专利名称：一种粘合型电发热体及其制造技术的制作方法
技术领域：
本发明属电发热体技术，涉及电热膜、电热块及绝缘层的制造技术的改进。
目前在电热器具中，采用电热膜、电热块作为电发热体，因其热效率远高于金属电热丝而获得广泛应用，现有的电热膜技术，一是二氧化锡类电热膜，采用热喷涂方法制造，工艺要求及制造成本较高，且大多数只应用于低温小功率范围;二是北京太阳能研究所公开的烧结型电热膜技术(CN87103537A)，提出一种由底材、单层或多层绝缘底层，单层或多层电热膜和导电电极组成，其电热膜是由多种氧化物组成的低熔点玻璃(中间体)作载体，超细石墨粉为主的导电粒子作导电材料，必须经高温烧结才能成膜并与绝缘底材或绝缘底层固结，其烧结温度一般需520℃左右(该公开材料称该电热膜的烧结温度为350°～650℃，实际上低于500℃是难以烧结成膜的)，而根据文献和试验证实，石墨在450℃左右将开始氧化反应，因而这种电热膜在成膜前将造成石墨剧烈氧化，不但烧结工艺复杂，而且烧结工艺条件对电热膜阻值影响甚大，不易制造出质量稳定的产品，这种电热膜的缺点还在于不耐高温，只能在短时间内承受300～350℃，长期工作温度要求不超过180℃，承受功率密度也不高。此外，该电热膜只能在烧结后才能上电极，在制造过程中对半成品不能进行阻值测量，也难以控制产品质量的稳定，由于该电热膜与电极粘结剂是不同材料，因而常会在电极与电热膜二者的接触边界发生“跳火”现象而破坏电热膜，该电热膜还由于容易发生功率衰退现象而影响产品的耐久性。该公开文献提供的绝缘底层制造技术，也是由多种氧化物组成的中间体作载体加绝缘填料在高温下烧结而成，一般烧结温度也需520℃以上，生产实际证明，烧结温度超过500℃，不但增加了工艺的难度，而且对某些产品的开发(如糖瓷制品)将会受到一定的限制。
该技术还由于配制电热膜材料和绝缘层材料使用了挥发性的稀释剂(大量为醇类)，在烧结时，醇类挥发排放将对大气环境造成污染，而且导致电热膜结构较疏松。影响电热膜质量。
本发明为克服上述电发热体产品的弊端而提出一种粘合型绝缘层及粘合型电热膜或电热块构成的新型电发热体及其制造技术，该电发热体可以在较低温度下固化而成，从而大大提高产品的质量稳定性，并简化了制造工艺，节约能耗。
本发明的目的通过下述技术措施达到电发热体包括底材、一层或多层绝缘层、一层或多层电热膜或电热块、导电电极，其特征在于绝缘层是底材表面的绝缘底层或(和)多层电热膜或电热块的层间绝缘层或(和)电热膜或电热块表面绝缘密封层，绝缘层由无机粘合剂载体与绝缘粒子复合组成的绝缘复合体材料经固化构成，电热膜或电热块则由导电复合体材料经固化构成，该导电复合体材料由无机粘合剂载体与导电粒子复合组成，其中可添加适量固化剂或(和)填料。用本发明的技术方案可形成各种电发热体的设计，层次排列可有下列形式a、绝缘底材(如陶瓷、玻璃等绝缘底材)加电热膜或电热块加表面绝缘密封层(如
图1);b、底材加绝缘底层加电热膜或电热块加表面绝缘密封层(如图2)，也可不设表面绝缘密封层(如图3、图4)，电热膜或电热块根据需要可设一层或多层，电热膜或电热块的层间可设有绝缘层。电热膜或电热块对绝缘底材或绝缘层的附着主要依靠导电复合材料中无机粘合剂的粘合力，同样，绝缘层对底材或电热膜或电热块的附着，主要也是依靠绝缘复合体材料中无机粘合剂的粘合力，因而本发明所采用的绝缘层以及电热膜或电热块均属于粘合型。
本发明的导电电极可用导电复合体材料作为粘结剂直接粘结在电热膜或电热块上，由于该粘结剂与电热膜或电热块是同一种材料，有利于使导电电极和电热膜或电热块形成一体化。
本发明采用硅酸盐类粘合剂或(和)磷酸盐类粘合剂作为导电复合体材料以及绝缘复合体材料的无机粘合剂载体。所说的硅酸盐类粘合剂可为碱金属硅酸盐，可用中性水玻璃、钠水玻璃、钾水玻璃、铷水玻璃、锂水玻璃的单组分或多组分复合物。所说的磷酸盐类粘合剂可为酸式磷酸盐、偏磷酸盐、焦磷酸盐或直接由磷酸与金属氧化物、卤化物、氢氧化物、碱性盐类、硅酸盐、硼酸盐的反应物，可以采用上述材料的单组分或多组分的复合物。
本发明导电复合体材料中的导电粒子组分可采用合金粉，导电有机金属化合物粉、金属复合物粉、金属与非金属复合物粉、金属与化合物复合物粉、导电非金属粉、导电非金属化合物粉、导电金属化合物粉的单组分或多组分的混合物。导电粒子的颗粒直径可为2μ～0.5mm，最适宜的颗粒直径为3μ～0.05mm。所说的合金粉可为镍铝合金粉，所说的导电有机金属化合物粉可为羰基镍粉，所说的金属与非金属复合物粉可为镍包石墨粉，所说的金属与化合物复合物粉可为镍包氧化铝粉、镍包硅藻土粉、镍包氧化锆粉、镍包碳化钨粉、镍包氟化钙粉、镍包二硫化钼粉，所说的导电非金属粉为碳黑粉、石墨粉、重掺半导体硅粉，所说的导电非金属化合物粉为碳化硅粉，所说的导电金属化合物粉为碳化钨粉。
所说的导电粒子也可采用导电短纤维，包括碳短纤维或(和)石墨短纤维或(和)碳化硅短纤维，短纤维的长度可为0.2～20mm，直径可为5～200μ，最好采用长度为3～5mm，直径为7～20μ的导电短纤维。
导电复合体材料的固化剂可采用氧化物粉，包括二氧化硅粉、氧化镁粉、氧化钙粉、氧化铁粉、氧化锌粉、氧化钛粉、氧化铬粉、氧化铝粉等，还可采用氢氧化铝粉、氟硅酸盐粉、硼酸盐粉、磷酸盐粉等，可采用上述材料的单组分或多组分混合物。导电复合体材料的填料可采用云母粉、莫来石粉、硅灰石粉、滑石粉、硫酸钡粉等的单组分或多组分混合物。
本发明的绝缘复合体材料的绝缘粒子可采用绝缘氧化物粉、包括氧化铅粉、氧化铁粉、氧化锆粉、氧化镁粉、氧化钙粉、氧化钛粉、氧化钡粉、氧化铝粉、氧化铬粉、二氧化硅粉等，还可采用云母粉、硅灰石粉、滑石粉、莫来石粉、粘土粉、硫酸钡粉、可采用上述材料的单组分或多组分混合物。
导电复合体材料各成分含量的确定，主要考虑材料的导电率，粘结强度，固化速度绪因素，根据产品功率要求和选用的材料，各组份的组成比例可在较大范围内选择，一般的含量比例范围如下(重量百分比、组分总量为100%)无机粘合剂载体15～70%;
导电粒子8～75%;
余量为固化剂或(和)填料。
根据实验，导电粒子最适宜的含量为12～35%(重量百分比)。
在绝缘复合体材料中，无机粘合剂载体含量可占10～90%，最适宜的含量为20～45%，余量为绝缘粒子(重量百分比)。
本发明的制造方法，包括下述的工艺流程和工艺条件(1)配制导电复合体材料和绝缘复合体材料;
(2)用绝缘复合体材料在底材表面或电热膜或电热块上以喷涂或刷涂或刮涂或滚涂或印刷等方法形成绝缘层后将其凉干或烘干固化，绝缘层的厚度可为0.05～5mm;
(3)用导电复合体材料在绝缘底材或绝缘层上用喷涂或刷涂或刮涂或滚涂或丝网印刷等方法形成电热膜或电热块，然后将其凉干或烘干固化，电热膜的厚度可为0.04～0.45mm，最适宜的厚度为0.1～0.25mm，电热块的厚度可为0.45～4.0mm。
(4)用导电复合体材料把导电电极粘结或包埋在电热膜或电热块上;
(5)将最后的制成的半成品烘干固化。每道工序及最后工序对制成物绝缘层或电热膜或电热块的烘干固化可在50℃～450℃的范围内进行，烘干时间为30分钟至10小时，从提高效率及节省能源等角度考虑，最合适的固化条件为固化温度100℃～300℃，固化时间为30分钟～120分钟。
本发明的功率设计可由电热膜或电热块的厚度、面积，本身的阻值及两电极距离决定。
本发明由于采用了新型材料制备绝缘层以及电热膜或电热块，产品可以在较低温度下烘干固化制成，不必经过高温烧结工序，因而工艺简化，而且产品成品率高，质量稳定。电发热体在半成品阶段(固化之前)即可检测阻值，使产品的电气参数易于控制。由于粘合电极的粘合剂材料与电热膜或电热块材料性质一致，可有效地消除电极与电热膜或电热块接触边界“跳火”现象。绝缘复合体材料可在电发热体的外表面构成一层绝缘密封层而使电发热体更符合使用环境要求。
本发明的电发热体产品具有可耐600℃高温而性能不劣化，能长时间在250℃下工作(经试验在240～260℃下工作3000小时性能不劣化)，能产生和承受高达30瓦/厘米2的功率密度，能耐急热-急冷反复冲击、耐通电-断电反复冲击的良好电气性能。
本发明可适应并根据底材的形式制成各种整体式的电热电器，包括家用、工农业、科研、国防等领域应用的电热电器及电热设备与装置，也可制成各种型式用于装配电热电器，设备、装置的电热元件。
图1至图4为不同型式的电发热体的结构示意图，图中〔1〕为一般底材，〔2〕为绝缘底材，〔3〕为绝缘底层，〔4〕为电热膜或电热块，〔5〕为表面绝缘密封层，〔6〕为导电电极。
实施例一搪瓷类电热电器的制作在搪瓷加热容器的加热部位，用配制的绝缘复合体材料滚涂绝缘底层，厚度为1mm，烘干后，在绝缘底层上用导电复合体材料印制(丝网印刷)电热膜，厚度为0.08mm，然后在电热膜上用相同的导电复合体材料粘合包埋导电电极(可用铜薄带)，检测半成品电热膜阻值合格后，将其烘干，再用绝缘复合体材料在电热膜上刷涂绝缘密封层，厚度为0.3mm，再予烘干固化。所用的导电复合体材料的配方为(重量百分比)钠水玻璃(40°Be′)43%，镍包氧化铝粉34%，二氧化硅粉4%，氧化锆粉9%，氧化镁粉10%。绝缘复合体材料的配方为(重量百分比)酸式磷酸铝(浓度48%)42%，氧化镁粉7.5%，氧化铝粉15%，二氧化硅粉21%，三氧化铬粉5.3%，氧化钛粉9.2%。烘干固化条件温度为150℃，烘干时间为60分钟。
实施例二绝缘陶瓷质底材的电发热体的制作在底材上用配制的导电复合体材料刮涂电热块，厚度0.45mm，在电热块上用相同的导电复合体材料粘合包埋导电电极，检测电热块半成品电阻值合格后进行烘干，用配制的绝缘复合体材料在电热块上刷涂绝缘密封层，厚度为1.0mm，最后烘干固化而成。所用导电复合体材料配方为(重量百分比)中性水玻璃(40°Be′)44%，石墨粉12%，硅酸铝粉10%，三氧化二铝粉10%，二氧化硅粉24%。绝缘复合体材料配方(重量百分比)中性水玻璃(40°Be′)32%，二氧化硅粉19%，三氧化二铁粉24%，氧化锆粉13%，氧化钡粉5%，氧化铅粉7%。烘干固化条件固化温度为250℃，固化时间为80分钟。
实施例三具有二层电热膜的电发热体，层次顺序为底材、绝缘底层、电热膜、绝缘层、电热膜、表面绝缘密封层，二层电热膜分别粘结导电电极，可形成两组独立的发热体，导电复合体材料配方为(重量百分比)酸式磷酸铝(浓度48%)48%，石墨粉10%，镍包石墨粉5%，二氧化钛粉6.7%，二氧化硅粉18%，氧化镁粉7.5%，三氧化铬4.8%。绝缘复合体材料配方为(重量百分比)钠水玻璃(39°Be′)30%，三氧化二铁粉30%，氧化钙粉5%，氧化镁粉5%，二氧化钛粉7%，二氧化硅粉20%，氧化钡粉3%。厚度电热膜0.15mm，绝缘层0.25mm，固化温度120℃，固化时间70分钟。
权利要求
1.一种电发热体，包括底材、一层或多层绝缘层、一层或多层电热膜或电热块、导电电极，其特征在于绝缘层是底材表面的绝缘底层或(和)多层电热膜或电热块的层间绝缘层或(和)电热膜或电热块表面绝缘密封层，绝缘层由无机粘合剂载体与绝缘粒子复合组成的绝缘复合体材料经固化构成，电热膜或电热块则由导电复合体材料经固化构成，所说的导电复合体材料由无机粘合剂载体与导电粒子复合组成，其中可添加适量固化剂或(和)填料。
2.按权利要求1所述的电发热体，其特征在于导电电极用所说的导电复合体材料直接粘结在电热膜或电热块上。
3.按权利要求1所述的电发热体，其特征在于所说的导电复合体材料和绝缘复合体材料的无机粘合剂载体均为硅酸盐类粘合剂或(和)磷酸盐类粘合剂。
4.按权利要求3所述的电发热体，其特征在于所说的硅酸盐类粘合剂为碱金属硅酸盐。
5.按权利要求4所述的电发热体，其特征在于所说的碱金属硅酸盐为中性水玻璃、钠水玻璃、钾水玻璃、铷水玻璃、锂水玻璃的单组分或多组分复合物。
6.按权利要求3所述的电发热体，其特征在于所说的磷酸盐类粘合剂为酸式磷酸盐、偏磷酸盐、焦磷酸盐或直接由磷酸与金属氧化物、卤化物、氢氧化物、碱性盐类、硅酸盐、硼酸盐的反应物，可以是上述材料单组分或多组分的复合物。
7.按权利要求1所述的电发热体，其特征在于所说的导电粒子为合金粉、导电有机金属化合物粉、金属复合物粉、金属与非金属复合物粉、金属与化合物复合物粉、导电非金属粉、导电非金属化合物粉、导电金属化合物粉的单组分或多组分的混合物，导电粒子的颗粒直径为2μ～0.5mm，最适宜的颗粒直径为3μ～0.05mm。
8.按权利要求7所述的电发热体，其特征在于所说的合金粉为镍铝合金粉，所说的导电有机金属化合物粉为羰基镍粉，所说的金属复合物粉为镍包铝粉，所说的金属与非金属复合物粉为镍包石墨粉，所说的金属与化合物复合物粉为镍包氧化铝粉、镍包硅藻土粉、镍包氧化锆粉、镍包碳化钨粉、镍包氟化钙粉、镍包二硫化钼粉，所说的导电非金属粉为碳黑粉、石墨粉、重掺半导体硅粉，所说的导电非金属化合物粉为碳化硅粉，所说的导电金属化合物粉为碳化钨粉。
9.按权利要求1所述的电发热体，其特征在于所说的导电粒子也可为导电短纤维，包括碳短纤维或(和)石墨短纤维或(和)碳化硅短纤维，短纤维的长度可为0.2～20mm，直径可为5～200μ，最好采用长度为3～5mm，直径为7～20μ的导电短纤维。
10.按权利要求1所述的电发热体，其特征在于所说的导电复合体材料的固化剂可为氧化物粉，包括二氧化硅粉、氧化镁粉、氧化钙粉、氧化铁粉、氧化锌粉、氧化钛粉、氧化铬粉、氧化铝粉，还可为氢氧化铝粉，氟硅酸盐粉、硼酸盐粉、磷酸盐粉，可为上述物质单组分或多组分混合物;所说的填料可为云母粉、莫来石粉、硅灰石粉、滑石粉、硫酸钡粉的单组分或多组分混合物。
11.按权利要求1所述的电发热体，其特征在于所说的绝缘复合体材料的绝缘粒子为绝缘氧化物粉，包括氧化铅粉、氧化铁粉、氧化锆粉、氧化镁粉、氧化钙粉、氧化钛粉、氧化钡粉、氧化铝粉、氧化铬粉、二氧化硅粉以及云母粉、硅灰石粉、滑石粉、莫来石粉、粘土粉、硫酸钡粉的单组分或多组分混合物。
12.按权利要求1所述的电发热体，其特征在于所说的导电复合体材料各成分含量(重量百分比，复合体总量为100%)为无机粘合剂载体15～70%，导电粒子8～75%，余量为固化剂或(和)填料，导电粒子最适宜的含量为12～35%;所说的绝缘复合体材料中，无机粘合剂载体含量可占10～90%，最适宜含量为20～45%(重量百分比)，余量为绝缘粒子。
13.一种权利要求1所述的电发热体的制造方法，其特征在于包括下述工艺流程(1)配制导电复合体材料和绝缘复合体材料;(2)用绝缘复合体材料在底材表面或电热膜或电热块上喷涂或刷涂或刮涂、滚涂或印刷形成绝缘层后凉干或烘干固化，绝缘层每层厚度为0.05mm～5mm;(3)用导电复合体材料在绝缘底材或绝缘层上喷涂或刷涂或刮涂或滚涂或丝网印刷形成电热膜或电热块，然后将其凉干或烘干固化，电热膜厚度可为0.04～0.45mm，电热块的厚度为0.45～4.0mm;(4)用导电复合体材料把导电电极粘结或包埋在电热膜或电热块上;(5)将最后制成的半成品烘干固化，每导工序及最后工序进行烘干固化的温度可为50℃～450℃，固化时间为30分钟～10小时。
14.按权利要求14所述的电发热体的制造方法，其特征在于所说的电发热体最适宜的固化温度为100℃～300℃，固化时间为30分钟～120分钟。
全文摘要
一种粘合剂电发热体及其制造技术，涉及电热膜、电热块、绝缘层制造技术的改进，本发明由底材、一层或多层绝缘层、一层或多层电热膜或电热块以及导电电极构成，其特点在于绝缘层由粘合型绝缘复合体材料制成，电热膜或电热块由粘合型导电复合体材料制成，该发电热体可在较低温度下烘干固化，避免烧结工序，大大简化了工艺，并且产品质量稳定、成品率高，电气性能优异，能耗低。适于制造各种类型的电热电器、电热装备及装置。
文档编号H05B3/10GK1044746SQ8910068
公开日1990年8月15日 申请日期1989年2月3日 优先权日1989年2月3日
发明者曾宪富, 霍玉云 申请人:广州市华远电热电器厂