柔性發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工程中心，北京 100160；2.新興際華（北京）材料技術研究院有限公司，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

發熱膜主要是由導體漿料、樹脂漿料、黏結劑和絕緣載體材料配合結合基板組成[1-3]，其具有面狀方式發熱、使用壽命長、耐腐蝕性、適用范圍廣等優異特性[4-8]。電發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]。按發熱產生機理可分為渦流加熱、微波振蕩加熱和電阻加熱[9-10]，發熱膜屬于電阻加熱。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電性能優的銀、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熱不均勻、發熱性能不穩定、耗能大等問題。升溫快、加熱均勻、安全可靠的發熱膜成為了各領域攻研熱點。東華大學裘凱莉[13]采用PAN聚合物摻雜遠紅外顆粒靜電紡絲成膜，再與滌綸織物復合成遠紅外發熱織物，應用于生物醫用、智能可穿戴等領域。石曉青[14]利用銀納米線制備了透明復合膜，其光電、彎曲、加熱性能在車窗應用領域效果較佳。學術領域內研制的發熱膜多為3層復合膜，在長期使用時發熱材料與布料黏結處易脫落，或者發熱膜柔性稍差，致使發熱效果欠佳。

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

1 試驗部分

1.1 試驗材料

（1）發熱膜原材料：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、連接線、USB插頭、焊錫、絲網、鋼網。

1.2 儀器及設備

（1）研發樣品制作設備：UBE-V0.2L型德科行星式球磨機、Brookfield HBT型黏度計、SW15-1型研磨機、繃網機、DEK/J12002RS型絲網印刷機、HSG6005-0301型干燥爐、燒結爐、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、鋼網機。

（2）測試設備：LX-5625型電線搖擺測試機、膜厚儀、彎折測試儀、MCH-K305D型直流穩壓電源、EV210H0606VCSusb-2型振動測試儀、IDI 6106型耐壓測試儀、YUANFANG PF9808B型數字功率計、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、片式硅粉已經轉為球體粉體，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/%

根據比例進行調和扎料。將混合好的材料，添加30%的樹脂纖維漿、黏結劑、揮發劑，采用黏度計配合轉子進行攪拌，達到黏度120～280 Pa·s。

1.4 發熱厚膜制備

發熱厚膜制備流程見圖2。

圖2 發熱厚膜制備流程圖

制備過程如下：

（1）勻料。由于漿料在存放過程中會產生金屬沉淀現象，需要在上料前進行攪拌勻料。使得材料黏度達到設定值。采用黏度計進行檢測，轉子使用10 r/min，（25±1）℃。當黏度達到設定120～280 Pa·s時，勻料結束。

（2）絲網印刷。不同目數燒結形成的產品附著力、耐彎折性能不一樣，選擇40～106 μm（150～350目）之間，其形成的產品性能比較穩定。上述（1）試樣經過絲網，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。通過檢驗的產品經過傳送帶進入烘烤線進行烘干和燒結工序，過程采用100～150℃、10～15 min的烘干條件，再進入高溫燒結隧道爐進行200～350℃、高溫5～10 min的燒結，使有機溶劑、黏結劑充分揮發。

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

（6）檢測。根據產品形態需求，傳輸到沖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、耐洗滌等性能測試

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

（2）電阻溫度系數測試：將發熱膜放置在恒溫恒濕箱，調節不同的溫度，保持30 min，調節的溫度在25～65℃，每5℃作為一個溫度記錄值，采用高精度電阻計記錄數據變化。

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

（4）調節范圍和溫度偏差測試：在環境模擬實驗室中調節環境溫度為（20±5）℃。產品在該環境下放置4 h。按照IEC60335-2-17標準方式測試。將發熱系統調節為低、中、高三檔進行溫度測定，與設定溫度值進行對比。

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

1.5.2 高溫高濕性能測試

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

1.5.3 低溫性能測試

采用數字功率計和恒溫恒濕試驗箱儀器。取5個待測發熱膜樣品，測試其功率和電流，記錄數據。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，記錄數據。

1.5.4 抗電強度性能測試

取發熱系統樣品2個，按GB 4943.1—2011《信息技術設備安全第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%。在環境溫度25℃下，給發熱膜通上直流5 V電壓，5 min后，使用熱成像儀觀察發熱溫度；使用彎折壽命試驗機給發熱膜折疊10 000次，折疊角度為160°；折疊完畢后，給發熱膜通上直流5 V電壓，5 min后，使用熱成像儀觀察其發熱溫度。同步選取同樣規格碳納米管發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GB/T 17626.2—2018《電磁兼容試驗和測量技術靜電放電抗擾度試驗》、GB/T 17618—2015《信息技術設備抗擾度限值和測量方法》標準測試。同步選取同樣規格碳納米管發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IEC60529:1989+A1：1999+A2:2013《外殼防護等級（國際防護等級代碼）》規定制作試樣進行測試。

1.5.8 遠紅外性能測試

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

2 結果與討論

2.1 平面功率密度性能、電阻溫度系數性能、耐洗滌性能分析

（1）同等平面功率密度下的升溫測試數據見表1。

表1 平面功率密度性能參數

根據測試結果可知，在相同能耗條件下,厚膜發熱膜的材料升溫速度比其他材料更快。

（2）電阻溫度系數測試結果見表2。

表2 電阻溫度系數性能參數

經計算，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‰。測試結果確認發熱膜在加熱過程中功率相對穩定，發熱速度能夠保持一定的穩定性，其中變化率越低，在不同溫度下升溫的速度越穩定。由測試結果可見，厚膜發熱膜的材料能夠達到更加穩定的狀態。

（3）洗滌性能測試結果見表3。

表3 洗滌性能參數

由表3可見，洗滌后測試溫度在允差范圍內，這說明制備的加熱厚膜制成不同規格，經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）調節溫度和溫度偏差測試

調節溫度和溫度偏差符合設定要求，設定低檔溫度40℃、中檔55℃、高檔65℃。發熱表面的實際測試結果為低檔41℃、中檔55.6℃、高檔65.1℃。實際測試溫度與設定溫度的偏差在1℃以內。

（5）功率穩定性測試

參照GB 4706.8—2008要求，功率正偏差≤20%。輸入電壓5.0 V，功率穩定性測試結果實測功率為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。

2.2 高溫高濕性能分析

高溫高濕性能參數測試前后樣品見圖4，測試結果見表4。

表4 高溫高濕性能參數

圖4 測試前后樣品圖

通過數據分析可知，在同樣環境條件下，對加熱系統施加不同電壓，發熱系統可正常工作。發熱系統在高溫條件與日常條件下測試數據基本接近，這表明發熱系統在高溫下仍能保持正常工作，具有耐高溫性能，基本實現精準控溫。

2.3 低溫性能分析

低溫性能參數測試前后樣品見圖5，測試結果見表5。通過數據分析可知，在同樣環境條件下，對發熱系統施加不同電壓，發熱系統可正常工作。發熱系統在-40℃低溫條件與日常條件下測試數據基本接近，這表明發熱系統在低溫下仍能保持正常工作，基本實現精準控溫。

圖5 測試前后樣品圖

表5 低溫性能參數

2.4 抗電強度性能分析

低溫性能參數測試前中樣品見圖6。發熱系統的一般要求和試驗程序滿足測試標準規定的抗電強度。圖4中虛線框部位銅端與發熱膜之間每分鐘施加5 000 V電壓時，該部位未被擊穿。這說明該加熱系統耐壓絕緣性較好，無懼靜電安全風險。

圖6 測試前中樣品圖

2.5 耐彎折性能分析

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

圖7 測試前中樣品圖

表6 耐彎折性能參數

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

圖8 測試樣品及結果圖

結果表明，本系統耐折試驗后實際溫度為64.5℃，與標定溫度差異-0.5℃，而同規格碳納米管發熱材料耐折試驗后實際溫度為76.5℃，與標定溫度差異11.5℃，再次驗證本系統進過折疊試驗后工作穩定，能精準控溫。

2.6 靜電放電抗擾度性能分析

低溫性能參數測試中樣品見圖9，測試結果見表7。通過測試結果可知，依據測試標準判定為合格。這說明該系統在8 kV空氣放電試驗環境下的各項性能指標處于正常工作階段，仍能有效避免靜電沖擊，加熱系統在高電壓條件下沒有失靈和異常反應，處于正常穩定工作狀態。

圖9 測試中樣品圖

表7 靜電放電抗擾度性能參數

2.7 防進水試驗

防進水性能參數依據1.5.4規定進行測試，依據軍標規定指標進行評判。防進水測試技術依據IEC60529：1989+A1：1999+A2：2013技術要求，防進水試驗結果達到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

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

3 結論

（1）本文制備的柔性發熱厚膜在同樣能耗的情況下升溫速度比其他材料更快。

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

（3）柔性發熱厚膜具有較好的耐折性能、耐洗性能和安全性能，能實現精準溫控。