專利名稱：納米柔性電熱材料及包括該納米柔性電熱材料的加熱裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電熱材料及一種加熱裝置，尤其涉及一種以高分子材料為基底的納米柔性電熱材料，以及使用所述納米柔性電熱材料的加熱裝置。
背景技術：
電熱材料是指通過自身電阻能夠把電能轉化為熱能的材料。通常的電熱材料是由金屬(例如鎢絲、鉬片等等)或半導體(如硅碳棒等)制成的。由于金屬具有良好的電導率，電阻通常很小，因此可以產生很高的功率和溫度。
但同時由金屬或半導體組成的電熱材料也具有明顯的缺點，如這些材料在常溫下不可隨意變形；且電阻通常很低，功率過大，發熱量過高，不適合在常溫范圍使用。金屬對人體的親和性差，甚至某些金屬如銅會對人體產生危害。因此這些電熱材料不適合使用于與人體緊密接觸的加熱保溫裝置中，如電熱毯、電熱墊等。
由此研發出在高分子材料基底中添加導電顆粒如金屬粉，石墨粉等的電熱材料，此種電熱材料具有柔性，且其電阻可相對較高，可用于低溫加熱，但由于要達到合適的導電率，其中的導電顆粒的含量需要較高，因此造成基底材料強度下降。
有鑒于此，有必要提供一種具有柔性可隨意變形、機械強度高，人體親和性高，可在低溫范圍下使用的電熱材料。
發明內容
以下將以實施例說明一種納米柔性電熱材料，及一種包括所述納米柔性電熱材料的加熱裝置。
所述的納米柔性電熱材料包括基底及分散在所述基底中的大量碳納米管，所述碳納米管在基底內形成大量導電網絡，所述基底為柔性高分子材料。
一種加熱裝置，其包括納米柔性電熱材料、兩根導線及開關，所述兩根導線用于將所述納米柔性電熱材料接入電源，所述開關安裝在所述兩根導線中任意一根上，所述納米柔性電熱材料包括柔性高分子材料組成的基底及分散在所述基底中大量碳納米管，所述碳納米管在基底內形成大量導電網絡。
由于柔性高分子基底材料的采用，所述的納米柔性電熱材料可隨意彎曲且具有良好的人體親和性；根據碳納米管的含量不同，其電阻可調至較高值，從而其適合用于低溫加熱；且由于碳納米管的加入且在柔性高分子基底材料內部形成大量可導電的網絡，除了可用于導電，使所述納米柔性電熱材料整個材料上均勻發熱外，還可提高所述納米柔性電熱材料的強度。
圖1是第一實施例的納米柔性電熱材料剖面示意圖。
圖2是第一實施例的納米柔性電熱材料中碳納米管含量-電阻率關系曲線。
圖3是第二實施例的納米柔性電熱材料的剖面示意圖。
圖4是加熱裝置第一實施例的示意圖。
具體實施例方式
參閱圖1，第一實施例的納米柔性電熱材料1包括柔性高分子基底材料10及分散在柔性高分子基底材料10中的大量碳納米管12。碳納米管12互相搭接而在柔性高分子基底材料10中形成大量導電網絡，從而納米柔性電熱材料1可以導電，通電以后便可發熱。
柔性高分子基底材料10可選自硅橡膠彈性體、聚氨脂、環氧樹脂其中之一或其組合物。碳納米管12可為多壁碳納米管或單壁碳納米管。其長度可為1～10微米，優選的，其重量百分比含量為整個電熱材料的0.1％～4％。碳納米管12的含量不同則電熱材料的電阻率亦不同。
更加具體的，請參見圖2，其為納米柔性電熱材料1中碳納米管含量與電阻率的關系曲線。可以看出，納米柔性電熱材料1隨碳納米管含量的增加電阻率下降，含量為0.4％時，電阻率近似為10Ω·m，碳納米管含量小于1％時電阻率下降的速度較快，隨后下降速度較慢，當碳納米管含量達到4％時，其電阻率下降至較低水平，近似為0.1Ω·m。
納米柔性電熱材料1中還可添加有各種添加劑以提高材料的物理化學性能，如抗氧化劑、阻燃劑。抗氧化劑品種繁多，常見的如氮，氮-二β萘基-對苯二胺。阻燃劑可選自氯化石蠟、氯化脂環烴、四氯鄰苯二甲酸酐、磷酸酯、含鹵磷酸酯、鹵化磷、磷多元醇及鹵代酸酐等，阻燃劑的含量可為1％～10％。
本實施例的納米柔性電熱材料1具有以下特點1、由于采用柔性高分子基底材料，因此其可以任意變形，且高分子材料比金屬或半導體更具人體親和性。
2、由于加入了碳納米管，其機械韌性得到加強，強度增高，不易損壞，且同時具有合適的導熱性，可迅速將內部產生的熱量傳導出來。
3、其電阻可在一定范圍內可調，且整個電熱材料面上同時均勻發熱，溫度可控制在較低水平，如低于100℃，因此本實施例的納米柔性電熱材料不會因過熱產生危害。對于用于給人體進行保溫的電熱材料其溫度可控制的更低，例如在36℃到40℃之間。例如，一塊30×30×0.05cm的這種納米柔性電熱材料，碳納米管含量為2.5％，用36V的電源沿膜面導電，消耗的功率不到1瓦特。
基于以上特性，可將本實施例的納米柔性電熱材料1應用于各種需求低溫加熱的領域，如汽車電熱座椅、電熱地毯、理療電熱帶、減肥腰帶、保溫服等。
本實施例的納米柔性電熱材料1可以采用如下方法制備步驟1，提供一種分散均勻的預聚物溶液或預聚物單體溶液。預聚物材料經進一步聚合后可得到柔性高分子基底材料，例如硅橡膠彈性體、聚氨脂、環氧樹脂的預聚物、單體或者其組合。以聚氨酯為例，將聚氨酯的預聚物用溶劑如乙酸乙酯等溶解稀釋，降低其粘度，然后用超聲波清洗一段時間，得到分散均勻的聚氨酯預聚物溶液。
步驟2，將碳納米管加入上述溶液，并且用超聲波分散一段時間。其中，碳納米管的重量百分比含量為0.1～4％。超聲波分散的作用是使碳納米管能夠在聚氨酯預聚物溶液中初步分散。碳納米管可為多壁碳納米管或者單壁碳納米管，碳納米管的制備方法可采用現有技術中的化學氣相沉積法、電弧放電法、激光燒蝕法等。碳納米管的長度可為1～10微米。
另外，由于碳納米管易于聚集和纏結，可以進一步通過超聲波破碎儀破碎一段時間，將聚集和纏結的碳納米管分開，然后再通過超聲波分散一段時間，從而能夠使碳納米管分散比較均勻。
步驟3，加入引發劑，使預聚物溶液或預聚物單體溶液發生反應或發生交聯而聚合并固化成所需求的形狀，以便于實際應用。引發劑的選擇根據預聚物材料的不同而不同，對于聚氨酯其可為去離子水。適當的超聲清洗一段時間，收集溶液中生成的膏狀物質，即得到復合材料的預加工物。
優選的，固化前可在兩端埋上電極311、312，則可得以如圖3所示的納米柔性電熱材料，電極311、312的材料可采用高導電率的金屬如銅或鋁。
參閱圖4，本實施例的電加熱裝置包括納米柔性電熱材料41、導線421、422及開關43，納米柔性電熱材料41兩端埋有兩電極411、412，導線421、422分別用于將電極411、412接入電源44。開關43可設置在導線421及422當中任意一根上。
另外，本領域技術人員還可在本發明精神內做其它變化。當然，這些依據本發明精神所做的變化，都應包含在本發明所要求保護的范圍之內。
權利要求
1.一種納米柔性電熱材料，其包括基底及分散在所述基底中的多根碳納米管，所述碳納米管在基底內形成導電網絡，所述基底為柔性高分子材料。
2.如權利要求1所述的納米柔性電熱材料，其特征在于，所述柔性高分子材料為硅橡膠彈性體、聚氨脂、環氧樹脂其中之一或其組合物。
3.如權利要求1所述的納米柔性電熱材料，其特征在于，其中的碳納米管的重百分比含量為0.1％～4％。
4.如權利要求1所述的納米柔性電熱材料，其特征在于，所述碳納米管為單壁碳納米管或多壁碳納米管。
5.如權利要求1所述的納米柔性電熱材料，其特征在于，所述碳納米管長度為1～10微米。
6.如權利要求1所述的納米柔性電熱材料，其特征在于進一步包括添加劑。
7.如權利要求5所述的納米柔性電熱材料，其特征在于，所述添加劑為阻燃劑，其選自氯化石蠟、氯化脂環烴、四氯鄰苯二甲酸酐、磷酸酯、含鹵磷酸酯、鹵化磷、磷多元醇及鹵代酸酐其中之一。
8.如權利要求7所述的納米柔性電熱材料，其特征在于，所述阻燃劑的重量百分比含量為1％～10％。
9.一種加熱裝置，其包括納米柔性電熱材料、兩根導線及開關，所述兩根導線用于將所述納米柔性電熱材料接入電源，所述開關安裝在所述兩根導線中任意一根上，所述納米柔性電熱材料包括柔性高分子材料組成的基底及分散在所述基底中多根碳納米管，所述碳納米管在基底內形成導電網絡。
10.如權利要求9所述的加熱裝置，其特征在于，所述納米柔性電熱材料兩端設置有兩個電極，所述兩根導線分別與所述兩個電極電連接。
全文摘要
本發明涉及一種納米柔性電熱材料及包括所述納米柔性電熱材料的加熱裝置。所述納米柔性電熱材料包括基底及分散在所述基底中的大量碳納米管，所述碳納米管在所述基底中形成大量導電網絡，所述基底為柔性高分子材料。所述納米柔性電熱材料具有柔性，可隨意變形、機械強度高，人體親和性高，可在低溫范圍下使用。
文檔編號H05B3/14GK101090586SQ200610061170
公開日2007年12月19日 申請日期2006年6月16日 優先權日2006年6月16日
發明者劉長洪, 范守善 申請人:清華大學, 鴻富錦精密工業(深圳)有限公司