一種低電壓透明電熱膜及其制備工藝、高溫電熱片及其制備工藝的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種透明電熱膜及其制備工藝，尤其是一種低電壓透明電熱膜及其制備方法；同時，本發明還涉及一種高溫電熱片及其制備工藝;透明電熱膜和高溫電熱片均同屬于電熱膜領域。
【背景技術】
[0002]透明加熱膜通常采用在膜材表面鍍透明導電涂層，然后在導電涂層表面制作導電電極，電極通常為兩平行的金屬條，兩金屬條分別接電源正極和負極，電流流經透明導電涂層產生熱量，如圖1所示(參見公開號為CN103828482A的專利)。目前常用的透明導電層石墨烯、碳納米管、IT0、FT0、AZ0等在膜厚較薄時方塊電阻較大，這使得必須使用較高的供電電壓才能滿足加熱要求，不利于電熱膜的安全和便攜性使用要求;而且，厚度增加雖可以降低使用電壓，但增加了材料成本，同時降低了生產效率和透光率。
[0003]公開號為CN102883486A、名稱為“一種基于石墨烯的透明電加熱薄膜及其制備方法”的專利中，透明電加熱薄膜包括透明柔性襯底，透明柔性襯底上設置石墨烯膜，石墨烯膜上設有導電連接網膜，導電連接網膜上設有電極，電極與導電連接網膜及石墨烯膜電連接；電極上設置防護層，防護層覆蓋在電極上，并覆蓋在石墨烯膜及導電連接網膜上。該專利提出采用石墨烯和導電連接網膜作為電熱膜的透明加熱材料，該方法可以通過導電連接網膜降低整體透明導電材料的方阻，但存在如下缺點:
[0004]I)導電連接網膜的方阻通常遠小于石墨烯方阻，而二者是并連關系，這樣起加熱作用的主要是導電連接網膜而不是石墨烯。
[0005]2)導電連接網膜的線徑<5μπι，采用常規的金屬材料通電時極易被燒毀使電熱膜失效。
[0006]現有技術中也曾提出一種石墨烯柔性透明加熱元件及其制備方法，為增強加熱的均勻性使用圖案化透明電極，透明電極中部接電極。但圖案化電極也使用透明導電材料，因透明導電材料導電性較差，引入圖案化電極后也很難獲得降低使用電壓的效果，因此必須使用多層(5-6層)石墨烯降低電阻以降低使用電壓。此外，如果使用兩平行電極而不是圖案化電極，則獲得的加熱均勻性較差，溫度最高點和最低點差別60Κ以上，難以實現實用化的要求。
【發明內容】
[0007]為了解決現有技術中存在的問題，本發明提供了一種低電壓透明電熱膜，該透明電熱膜可以在低電壓(< 12V)下工作，達到預期的溫度。
[0008]進一步地，該透明電熱膜加熱均勻性良好。
[0009]更進一步地，該透明電熱膜使用較薄的透明導電層加熱，使用石墨烯作為透明導電層時可使用單層石墨烯，同時該電熱膜使用很低的電壓(如< 1.5V)即可獲得與傳統透明電熱膜相同的加熱效果，且起發熱作用的是透明導電層。
[0010]本發明的另一目的是提供上述低電壓透明電熱膜的制備工藝。
[0011]為了解決前述技術問題，達到上述技術效果，本發明提供了如下的技術方案:
[0012]—種低電壓透明電熱膜，包括透明基材、透明導電層、電極;透明導電層形成于透明基材的至少一側；電極由匯流條和若干內電極構成，內電極由匯流條相向延伸形成叉指電極；電極位于透明導電層上且與透明導電層電接觸。
[0013]優選地，電極由粗的匯流條和若干細的內電極構成，匯流條接電源的正極或負極，使得兩相鄰的內電極極性相反，通電時正極匯流條提供的電流由各正極內電極流入對應負極內電極最終全部匯入負極匯流條。
[0014]優選地，匯流條一端接電源的正極或負極。
[0015]進一步優選地，可以在透明導電層兩面分別設置正、負兩套電極，這兩套電極的內電極錯開一定距離，即正、負叉指電極分別置于透明導電層兩側，形成被透明導電層隔開的叉指電極，保證電流均勻通過透明導電層，這樣可進一步保證加熱的均勻性。
[0016]優選地，透明導電層的材料包含但不限于石墨烯、碳納米管、IT0、FT0、AZ0等。
[0017]優選地，電極可由透明導電材料制成，其中，優選的透明電極材料為石墨烯。
[0018]優選地，電極位于石墨烯層上且與石墨烯層一體形成。
[0019]優選地，電極材料包含但不限于銀、銀漿、銅、銅漿、鋁、ITO等導電性能良好的材料。電極材料以銅箔最佳。
[0020]優選地，電極可形成于透明基材與透明導電層之間。
[0021]優選地，透明基材可為玻璃或聚合物，透明基材包含但不限于PET、PVC、PE、PC等薄膜。更優選地，聚合物可為:PET，PMMA，PVDF，PANI，或者其組合物。
[0022]優選地，所述透明導電層為單層或多層石墨烯。最佳為單層石墨烯。
[0023]本發明的特殊結構的電極應用于單層石墨烯上，可使得該透明電熱膜在低電壓(< 12V)下工作，用于多層石墨烯上可使用更低電壓。
[0024]優選地，石墨烯層可使用摻雜劑;更優選地，摻雜劑可為無機/有機摻雜劑。
[0025]優選地，可在電極和石墨烯層上覆蓋保護層;更優選地，保護層可采用柔性透明材料。
[0026]優選地，透明覆蓋層的材料包含但不限于PET、PVC、PE、PC等薄膜。
[0027]優選地，可將本發明的電極串聯或并聯。
[0028]優選地，可將本發明的透明電熱膜串聯或并聯。
[0029]進一步的，所述內電極為直線形、波浪形或鋸齒形，所述匯流條根據電熱膜的形狀和應用需求，可呈直線形、曲線形，匯流條和內電極組成的圖案形狀根據電熱膜的形狀和應用需求，也可圍成方形、圓形、橢圓形或任意形狀。
[0030]更優選的，所述匯流條位于透明導電層的邊緣，且與透明導電層接觸良好，所述內電極由一匯流條向另一匯流條延伸，相鄰內電極來自不同匯流條，相向延伸。
[0031]進一步地，本發明的發明人發現，為在低電壓下獲得良好的溫度均勻性，針對本發明特殊結構的電極，最終升溫溫度、起始溫度、供電電壓、兩內電極間距和透明導電層的方塊電阻符合如下公式:
[0032]T = kU2/d2R+t (I)
[0033]其中:兩內電極間距按照透明導電層一面上的內電極間距計算，
[0034]t 起始溫度，單位為°〇；
[0035]T一一電熱膜升溫所至最終升溫溫度，單位為°〇；
[0036]U——供電電壓，單位為V，U< 12V;
[0037]d--內電極間距，單位為cm;
[0038]R——透明導電層方塊電阻，單位為Ω/口；
[0039]k——常數，取值范圍為10_200，k取值范圍根據電熱膜與空氣之間的傳導系數會有不同，與電熱膜與空氣之間的傳導系數成反比。
[0040]采用本發明特殊結構的電極、通過減小兩內電極間的間距使得兩電極間的透明導電層的電阻減小，是一種優選途徑，使得使用低電壓供電成為可能。正常可以采用日用的鋰電池電壓，即可達到迅速加熱升溫。
[0041]優選地，電熱膜的匯流條與內電極可以為同種材料，也可為不同材料，其長度根據電熱膜的尺寸設計。為保證溫度均勻性，匯流條的寬度和厚度需考慮所用材料的電流承載能力和電阻率，電阻率要足夠小，以減小匯流條上的電壓降，保證內電極設置在匯流條的不同位置最高電壓和最低電壓相差不超過10%，而且電流承載能力決定了匯流條截面積必須大于某一數值才能保證匯流條不被燒毀。本發明的發明人發現存在如下公式(2):
[0042]n(n+l)lpi/WHR<l/5 (2)
[0043]其中:
[0044]η一一內電極使匯流條圍成的面積內共產生了 η個間隔；
[0045]p1--匯流條材料電阻率，單位為Ω.m;
[0046]I——內電極每根長度，長度不等時按其中最長內電極計算，單位為m;
[0047]W一一匯流條寬度，單位為m;
[0048]H--匯流條厚度，單位為m ；
[0049]R——透明導電層方塊電阻，單位為Ω/口。
[0050]優選地，內電極保證電流承載能力和考慮同一內電極上最大電壓差不超過10%。本發明的發明人發現存在如下公式(3):
[0051 ] n I2P2MLR <1/5 (3)
[0052]其中:
[0053]η一一內電極使匯流條圍成的面積內共產生了 η個間隔；
[0054]I——內電極每根長度，長度不等時按其中最長內電極計算，單位為m;
[0055]P2--內電極材料電阻率，單位為Ω.m;
[0056]w--內電極寬度，單位為m;
[0057]h--內電極厚度，單位為m;
[0058]L——每根匯流條上由第一根內電極起到最后一根內電極止共產生的長度，單位m；
[0059]R——透明導電層方塊電阻，單位為Ω/口。
[0060]本發明通過采用特殊結構的電極、減小兩內電極間的間距使得兩電極間的透明導電層的電阻減小，從而可以使用低電壓供電，正常可以采用日用的鋰電池電壓，即可達到迅速加熱至90_180°C。可以將正、負兩套電極分別設置于石墨烯兩面，形成被石墨烯隔開的叉指電極，這樣可進一步保證加熱的均勻性，在同樣的低電壓下提高加熱的溫度。
[0061]對于生長于金屬箔襯底上的透明導電材料，可采用表面生長好透明導電薄膜的金屬箔襯底制作圖案化電極，這樣可以簡化制備過程，節省時間和材料成本，同時金屬箔的導電性良好，有利于電熱膜溫度均勻性的控制，具體過程如下:
[0062]1、制備生長于金屬箔襯底上的透明導電材料；
[0063]2、將透明基材與金屬箔生長有透明導電材料的一面粘合在一起；
[0064]3、在金屬箔面上通過光刻或印刷的方法制作掩膜，掩膜圖案按要求設計；
[0065]4、將制作好掩膜的透明基材/透明導電層/金屬箔置于刻蝕液中，刻蝕掉未被掩膜保護的金屬；
[0066]5、去掉金屬電極表面的掩膜，形成圖案化電極。
[0067]進一步優選地，可在透明導電層及圖案化電極上覆蓋透明保護層，具體步驟如下:
[0068]6、將帶膠的透明保護層開孔，以便在其與下層電極和透明導電層貼合時露出要引線的電極；
[0069]7、將透明保護層的孔與電極對好位后貼合；
[0070]8、在小孔露出的電極處制作引線。
[0071]優選地，透明導電材料可為石墨烯。
[0072]優選地，使用透明膠將透明基材與金屬箔生長有透明導電材料的一面進行粘合。更優選地，所述透明膠包含但不限于各種UV光固化樹脂、熱熔膠、硅膠等。
[0073]優選地，所述金屬箔可選自但不限于銅箔、鎳箔、銅鎳合金箔等。
[0074]優選地，所述刻蝕液根據金屬箔選擇，刻蝕液中可加入改善透明導電材料導電性的物質。
[0075]優選地，所述去掉金屬電極表面掩膜的方法可以根據掩膜材料選擇手剝或溶液去除的方法。
[0076]優選地，本發明所述的一種低電壓透明電熱膜的制備方法也可采用如下步驟:
[0077]1、將透明基材與透明導電層粘合在一起；
[0078]2、在透明導電層上制作電極，可采用直接印刷導電漿料或蒸鍍導電材料的方法進行，電極圖案根據加熱需求設計。
[0079]進一步優選地，可在透明導電層及電極上覆蓋保護層，具體步驟如下:
[0080]3、將帶膠的透明保護層開孔，以便在其與下層電極和透明導電層貼合時露出要引線的電極；
[0081]4、將透明保護層的孔與電極對好位后貼合；