[发明专利]柔性碳纤维电热膜及其制备方法

说明书

本发明涉及电热复合材料技术领域，公开了柔性碳纤维电热膜以及该柔性碳纤维电热膜的制备方法。该柔性碳纤维电热膜包括柔性碳纤维薄膜和电极层；其中，柔性碳纤维薄膜包括改性碳纤维薄膜和热固性聚合物，改性碳纤维薄膜含有碳纤维和聚多巴胺；电极层包括正极层和负极层，正极层和负极层分别设置于柔性碳纤维薄膜的表面；柔性碳纤维电热膜的电导率为700‑2150S/m，热导率为1.2‑2.75W/(m·K)，3V时稳定状态的温度分布不均匀度低于0.025。该柔性碳纤维电热膜的加热温度可调、可控且稳定，表现出良好的快速升温特性、高电热辐射转换效率、均匀温度分布与安全性。

技术领域

本发明涉及电热复合材料技术领域，具体涉及柔性碳纤维电热膜以及该柔性碳纤维电热膜的制备方法。

背景技术

在过去十年中，由于汽车工业、医疗保健、航空航天等行业的迅速发展，电热材料的需求量也日益增加。传统电热材料，主要为金属、陶瓷基材料等，均存在密度高、刚性、易腐蚀、制造工艺复杂、不易携带等缺点，能满足各行业对电热膜的多样性要求。碳纤维具有良好的导电导热性、耐腐蚀性、低密度和高比模量，且成本较低，柔性电热膜具有质轻、柔性和稳定性优异等优点，因此碳纤维电热膜成为了新一代电热材料的候选者。

与传统的金属丝电热材料相比，碳纤维电热膜具有加热效率高，生物相容性好等优点。但是碳纤维表面能低、惰性大、活性基团较少，直接制备出的碳纤维电热膜中会出现显著的碳纤维团聚现象，这会导致碳纤维电热膜的温度分布不均匀，导致薄膜部分区域出现超温现象，存在一定的安全隐患。因此制备出均匀发热的碳纤维电热膜首先需要对碳纤维进行改性处理。

常用于碳纤维改性的方法如液相氧化法、电化学氧化法等在改性过程中使用大量的有机溶剂，造成严重的环境污染，同时破坏碳纤维本体结构。由此种方法改性的碳纤维电热膜电导率较低，且电热性能较差。

CN109275212A公开了一种新型具有PTC效应的电热膜及其制备方法，该方法采用多巴胺处理碳纤维短纤表面；将处理过的碳纤维以重量比25-60％加入到亲水性聚合物中，使其分布均匀，制成碳浆；碳浆以重量比40-70％添加到固含量50-65％的聚氨酯乳液中，混合均匀后，在基材上涂覆制备成电热膜，膜厚50-150μm。其电热膜中，多巴胺在碳纤维短纤表面形成亲水性涂层，由于亲水性聚合物与聚氨酯不相容，体系为双连续相，碳纤维短纤主要分布在亲水性聚合物中，上述经过多巴胺改性的碳纤维充当导电填料；聚氨酯为电热膜支撑材料，提供力学性能和尺寸稳定性。该电热膜虽然能够兼顾体积热膨胀能力和支撑能力，但其升温、降温的响应时间长，经过1小时，电热膜的表面温度才从室温提升至80℃以上。同时降温也需要1小时才从84℃降至室温。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的碳纤维电热膜导电性能以及电热性能不佳，且温度分布不均匀的问题。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种柔性碳纤维电热膜，所述柔性碳纤维电热膜包括柔性碳纤维薄膜和电极层；其中，所述柔性碳纤维薄膜包括改性碳纤维薄膜和热固性聚合物；所述改性碳纤维薄膜含有碳纤维和聚多巴胺；

所述电极层包括正极层和负极层，所述正极层和所述负极层分别设置于所述柔性碳纤维薄膜的表面；

所述柔性碳纤维电热膜的电导率为700-2150S/m，热导率为1.2-2.75W/(m·K)，3V时稳定状态的温度分布不均匀度低于0.025。

本发明第二方面提供一种第一方面所述的柔性碳纤维电热膜的制备方法，该制备方法包括：

(1)将碳纤维浸渍于改性剂中，并将得到的浸渍产物进行真空热解，得到改性碳纤维；其中，所述改性剂含有多巴胺盐酸盐；

(2)将所述改性碳纤维与分散剂进行混合，得到浆料；

(3)将所述浆料进行抽滤，得到改性碳纤维薄膜；