[发明专利]一种具有PTC效应的电热膜及其制备方法

说明书

本发明属于电热材料技术领域，涉及一种具有PTC效应的电热膜及其制备方法。该方法：首先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。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，聚氨酯为电热膜支撑材料。本发明中由于支撑材料无须提供体积膨胀效果，因此可以选择热膨胀系数小尺寸稳定性好的聚氨酯，成品具有更好的PTC效应和尺寸稳定性。

技术领域

本发明属于电热材料技术领域，涉及一种具有PTC效应的电热膜及其制备方法，具体而言是一种以碳纤维短纤为导电填料、以高分子为支撑材料制备电热膜的技术和方法。本发明用于制备通电发热且可自限温的高分子电热膜，用于代替传统的不能自限温的高分子电热膜。

背景技术

具有PTC(Positive Temperature Coefficient)效应的材料指的是一类具有正温度系数的热敏电阻材料，其主要特点是当材料的温度升高到某个温度后，材料的电阻率会迅速增加，由导体变为不良导体甚至绝缘体。正是因为这一特点，具有PTC效应的材料经常被用于设计和制备在通电加热的条件下可以自限温的电热材料。

高分子材料电热膜一般以炭黑、碳纤维、石墨烯或者金属等导电粒子作为导电填料，以热稳定性好的高分子材料作为支撑材料制备而成。电热膜在通电的情况下持续发热，如果局部有覆盖物，容易导致热量积累和局部温度过高。目前要实现高分子电热膜的限温，采用的方法主要有两类。一类方法是采用温度传感器测量温度，当达到某一温度后继电器断电。这种方法的缺点在于高度依赖于温度传感器的放置位置和测量准确性，而且容易由于某个局部过热导致整个电热膜都断电。第二类方法即具有 PTC效应的电热膜。这种电热膜，如果某个局部温度过高，那么这个局部就会由于 PTC效应使得电阻增加和发热功率自动降低，达到局部自限温的目的。

在第二类高分子基导电发热材料中PTC效应的实现主要是依赖高分子支撑体的热膨胀率：在导电加热过程中，电热膜的高分子支撑体因为温度升高导致体积膨胀，使得原来互相接触的导电填料由于支撑体的膨胀而分开，从而由导电通路变为不导电通路，导致电热膜的发热功率下降和温度下降，实现自限温目的(沈烈等，体积膨胀的稀释作用对聚合物基导电复合材料PTC效应的影响，复合材料学报，2001年18卷 3期，P34-37)。这也是目前被广泛采用的技术。

这类技术中，电热膜PTC效应的实现高度依赖于高分子基体的热膨胀所产生的稀释效应。这类技术的缺陷在于：高分子作为电热膜的支撑材料，需要有较好的力学性能和尺寸稳定性，而实现PTC效应又依赖于支撑体在受热后的体积膨胀，需要高分子支撑体同时提供热膨胀能力和体系的力学性能及尺寸稳定性能力，这在实际使用中很难兼顾。一般体积热膨胀率大的材料，力学性能和耐热性就差，电热膜的热稳定性差以及成膜性也比较差；而力学性能和成膜性较好的材料，其体积热膨胀率就较小，甚至难以实现PTC效应。如常见的电热橡胶和电热尼龙，前者以橡胶为基体，具有较好的热膨胀性能，能有效实现PTC效应，但力学性能以及尺寸稳定性就较差；后者以尼龙为基体，力学性能和尺寸稳定性优越，但体积热膨胀率很小，只能实现导电发热，无法实现PTC效应和自限温。

本发明提供了一种基于碳纤维短纤和双组分高分子材料制备具有PTC效应电热膜的方法。在本发明中，经过表面处理的碳纤维短纤充当导电填料。双组分高分子材料中，一个组分的热膨胀系数高，提供体积膨胀和实现PTC效应的能力，碳纤维短纤主要分布在该组分中；而另外一个组分则作为支撑材料，提供力学性能和尺寸稳定性。本发明中使用双组分高分子材料的结合，可有效解决现有技术中单一高分子材料难以兼顾体积热膨胀能力和支撑能力的问题。

发明内容