一种柔性电加热膜及其制备方法与应用

本发明属于电加热膜，具体涉及一种柔性电加热膜及其制备方法与应用。

背景技术：

1、热能作为一种重要的能源形式，在人类的生产和生活中起着至关重要的作用。在许多需要热调节的领域，加热器是不可缺少的部件。柔性电加热膜因其良好的柔韧性、导电性及安全性，成为诸多领域中不可取代的产品。构造柔性加热膜的一般方法是将导电薄膜转移到柔性基板上或将导电填料与弹性体结合。相比传统的刚性加热器，柔性电加热器以其灵活、可定制的加热方式，在除霜除冰、医疗保健、杀菌抗菌、个人热管理、人工智能、传感、能源、航空航天等领域有广泛的应用前景。

2、石墨烯具有优异的电、光、热，以及高比表面积、高强度等特性，在电加热膜领域具有明显的应用优势。基于焦耳热效应，石墨烯能够将电能转化为热能，响应时间快，热转换效率高，具有优异的柔韧性和热稳定性。随着化学气相沉积(chemical vapor deposition，cvd)和“卷对卷”制造工艺的发展，大面积、高质量的石墨烯薄膜已达到工业生产水平。研究人员利用cvd制备的高质量少层石墨烯薄膜，已开发出高性能的柔性透明加热膜，并将其应用于防雾窗、镜面除雾器和户外显示器等方面。然而，石墨烯透明加热膜需要相当高的输入电压才能达到工作温度，因此只能用作低温加热器(<100℃)。相比透明的低温电热膜，高温电热膜需要承受更大的温度范围和更高的加热温度(0℃～350℃)，高加热温度意味着更大的功耗，因此节能、高效环保、安全的高温电加热器对加热材料的性能也提出了更高的要求。

3、与氧化石墨烯的热还原和氧化石墨烯的激光还原等方法相比，cvd方法可以精确控制石墨烯的层数，这意味着石墨烯薄膜的透明度和导电性可以相应地调整。通过制备方法的改进或结构的优化，石墨烯加热膜的电导率能够达到1×105s/m以上，实现超低电压下的高加热温度。2022年，deokar g.等人报道了将cvd法制备的100nm厚石墨薄膜转移到柔性的聚酰亚胺(polyimide，pi)基底上，在5v电压驱动下，表面温度可升至200℃，7.8v电压时温度达到300℃，证实纳米厚石墨薄膜是制造超薄、柔性和低功耗可持续发热面板的优秀候选材料。

4、在石墨烯薄膜的cvd制备和转移过程中，不可避免会在薄膜表面产生各种褶皱结构。与平面材料相比，具有这些表面缺陷的二维材料表现出许多新的物理特性。本发明基于目标转移衬底对石墨烯薄膜形貌、结构和性能的控制，通过对聚酰亚胺等柔性聚合物薄膜表面进行氧等离子体处理(即氧等离子体表面清洗和刻蚀)，实现了柔性衬底上石墨稀薄膜电加热性能的明显改善。

技术实现思路

1、本发明的目的之一在于提供一种柔性电加热膜的制备方法，该制备方法简单易操作。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种柔性电加热膜的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)制备柔性衬底：对聚合物薄膜的表面进行氧等离子体处理，获得柔性衬底；

5、(2)制备石墨烯薄膜：采用cvd法制备石墨烯薄膜；

6、(3)制备柔性电加热膜：采用化学刻蚀法将步骤(2)的石墨烯薄膜转移至步骤(1)的聚合物薄膜上，制得柔性电加热膜。

7、进一步地，所述步骤(1)氧等离子体处理是采用等离子清洗机进行；所述等离子清洗机的频率为3mhz，输出功率为29.6w，真空度90～110pa，所述处理的时间根据输出功率设置为10～50min。

8、进一步地，所述处理的时间为40min。

9、更进一步地，所述步骤(1)聚合物薄膜的材质为聚酰亚胺；所述聚酰亚胺的厚度为50～200μm；所述聚酰亚胺耐热温度为400℃。

10、进一步地，所述步骤(3)化学刻蚀法是采用饱和氯化铁溶液进行刻蚀。

11、进一步地，所述步骤(2)制备石墨烯薄膜的厚度为60～300nm。

12、进一步地，所述步骤(2)制备石墨烯薄膜的具体过程为，将清洗过的30μm厚的镍箔放入cvd系统石英管中，抽真空；在100ml/min氩气、50～110ml/min氢气氛围下，加热到950～980℃，退火20min；常压下，加入10～30ml/min的甲烷气体，持续8～10min后关闭甲烷；在氢气、氩气氛围下将管式炉冷却至室温后关闭所有气体，取出样品，制得石墨烯薄膜。

13、本发明的目的之二在于提供一种柔性电加热膜，该电加热膜的电热性能得以显著提升，适用于制备高温瞬热柔性的电热元件。

14、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

15、一种柔性电加热膜，采用上述柔性电加热膜的制备方法制备得到。

16、本发明的目的之三在于提供一种柔性电加热器，该电加热器具有优异的电热性能。

17、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

18、一种柔性电加热器，包括上述柔性电加热膜。

19、进一步地，还包括设在柔性电加热膜中石墨烯薄膜两端的金属电极，设在石墨烯薄膜表面的聚酰亚胺保护层。

20、本发明与现有技术相比，其有益效果为：

21、(1)本发明提供了一种柔性电加热膜的制备方法，该制备方法简单、易操作；通过对聚酰亚胺薄膜表面进行氧等离子体处理，可使转移至聚酰亚胺薄膜衬底上的石墨烯薄膜的表面形貌和电学性能发生变化，实现石墨烯薄膜电导率的有效调控和电加热膜性能的显著提升，适用于高温瞬热柔性的电热元件的制备，在柔性电子、家用电器、人工智能、健康医疗等领域均有广阔的应用前景。

22、(2)本发明提供了一种柔性电加热器，5v电压驱动下，该柔性电加热器的表面温度比未经氧等离子体处理的聚酰亚胺薄膜制得的电加热器的表面温度高48℃。可见，本发明提供的柔性电加热器具有优异的电热性能。

技术特征：

1.一种柔性电加热膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的柔性电加热膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)氧等离子体处理是采用等离子清洗机进行；所述等离子清洗机的频率为3mhz，输出功率为29.6w，真空度90～110pa，所述处理的时间根据输出功率设置为10～50min。

3.如权利要求2所述的柔性电加热膜的制备方法，其特征在于，所述处理的时间为40min。

4.如权利要求1所述的柔性电加热膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)聚合物薄膜的材质为聚酰亚胺。

5.如权利要求1所述的柔性电加热膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)化学刻蚀法是采用饱和氯化铁溶液进行刻蚀。

6.如权利要求1所述的柔性电加热膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)制备石墨烯薄膜的厚度为60～300nm。

7.如权利要求1所述的柔性电加热膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)制备石墨烯薄膜的具体过程为，将清洗过的30μm厚的镍箔放入cvd系统石英管中，抽真空；在100ml/min氩气、50～110ml/min氢气氛围下，加热到950～980℃，退火20min；常压下，加入10～30ml/min的甲烷气体，持续8～10min后关闭甲烷；在氢气、氩气氛围下将管式炉冷却至室温后关闭所有气体，取出样品，制得石墨烯薄膜。

8.一种柔性电加热膜，其特征在于，采用权利要求1～7任一项所述的柔性电加热膜的制备方法制备得到。

9.一种柔性电加热器，其特征在于，包括权利要求8所述的柔性电加热膜。

10.如权利要求9所述的柔性电加热器，其特征在于，还包括设在柔性电加热膜中石墨烯薄膜两端的金属电极，设在石墨烯薄膜表面的聚酰亚胺保护层。

技术总结
本发明属于电加热膜技术领域，具体涉及一种柔性电加热膜及其制备方法与应用。本发明提供了一种柔性电加热膜的制备方法，该制备方法简单、易操作。通过对聚酰亚胺薄膜表面进行氧等离子体处理，可使转移至聚酰亚胺薄膜衬底上的石墨烯薄膜的表面形貌和电学性能发生改变，实现对石墨烯薄膜电导率的有效调控和电加热膜性能的显著提升，适用于高温瞬热柔性的电热元件的制备，在柔性电子、家用电器、人工智能、健康医疗等领域均有广阔的应用前景。本发明还提供了一种柔性电加热器，5V电压驱动下该柔性电加热器的表面温度比未经氧等离子体处理的聚酰亚胺薄膜制得的电加热器的表面温度高48℃。可见，本发明提供的柔性电加热器具有优异的电热性能。

技术研发人员：丁佩,任梦帅,毛博,牛璐阳,袁志,王支缓,贾璇
受保护的技术使用者：郑州航空工业管理学院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4