电子产品柔性发热薄膜及其制备方法与流程

1.本发明有关一种电子产品柔性发热薄膜及其制备方法，尤指一种制备成一辐射热效益高的柔性发热薄膜。


背景技术：

2.按，电热炉、电咖啡壶、饮水机等3c电子产品，都会使用到电热元件作为加热源，而传统3c电子产品的电热元件如图1a及图1b所示，一电热炉60其基座61上设有一电热板62，而该电热板62是通过该基座61内的电热铜管63来提供热源，如此一来，不仅耗电力且电热管63设置须配合散热风扇64及控制电路65等设备，因此较占空间，导致该基座61的高度(厚度)无法降低等缺点。
3.近年来，基于技术的演进，电子元件朝微小化的方向发展，其衍生的热管理问题也受到一定的重视，许多高导热材料如银、铜、石墨片等被科学家广泛研究。其中，石墨片的导热性能受到极大的瞩目，由于石墨片特殊的二维蜂巢状晶格碳原子结构，使得其导热系数优于金属，因此广泛地应用于电子元件上。
4.传统石墨片的生产制程中，首先，使用化学药品提高石墨片纯度与密度，接着再施以大于30mpa的压力去压合石墨片，使石墨片彼此之间紧密的结合，最后再施以1800-3000摄氏度(℃)的高温，历经数小时后，才能得到一石墨导热基材，因此，不仅会消耗大量能源且制作时间冗长。故，如何研发一种制程简单，不需使用高压、高温的制程步骤以制备石墨导热材料，是此技术领域的相关技术人员所待突破的难题。
5.惟查，传统的石墨烯薄膜转移过程中，普遍存有下列三个问题：第一：在转移之前，石墨烯薄膜长时间暴露在空气中，导致接触空气的表面遭受空气中悬浮颗粒的污染，而传统的转移方法是利用此一受污染的表面来制作器件。第二：传统的转移方法，将石墨烯薄膜转移至硬衬底上，石墨烯和衬底之间的结合力只有范德瓦耳斯力，导致石墨烯薄膜易脱落。第三：传统的转移方法，所需要的步骤复杂，在从金属衬底上转移至所需衬底上的过程中，使用的材料种类过多，易在转移的过程中在石墨烯表面产生污染，且易导致石墨烯薄膜的晶体结构遭到破坏。以上三个缺陷限制了石墨烯薄膜的大规模生产和利用。
6.所以，中国申请公布号为cn102807208a的专利，揭露一种石墨烯薄膜转移方法，用以改善上述石墨烯薄膜转移过程中所存在的问题点。其特征在于：将石墨烯薄膜直接粘附于聚合物衬底上，使石墨烯薄膜和聚合物衬底形成共价结合，并将石墨烯薄膜接触生长基底的一面暴露出来，作为制作功能器件的有效面。技术方案的实施步骤如下：步骤1)，将聚合物熔化或溶解使之处于流体状态；步骤2)，将处于流体状态的聚合物涂覆在生长有石墨烯的基底上，并将聚合物固化；步骤3)，使用氯化铁或者硝酸铁溶液将金属薄片腐蚀掉，并将粘附有石墨烯薄膜的聚合物膜清洗，烘干或者晾干，得到转移至聚合物材料上的石墨烯薄膜。
7.次按，中国申请公布号为cn105898907a的专利，揭露一种石墨烯发热膜及其制备方法，其特征在于：包括第一绝缘防水层、电极层、发热膜层和第二绝缘防水层，第一绝缘防
水层、电极层、发热膜层和第二绝缘防水层粘贴为一体结构，所述发热膜层为石墨烯膜。技术方案的实施步骤如下：1)、石墨烯膜的制作；2)、在第二绝缘防水层上覆盖粘合用胶；3)、将第二绝缘防水层与石墨烯膜粘合为一体；4)、去除石墨烯膜上的金属基体；5)、在石墨烯膜上粘贴电极层；6)、在电极层上粘贴第一绝缘防水层；7)、将电极层与导线连接。
8.惟查，传统的石墨烯制备方法所制得的石墨烯表面缺陷较多，石墨烯片层容易发生折叠，卷曲，从而影响石墨烯的性能，并且还原之后得到的石墨烯表面几乎没有氧化基团，因而其表面呈疏水性，使其在水及一些常见有机溶剂中极易团聚从而发生沉降。目前制备石墨烯发热膜的方法有很多，但是要想制备电学性能优异、无污染的石墨烯膜还很困难，主要的困难点在于石墨烯薄膜如何更好地转移到目标基底上，制备出完整、无破损、工艺稳定、可靠的石墨烯发热(导热)膜。
9.再者，石墨烯业界在散热喷涂的难题还包含：高纯度石墨烯喷涂后不能紧密排列的问题；以及一般树脂涂料以搅拌混合方式，将石墨烯包裹，而影响辐射发射的问题。
10.此外，石墨烯发热(导热)膜其厚度不易降低，且大都不具有柔性，如此一来，后续要运用在3c产品上，就产生了诸多问题而难以实施，因此十分困扰业界。
11.所以，如何解决传统石墨烯发热(导热)膜的上述问题点，为本发明的主要课题。


技术实现要素：

12.本发明主要目的，欲提供一种电子产品柔性发热薄膜及其制备方法，其最大程度提高发热材料颗粒(例如石墨烯)的功能，达到高发热性的功效。
13.本发明再一目的，是提供一种电子产品柔性发热薄膜及其制备方法，其具有降低使用发热材料颗粒局限性，通过使用涂布方式广泛提高发热材料颗粒可使用的产品，进行最大程度行业批量生产。
14.为达上述功效，本发明所采用的方法，包括下列步骤：
15.a).提供一第一耐高温绝缘防水层，该第一耐高温绝缘防水层的厚度在0.015～0.2mm之间的柔性体；
16.b).在该第一耐高温绝缘防水层上，设置一层耐高温发热材料浆液，该耐高温发热材料浆液的厚度在0.015～0.2mm之间，该耐高温发热材料浆液包含选自：以碳球、碳纤维、石墨或及其微粒、石墨烯、纳米碳管、氮化硼、人造钻石、氧化铝、氧化锆、稀土、导热金属粒子，其中任一或其组合式所构成发热材料颗粒，其重量比为15～70％，并混合有重量比25～60％的纳米树脂，及重量比5～25％的溶剂介质所组成；
17.c).进行提纯作业︰以120℃～150℃的热温对该耐高温发热材料浆液进行烘干30到50分钟，以高温将介质及溶剂挥发来提高纯度，且该耐高温发热材料浆液与该第一耐高温绝缘防水层，通过纳米树脂进行物理性或混和化学性的成键或架接，最大程度使发热材料颗粒裸露在该第一耐高温绝缘防水层上，并呈紧密排列堆叠而未被包裹，又该纳米树脂通过缩水聚合反应产生硅酸离子，使发热材料颗粒稳定结合在该第一耐高温绝缘防水层上，形成高纯度的一耐高温发热层；
18.d).在该发热层上设置一电极层，该电极层的厚度在0.015～0.2mm之间；
19.e).在该电极层上覆盖一第二耐高温绝缘防水层，该第二耐高温绝缘防水层的厚度在0.015～0.2mm之间的柔性体；以及
20.f).提供一导线与该电极层电性连接，制备成一厚度在0.6mm以内的柔性发热薄膜。
21.依据前面公开的特征，该第一耐高温绝缘防水层及第二耐高温绝缘防水层可选自：一pe膜、pvc膜、pet膜、玻璃纤维或陶瓷纤维纸其中任一或其组合式所构成。
22.依据前面公开的特征，该纳米树脂为水性或油性。其中，该水性纳米树脂选自：水性纳米环氧改性丙烯酸或水性纳米有机硅改性聚氨酯。其中，该油性纳米树脂选自：溶剂型纳米环氧改性丙烯酸或溶剂型纳米有机硅改性聚氨酯。
23.依据前面公开的特征，该耐高温导热层可为整面布满型态或是呈配合该电极层形状的线条型态。
24.依据前面公开的特征，该电极层可由导电金属材料所构成。
25.依据前面公开的特征，本发明所制成的电子产品柔性导热薄膜，包含有：一第一耐高温绝缘防水层，该第一耐高温绝缘防水层的厚度在0.015～0.2mm之间的柔性体；一耐高温发热层，涂布在该第一耐高温绝缘防水层上，该耐高温发热层的厚度在0.015～0.2mm之间，其具有发热材料颗粒，并使该发热材料颗粒裸露在该第一耐高温绝缘防水层上，呈现紧密排列堆叠而未被包裹，使该发热材料颗粒稳定结合在该第一耐高温绝缘防水层上；一电极层，设置在该耐高温发热层上，该电极层的厚度在0.015～0.2mm之间；一第二耐高温绝缘防水层，覆盖在该电极层上，该第二耐高温绝缘防水层的厚度在0.015～0.2mm之间的柔性体；以及一导线，与该电极层电性连接，据以构成一厚度在0.6mm以内的柔性发热薄膜。
26.借助上面公开的技术特征，本发明所制备出的柔性发热薄膜，发热材料颗粒与纳米树脂通过物理性或混和化学性的成键或架接，结构稳定。高纯度发热材料颗粒，喷涂后溶剂挥发，发热材料颗粒裸露于素材表面，分子进行有效辐射发射，辐射传递，达到均热，进行热交换，迅速达到发热效果，其工作温度(加热范围)可达摄氏600度。进而本发明以「提纯」技术手段解决业界导热喷涂的难题包含：解决高纯度发热材料颗粒喷涂后不能紧密排列的问题；以及解决一般树脂涂料以搅拌混合方式，将发热材料颗粒包裹，而影响辐射发射的问题。
附图说明
27.图1a是现有电热炉的外观示意图。
28.图1b是现有电热炉的内部示意图。
29.图2是本发明制备方法的流程图。
30.图3a是本发明第一可行实施例的分解立体图(一)。
31.图3b是本发明第一可行实施例的分解立体图(二)。
32.图3c是本发明第一可行实施例的组合立体图。
33.图4a是本发明第二可行实施例的分解立体图(一)。
34.图4b是本发明第二可行实施例的分解立体图(二)。
35.图4c是本发明第二可行实施例的组合立体图。
36.图5a是本发明柔性发热薄膜的使用状态参考图(一)。
37.图5b是本发明柔性发热薄膜的使用状态参考图(二)。
38.图6是本发明柔性发热薄膜的结构剖视图。
39.图7a是图6中7a-7a断面剖视图。
40.图7b是图7a中之部分结构放大示意图。
41.图8是本发明耐高温发热层的断面剖视图。
42.图9是本发明耐高温发热层提纯作业的温度与时间的示意图。
43.图10是本发明耐高温发热层的电子显微镜图。
44.图11是本发明柔性发热薄膜使用在电热炉的状态参考图。
45.图12是本发明柔性发热薄膜使用在保温垫的状态参考图。
46.图13是本发明柔性发热薄膜使用在地暖的状态参考图。
47.图14是本发明柔性发热薄膜使用在加热管的状态参考图。
48.附图标记列表：10-第一耐高温绝缘防水层；20-耐高温发热层；20a-耐高温发热材料浆液；21-纳米树脂；22-发热材料颗粒；30-电极层；31-导线；40-第二耐高温绝缘防水层；50-柔性发热薄膜；51-电热炉；52-保温垫；53-地暖；54-加热管
具体实施方式
49.以下通过特定的具体实施例说明本发明之实施方式，熟习此技艺之人士可由本说明书所揭示之内容轻易地了解本发明之其他优点与功效。本发明亦可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不悖离本发明之精神下进行各种修饰与变更。
50.首先，请参阅图1～图14所示，本发明一种电子产品柔性发热薄膜的制备方法，包含下列步骤：
51.a).提供一第一耐高温绝缘防水层10，该第一耐高温绝缘防水层10的厚度在0.015～0.2mm之间的柔性体；本实施例中，该第一耐高温绝缘防水层10，选自包括：一pe膜、pvc膜、pet膜、玻璃纤维或陶瓷纤维纸其中任一或其组合式所构成，但不限定于此。本实施例中，该玻璃纤维fibreglass)是一种性能优异的无机非金属材料，优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高。它的软化点为500～750℃，沸点1000℃，密度2.4～2.76g/cm3，抗拉强度在标准状态下是6.3～6.9g/d，湿润状态5.4～5.8g/d，密度2.54g/cm3，耐热性好，温度达300℃时对强度没影响，有优良的电绝缘性，是高级的电绝缘材料，也用于绝热材料。因此以玻璃纤维该第一耐高温绝缘防水层10，为极佳的选择。
52.b).如图3a～图3c所示，在该第一耐高温绝缘防水层10上，设置一层耐高温发热材料浆液20a，本发明以下所述的「设置」方法包括：以喷涂，刷涂，滚涂，移印，转印等的方法，容不赘述，且不限定于此。
53.该耐高温发热材料浆液20a的厚度在0.015～0.2mm之间，该耐高温发热材料浆液20a包含选自：以碳球、碳纤维、石墨或及其微粒、石墨烯、纳米碳管、氮化硼、人造钻石、氧化铝、氧化锆、稀土、导热金属粒子，其中任一或其组合式所构成发热材料颗粒22，其重量比为15～70％，并混合有重量比25～60％的纳米树脂21，及重量比5～25％的溶剂介质所组成；本实施例中，该纳米树脂21可为水性或油性；其中水性纳米树脂21选自包括：水性纳米环氧改性丙烯酸或水性纳米有机硅改性聚氨酯...等。油性纳米树脂选自包括：溶剂型纳米环氧改性丙烯酸或溶剂型纳米有机硅改性聚氨酯。该溶剂选自包括：酯类，酮类，醇类，成份依设制的方法进行调整。
54.c).进行提纯作业︰以120℃～150℃的热温对该耐高温发热材料浆液20a进行烘干30到50分钟，以高温将溶剂等介质挥发来提高纯度，且该耐高温发热材料浆液20a与该第一耐高温绝缘防水层10，通过纳米树脂21进行物理性或混和化学性的成键或架接，最大程度使发热材料颗粒22裸露在该第一耐高温绝缘防水层10上，并呈紧密排列堆叠而未被包裹，又该纳米树脂21通过缩水聚合反应产生硅酸离子(如下方化学反应式所示)：
[0055][0056]
据此使热材料颗粒22稳定结合在该第一耐高温绝缘防水层10上，如图3b所示，形成高纯度的一耐高温发热层20；本实施例中，该耐高温发热层20就是由该耐高温发热材料浆液20a进行烘干提纯后所构成。
[0057]
上面公开的「提纯」作业为本发明最重要的技术特征，所谓「提纯」(purify)，是指将混合物中的杂质分离出来以此提高其纯度。图9是本发明耐高温发热层提纯作业的温度与时间的示意图；因发热材料颗粒22本来纯度是百分之百，但是由于要附着在该第一耐高温绝缘防水层10上，所以必须加入纳米树脂21、溶剂、助剂
…
等介质才能以喷涂或印刷方式附着，附着后以120℃～150℃的高温对该耐高温发热材料浆液20a进行烘干30到50分钟，如此本发明提纯作业才能将介质及溶剂挥发，使发热材料颗粒22的纯度达到95％以上。如果温度与时间没有掌控适当，提纯作业的效果会受到影响，无法使该发热材料颗粒22与纳米树脂21通过化学反应进行架接，达到结构稳定的效果。
[0058]
再者，如图8所示，高纯度石墨烯22喷涂后溶剂等介质挥发，石墨烯22裸露并通过该纳米树脂21附着在该第一耐高温绝缘防水层10(素材)表面，该发热材料颗粒22分子进行有效辐射发射，辐射传递，达到均热，进行热交换，迅速达到发热效果。所以，本发明最重要的「提纯」技术手段可以解决业界散热喷涂的难题包含：第一、解决高纯度发热材料颗粒22喷涂后不能紧密排列的问题。第二、解决一般树酯涂料以搅拌混合方式，将发热材料颗粒22包裹，而影响辐射发射的问题。
[0059]
d).在该耐高温发热层20上粘贴或印刷一电极层30，该电极层的厚度在0.015～0.2mm之间；本实施例中，该电极层30由导电金属材料所构成，其可包括粘贴铜箔或印刷银浆等手段达成，但不限定于此。
[0060]
在第一实施例中，如图3a～图3c所示，该耐高温发热层20为整面布满型态，但不限定于此。又如在第二实施例中，如图4a～图4c所示，该耐高温发热层20是可呈配合该电极层30形状的线条型态。此乃该耐高温发热层20具有极佳导热性，能辐射热能，因此线条型态也能进行有效辐射发射。
[0061]
e).在该电极层30上覆盖一第二耐高温绝缘防水层40，该第二耐高温绝缘防水层40的厚度在0.015～0.2mm之间的柔性体；本实施例中，该第二耐高温绝缘防水层40，选自包括：一pe膜、pvc膜、pet膜、玻璃纤维或陶瓷纤维纸其中任一或其组合式所构成，但不限定于此。
[0062]
f).提供一导线31与该电极层30电性连接，该导线31将阳极及阴极接入，导电后短路而发热，制备成一厚度在0.6mm以内的柔性导热薄膜50。
[0063]
如图6所示，依据本发明前面公开的特征所制成的电子产品柔性发热薄膜50，包含
有：一第一耐高温绝缘防水层10，该第一耐高温绝缘防水层10的厚度在0.015～0.2mm之间的柔性体；一耐高温发热层20，涂布在该第一耐高温绝缘防水层10上，该耐高温发热层20的厚度在0.015～0.2mm之间，并使发热材料颗粒22裸露在该第一耐高温绝缘防水层10上，呈现紧密排列堆叠而未被包裹，使发热材料颗粒22稳定结合在该第一耐高温绝缘防水层10上；一电极层30，粘贴或印刷在该耐高温发热层20上，该电极层的厚度在0.015～0.2mm之间；一第二耐高温绝缘防水层40，覆盖在该电极层30上，该第二耐高温绝缘防水层40的厚度在0.015～0.2mm之间的柔性体；以及一导线31，与该电极层30电性连接，据以构成一厚度在0.6mm以内的柔性发热薄膜50，其工作温度(加热范围)可达摄氏600度，因此为极佳的发热材料。
[0064]
基于上述制备方法，本发明所制备出的柔性发热薄膜50具有如下的功效需在阐明者：
[0065]
本发明的柔性发热薄膜50，通过发热材料颗粒22与纳米树脂21进行物理性或混和化学性的成键或架接，因此结构稳定；高纯度石墨烯，喷涂后溶剂挥发，发热材料颗粒22裸露于素材表面，分子进行有效辐射发射，辐射传递，达到均热，进行热交换，达到极佳的发热效果，其工作温度(加热范围)可达摄氏600度。所以，本发明以「提纯」技术手段解决业界导热喷涂的难题包含：解决传统高纯度发热材料颗粒22涂后不能紧密排列的问题；以及解决一般树脂涂料以搅拌混合方式，将发热材料颗粒22包裹，而影响辐射发射的问题。
[0066]
本发明的柔性导热薄膜50，其厚度可在0.6mm以内，厚度薄且具柔性。因此，可如图5a所示可以弯曲，或是如图5b所示可以卷成圆形管状的使用状态，如此一来，本发明的柔性导热薄膜50的产品适用性就可以很广泛的扩展。例如：如图11所揭示，该柔性发热薄膜50使用在电热炉51的状态参考图；或是如图12所揭示，该柔性发热薄膜50使用在保温垫52的状态参考图；亦或如图13所揭示，该柔性发热薄膜50使用在地暖53的状态参考图；当然也可以如图14所揭示，该柔性导热薄膜50使用在加热管54的状态参考图；由于该柔性发热薄膜50可以卷成圆形管状，因此可以对热水器的加热管54进行加热。所以，本发明的柔性发热薄膜50，可以取代传统的铜管或烯土加热的方式，使用上更便捷且成本更低的功效增进。
[0067]
惟，上述所揭露之图式、说明，仅为本发明之较佳实施例，大凡熟悉此项技艺人士，依本案精神范畴所作之修饰或等效变化，仍应包括在本案申请专利范围内。