采用等间距设置的叉指电极，即叉指电极的正极和负极均位于该石墨烯层上，参见图2。当然，也可将叉指电极的正极和负极分别设置在该石墨烯层的两侧，或者，该石墨烯层的两侧分别设置一套叉指电极。

本实施例中，该支撑层1为厚度为100um的pi材料制成的层状膜，且其其热膨胀系数为5*10^-5℃，弹性模量为3gpa。

本实施例中，该封装层为pet，或pp，或pi，或pmma，或pc等透明材料制成的厚度为1-500um(优选为20-150um)的层状结构。

当然，本实施例中，该缓冲层也可采用热塑性聚氨酯、聚丙烯酸酯压敏胶、聚乙烯醇缩丁醛材料中的任意一种或多种材料的组合而制成的层状膜结构，且其厚度为耐冲击透明发热膜(整体)厚度的10-90％，杨氏模量为10-100mpa(优选为20-50mpa)，断裂伸长率范围为200-3000％(优选为500-1500％)。

当然，本实施例中，该支撑层也可采用pet，或pvc，或pmma，或pc等其它透明材料制成的厚度为1-500um(进一步地优选为20-150um)的层状结构，且其热膨胀系数范围0.1-100*10^-6/℃(优选为10-60*10^-6/℃)，弹性模量范围为0.5-20gpa(优选为2-8gpa)。

实施例二

本发明还提供了另一种耐冲击透明发热膜，其包括上述实施例一中的各个模块，且相同的模块采用相同的附图标记，其工作原理也相同，这里不再赘述，不同的是，本实施例中的耐冲击透明发热膜的缓冲层为采用厚度为1000um的乙烯-醋酸乙烯脂薄膜热压在石墨烯发热层的表面；且该乙烯-醋酸乙烯脂薄膜厚度占比为80％，杨氏模量为35mpa，断裂拉伸率650％。

实施例三

本发明还提供了另一种耐冲击透明发热膜，其包括上述实施例一中的各个模块，且相同的模块采用相同的附图标记，其工作原理也相同，这里不再赘述，不同的是，本实施例中的耐冲击透明发热膜的缓冲层为采用厚度为200um的聚丙烯酸酯胶膜辊压在石墨烯发热层的表面；且其占比为50％，杨氏模量为47mpa，断裂拉伸率450％。

实施例四

为了能够更清楚的体现上述实施例一中耐冲击透明发热膜的结构和优异的效果，下面结合其制备方法和耐冲击实验对其进行详细的说明。

本实施例的耐冲击透明发热膜的制备方法，具体包括步骤：

步骤1，在厚度为100um的支撑层上使用uv胶转移由cvd法制备得到的单层石墨烯。本实施例中，该支撑层采用pi材料制成的层状膜，其热膨胀系数为5*10^-5℃，弹性模量为3gpa。

步骤2，在单层石墨烯表面使用丝网印刷银浆电路得到由电极层和石墨烯层构成的石墨烯发热层。

步骤3，将厚度为200um的乙烯-醋酸乙烯脂薄膜热压在步骤2制备得到的结构表面，得到石墨烯发热层上的缓冲层。本实施例中，所选用的乙烯-醋酸乙烯脂薄膜厚度占比(占整个透明发热膜的厚度的占比)为50％，杨氏模量为35mpa，断裂拉伸率650％。

步骤4，将厚度为100um的pi膜热压在缓冲层上层，得到耐冲击石墨烯发热膜。

最后通过落球冲击与薄膜弯曲疲惫测试机对制备的耐冲击发热膜进行测试，具体测试方法如下：

步骤1，在室温(20℃)条件下对发热膜加载直流电源，待发热稳定后使用红外热像仪拍摄红外图像。

步骤2，使用落球冲击机进行冲击测试，钢球重量64g，跌落高度为80cm，发热膜的封装层向上放置。

步骤3，使用薄膜弯曲疲劳测试机进行弯曲疲劳测试，弯曲半径为20mm，弯曲次数50000次。

步骤4，将经过测试的石墨烯发热膜在室温条件下加载直流电源，待发热稳定后使用红外热像仪拍摄红外图像。

对比测试前后获得的图像，再与空白样品(无缓冲层)测试前后图像对比，判定耐冲击效果：

空白样品落球冲击试验前、后红外图像分别如图3a和图3b所示，由此可知，无缓冲层，落球冲击到该发热膜上后，落球冲击该发热膜处的石墨烯发热层出现断裂，从而使得出现局部不发热的现象；空白样品弯曲疲劳试验前、后红外图像分别如图4a和图4b所示，由此可知，当弯曲该发热膜后，发热膜的石墨烯薄膜出现损坏，从而导致发热不均匀的现象。

本实施例落球冲击试验前、后红外图像分别如图5a和图5b所示，由此可知，有缓冲层时，落球冲击到该发热膜上后，落球冲击该发热膜处的石墨烯发热层出现断裂，但断裂程度明显减小；弯曲疲劳试验前、后红外图像分别如图6a和图6b所示，由此可知，当弯曲设置有缓冲层的发热膜后，该发热膜的石墨烯薄膜并未损坏。

实施例五

为了能够更清楚的体现上述实施例二中耐冲击透明发热膜的结构和优异的效果，下面结合其制备方法和耐冲击实验对其进行详细的说明。

本实施例的耐冲击透明发热膜的制备方法，具体包括步骤：

步骤1，在厚度为100um的支撑层使用uv胶转移单层cvd石墨烯。本实施例中，该支撑层采用pi膜制成，其热膨胀系数为5*10^-5℃，弹性模量为3gpa。

步骤2，在单层石墨烯表面使用丝网印刷银浆电路得到石墨烯层和电极层构成的石墨烯发热层。

步骤3，将厚度为1000um的乙烯-醋酸乙烯脂薄膜热压在步骤2制备得到的结构表面，得到石墨烯发热层上的缓冲层。本实施例中，所选用的乙烯-醋酸乙烯脂薄膜厚度占比(占整个透明发热膜的厚度的占比)为80％，杨氏模量为35mpa，断裂拉伸率650％。

步骤4，将厚度为100um的pi膜热压在缓冲层上层，得到耐冲击石墨烯发热膜。

本实施例制备的耐冲击石墨烯发热膜测试方式同实施例四，不同之处在于弯曲疲劳测试弯曲半径为50mm。

本实施例落球冲击试验前、后红外图像分别如图7a和图7b所示，由此可知，有缓冲层时，落球冲击到该发热膜上后，落球冲击该发热膜处的石墨烯发热层出现断裂，但断裂程度明显减小；弯曲疲劳试验前、后红外图像分别如图8a和图8b所示，由此可知，当弯曲设置有缓冲层的发热膜后，该发热膜的石墨烯薄膜并未损坏。

实施例六

为了能够更清楚的体现上述实施例二中耐冲击透明发热膜的结构和优异的效果，下面结合其制备方法和耐冲击实验对其进行详细的说明。

本实施例的耐冲击透明发热膜的制备方法，具体包括步骤：

步骤1，在厚度为100um的支撑层表面使用uv胶转移cvd法制备得到的单层石墨烯。本实施例中，该支撑层采用pi材料制成的层状膜，其热膨胀系数为5*10^-5℃，弹性模量为3gpa。

步骤2，在单层石墨烯表面使用丝网印刷银浆电路得到由电极层和石墨烯层构成的石墨烯发热层。

步骤3，将厚度为200um的聚丙烯酸酯胶膜辊压在步骤2制备得到的结构表面，得到石墨烯发热层上的缓冲层。本实施例中，所选用的薄膜厚度占比(占整个透明发热膜的厚度的占比)为50％，杨氏模量为47mpa，断裂拉伸率450％。

步骤4，将厚度为100um的pi膜热压在缓冲层上层，得到耐冲击石墨烯发热膜。

本实施例制备的耐冲击石墨烯发热膜测试方式同实施例四，本实施例落球冲击试验前、后红外图像分别如图9a和图9b所示，由此可知，有缓冲层时，落球冲击到该发热膜上后，落球冲击该发热膜处的石墨烯发热层出现断裂，但断裂程度明显减小；弯曲疲劳试验前、后红外图像分别如图10a和图10b所示，由此可知，当弯曲设置有缓冲层的发热膜后，该发热膜的石墨烯薄膜并未损坏。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。