一种薄膜加热器及其制备方法与流程

本发明涉及加热器技术领域，尤其涉及一种薄膜加热器及其制备方法。

背景技术：

柔性薄膜加热器是一类通过在回路上施加电压来控制柔性线路板产生的功率，功率的一部分转换为热效应，从而达到给物体加热目的的加热器。

现有技术中，柔性薄膜加热器主要是以金属导线做成回路，通过在回路上施加电压，来控制柔性线路板产生的功率。柔性薄膜加热器不仅对金属导线的要求高，而且对生产和使用环境也有严格的要求，生产工艺过于繁琐。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种工艺简单、使用简便的薄膜加热器及其制备方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种薄膜加热器的制备方法，包含如下步骤：

在基底上设置一层碳纳米管溶液涂层，得到涂层基底；

对所述涂层基底进行水洗，得到洗涤后的涂层基底；

使用硝酸溶液对所述洗涤后的涂层基底进行处理，得到导电薄膜基底；

在所述导电薄膜基底上设置一对电极，得到薄膜加热器。

优选的，所述基底为聚对苯二甲酸乙二醇酯基底或聚酰亚胺基底。

优选的，所述碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管。

优选的，所述单壁碳纳米管的外径≤2nm，长度为5～30μm。

优选的，所述碳纳米管溶液包含碳纳米管、分散剂和水；

所述分散剂为十二烷基苯磺酸钠或十二烷基硫酸钠。

优选的，所述碳纳米管和分散剂的质量比为(8～12):1；

所述碳纳米管在碳纳米管溶液中的浓度为0.05～0.2mg/ml。

优选的，所述在基底上设置一层碳纳米管溶液涂层的过程在惰性气氛下进行，所述基底的温度为101～110℃。

优选的，所述电极为铜导电胶或银导电胶。

本发明还提供了一种上述技术方案任意一项所述的制备方法得到的薄膜加热器，包含基底、设置于所述基底表面的碳纳米管导电薄膜，以及设置于所述碳纳米管导电薄膜表面的一对电极。

本发明提供了一种薄膜加热器的制备方法，包含如下步骤：在基底上设置一层碳纳米管溶液涂层，得到涂层基底；对所述涂层基底进行水洗，得到洗涤后的涂层基底；使用硝酸溶液对所述洗涤后的涂层基底进行处理，得到导电薄膜基底；在所述导电薄膜基底上设置一对电极，得到薄膜加热器。本发明提供的薄膜加热器的制备方法简单，使用简便。

本发明还提供了一种上述技术方案任意一项所述的制备方法得到的薄膜加热器，包含基底、设置于所述基底表面的碳纳米管导电薄膜，以及设置于所述碳纳米管导电薄膜表面的一对电极。本发明提供的薄膜加热器能够以平面的形式或者曲面的形式进行使用，且具有高透光性、升温速率快和面电阻低的特点，在透光度大于70％时，面电阻低至94.7ω/sq；在35v电压下，加热器升温速率高达6.1℃/s。

附图说明

图1为实施例1制备薄膜加热器的流程示意图；

图2为实施例1对薄膜加热器的加压示意图；

图3为实施例1中平面加热的传热示意图；

图4为实施例1薄膜加热器在不同电压下薄膜表面的升温曲线；

图5为50℃蒸馏水的降温曲线；

图6为60℃蒸馏水的降温曲线；

图7为不同状态的薄膜加热器的sem图像，其中a为省略硝酸处理得到的薄膜加热器的sem图像，b为省略硝酸处理前的水洗过程得到的薄膜加热器的sem图像，c为实施例1得到的薄膜加热器的sem图像；

图8为实施例3中曲面加热的传热示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种薄膜加热器的制备方法，包含如下步骤：

在基底上设置一层碳纳米管溶液涂层，得到涂层基底；

对所述涂层基底进行水洗，得到洗涤后的涂层基底；

使用硝酸溶液对所述洗涤后的涂层基底进行处理，得到导电薄膜基底；

在所述导电薄膜基底上设置一对电极，得到薄膜加热器。

本发明在基底上设置一层碳纳米管溶液涂层，得到涂层基底。在本发明中，所述基底优选为聚对苯二甲酸乙二醇酯基底或聚酰亚胺基底。本发明对所述聚对苯二甲酸乙二醇酯基底和聚酰亚胺基底的来源没有任何的特殊要求，采用本领域技术人员所常用的聚对苯二甲酸乙二醇酯基底和聚酰亚胺基底即可。本发明对所述基底的厚度没有任何的特殊要求，根据具体的工艺要求进行设置即可。

在本发明中，所述碳纳米管优选为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管。本发明对所述单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的来源没有任何的特殊要求，采用本领域技术人员所常用的单壁碳纳米管和多壁碳纳米管即可。在本发明中，所述单壁碳纳米管的外径优选的≤2nm，更优选的≤1.5nm，最优选的≤1nm；所述单壁碳纳米管的长度优选为5～30μm，更优选为10～25μm，最优选为15～20μm。

在本发明中，所述碳纳米管溶液优选包含碳纳米管、分散剂和水；所述分散剂优选为十二烷基苯磺酸钠(sdbs)或十二烷基硫酸钠(sds)。在本发明中，所述碳纳米管和分散剂的质量比优选为(8～12):1，更优选为(9～11):1，最优选为10:1；所述碳纳米管在碳纳米管溶液中的浓度优选为0.05～0.2mg/ml，更优选为0.08～0.15mg/ml，最优选为0.1mg/ml。本发明优选先配置浓度为0.5～2mg/ml的碳纳米管溶液，然后再将其稀释至0.05～0.2mg/ml，以减少碳纳米管在配置过程中的损耗。

本发明优选将所述碳纳米管、分散剂和水混合后，将得到的混合液顺次进行水浴超声处理和超声波粉碎机超声处理。在本发明中，所述水浴超声处理的功率优选为80～120w，更优选为100～110w；所述水浴超声处理的时间优选为30～50min，更优选为35～45min，最优选为40min。在本发明中，所述超声波粉碎机超声处理的功率优选为100～120w，更优选为105～110w；所述超声波粉碎机超声处理的时间优选为60～80min，更优选为65～75min，最优选为70min。

本发明优选对所述超声波粉碎机超声处理得到的混合液进行离心处理，得到上清液。在本发明中，所述离心处理的离心速率优选为7000～9000r/min，更优选为7500～8500r/min，最优选为8000r/min；所述离心处理的离心时间优选为10～30min，更优选为15～25min，最优选为20min。本发明优选将离心处理得到的上清液用于碳纳米管溶液涂层。

在本发明中，所述在基底上设置一层碳纳米管溶液涂层的过程优选在惰性气氛下进行，更优选为氮气气氛。在本发明中，所述基底的温度优选为101～110℃，更优选为105～108℃。本发明将所述碳纳米管溶液设置于高温基底上，在设置涂层的同时，能够使得碳纳米管溶液中的水蒸发，只留下碳纳米管和分散剂。

在本发明具体实施例中，所述在基底上设置一层碳纳米管溶液涂层优选采用喷涂方式进行。本发明对所述喷涂的具体实施方式没有任何的特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的喷涂方法进行即可。本发明对所述碳纳米管溶液涂层的厚度没有任何的特殊要求，可以根据具体的工艺要求进行设置。

得到所述涂层基底后，本发明对所述涂层基底进行水洗，得到洗涤后的涂层基底。在本发明中，所述水洗能够去除设置涂层过程中可能存在杂质，还能同时初步去除分散剂。本发明对所述水洗的方式没有任何的特殊要求，采用本领域技术人员所常用的水洗方式进行即可。

本发明优选对所述洗涤后的涂层基底进行干燥处理，所述干燥处理的温度优选为50～70℃，更优选为55～65℃，最优选为60℃；所述干燥处理的时间优选为1～3h，更优选为2h。

得到所述洗涤后的涂层基底后，本发明使用硝酸溶液对所述洗涤后的涂层基底进行处理，得到导电薄膜基底。在本发明中，所述硝酸溶液优选为将浓硝酸和水混合后得到；所述浓硝酸的质量浓度优选为65～70％，更优选为68％；所述浓硝酸和水的体积比优选为(5～7):1，更优选为6:1。在本发明中，所述硝酸溶液具有氧化性，同时还有氢离子，可以与分散剂进行结合，将涂层基底中的分散剂去除。

在本发明中，所述硝酸溶液处理具体的为将所述洗涤后的涂层基底在硝酸溶液中进行浸泡；所述浸泡的时间优选为30～50min，更优选为35～45min，最优选为40min。

本发明优选对所述硝酸处理后的涂层基底顺次进行水洗和干燥处理。本发明对所述水洗的方式没有任何的特殊要求，采用本领域技术人员所常用的水洗方式进行即可。在本发明中，所述水洗能够洗去涂层基底上黏附的硝酸和其它杂质。在本发明中，所述干燥处理的温度优选为50～70℃，更优选为55～65℃，最优选为60℃；所述干燥处理的时间优选为1～3h，更优选为2h。

得到所述导电薄膜基底后，本发明在所述导电薄膜基底上设置一对电极，得到薄膜加热器。在本发明中，所述电极为铜导电胶或银导电胶。本发明对所述电极的尺寸没有任何的特殊要求，根据基底的大小以及具体的工艺要求进行设置即可。在本发明中，所述电极的宽度优选为4～6mm，更优选为5mm。本发明对所述电极的设置方法没有任何的特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的常规方法进行设置即可。

本发明对所述铜导电胶和银导电胶的来源没有任何的特殊要求，采用本领域技术人员所常用的铜导电胶和银导电胶即可。

本发明还提供了一种上述技术方案任意一项所述的制备方法得到的薄膜加热器，包含基底、设置于所述基底表面的碳纳米管导电薄膜，以及设置于所述碳纳米管导电薄膜表面的一对电极。本发明提供的薄膜加热器能够以平面的形式或者曲面的形式进行使用。

下面结合实施例对本发明提供的薄膜加热器及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

以纯度>95wt％，外径<2nm，长度为5～30μm的单壁碳纳米管为原料，sdbs作为分散剂，蒸馏水为溶剂。以碳纳米管与sdbs的比例为10:1进行称量，然后加入相应比例的蒸馏水，使得单壁碳纳米管在分散液中的浓度为1mg/ml，然后先以100w的功率水浴超声40min，再采用超声波粉碎机以120w的功率进行超声70min，再用离心机以8000r/min的速率离心20min，提取上清液，得到浓度大约1mg/ml的碳纳米管分散液。

将配好的分散液稀释10倍，得到浓度约为0.1mg/ml的溶液，然后再将清洗好的pet薄膜粘贴在加热板上，加热板上的温度控制在105℃，再用喷枪用氮气进行喷涂。将喷涂得到的涂层基底进行水洗，水洗后以60℃的温度干燥2h。

将质量浓度为68％的浓硝酸和水以6:1的体积比混合，得到硝酸溶液。将上述干燥得到的涂层基底浸没于硝酸溶液中，浸泡40min后进行水洗，水洗后以60℃的温度干燥2h，得到导电薄膜基底。

在得到的导电薄膜基底上设置一对铜电极，得到薄膜加热器。

本实施例制备薄膜加热器的流程示意图如图1所示。

本实施例给薄膜加热器两端负载不同的电压进行加热实验，本实施例对薄膜加热器的加压方式示意图如图2所示，本实施例中平面加热的传热示意图如图3所示。

本实施例提供的薄膜加热器在不同电压下薄膜表面的升温曲线如图4所示，由图4可知在不同的电压下，薄膜电热器的响应时间不同，在35v电压下响应时间最短。

以35v为例进行测试，将初始温度分别为50℃和60℃的蒸馏水分在放在通电的薄膜加热器上，对水温进行测量，得到蒸馏水的降温曲线分别如图5好图6所示。其中，图5为50℃蒸馏水的降温曲线，图6为60℃蒸馏水的降温曲线；图5和图6中，pet是指本实施例中pet基底的薄膜加热器，cnt-tcf-ⅰ、cnt-tcf-ⅱ和cnt-tcf-ⅲ分别表示以cnt-tcf-ⅰ、cnt-tcf-ⅱ和cnt-tcf-ⅲ作为基底得到的薄膜加热器。

对图5和图6中的曲线进行非线性拟合，得到相对应的拟合公式：

(a)(50℃水)；

(b)(60℃水)。

式(a)和式(b)中，t1，t2-实时温度；t1^*，t2^*-表示稳态温度，也就是与外界进行热交换达到平衡时候的温度；tc-与环境的最大温差；k1，k2-校准系数，时间量与温度的公式里的误差由这个参数进行校准；t-时间。

实施例2

对实施例1中的方案进行改进，以得到不同状态的薄膜加热器。

方案一：

省略硝酸处理步骤，其余过程不变；

方案二：

省略硝酸处理前的水洗过程，其余过程不变。

本发明中不同状态的薄膜加热器的sem图像如图7所示，其中a为省略硝酸处理得到的薄膜加热器的sem图像，b为省略硝酸处理前的水洗过程得到的薄膜加热器的sem图像，c为实施例1得到的薄膜加热器的sem图像。

由图7可知，实施例1得到的薄膜加热器表面杂质明显减少。

实施例3

以多壁碳纳米管为原料，sdbs作为分散剂，蒸馏水为溶剂。以碳纳米管与sdbs的比例为10:1进行称量，然后加入相应比例的蒸馏水，使得单壁碳纳米管在分散液中的浓度为1mg/ml，然后先以100w的功率水浴超声40min，再采用超声波粉碎机以120w的功率进行超声70min，再用离心机以8000r/min的速率离心20min，提取上清液，得到浓度大约1mg/ml的碳纳米管分散液。

将配好的分散液稀释10倍，得到浓度约为0.1mg/ml的溶液，然后再将清洗好的pet薄膜粘贴在加热板上，加热板上的温度控制在105℃，再用喷枪用氮气进行喷涂。将喷涂得到的涂层基底进行水洗，水洗后以60℃的温度干燥2h。

将质量浓度为68％的浓硝酸和水以6:1的体积比混合，得到硝酸溶液。将上述干燥得到的涂层基底浸没于硝酸溶液中，浸泡40min后进行水洗，水洗后以60℃的温度干燥2h，得到导电薄膜基底。

在得到的导电薄膜基底上设置一对铜电极，得到薄膜加热器。

将本实施例得到的薄膜加热器以曲面的形式进行使用，其使用时的状态示意图如图8所示。

由以上实施例可知，本发明提供了一种薄膜加热器的制备方法，包含如下步骤：在基底上设置一层碳纳米管溶液涂层，得到涂层基底；对所述涂层基底进行水洗，得到洗涤后的涂层基底；使用硝酸溶液对所述洗涤后的涂层基底进行处理，得到导电薄膜基底；在所述导电薄膜基底上设置一对电极，得到薄膜加热器。本发明提供的薄膜加热器的制备方法简单，使用简便。

本发明还提供了一种上述技术方案任意一项所述的制备方法得到的薄膜加热器，包含基底、设置于所述基底表面的碳纳米管导电薄膜，以及设置于所述碳纳米管导电薄膜表面的一对电极。本发明提供的薄膜加热器能够以平面的形式或者曲面的形式进行使用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。