一种基于离子液体凝胶的柔性透明加热器及其制备方法

1.本发明属于柔性电子技术领域，特别涉及一种基于离子液体凝胶的柔性透明加热器及其制备方法。


背景技术：

2.透明加热器是一种含有导电网络的视觉透明加热器件，其加热原理通过电流流经导电网络产生焦耳热来实现。透明加热器的首次应用是在第二次世界大战期间，当时在飞机驾驶舱的挡风玻璃上涂覆了坚硬透明的氧化锡导电涂层，以解决飞机在高空飞行时的防雾除冰问题。直到1995年，刚性透明的导电氧化物(如氧化铟锡)一直都是透明加热器领域最广泛使用的导电材料。目前，刚性透明加热器已广泛应用于交通工具视窗、室外显示屏等防雾除冰方面，但无法满足可穿戴热疗设备、可折叠电子屏等新一代柔性电子器件方面的要求。近几十年来，基于碳纳米管、石墨烯、纳米银线和导电高分子等新型导电材料的柔性透明加热器取得了长足的发展。柔性透明加热器主要通过导电材料和柔性高分子基体的复合设计策略来制备，这不可避免地带来了三个严重的共性问题：(1)导电组分含量的增加在提高导电性的同时会降低透明度；(2)导电组分的不均匀分布及接头产生局部热点造成加热器性能降低；(3)导电组分与高分子基体之间的不良界面粘接降低加热器在循环力热载荷下的稳定性。


技术实现要素：

3.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于离子液体凝胶的柔性透明加热器及其制备方法，以期至少解决上述三个问题之一。
4.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
5.一种基于离子液体凝胶的柔性透明加热器，由离子液体凝胶、电极和交流电源组装而成；其中，所述离子液体凝胶作为离子导体，所述电极设置于离子导体两端，所述电极与所述交流电源电连接形成闭合回路。所述柔性透明加热器具有90％以上的透光度、130v以上的耐压性、-100℃～500℃的耐温性、20℃～500℃的稳态温度、1℃/s～50℃/s的加热速率，且在弯曲和拉伸状态下保持均匀加热。
6.在一个实施例中，所述电极的材料可为石墨、导电金属或者其合金。
7.在一个实施例中，所述柔性透明加热器用于交通工具视窗或室外显示屏的防雾除冰。
8.在一个实施例中，所述柔性透明加热器用于可穿戴热疗设备或可折叠电子屏的加热部件。
9.本发明还提供了所述基于离子液体凝胶的柔性透明加热器的制备方法，包括如下步骤：
10.(1)制备离子液体凝胶，并裁成所需形状，两端贴上电极，形成紧密粘接；
11.(2)将电极接上交流电源，形成闭合回路。
12.在一个实施例中，所述离子液体凝胶的制备方法为：将单体、交联剂和引发剂加入离子液体中混合均匀，得到前驱体溶液；将所述前驱体溶液注入模具，通过化学反应得到离子液体凝胶。
13.在一个实施例中，所述单体为丙烯酸类、丙烯酰胺类、丙烯酸酯类中的一种或多种；所述离子液体为咪唑类离子液体、吡啶型离子液体、季铵类离子液体、季鏻类离子液体、吡咯烷类离子液体、哌啶类离子液体中的一种或多种。
14.在一个实施例中，所述前驱体溶液中，单体的质量分数为10％～60％，交联剂的质量分数为0％～5％，引发剂的质量分数为0.001％～1％，余量为离子液体。
15.在一个实施例中，所述离子液体凝胶的裁剪形状可以为长方体或圆柱体等。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
17.(1)本发明基于离子液体凝胶和交流电作用下离子导电产生焦耳热的技术路线，开发出了一种新型离子型柔性透明加热器，为传统电子型柔性透明加热器提供了全新的材料选择和加热原理。
18.(2)本发明提供的离子型柔性透明加热器同时解决了传统电子型柔性透明加热器存在的透明度-导电性冲突、加热不均匀和界面粘接差等三个技术难点。
19.(3)本发明提供的离子液体凝胶基柔性透明加热器具有优异并且稳定的力、光、电、热性能，如98％以上的透光度、130v～180v的耐压性、-100℃～500℃的耐温性、20℃～500℃的稳态温度、1℃/s～50℃/s的加热速率，并在弯曲和拉伸状态下仍可均匀加热。
附图说明
20.图1是现有的电子型柔性透明加热器的加热原理。
21.图2是本发明离子型柔性透明加热器的加热原理。
22.图3是离子液体凝胶基柔性透明加热器的加热性能示意图。
23.图4是离子液体凝胶基柔性透明加热器在变形状态下均匀加热示意图。
具体实施方式
24.下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
25.目前的透明加热器均采用直流电作用下电子导电产生焦耳热的技术路线，如图1所示。在直流电源或恒电流下，加热器利用电流流过其导电高分子复合材料的焦耳效应产生的热能对物体进行加热，电子导体组份一般为氧化铟锡、纳米银线、碳纳米管或石墨烯等，当电流通过这些电子导体时，电流做功而消耗电能，产生了热量，此时载流子为电子，在电场中作定向运动。但这些电子导体在透明度、加热性能以及加热稳定性方面均存在不足之处。
26.交流电作用下离子导电也可以产生焦耳热，可考虑作为一种全新的备选技术路线。离子液体凝胶是一种以离子液体为分散介质、具有三维交联网络结构的新型离子导电材料，兼具高分子网络的高可拉伸性和离子液体的高透明度、高离子导电性、热化学稳定性、耐火性以及不挥发等优点。离子液体凝胶中高分子网络和离子液体在分子尺度上具有良好的相容性，有望同时解决传统电子型透明加热器所面临的上述三个不足之处。
27.因此，基于离子液体凝胶和交流电作用下离子导电产生焦耳热的加热原理，本发明希望开发一种全新的离子型柔性透明加热器。
28.参考图2，本发明的柔性透明加热器由离子液体凝胶、电极和交流电源组装而成，其中，离子液体凝胶作为离子导体，电极设置于离子导体两端，电极则与交流电源电连接形成闭合回路。
29.区别于传统透明加热器的电子导电产生焦耳热的技术路线，本发明采用交流电作用下离子导电快速产生焦耳热的加热原理，离子液体凝胶是由大量离子液体溶胀三维聚合物网络而形成的离子导体，其中由阴、阳离子构成的离子液体含量为70％以上，当对离子液体凝胶基透明加热器施加正弦交流电压时，此时载流子为离子，交流电压的周期性变化使得阴、阳离子在凝胶网络中来回移动、碰撞和摩擦产生热量，对物体进行加热。
30.本发明的离子型柔性透明加热器具有优异并且稳定的力、光、电、热性能。利用紫外-可见分光光度计测试加热器在可见光波长范围内(400-800nm)的透光率，以纯净水为参照物，得到加热器的平均透光率为90％以上；通过采点绘制离子液体凝胶基透明加热器在不同频率下的电流-电压曲线，得出离子型柔性透明加热器在不同频率下的耐电压值为100v以上，其中所用交流电源由波形发生器和高压放大器提供，电流值由高精度数字万用表测得。用热重分析仪和差示扫描量热法测试离子液体凝胶的温度使用范围，得出离子型柔性透明加热器的耐温性为-100℃～500℃；利用红外测成像仪测试离子型柔性透明加热器在不同电压下随加热时间增长的加热性能，得出离子型柔性透明加热器具有20℃～500℃的稳态温度；且通过计算加热器在单位时间内升高的温度，得出离子型柔性透明加热器的加热速率为1℃/s～50℃/s；还观察到离子型柔性透明加热器在弯曲和拉伸状态下仍可以均匀加热。因此，离子型柔性透明加热器在交通工具视窗、室外显示屏等防雾除冰方面以及在可穿戴热疗设备、可折叠电子屏等柔性电子器件方面有广阔的应用前景。
31.可选地，本发明中，电极的材料为石墨、导电金属或者其合金等，导电金属例如可为银、铜、金、铂、铝、钨、镍或铁。
32.本发明离子液体凝胶通过如下方法制备：
33.(1)将单体、交联剂和引发剂加入离子液体中混合均匀，得到前驱体溶液。其中，单体可为丙烯酸类、丙烯酰胺类、丙烯酸酯类等中的一种或多种；离子液体可为咪唑类离子液体、吡啶型离子液体、季铵类离子液体、季鏻类离子液体、吡咯烷类离子液体、哌啶类离子液体等中的一种或多种；在前驱体溶液中，单体的质量分数为10％～60％，交联剂的质量分数为0％～5％，引发剂的质量分数为0.001％～1％。
34.(2)将前驱体溶液注入模具，通过化学反应得到离子液体凝胶。
35.在得到离子液体凝胶后，将其裁成特定形状，例如长方体或圆柱体等，其尺寸形状根据需要可任意调整。然后在其两端贴上电极，形成紧密粘接；最后将电极接上交流电源，形成闭合回路，即得本发明柔性透明加热器。为对上述技术方案的效果进行验证，提供如下实施例：
36.实施例1
37.一种基于离子液体凝胶的柔性透明加热器，制备方法如下：
38.(1)将质量分数为20％的单体(丙烯酸羟乙酯)和质量分数为0.02％的引发剂(2-羟基-2-甲基苯丙酮)加入离子液体(1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯盐)中混合均匀，得到前
驱体溶液；
39.(2)将前驱体溶液注入夹有2mm厚硅胶垫片的玻璃模具中，置于紫外灯照射下自由基聚合反应4小时，得到离子液体凝胶；
40.(3)将离子液体凝胶裁剪成40mm
×
30mm的矩形尺寸，两端分别覆以尺寸为40mm
×
10mm的铝金属薄片电极，组装成电极/凝胶/电极结构，可加热凝胶面积为40mm
×
10mm；
41.(4)将两端电极接上交流电源，形成闭合回路，得到离子液体凝胶基柔性透明加热器。
42.对所制备的柔性透明加热器进行测试，其具有98％以上的透光度、180v的耐压性(104hz下)和-50℃～250℃的耐温性，且该柔性透明加热器在不同电压下具有不同的加热性能。从图3中可以看出所施加电压越高，加热器的加热速率越快，达到稳态温度所需的时间越短，其稳态温度也越高，在104hz和150v电压下加热器的稳态温度可以高达180℃，加热速率为3.6℃/s。另外，该柔性透明加热器在弯曲和拉伸状态下仍保持均匀加热性能。
43.实施例2
44.一种基于离子液体凝胶的柔性透明加热器，制备方法如下：
45.(1)将质量分数为30％的单体(丙烯酸)、质量分数为1％的交联剂(n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺)和质量分数为0.001％的引发剂(过硫酸铵)加入离子液体(1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐)中混合均匀，得到前驱体溶液；
46.(2)将前驱体溶液注入夹有2mm厚硅胶垫片的玻璃模具中，置于恒温箱中加热反应4小时，得到离子液体凝胶；
47.(3)将离子液体凝胶裁剪成40mm
×
30mm的矩形尺寸，两端分别覆以尺寸为40mm
×
10mm的铜金属薄片电极，组装成电极/凝胶/电极结构，可加热凝胶面积为40mm
×
10mm；
48.(4)将两端电极接上交流电源，形成闭合回路，得到离子液体凝胶基柔性透明加热器。
49.对所制备的柔性透明加热器进行测试，其具有97％以上的透光度、150v的耐压性(103hz下)、-50℃～400℃的耐温性、150℃的高稳态温度和5℃/s的加热速率(103hz和100v下)、以及如图4所示的加热器在弯曲和300％的拉伸状态下可均匀加热性能等。
50.更多的实施例中，单体并不局限于丙烯酸羟乙酯和丙烯酸，还可以是丙烯酸类、丙烯酰胺类、丙烯酸酯类等中的一种或至少两种的组合。离子液体也可以是咪唑类离子液体、吡啶型离子液体、季铵类离子液体、季鏻类离子液体、吡咯烷类离子液体、哌啶类离子液体等中的一种或至少两种的组合。电极材料可以是石墨、银、铜、金、铂、铝、钨、镍、铁及合金等。
51.由于本发明所得柔性透明加热器优异稳定的力、光、电、热性能，其一种可行用途为室外玻璃或者类似构件的防雾除冰等，室外玻璃或者类似构件示例地可以为汽车、火车等交通工具的视窗，又可为显示屏等显示组件的外屏。通过将本发明柔性透明加热器设置于这种构件的夹层或外表面，通过轻微加热即可实现防雾除冰，显然，其可辅以风机等机构。
52.其另一种可行用途为柔性设备的加热，例如，可穿戴热疗设备、可折叠电子屏等，通过将本发明柔性透明加热器作为这类设备的加热组件，可为佩戴者提供长期舒适的穿着体验和信息采集方式。
53.申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的离子液体凝胶基柔性透明加热器及其制备方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。