一种压敏型石墨烯电热膜的制作方法

1.本发明涉及电热膜技术领域，特别是涉及一种压敏型石墨烯电热膜。


背景技术：

2.随着智能穿戴的不断发展，人们对电热膜的要求不仅在于较高的发热效率，现有技术已经针对压敏电热膜进行研究。
3.现有的电热膜针对不同的功能展开研究，包括拉伸性，发热稳定性能等方面的，随着外部环境不同的输入信号，电热膜有多重不同的反馈，从而提高电热膜的应用，提高电热膜的智能性。
4.现有压敏电热膜制备工艺复杂，制备工艺条件苛刻，成本较高。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种压敏型石墨烯电热膜，本发明通过二氧化硅/木质素作为导电膜层中的自润滑颗粒，当膜层受到压力时，三维导电网络内部电接触增加，膜层的发热效率提高；且膜层可以反复受压，结构稳定。
6.为解决此技术问题，本发明的技术方案是：一种压敏型石墨烯电热膜，从上至下依次包括绝缘层、三维导电网络弹性膜和基层定向弹性膜；
7.三维导电网络弹性膜按照质量份数包括以下物质：
[0008][0009]
其中，二氧化硅/木质素均匀分散在三维导电网络弹性膜层中。
[0010]
优选基层定向弹性膜朝向三维导电网络弹性膜的一侧设有方向一致的导向凸起，三维导电网络弹性膜中的石墨烯和多壁碳纳米管在导向凸起的限位下倾斜有序堆叠。本发明中通过在基层定向弹性膜表面设置导向凸起，当三维导电网络弹性膜成膜时，其中的片状石墨烯和具有较大长径比的多壁碳纳米管限位凸起的作用倾斜有序堆叠。
[0011]
优选二氧化硅/木质素均匀分散在石墨烯和多壁碳纳米管之间。当受到竖直方向的压力时，倾斜叠置的石墨烯和/或多壁碳纳米管在竖直方向的距离减少，同时石墨烯和/或多壁碳纳米管在水平方向发生相对滑动，其中二氧化硅/木质素复合颗粒不仅作为颗粒导电剂增加三维导电网络的形成和导通，同时也能够作为石墨烯和/或多壁碳纳米管在水平方向发生相对滑动的润滑剂，利于相对滑动的发生，电热膜压力敏感。
[0012]
优选二氧化硅/木质素复合物中二氧化硅与木质素的质量份数之比为1：(0.02至
0.04)。本发明中二氧化硅/木质素复合物其自身具有电负性，有效防止二氧化硅以及石墨烯和碳纳米管均匀分散，利于三维导电网络的形成。
[0013]
优选所述绝缘层和所述基层定向弹性膜由环聚二甲基硅氧烷制成。本发明中环聚二甲基硅氧烷作为三维导电网络弹性膜的成膜材料，其在受压时发生形变，配合内部三维导电网络的接触增多，提高发热效率；在压力撤销时，膜层形变恢复带动内部的三维导电网络恢复至初始形态；本发明中的绝缘层和基层定向弹性膜均由环聚二甲基硅氧烷作为成膜材料，本发明中绝缘层、三维导电网络弹性膜和基层定向弹性膜的形变一致性好。
[0014]
优选所述电热膜的厚度为1mm至3mm。本发明的电热膜层均匀可控，具有较大的应用范围。
[0015]
优选三维导电网络弹性膜厚度占电热膜厚度的60％至75％。本发明中三维导电网络弹性膜决定本发明的主要发热性能和压力敏感特性，同时绝缘层和基层定向弹性膜保证了本发明结构形变一致性，以及发热性能的保证。
[0016]
优选按照质量份数还包括2份至5份的【bmim】【bf4】。本发明中【bmim】【bf4】不定形的通过与石墨烯、碳纳米管以及二氧化硅/木质素表面基团通过电荷的吸附作用有效促进石墨烯、碳纳米管以及二氧化硅/木质素均匀分散于环聚二甲基硅氧烷，防止在混合的过程中发生二次团聚，有效保证导电网络中各种导电物质稳定可靠接触，从而降低电阻，提高发热效率。
[0017]
进一步优选三维导电网络弹性膜按照质量份数包括以下物质：
[0018][0019]
优选二氧化硅与木质素的复合方法包括以下步骤：
[0020]
将纳米二氧化硅在乙醇水混合体系中超声预分散，碱性条件下加入，加酸调节至酸性，共沉反应后进行陈化，干燥，得二氧化硅/木质素复合纳米颗粒。
[0021]
通过采用上述技术方案，本发明的有益效果是：
[0022]
本发明从上至下依次包括绝缘层、上述质量份数的三维导电网络弹性膜和基层定向弹性膜；本发明中的绝缘层和基层定向弹性膜夹持三维导电网络弹性膜，当水平放置的三维导电网络弹性膜受到竖直方向的压力时，其整体的膜层厚度变薄，整个膜层的因为受到压力而产生形变，该形变是整个膜层的厚度减薄而整体面积相对增大，均匀分布在环聚二甲基硅氧烷中的片状石墨烯和/或具有较大长径比的多壁碳纳米管之间的相对距离从远转近，其二者之间直接接触，或者通过二者之间均匀分散的二氧化硅/木质素发生接触，且由于二氧化硅/木质素颗粒的存在，石墨烯和/或多壁碳纳米管之间可以发生水平之间的相对滑动从而适应在受压时膜层的厚度以及面积的变化；
[0023]
在受压时，石墨烯、多壁碳纳米管以及二氧化硅/木质素的形成三维导电网络直接的接触点增加至饱和，本发明所得电热膜压力敏感，结构稳定。
[0024]
从而实现本发明的上述目的。
具体实施方式
[0025]
为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
[0026]
实施例1
[0027]
本实施例公开一种压敏型石墨烯电热膜，从上至下依次包括绝缘层、三维导电网络弹性膜和基层定向弹性膜；
[0028]
三维导电网络弹性膜的组分和质量份数详见表1所示。
[0029]
其中，二氧化硅/木质素均匀分散在三维导电网络弹性膜层中。
[0030]
所述绝缘层和所述基层定向弹性膜均由环聚二甲基硅氧烷制成。
[0031]
优选所述电热膜的厚度，以及电热膜层中绝缘层、三维导电网络弹性膜和基层定向弹性膜在未受压状态下的占比如表2所示。
[0032]
实施例2
[0033]
本实施例与实施例1的主要区别详见表1和表2所示。
[0034]
本实施例中基层定向弹性膜朝向三维导电网络弹性膜的一侧设有方向一致的导向凸起，三维导电网络弹性膜中的石墨烯和多壁碳纳米管在导向凸起的限位下倾斜有序堆叠。
[0035]
实施例3
[0036]
本实施例与实施例2的主要区别详见表1和表2所示。
[0037]
本实施例中二氧化硅/木质素均匀分散在石墨烯和多壁碳纳米管之间。当受到竖直方向的压力时，倾斜叠置的石墨烯和/或多壁碳纳米管在竖直方向的距离减少，同时石墨烯和/或多壁碳纳米管在水平方向发生相对滑动，其中二氧化硅/木质素复合颗粒不仅作为颗粒导电剂增加三维导电网络的形成和导通，同时也能够作为石墨烯和/或多壁碳纳米管在水平方向发生相对滑动的润滑剂，利于相对滑动的发生，电热膜压力敏感。
[0038]
二氧化硅/木质素复合物中二氧化硅与木质素的质量份数之比为1：(0.02至0.04)。本发明中二氧化硅/木质素复合物其自身具有电负性，有效防止二氧化硅以及石墨烯和碳纳米管均匀分散，利于三维导电网络的形成。
[0039]
实施例4
[0040]
本实施例与实施例2的主要区别详见表1和表2所示。
[0041]
优选按照质量份数还包括2份至5份的【bmim】【bf4】。本发明中【bmim】【bf4】不定形的通过与石墨烯、碳纳米管以及二氧化硅/木质素表面基团通过电荷的吸附作用有效促进石墨烯、碳纳米管以及二氧化硅/木质素均匀分散于环聚二甲基硅氧烷，防止在混合的过程中发生二次团聚，有效保证导电网络中各种导电物质稳定可靠接触，从而降低电阻，提高发热效率。
[0042]
实施例5
[0043]
本实施例与实施例2的主要区别详见表1和表2所示。
[0044]
进一步优选三维导电网络弹性膜按照质量份数包括以下物质：
[0045][0046]
实施例6
[0047]
本实施例公开实施例1至5中所使用二氧化硅与木质素复合颗粒的复合方法，包括以下步骤：
[0048]
将纳米二氧化硅在乙醇水混合体系中超声预分散，碱性条件下加入，加酸调节至酸性，共沉反应后进行陈化，干燥，得二氧化硅/木质素复合纳米颗粒。
[0049]
对比例1
[0050]
本例与实施例1的主要区别详见表1和表2所示。
[0051]
对比例2
[0052]
本例与实施例1的主要区别详见表1和表2所示。
[0053]
表1实施例1至5以及对比例1和2所得电热膜的原料组成及用量(质量份数)
[0054]
项目gomwcntsio2/木质素【bmim】【bf4】pdms实施例1123515/400实施例21820203.6300实施例31526302.7360实施例41631325330实施例512.533252370对比例11526//360对比例21526//360
[0055]
表2实施例1至5以及对比例1和2所得电热膜的膜层情况数据列表
[0056][0057]
将实施例1至5以及对比例1和2所得面积为100mm
×
100mm电热膜分别不同压力状态的发热效率测试；
[0058]
其中发热效率测试的方法和计算方式如下：
[0059]
将制得的电热膜两端接上金属电极，使用直流电源在电极上施加15v的电压，加热一段时间至温度稳定。根据能量守恒定律，当加热的温度升至最大值时，电热膜的发热量等于向外辐射的能量，因此发热效率
[0060]
h＝iv0/[(t
m
‑
t0)*s]；
[0061]
其中，h为薄膜发热效率(w/(℃
·
mm2))；
[0062]
i为温度稳定时的电流(a)；
[0063]
v0为温度稳定时的电压(v)；
[0064]
t
m
为最高温度；
[0065]
t0为环境温度，本发明中环境温度为25℃；
[0066]
在发热效率的计算过程中忽略面积s的变化。
[0067]
表3实施例1至5所得电热膜在未受压下的发热效率情况
[0068][0069]
表4实施例1至5所得电热膜在200pa下的发热效率情况
[0070][0071]
表5实施例1至5所得电热膜在400pa下的发热效率情况
[0072][0073]
表6实施例1至5所得电热膜在600pa下的发热效率情况
[0074][0075]
表7实施例1至5所得电热膜在800pa下的发热效率情况
[0076][0077]
结合表1至表7的数据可知，本发明所得的电热膜层随着受压情况的变化发热效率逐渐提高至饱和，发热温度也逐渐提高。相比较于对比例1和2，实施例1至5在受压后，石墨烯和/或多壁碳纳米管在竖直方向的距离减少，同时石墨烯和/或多壁碳纳米管在水平方向发生相对滑动，其中二氧化硅/木质素复合颗粒不仅作为颗粒导电剂增加三维导电网络的形成和导通，同时也能够作为石墨烯和/或多壁碳纳米管在水平方向发生相对滑动的润滑剂，利于相对滑动的发生，电热膜压力敏感。进一步对比实施例1与实施例2至4，可知基层定向弹性膜的导向凸起使得石墨烯和多壁碳纳米管倾斜有序叠置，提高三维导电网络的内部有序性，本发明电热膜受到不同压力时，发热效率稳定变化至饱和，结构稳定，在不同压力下，发热性能基本稳定。