柔性發(fā)熱厚膜的制備及其表征

趙艷嬌，葛愛雄，馮嘉俊

1.際華集團股份有限公司系統(tǒng)工程中心，北京 100160；2.新興際華（北京）材料技術(shù)研究院有限公司，北京 100000；3.廣東天物新材料科技有限公司，廣東廣州511400

0 前言

發(fā)熱膜主要是由導(dǎo)體漿料、樹脂漿料、黏結(jié)劑和絕緣載體材料配合結(jié)合基板組成[1-3]，其具有面狀方式發(fā)熱、使用壽命長、耐腐蝕性、適用范圍廣等優(yōu)異特性[4-8]。電發(fā)熱膜按溫度分高溫電熱膜（＞900℃）、中溫電熱膜（250～900℃）和低溫電熱膜（＜250℃）[5-8]。按發(fā)熱產(chǎn)生機理可分為渦流加熱、微波振蕩加熱和電阻加熱[9-10]，發(fā)熱膜屬于電阻加熱。按材料可以分為金屬基和非金屬基材料電熱膜[11-12]。其中金屬基主要以導(dǎo)電性能優(yōu)的銀、銅、鈀金、鎳、鉻等材料為主，非金屬基主要以碳、硅等材料為主。市場常見的電發(fā)熱材料有鎳/鉻金屬、碳纖維、碳油墨、碳納米管等材料，這些材料制品一般存在發(fā)熱不均勻、發(fā)熱性能不穩(wěn)定、耗能大等問題。升溫快、加熱均勻、安全可靠的發(fā)熱膜成為了各領(lǐng)域攻研熱點。東華大學(xué)裘凱莉[13]采用PAN聚合物摻雜遠紅外顆粒靜電紡絲成膜，再與滌綸織物復(fù)合成遠紅外發(fā)熱織物，應(yīng)用于生物醫(yī)用、智能可穿戴等領(lǐng)域。石曉青[14]利用銀納米線制備了透明復(fù)合膜，其光電、彎曲、加熱性能在車窗應(yīng)用領(lǐng)域效果較佳。學(xué)術(shù)領(lǐng)域內(nèi)研制的發(fā)熱膜多為3層復(fù)合膜，在長期使用時發(fā)熱材料與布料黏結(jié)處易脫落，或者發(fā)熱膜柔性稍差，致使發(fā)熱效果欠佳。

本文制備了4層發(fā)熱厚膜，對其發(fā)熱功率、耐折性及發(fā)熱功率等相關(guān)性能進行測試，并與市場上同類發(fā)熱材料進行了性能對比。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

（1）發(fā)熱膜原材料：聚酰亞胺薄膜、背膠聚酰亞胺薄膜、硅膠、銀漿、鈀漿、樹脂纖維、松油醇、油酸、稀土漿料、硅陶瓷顆粒、黏結(jié)劑、乙酰丙酮銦、錫鉛合金粉、微米氧化錫粉、錫粉、銦粉、氧化鋯球。

（2）功能系統(tǒng)材料：銅端子、單組分硅膠、雙組分硅膠、無紡布、背膠無紡布、電子控制電路、防水開關(guān)、連接線、USB插頭、焊錫、絲網(wǎng)、鋼網(wǎng)。

1.2 儀器及設(shè)備

（1）研發(fā)樣品制作設(shè)備：UBE-V0.2L型德科行星式球磨機、Brookfield HBT型黏度計、SW15-1型研磨機、繃網(wǎng)機、DEK/J12002RS型絲網(wǎng)印刷機、HSG6005-0301型干燥爐、燒結(jié)爐、C-FM-300-18型覆膜機、TY-SB9012型曝光機、覆膜機、F0350EA60型模切機、覆布機、貼片機、T-962A型回流焊機、鉚釘機、激光切割機、點膠機、鋼網(wǎng)機。

（2）測試設(shè)備：LX-5625型電線搖擺測試機、膜厚儀、彎折測試儀、MCH-K305D型直流穩(wěn)壓電源、EV210H0606VCSusb-2型振動測試儀、IDI 6106型耐壓測試儀、YUANFANG PF9808B型數(shù)字功率計、KSON THS-D4C-100型恒溫恒濕試驗箱、NEXUS-670型傅黑葉紅外光譜儀、Tis45型紅外成像儀、MCH-K305D型直流穩(wěn)壓電源、TH101B型溫濕度計、KEYSIGHT34970A型多路溫度巡檢儀、Whirlpool W10095570型水洗洗滌設(shè)備、熱流檢測計。

1.3 厚膜漿料制備

厚膜漿料制備流程見圖1所示。

圖1 厚膜漿料制備流程圖

具體實施步驟如下：

（1）通過行星式球磨機對片式銀粉、片式硅粉、乙酰丙酮銦、錫鉛合金粉、微米氧化錫粉、錫粉、銦粉單獨材質(zhì)的材料，采用直徑為25 mm的研磨鋯球進行研磨加工，粗加工成500微米級的粉體。

（2）隨后使用研磨機，對單獨材質(zhì)的500微米級的粉體進行精加工形成納米級的粉體。加工過程前確保片式銀粉、片式硅粉已經(jīng)轉(zhuǎn)為球體粉體，另外在精細研磨過程中采用直徑為0.2 mm研磨鋯球進行加工，形成顆粒在0.1 μm以下。

（3）材料處方/%

根據(jù)比例進行調(diào)和扎料。將混合好的材料，添加30%的樹脂纖維漿、黏結(jié)劑、揮發(fā)劑，采用黏度計配合轉(zhuǎn)子進行攪拌，達到黏度120～280 Pa·s。

1.4 發(fā)熱厚膜制備

發(fā)熱厚膜制備流程見圖2。

圖2 發(fā)熱厚膜制備流程圖

制備過程如下：

（1）勻料。由于漿料在存放過程中會產(chǎn)生金屬沉淀現(xiàn)象，需要在上料前進行攪拌勻料。使得材料黏度達到設(shè)定值。采用黏度計進行檢測，轉(zhuǎn)子使用10 r/min，（25±1）℃。當(dāng)黏度達到設(shè)定120～280 Pa·s時，勻料結(jié)束。

（2）絲網(wǎng)印刷。不同目數(shù)燒結(jié)形成的產(chǎn)品附著力、耐彎折性能不一樣，選擇40～106 μm（150～350目）之間，其形成的產(chǎn)品性能比較穩(wěn)定。上述（1）試樣經(jīng)過絲網(wǎng)，加壓拓印，使勻料吸附在水平臺上的聚酰亞胺薄膜上。

（3）檢測。產(chǎn)品通過高光燈進行投射，確認印刷工藝是否均勻不透光。

（4）烘干燒結(jié)。通過檢驗的產(chǎn)品經(jīng)過傳送帶進入烘烤線進行烘干和燒結(jié)工序，過程采用100～150℃、10～15 min的烘干條件，再進入高溫?zé)Y(jié)隧道爐進行200～350℃、高溫5～10 min的燒結(jié)，使有機溶劑、黏結(jié)劑充分揮發(fā)。

（5）覆膜。燒結(jié)完成進行通電測試電性能，傳輸至覆膜機進行覆膜，對導(dǎo)電層進行絕緣處理并排出燒結(jié)氣體。

（6）檢測。根據(jù)產(chǎn)品形態(tài)需求，傳輸?shù)經(jīng)_切機上進行沖切加工。

1.5 測試方法

1.5.1 平面功率密度、電阻溫度系數(shù)、耐洗滌等性能測試

（1）平面功率密度測試：環(huán)境溫度為（20±5）℃，采用直流穩(wěn)壓電源作為電源輸出源，確保輸出電壓的穩(wěn)定性。通過記錄直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓U、電流I，由額定功率P=U×I可以記錄當(dāng)前發(fā)熱器件功率。采用游標(biāo)卡尺對發(fā)熱器件的面積S進行測量計算。將記錄下的功率P/面積S,可得出相應(yīng)的功率密度。通過調(diào)節(jié)相同功率密度，采用多路溫度巡檢儀進行測試，記錄相關(guān)升溫速度。

（2）電阻溫度系數(shù)測試：將發(fā)熱膜放置在恒溫恒濕箱，調(diào)節(jié)不同的溫度，保持30 min，調(diào)節(jié)的溫度在25～65℃，每5℃作為一個溫度記錄值，采用高精度電阻計記錄數(shù)據(jù)變化。

（3）耐洗滌測試：將加熱厚膜制成兩個不同規(guī)格的加熱片，分別設(shè)定其常用溫度為標(biāo)定溫度，測試其洗滌前后的溫度。具體方式如下：①水洗前，將發(fā)熱器件通電后使用多路溫度巡檢儀，按照IEC 60335-2-17標(biāo)準(zhǔn)進行溫度測試；②采用水洗洗滌設(shè)備，將產(chǎn)品放入洗衣袋，洗滌模式調(diào)節(jié)至輕柔模式，重復(fù)3次洗滌測試；③水洗徹底晾干后，將發(fā)熱器件通電后使用多路溫度巡檢儀，按照IEC 60335-2-17標(biāo)準(zhǔn)進行溫度測試。

（4）調(diào)節(jié)范圍和溫度偏差測試：在環(huán)境模擬實驗室中調(diào)節(jié)環(huán)境溫度為（20±5）℃。產(chǎn)品在該環(huán)境下放置4 h。按照IEC60335-2-17標(biāo)準(zhǔn)方式測試。將發(fā)熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)為低、中、高三檔進行溫度測定，與設(shè)定溫度值進行對比。

（5）功率測試：在環(huán)境模擬實驗室中調(diào)節(jié)環(huán)境溫度為（20±5）℃。采用直流穩(wěn)壓電源作為電源輸出源，輸出電壓5 V，電流設(shè)定上限值2 A。接入功率計進行功率測定。

1.5.2 高溫高濕性能測試

采用數(shù)字功率計和恒溫恒濕試驗箱儀器。取5個待測發(fā)熱膜樣品，測試其功率和電流，記錄數(shù)據(jù)。然后將5個測試樣品在70℃，95%濕度條件下，放置24 h，在1 min內(nèi)測試其功率和電流，記錄數(shù)據(jù)。

1.5.3 低溫性能測試

采用數(shù)字功率計和恒溫恒濕試驗箱儀器。取5個待測發(fā)熱膜樣品，測試其功率和電流，記錄數(shù)據(jù)。然后將5個測試樣品在-40℃條件下，放置12 h，測試其功率和電流，記錄數(shù)據(jù)。

1.5.4 抗電強度性能測試

取發(fā)熱系統(tǒng)樣品2個，按GB 4943.1—2011《信息技術(shù)設(shè)備安全第1部分：通用要求》中5.2條：抗電強度試驗（DC 5000 V）規(guī)定測試。

1.5.5 耐彎折性能測試

測試溫度22.6℃，濕度56.4%。在環(huán)境溫度25℃下，給發(fā)熱膜通上直流5 V電壓，5 min后，使用熱成像儀觀察發(fā)熱溫度；使用彎折壽命試驗機給發(fā)熱膜折疊10 000次，折疊角度為160°；折疊完畢后，給發(fā)熱膜通上直流5 V電壓，5 min后，使用熱成像儀觀察其發(fā)熱溫度。同步選取同樣規(guī)格碳納米管發(fā)熱材料按照上述要求測試。

1.5.6 靜電放電抗擾度性能測試

依據(jù)GB/T 17626.2—2018《電磁兼容試驗和測量技術(shù)靜電放電抗擾度試驗》、GB/T 17618—2015《信息技術(shù)設(shè)備抗擾度限值和測量方法》標(biāo)準(zhǔn)測試。同步選取同樣規(guī)格碳納米管發(fā)熱材料按照上述要求測試。

1.5.7 防進水試驗：IPX8級測試

防進水試驗：防水等級IPX8級依據(jù)IEC60529:1989+A1：1999+A2:2013《外殼防護等級（國際防護等級代碼）》規(guī)定制作試樣進行測試。

1.5.8 遠紅外性能測試

法向全發(fā)射率和相對輻射能譜（紅外輻射波長范圍）性能測試依據(jù)GB/T 4654—2008《非金屬基體紅外輻射加熱器通用技術(shù)條件》、GB/T 7287—2008《紅外輻射加熱器試驗方法》規(guī)定制作試樣進行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 平面功率密度性能、電阻溫度系數(shù)性能、耐洗滌性能分析

（1）同等平面功率密度下的升溫測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 平面功率密度性能參數(shù)

根據(jù)測試結(jié)果可知，在相同能耗條件下,厚膜發(fā)熱膜的材料升溫速度比其他材料更快。

（2）電阻溫度系數(shù)測試結(jié)果見表2。

表2 電阻溫度系數(shù)性能參數(shù)

經(jīng)計算，25～65℃電阻變化率厚膜為2.45‰，碳纖維、碳納米管和金屬都為2.84‰。測試結(jié)果確認發(fā)熱膜在加熱過程中功率相對穩(wěn)定，發(fā)熱速度能夠保持一定的穩(wěn)定性，其中變化率越低，在不同溫度下升溫的速度越穩(wěn)定。由測試結(jié)果可見，厚膜發(fā)熱膜的材料能夠達到更加穩(wěn)定的狀態(tài)。

（3）洗滌性能測試結(jié)果見表3。

表3 洗滌性能參數(shù)

由表3可見，洗滌后測試溫度在允差范圍內(nèi)，這說明制備的加熱厚膜制成不同規(guī)格，經(jīng)過洗滌后仍能正常工作。測試前后樣品見圖3。

圖3 測試前后樣品圖

（4）調(diào)節(jié)溫度和溫度偏差測試

調(diào)節(jié)溫度和溫度偏差符合設(shè)定要求，設(shè)定低檔溫度40℃、中檔55℃、高檔65℃。發(fā)熱表面的實際測試結(jié)果為低檔41℃、中檔55.6℃、高檔65.1℃。實際測試溫度與設(shè)定溫度的偏差在1℃以內(nèi)。

（5）功率穩(wěn)定性測試

參照GB 4706.8—2008要求，功率正偏差≤20%。輸入電壓5.0 V，功率穩(wěn)定性測試結(jié)果實測功率為6.2 W，與額定功率7.0W的偏差為-11.4%。實際測量值在額定功率偏差值范圍內(nèi)。

2.2 高溫高濕性能分析

高溫高濕性能參數(shù)測試前后樣品見圖4，測試結(jié)果見表4。

表4 高溫高濕性能參數(shù)

圖4 測試前后樣品圖

通過數(shù)據(jù)分析可知，在同樣環(huán)境條件下，對加熱系統(tǒng)施加不同電壓，發(fā)熱系統(tǒng)可正常工作。發(fā)熱系統(tǒng)在高溫條件與日常條件下測試數(shù)據(jù)基本接近，這表明發(fā)熱系統(tǒng)在高溫下仍能保持正常工作，具有耐高溫性能，基本實現(xiàn)精準(zhǔn)控溫。

2.3 低溫性能分析

低溫性能參數(shù)測試前后樣品見圖5，測試結(jié)果見表5。通過數(shù)據(jù)分析可知，在同樣環(huán)境條件下，對發(fā)熱系統(tǒng)施加不同電壓，發(fā)熱系統(tǒng)可正常工作。發(fā)熱系統(tǒng)在-40℃低溫條件與日常條件下測試數(shù)據(jù)基本接近，這表明發(fā)熱系統(tǒng)在低溫下仍能保持正常工作，基本實現(xiàn)精準(zhǔn)控溫。

圖5 測試前后樣品圖

表5 低溫性能參數(shù)

2.4 抗電強度性能分析

低溫性能參數(shù)測試前中樣品見圖6。發(fā)熱系統(tǒng)的一般要求和試驗程序滿足測試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗電強度。圖4中虛線框部位銅端與發(fā)熱膜之間每分鐘施加5 000 V電壓時，該部位未被擊穿。這說明該加熱系統(tǒng)耐壓絕緣性較好，無懼靜電安全風(fēng)險。

圖6 測試前中樣品圖

2.5 耐彎折性能分析

耐彎折性能參數(shù)測試前后樣品見圖7，測試結(jié)果見表6。通過分析可知，給發(fā)熱膜通直流5 V電壓，發(fā)熱膜折疊前熱成像溫度為56.7℃，發(fā)熱厚膜折疊10萬次后，折疊角度為160°，再給發(fā)熱膜通上直流5 V電壓，5 min后，發(fā)熱厚膜熱成像溫度為60.4℃，這說明發(fā)熱厚膜折疊后仍能正常工作，表明該系統(tǒng)具有耐折性。

圖7 測試前中樣品圖

表6 耐彎折性能參數(shù)

另外，本文選取與該系統(tǒng)同規(guī)格碳納米管發(fā)熱材料（標(biāo)定溫度均為65℃）作對比試驗。采用恒壓電源5 V，在有效發(fā)熱面積中對折2次測試其對應(yīng)溫度，測試樣品及結(jié)果見圖8所示。

圖8 測試樣品及結(jié)果圖

結(jié)果表明，本系統(tǒng)耐折試驗后實際溫度為64.5℃，與標(biāo)定溫度差異-0.5℃，而同規(guī)格碳納米管發(fā)熱材料耐折試驗后實際溫度為76.5℃，與標(biāo)定溫度差異11.5℃，再次驗證本系統(tǒng)進過折疊試驗后工作穩(wěn)定，能精準(zhǔn)控溫。

2.6 靜電放電抗擾度性能分析

低溫性能參數(shù)測試中樣品見圖9，測試結(jié)果見表7。通過測試結(jié)果可知，依據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)判定為合格。這說明該系統(tǒng)在8 kV空氣放電試驗環(huán)境下的各項性能指標(biāo)處于正常工作階段，仍能有效避免靜電沖擊，加熱系統(tǒng)在高電壓條件下沒有失靈和異常反應(yīng)，處于正常穩(wěn)定工作狀態(tài)。

圖9 測試中樣品圖

表7 靜電放電抗擾度性能參數(shù)

2.7 防進水試驗

防進水性能參數(shù)依據(jù)1.5.4規(guī)定進行測試，依據(jù)軍標(biāo)規(guī)定指標(biāo)進行評判。防進水測試技術(shù)依據(jù)IEC60529：1989+A1：1999+A2：2013技術(shù)要求，防進水試驗結(jié)果達到IPX8級，其表示電器無限期沉沒在水壓下，可確保不因浸水而造成損壞。

2.8 遠紅外性能分析

法向全發(fā)射率測試結(jié)果為0.88，符合標(biāo)準(zhǔn)≥0.83的要求。相對輻射能譜曲線測試結(jié)果見圖10。結(jié)果顯示，本系統(tǒng)在加熱過程中，發(fā)射出遠紅外波長8～12 μm，在人體特定波長范圍內(nèi)，這表明該系統(tǒng)具有發(fā)射遠紅外能力，具有遠紅外理療功能效果。

3 結(jié)論

（1）本文制備的柔性發(fā)熱厚膜在同樣能耗的情況下升溫速度比其他材料更快。

（2）發(fā)熱厚膜在加熱過程中功率相對穩(wěn)定，發(fā)熱速度能夠保持一定的穩(wěn)定性，其中變化率越低，在不同溫度下升溫的速度越穩(wěn)定。測試結(jié)果表明，厚膜發(fā)熱膜的材料能夠達到更加穩(wěn)定的狀態(tài)。

（3）柔性發(fā)熱厚膜具有較好的耐折性能、耐洗性能和安全性能，能實現(xiàn)精準(zhǔn)溫控。