柔性发热厚膜的制备及其表征

赵艳娇，葛爱雄，冯嘉俊

1.际华集团股份有限公司系统工程中心，北京 100160；2.新兴际华（北京）材料技术研究院有限公司，北京 100000；3.广东天物新材料科技有限公司，广东广州511400

0 前言

发热膜主要是由导体浆料、树脂浆料、黏结剂和绝缘载体材料配合结合基板组成[1-3]，其具有面状方式发热、使用寿命长、耐腐蚀性、适用范围广等优异特性[4-8]。电发热膜按温度分高温电热膜（＞900℃）、中温电热膜（250～900℃）和低温电热膜（＜250℃）[5-8]。按发热产生机理可分为涡流加热、微波振荡加热和电阻加热[9-10]，发热膜属于电阻加热。按材料可以分为金属基和非金属基材料电热膜[11-12]。其中金属基主要以导电性能优的银、铜、钯金、镍、铬等材料为主，非金属基主要以碳、硅等材料为主。市场常见的电发热材料有镍/铬金属、碳纤维、碳油墨、碳纳米管等材料，这些材料制品一般存在发热不均匀、发热性能不稳定、耗能大等问题。升温快、加热均匀、安全可靠的发热膜成为了各领域攻研热点。东华大学裘凯莉[13]采用PAN聚合物掺杂远红外颗粒静电纺丝成膜，再与涤纶织物复合成远红外发热织物，应用于生物医用、智能可穿戴等领域。石晓青[14]利用银纳米线制备了透明复合膜，其光电、弯曲、加热性能在车窗应用领域效果较佳。学术领域内研制的发热膜多为3层复合膜，在长期使用时发热材料与布料黏结处易脱落，或者发热膜柔性稍差，致使发热效果欠佳。

本文制备了4层发热厚膜，对其发热功率、耐折性及发热功率等相关性能进行测试，并与市场上同类发热材料进行了性能对比。

1 试验部分

1.1 试验材料

（1）发热膜原材料：聚酰亚胺薄膜、背胶聚酰亚胺薄膜、硅胶、银浆、钯浆、树脂纤维、松油醇、油酸、稀土浆料、硅陶瓷颗粒、黏结剂、乙酰丙酮铟、锡铅合金粉、微米氧化锡粉、锡粉、铟粉、氧化锆球。

（2）功能系统材料：铜端子、单组分硅胶、双组分硅胶、无纺布、背胶无纺布、电子控制电路、防水开关、连接线、USB插头、焊锡、丝网、钢网。

1.2 仪器及设备

（1）研发样品制作设备：UBE-V0.2L型德科行星式球磨机、Brookfield HBT型黏度计、SW15-1型研磨机、绷网机、DEK/J12002RS型丝网印刷机、HSG6005-0301型干燥炉、烧结炉、C-FM-300-18型覆膜机、TY-SB9012型曝光机、覆膜机、F0350EA60型模切机、覆布机、贴片机、T-962A型回流焊机、铆钉机、激光切割机、点胶机、钢网机。

（2）测试设备：LX-5625型电线摇摆测试机、膜厚仪、弯折测试仪、MCH-K305D型直流稳压电源、EV210H0606VCSusb-2型振动测试仪、IDI 6106型耐压测试仪、YUANFANG PF9808B型数字功率计、KSON THS-D4C-100型恒温恒湿试验箱、NEXUS-670型傅黑叶红外光谱仪、Tis45型红外成像仪、MCH-K305D型直流稳压电源、TH101B型温湿度计、KEYSIGHT34970A型多路温度巡检仪、Whirlpool W10095570型水洗洗涤设备、热流检测计。

1.3 厚膜浆料制备

厚膜浆料制备流程见图1所示。

图1 厚膜浆料制备流程图

具体实施步骤如下：

（1）通过行星式球磨机对片式银粉、片式硅粉、乙酰丙酮铟、锡铅合金粉、微米氧化锡粉、锡粉、铟粉单独材质的材料，采用直径为25 mm的研磨锆球进行研磨加工，粗加工成500微米级的粉体。

（2）随后使用研磨机，对单独材质的500微米级的粉体进行精加工形成纳米级的粉体。加工过程前确保片式银粉、片式硅粉已经转为球体粉体，另外在精细研磨过程中采用直径为0.2 mm研磨锆球进行加工，形成颗粒在0.1 μm以下。

（3）材料处方/%

根据比例进行调和扎料。将混合好的材料，添加30%的树脂纤维浆、黏结剂、挥发剂，采用黏度计配合转子进行搅拌，达到黏度120～280 Pa·s。

1.4 发热厚膜制备

发热厚膜制备流程见图2。

图2 发热厚膜制备流程图

制备过程如下：

（1）匀料。由于浆料在存放过程中会产生金属沉淀现象，需要在上料前进行搅拌匀料。使得材料黏度达到设定值。采用黏度计进行检测，转子使用10 r/min，（25±1）℃。当黏度达到设定120～280 Pa·s时，匀料结束。

（2）丝网印刷。不同目数烧结形成的产品附着力、耐弯折性能不一样，选择40～106 μm（150～350目）之间，其形成的产品性能比较稳定。上述（1）试样经过丝网，加压拓印，使匀料吸附在水平台上的聚酰亚胺薄膜上。

（3）检测。产品通过高光灯进行投射，确认印刷工艺是否均匀不透光。

（4）烘干烧结。通过检验的产品经过传送带进入烘烤线进行烘干和烧结工序，过程采用100～150℃、10～15 min的烘干条件，再进入高温烧结隧道炉进行200～350℃、高温5～10 min的烧结，使有机溶剂、黏结剂充分挥发。

（5）覆膜。烧结完成进行通电测试电性能，传输至覆膜机进行覆膜，对导电层进行绝缘处理并排出烧结气体。

（6）检测。根据产品形态需求，传输到冲切机上进行冲切加工。

1.5 测试方法

1.5.1 平面功率密度、电阻温度系数、耐洗涤等性能测试

（1）平面功率密度测试：环境温度为（20±5）℃，采用直流稳压电源作为电源输出源，确保输出电压的稳定性。通过记录直流稳压电源的输出电压U、电流I，由额定功率P=U×I可以记录当前发热器件功率。采用游标卡尺对发热器件的面积S进行测量计算。将记录下的功率P/面积S,可得出相应的功率密度。通过调节相同功率密度，采用多路温度巡检仪进行测试，记录相关升温速度。

（2）电阻温度系数测试：将发热膜放置在恒温恒湿箱，调节不同的温度，保持30 min，调节的温度在25～65℃，每5℃作为一个温度记录值，采用高精度电阻计记录数据变化。

（3）耐洗涤测试：将加热厚膜制成两个不同规格的加热片，分别设定其常用温度为标定温度，测试其洗涤前后的温度。具体方式如下：①水洗前，将发热器件通电后使用多路温度巡检仪，按照IEC 60335-2-17标准进行温度测试；②采用水洗洗涤设备，将产品放入洗衣袋，洗涤模式调节至轻柔模式，重复3次洗涤测试；③水洗彻底晾干后，将发热器件通电后使用多路温度巡检仪，按照IEC 60335-2-17标准进行温度测试。

（4）调节范围和温度偏差测试：在环境模拟实验室中调节环境温度为（20±5）℃。产品在该环境下放置4 h。按照IEC60335-2-17标准方式测试。将发热系统调节为低、中、高三档进行温度测定，与设定温度值进行对比。

（5）功率测试：在环境模拟实验室中调节环境温度为（20±5）℃。采用直流稳压电源作为电源输出源，输出电压5 V，电流设定上限值2 A。接入功率计进行功率测定。

1.5.2 高温高湿性能测试

采用数字功率计和恒温恒湿试验箱仪器。取5个待测发热膜样品，测试其功率和电流，记录数据。然后将5个测试样品在70℃，95%湿度条件下，放置24 h，在1 min内测试其功率和电流，记录数据。

1.5.3 低温性能测试

采用数字功率计和恒温恒湿试验箱仪器。取5个待测发热膜样品，测试其功率和电流，记录数据。然后将5个测试样品在-40℃条件下，放置12 h，测试其功率和电流，记录数据。

1.5.4 抗电强度性能测试

取发热系统样品2个，按GB 4943.1—2011《信息技术设备安全第1部分：通用要求》中5.2条：抗电强度试验（DC 5000 V）规定测试。

1.5.5 耐弯折性能测试

测试温度22.6℃，湿度56.4%。在环境温度25℃下，给发热膜通上直流5 V电压，5 min后，使用热成像仪观察发热温度；使用弯折寿命试验机给发热膜折叠10 000次，折叠角度为160°；折叠完毕后，给发热膜通上直流5 V电压，5 min后，使用热成像仪观察其发热温度。同步选取同样规格碳纳米管发热材料按照上述要求测试。

1.5.6 静电放电抗扰度性能测试

依据GB/T 17626.2—2018《电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验》、GB/T 17618—2015《信息技术设备抗扰度限值和测量方法》标准测试。同步选取同样规格碳纳米管发热材料按照上述要求测试。

1.5.7 防进水试验：IPX8级测试

防进水试验：防水等级IPX8级依据IEC60529:1989+A1：1999+A2:2013《外壳防护等级（国际防护等级代码）》规定制作试样进行测试。

1.5.8 远红外性能测试

法向全发射率和相对辐射能谱（红外辐射波长范围）性能测试依据GB/T 4654—2008《非金属基体红外辐射加热器通用技术条件》、GB/T 7287—2008《红外辐射加热器试验方法》规定制作试样进行测试。

2 结果与讨论

2.1 平面功率密度性能、电阻温度系数性能、耐洗涤性能分析

（1）同等平面功率密度下的升温测试数据见表1。

表1 平面功率密度性能参数

根据测试结果可知，在相同能耗条件下,厚膜发热膜的材料升温速度比其他材料更快。

（2）电阻温度系数测试结果见表2。

表2 电阻温度系数性能参数

经计算，25～65℃电阻变化率厚膜为2.45‰，碳纤维、碳纳米管和金属都为2.84‰。测试结果确认发热膜在加热过程中功率相对稳定，发热速度能够保持一定的稳定性，其中变化率越低，在不同温度下升温的速度越稳定。由测试结果可见，厚膜发热膜的材料能够达到更加稳定的状态。

（3）洗涤性能测试结果见表3。

表3 洗涤性能参数

由表3可见，洗涤后测试温度在允差范围内，这说明制备的加热厚膜制成不同规格，经过洗涤后仍能正常工作。测试前后样品见图3。

图3 测试前后样品图

（4）调节温度和温度偏差测试

调节温度和温度偏差符合设定要求，设定低档温度40℃、中档55℃、高档65℃。发热表面的实际测试结果为低档41℃、中档55.6℃、高档65.1℃。实际测试温度与设定温度的偏差在1℃以内。

（5）功率稳定性测试

参照GB 4706.8—2008要求，功率正偏差≤20%。输入电压5.0 V，功率稳定性测试结果实测功率为6.2 W，与额定功率7.0W的偏差为-11.4%。实际测量值在额定功率偏差值范围内。

2.2 高温高湿性能分析

高温高湿性能参数测试前后样品见图4，测试结果见表4。

表4 高温高湿性能参数

图4 测试前后样品图

通过数据分析可知，在同样环境条件下，对加热系统施加不同电压，发热系统可正常工作。发热系统在高温条件与日常条件下测试数据基本接近，这表明发热系统在高温下仍能保持正常工作，具有耐高温性能，基本实现精准控温。

2.3 低温性能分析

低温性能参数测试前后样品见图5，测试结果见表5。通过数据分析可知，在同样环境条件下，对发热系统施加不同电压，发热系统可正常工作。发热系统在-40℃低温条件与日常条件下测试数据基本接近，这表明发热系统在低温下仍能保持正常工作，基本实现精准控温。

图5 测试前后样品图

表5 低温性能参数

2.4 抗电强度性能分析

低温性能参数测试前中样品见图6。发热系统的一般要求和试验程序满足测试标准规定的抗电强度。图4中虚线框部位铜端与发热膜之间每分钟施加5 000 V电压时，该部位未被击穿。这说明该加热系统耐压绝缘性较好，无惧静电安全风险。

图6 测试前中样品图

2.5 耐弯折性能分析

耐弯折性能参数测试前后样品见图7，测试结果见表6。通过分析可知，给发热膜通直流5 V电压，发热膜折叠前热成像温度为56.7℃，发热厚膜折叠10万次后，折叠角度为160°，再给发热膜通上直流5 V电压，5 min后，发热厚膜热成像温度为60.4℃，这说明发热厚膜折叠后仍能正常工作，表明该系统具有耐折性。

图7 测试前中样品图

表6 耐弯折性能参数

另外，本文选取与该系统同规格碳纳米管发热材料（标定温度均为65℃）作对比试验。采用恒压电源5 V，在有效发热面积中对折2次测试其对应温度，测试样品及结果见图8所示。

图8 测试样品及结果图

结果表明，本系统耐折试验后实际温度为64.5℃，与标定温度差异-0.5℃，而同规格碳纳米管发热材料耐折试验后实际温度为76.5℃，与标定温度差异11.5℃，再次验证本系统进过折叠试验后工作稳定，能精准控温。

2.6 静电放电抗扰度性能分析

低温性能参数测试中样品见图9，测试结果见表7。通过测试结果可知，依据测试标准判定为合格。这说明该系统在8 kV空气放电试验环境下的各项性能指标处于正常工作阶段，仍能有效避免静电冲击，加热系统在高电压条件下没有失灵和异常反应，处于正常稳定工作状态。

图9 测试中样品图

表7 静电放电抗扰度性能参数

2.7 防进水试验

防进水性能参数依据1.5.4规定进行测试，依据军标规定指标进行评判。防进水测试技术依据IEC60529：1989+A1：1999+A2：2013技术要求，防进水试验结果达到IPX8级，其表示电器无限期沉没在水压下，可确保不因浸水而造成损坏。

2.8 远红外性能分析

法向全发射率测试结果为0.88，符合标准≥0.83的要求。相对辐射能谱曲线测试结果见图10。结果显示，本系统在加热过程中，发射出远红外波长8～12 μm，在人体特定波长范围内，这表明该系统具有发射远红外能力，具有远红外理疗功能效果。

3 结论

（1）本文制备的柔性发热厚膜在同样能耗的情况下升温速度比其他材料更快。

（2）发热厚膜在加热过程中功率相对稳定，发热速度能够保持一定的稳定性，其中变化率越低，在不同温度下升温的速度越稳定。测试结果表明，厚膜发热膜的材料能够达到更加稳定的状态。

（3）柔性发热厚膜具有较好的耐折性能、耐洗性能和安全性能，能实现精准温控。