耐高温透明柔性电热膜及其制备方法与流程

本公开涉及电取暖领域，具体涉及耐高温透明柔性电热膜。

背景技术：

随着国家煤改电的趋势，以电热膜取暖的方式成为了取代传统供暖方式的一个主要发展趋势。目前市面上电热膜取暖装置主要以碳材料或含碳材料为核心发热材料。碳材料有不同形式，如碳纤维、碳浆、碳晶、石墨烯浆料(含有石墨烯微片)、石墨烯透明薄膜等。

电热膜中的碳材料本身可以耐受较高温度，但是目前的电热膜大都使用环氧树脂、pet、pen、pi等绝缘体基底，这些基底大都只能在200℃以下使用，因此当前的电热膜的温度特性大都受限于基底的温度特性，进一步提高碳材料的发热温度会损坏基底，进而损坏电热膜。虽然以玻璃作为基底材料可以耐受高温，但是以玻璃作为基底得到的是硬质电热板，无法应用于柔性场景中。

技术实现要素：

本公开要解决的技术问题在于，就供暖效果而言，电热膜需要达到较高温度才能与传统的煤供暖方式或电阻丝供暖方式相匹敌，但高温条件下，目前的电热膜容易损坏。

本公开提供了一种电热膜，电热膜整体柔性透明，能够耐受400℃以上的高温。

具体来说，本公开提出了如下技术方案：

本公开的一些实施方式提供了一种耐高温透明柔性电热膜，包括云母薄片基底、透明柔性发热层、柔性电极和云母薄片保护层，所述柔性电极位于所述透明柔性发热层的表面，云母薄片基底和云母薄片保护层将柔性电极和透明柔性发热层夹在中间。

本公开的一些实施方式提供的电热膜中，所述云母薄片基底的厚度为0.1～200μm，优选为4～80μm，更优选为10～50μm。

本公开的一些实施方式提供的电热膜中，云母薄片保护层的厚度为0.1～200μm，优选为4～50μm，更优选为10～30μm。

本公开的一些实施方式提供的电热膜中，所述透明柔性发热层为1～10层单层碳原子石墨烯薄膜，优选地，所述透明柔性发热层为1～5层单层碳原子石墨烯薄膜，更优选地，所述透明柔性发热层为1～2层单层碳原子石墨烯薄膜。

本公开的一些实施方式提供的电热膜中，所述柔性电极的厚度为0.01～200μm，优选为0.1～50μm，更优选为10～20μm；可选地，所述柔性电极选自平行电极或叉指电极，所述平行电极包括平行汇流条，所述叉指电极包括汇流条和多个内电极；可选地，所述汇流条的形状选自直线形和/或曲线形；可选地，所述内电极的形状选自矩形、波浪线和/或锯齿形。

本公开的一些实施方式提供的电热膜中，所述柔性电极包括透明柔性电极和/或非透明柔性电极；可选地，所述内电极为透明柔性电极，所述汇流条为非透明柔性电极；

可选地，所述柔性电极内部包括纳米线结构；可选地，所述柔性电极内部包括纳米导线交织而成的规则或不规则纳米网格结构，可选地，所述纳米导线选自纳米金属导线，可选地，所述金属选自银、镍、铜或其合金；可选地，所述柔性电极内部还包括石墨烯微片，所述石墨烯微片的长度和宽度为20nm～1μm。

另一方面，本公开一些实施方式提供了耐高温透明柔性电热膜的制备方法，包括步骤：在云母薄片基底的表面生长透明柔性发热层，或者将透明柔性发热层转移到云母薄片基底的表面；

可选地，所述透明柔性发热层通过等离子体化学气相沉积的方法生长到云母薄片基底的表面，可选地，生长温度为400～600℃。

本公开一些实施方式提供的制备方法中，所述云母薄片基底通过机械剥离天然云母或合成云母得到，可选地，所述天然云母包括白云母，所述云母薄片基底通过机械剥离白云母得到。

本公开一些实施方式提供的制备方法，包括步骤：通过丝网印刷或喷墨打印在透明柔性发热层上制作柔性电极，可选地，根据电极结构制作掩膜版，利用掩膜版将纳米金属线分散液或金属导电浆料通过丝网印刷或喷墨打印涂覆于透明柔性发热层上，在还原气氛下干燥得到透明柔性电极；

或，将制备好的金属网格电极转移到石墨烯表面，可选地，根据电极结构制作金属网络模板，而后在金属网络模板上进行化学修饰与金属材料的电化学沉积制备柔性电极，再将柔性电极转移到透明柔性发热层表面。

本公开一些实施方式提供了通过上述制备方法得到的耐高温透明柔性电热膜。

本申请的有益效果包括：

1.本公开使用透明柔性云母作为电热膜基底，具有低的热膨胀系数、小的表面粗糙度和高的透光率，且具有很好的机械柔性。

2.本公开的耐高温透明柔性电热膜可快速发热，至少可以承受400℃，可广泛应用于电取暖和高温灭菌等领域。

3.本公开使用透明柔性云母作为电热膜基底，可在该基底上直接生长石墨烯薄膜，得到的电热膜中石墨烯薄膜和基底的结合力更强；另外，直接生长石墨烯薄膜的方法还能极大地降低生产成本，更好地控制生产合格率，保证石墨烯薄膜的高质量，可更好地满足低功耗、高能量和安全稳定性等需求。

4.本公开制备的透明柔性电极，能使得电热膜整体呈现透光状态，耐弯曲性能更好。

附图说明

图1为本公开实施例6～9的耐高温透明柔性电热膜分解示意图；

图2为本公开实施例6～9的耐高温透明柔性电热膜俯视图的示意图；

图3为实施例8制得的电热膜对应于图2中a部分的放大示意图；

图中，1为云母薄片基底，2为透明柔性发热层，3为柔性电极，31为汇流条，32为内电极，4为云母薄片保护层。

具体实施方式

下面将结合附图对本公开的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，基于本公开中的具体实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本公开保护的范围。

需要注意的是，本文所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。

在本文的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“石墨烯”是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。石墨烯可根据其尺寸大小分为石墨烯薄膜和石墨烯微片，石墨烯微片的长度和宽度为20nm～1μm，从宏观上看为粉末状态，可制成石墨烯分散液；而石墨烯薄膜尺寸较大，其长度或宽度为10mm～1m，长度甚至可以达到200m，从宏观上看是薄膜状态。

术语“云母薄片”是指厚度在300μm以下柔软具有弹性的云母片。

本公开的一些实施方式提供了一种耐高温透明柔性电热膜，包括云母薄片基底、透明柔性发热层、柔性电极和云母薄片保护层。透明柔性发热层位于云母薄片基底上，柔性电极位于透明柔性发热层的一侧表面，云母薄片保护层和云母薄片基底将发热层和电极夹在中间，共同保护发热层和电极。

可选地，上述云母薄片基底和云母薄片保护层的厚度为0.1～200μm，例如4～50μm，或者这些数值之间的任意值。不同厚度的云母薄片具有不同的机械性能和透光率，本发明人测试发现200μm厚度的云母薄片具有约70％的透光性，云母薄片越薄，透光性越高，柔性也越高，但是云母薄片越薄，其宽度或长度越小。

可选地，通过剥离云母片得到0.1至200微米厚度的云母薄片，该薄片可耐高温达到600℃，具有低的热膨胀系数、小的表明粗糙度和高的透光率(可实现大于80％)，且具有很好的机械柔性。云母片可选自天然云母片或氟晶云母片。

可选地，上述透明柔性发热层为石墨烯薄膜。可选地，所述透明柔性发热层为1～10层单层碳原子石墨烯薄膜。可选地，所述透明柔性发热层为1～5层单层碳原子石墨烯薄膜。可选地，所述透明柔性发热层为1～2层单层碳原子石墨烯薄膜。通过调整石墨烯薄膜层数，可以改变发热层的阻值，从而调整发热功率。石墨烯薄膜可采用化学气相沉积法制备，制得的石墨烯形成薄膜，尺寸较大，结构较完整。

本公开的一些实施方式提供了耐高温透明柔性电热膜的制备方法，以石墨烯薄膜为透明柔性发热层为例，包括以下步骤：

(1)通过化学气相沉积法(或者等离子体增强化学的气相沉积法，pecvd)在金属衬底生长石墨烯薄膜，

(2)将生长在金属衬底上的石墨烯薄膜通过刻蚀金属后转移到云母薄片基底的表面，可选地，将生长在金属衬底上的石墨烯薄膜一面涂上聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)溶液，然后刻蚀掉金属，剩下石墨烯薄膜和pmma层，再将石墨烯薄膜和pmma层的石墨烯薄膜一面贴合到云母薄片基底上，并用溶剂溶解去除石墨烯薄膜表面的pmma，从而将石墨烯薄膜转移到云母薄片基底的表面；

(3)利用设计好结构的掩膜版，在石墨烯薄膜表面通过丝网图案化印刷电极或通过喷墨打印电极，或者将制备好的金属网格电极转移到石墨烯薄膜表面；

(4)在制备好电极的石墨烯薄膜表面覆盖云母薄片保护层。

本公开的一些实施方式提供了耐高温透明柔性电热膜的另一种制备方法，以石墨烯薄膜为透明柔性发热层为例，包括以下步骤：

(1)通过等离子体增强的化学气相沉积法(pecvd)在云母薄片基底生长石墨烯薄膜，

(2)利用设计好结构的掩膜版，在石墨烯薄膜表面通过丝网图案化印刷电极或通过喷墨打印电极，或者将制备好的金属网格电极转移到石墨烯薄膜表面；

(3)在制备好电极的石墨烯薄膜表面覆盖云母薄片保护层。

本公开的一些实施方式中，通过机械剥离法剥离得到50μm(20、30、70、100、150、180、200μm等)厚的云母薄片基底，将云母薄片基底转移进入到等离子化学气相沉积设备中的石英管中心区域，将石英管密封并抽取真空，开启等离子体发生器并通入氢气，将石英管升温至400～600℃再通入碳源气体(例如，甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯或乙炔)和氢气，保持石墨烯成核生长60～200min。生长过程中，高温的等离子体填充了整个石英管，可以形成高效率的等离子体刻蚀或者石墨烯生长。在pecvd生长过程中可通过通入氨气或者氮气进行氮原子掺杂。

本公开的一些实施方式中，在550～600℃时通入甲烷和氢气，保持石墨烯成核生长60～120min；或者在450～500℃时通入乙烯和氢气等离子体，生长80～200min。

本公开的一些实施方式中，生长完成，停止通入碳源气体，石英管开始冷却至室温，关闭气体，打开设备取出样品，即得到了云母基底上生长的石墨烯薄膜。

传统石墨烯透明电热膜采用的环氧树脂、pet、pen、pi等绝缘体基底大都只能在200℃以下使用，因此无法在这些基底上采用化学气相沉积的方法生长石墨烯薄膜，而只能在耐受高温的金属衬底上生长石墨烯薄膜后再将金属基底刻蚀除去，然后将石墨烯薄膜转移到基底上。由于云母薄片基底可以耐受较高温度，因此能够利用等离子体增强的化学气相沉积的方法在该基底上直接生长石墨烯薄膜，从而极大地降低生产成本，石墨烯薄膜与基底之间结合牢固性更好。另外，通过直接在云母薄片基底上直接生长石墨烯薄膜，避免了刻蚀金属和转移石墨烯薄膜过程中可能存在的破坏石墨烯薄膜完整性的问题，因此能够更好地控制生产合格率，保证石墨烯薄膜的高质量，可更好地实现低功耗满足高能量需求和安全稳定性等需求。

下面通过具体实施例对本公开的实施方式进一步说明。

实施例1通过转移法制备石墨烯/云母薄片复合层

将生长有单层碳原子石墨烯薄膜的铜箔贴在平整玻璃上，然后放置于旋涂机上，在石墨烯薄膜一面旋涂上一层聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)，并在105℃烘烤5min。然后从玻璃上拆下样品，得到铜箔/石墨烯/pmma复合层，将铜箔/石墨烯/pmma复合层中的铜箔用过硫酸铵溶液进行刻蚀，之后得到浮于刻蚀溶液表面的pmma/石墨烯样品，之后用去离子水对pmma/石墨烯样品进行反复清洗，除掉残余的过硫酸铵。然后将清洗干净的pmma/石墨烯样品转移至50μm厚的云母薄片基底上，然后在180℃烘烤1h，以增强云母薄片与石墨烯薄膜的结合力，最后用丙酮将pmma溶解掉，得到了石墨烯/云母薄片复合层，通过四探针方阻测试仪测得薄膜方阻在180ω/□。

用干净的pmma/石墨烯样品重复转移的过程，可在云母薄片上转移多层石墨烯薄膜，经检测两次转移得到的两层石墨烯薄膜方阻为150ω/□。

实施例2在云母薄片上直接生长石墨烯制备石墨烯/云母薄片复合层

通过机械剥离法剥离得到50μm厚的云母薄片基底，将云母薄片基底转移到等离子化学气相沉积设备中的石英管中心区域，将石英管密封并抽取真空，开启等离子体发生器，通入氢气，5分钟后开始升温，以10℃/min的速率将石英管加热至500℃，控制石英管内压强为33pa左右，500℃保持30min，对云母薄片基底进行刻蚀清洗。随后将石英管加热至600℃，通入甲烷和氢气，其中氢气气体占40％，控制石英管内压力在6pa，保持石墨烯成核生长80min；生长过程中，高温的等离子体填充了整个石英管，可以形成高效率的石墨烯生长。生长完成，关闭甲烷在氢气(6pa)下石英管开始冷却至室温，关闭气体，打开设备取出样品，得到云母薄片基底上生长了石墨烯薄膜的石墨烯/云母薄片复合层，通过四探针方阻测试仪测得石墨烯薄膜方阻在150ω/□。

实施例3在云母薄片上直接生长石墨烯制备石墨烯/云母薄片复合层

通过机械剥离法剥离得到30μm厚的云母薄片基底，将云母薄片基底转移到等离子化学气相沉积设备中的石英管中心区域，将石英管密封并抽取真空，开启等离子体发生器，通入氢气，5分钟后开始升温，以10℃/min的速率将石英管加热至500℃，控制石英管内压强为33pa左右，500℃保持30min，对云母薄片基底进行刻蚀清洗。随后将石英管加热至600℃，通入甲烷和氢气，其中氢气气体占40％，控制石英管内压力在6pa，保持石墨烯成核生长100min；生长过程中，高温的等离子体填充了整个石英管，可以形成高效率的石墨烯生长。生长完成，关闭甲烷在氢气(6pa)下石英管开始冷却至室温，关闭气体，打开设备取出样品，得到云母薄片基底上生长了石墨烯薄膜的石墨烯/云母薄片复合层，通过四探针方阻测试仪测得石墨烯薄膜方阻在151ω/□。

实施例4在云母薄片上直接生长石墨烯制备石墨烯/云母薄片复合层

通过机械剥离法剥离得到10μm厚的云母薄片基底，将云母薄片基底转移到等离子化学气相沉积设备中的石英管中心区域，将石英管密封并抽取真空，开启等离子体发生器，通入氢气，5分钟后开始升温，以10℃/min的速率将石英管加热至500℃，控制石英管内压强为33pa左右，500℃保持30min，对云母薄片基底进行刻蚀清洗。然后通入乙烯和氢气等离子体，氢气含量占50％，腔体控制在6pa下，生长120min。生长完成，关闭乙烯，最后在氢气(6pa)下石英管开始冷却至室温，关闭气体，打开设备取出样品，得到云母基底上生长了石墨烯薄膜的石墨烯/云母薄片复合层，通过四探针方阻测试仪测得石墨烯薄膜方阻在148ω/□。

实施例5在云母薄片上直接生长石墨烯制备石墨烯/云母薄片复合层

通过机械剥离法剥离得到80μm厚的云母薄片基底，将云母薄片基底转移到等离子化学气相沉积设备中的石英管中心区域，将石英管密封并抽取真空，开启等离子体发生器，通入氢气，5分钟后开始升温，以10℃/min的速率将石英管加热至500℃，控制石英管内压强为33pa左右，500℃保持30min，对云母薄片基底进行刻蚀清洗。然后通入乙烯和氢气等离子体，氢气含量占50％，腔体控制在6pa下，生长80min。生长完成，关闭乙烯，最后在氢气(6pa)下石英管开始冷却至室温，关闭气体，打开设备取出样品，得到云母基底上生长了石墨烯薄膜的石墨烯/云母薄片复合层，通过四探针方阻测试仪测得石墨烯薄膜方阻在148ω/□。

实施例6制备耐高温透明柔性电热膜

采用实施例2制得的石墨烯/云母薄片复合层，根据电极结构设计，利用掩膜版将银纳米线分散液涂覆与薄膜上，制备透明柔性电极，然后将其置于管式炉中，通入还原性气体氢气在300℃进行干燥，冷却后取出。通过耐高温透明胶将最上层的云母薄片保护层胶粘到电极和石墨烯薄膜上。最后得到耐高温柔性全透明电热膜。

通过上述工艺制备得到的电热膜如图1和图2所示，参见图1，电热膜从下往上依次为云母薄片基底1、透明柔性发热层2、透明柔性电极3和云母薄片保护层4，云母薄片基底1的厚度为50μm，透明柔性电极3的厚度为20μm，云母薄片保护层4的厚度为20μm，透明柔性发热层2为双层碳原子石墨烯薄膜，整体透光率为82％，得到的电热膜经过曲率半径为55mm的四方向(上下左右)弯曲500次后，电热膜电阻变化小于5％。参见图2，电热膜中的透明柔性电极3为叉指电极，包括汇流条31和多个内电极32，柔性电极3的内部为纳米银线交织而成的网络状结构，电极整体透明度高。

实施例7制备耐高温透明柔性电热膜

采用实施例3制得的石墨烯/云母薄片复合层，根据电极结构设计，利用掩膜版将石墨烯分散液和纳米铜导线分散液混合而成的复合纳米分散液涂覆与薄膜上，制备透明柔性电极，然后将其置于管式炉中，通入还原性气体氢气在350℃进行干燥，冷却后取出。最上层的云母薄片保护层可通过耐高温透明胶粘贴到石墨烯薄膜和电极上。最后得到耐高温柔性全透明电热膜。

如图1所示，通过上述工艺制备得到的电热膜与实施例6中制得的电热膜类似，从下往上依次为云母薄片基底1、透明柔性发热层2、透明柔性电极3和云母薄片保护层4，云母薄片基底1的厚度为30μm，透明柔性电极的厚度为10μm，云母薄片保护层的厚度为10μm，透明柔性发热层2为双层碳原子石墨烯薄膜，整体透光率为83％，得到的电热膜经过曲率半径为55mm的四方向(上下左右)弯曲500次后，电热膜电阻变化小于5％。参见图2，电热膜中的透明柔性电极3为叉指电极，包括汇流条31和多个内电极32，柔性电极3的内部为纳米银线、石墨烯微片交织而成的网络状结构，电极整体透明度高。

实施例8制备耐高温透明柔性电热膜

采用实施例4制得的石墨烯/云母薄片复合层，根据电极结构设计，首先设计金属网络透明电极的排布方式，进而制作电极的透明网络模板，而后在网络模板上进行化学修饰与金属银的电化学沉积，最后通过复制转移的方式，在石墨烯薄膜上获得相应的金属网络透明电极。最上层的云母薄片保护层可通过耐高温透明胶粘贴到石墨烯薄膜和电极上。最后得到耐高温柔性全透明电热膜。

如图1所示，通过上述工艺制备得到的电热膜与实施例6中制得的电热膜类似，电热膜从下往上依次为云母薄片基底1、透明柔性发热层2、透明柔性电极3和云母薄片保护层4，云母薄片基底的厚度为10μm，透明柔性电极的厚度为20μm，云母薄片保护层的厚度为10μm，透明柔性发热层为双层碳原子石墨烯薄膜，整体透光率为85％，得到的电热膜经过曲率半径为55mm的四方向(上下左右)弯曲500次后，电热膜电阻变化小于5％。参见图2，电热膜中的透明柔性电极3为叉指电极，包括汇流条31和多个内电极32；参见图3，柔性电极3的内部为金属网络，电极整体透明度高。

实施例9制备耐高温部分透明柔性电热膜

采用实施例5制得的石墨烯/云母薄片复合层，根据电极结构设计，利用掩膜版将银导电浆料涂覆于薄膜上，制备非透明的柔性电极，然后将其置于管式炉中，通入氢气等还原性气体在320℃进行干燥，冷却后取出。最上层的云母薄片保护层可通过耐高温透明胶粘贴到石墨烯薄膜和电极上。最后得到电极部分不透明的耐高温柔性电热膜。

如图1所示，通过上述工艺制备得到的电热膜从下往上依次为云母薄片基底1、透明柔性发热层2、非透明柔性电极3和云母薄片保护层4，云母薄片基底的厚度为80μm，柔性电极的厚度为50μm，云母薄片保护层的厚度为30μm，透明柔性发热层为双层碳原子石墨烯，非电极部位的透光率为80％，得到的电热膜经过曲率半径为55mm的四方向(上下左右)弯曲500次后，电热膜电阻变化小于10％，通过浆料制作的非透明电极耐弯曲性能比其他实施例中制备的透明电极稍差，因此电阻变化稍大于其他实施例。