專利名稱：一種基于石墨烯的透明電加熱薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電加熱薄膜及其制備方法，尤其是一種基于石墨烯的透明電加熱薄膜及其制備方法，屬于電加熱薄膜的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，風(fēng)擋玻璃進行電加熱除霜的使用方式有三種，分別為1、如現(xiàn)在比較常用的汽車后擋風(fēng)玻璃除霜是在玻璃的內(nèi)表面印制厚膜電阻絲，該電阻絲不是透明的，所以不能整塊印刷，只能制作成欄柵狀，通過多根電阻絲分塊對風(fēng)擋玻璃進行加熱，升溫慢且不均勻，而且電阻絲很容易被掛斷，造成局部不工作的現(xiàn)象，該電加熱膜由于不透明不能使用與前擋風(fēng)玻璃上；2、如公告號為CN2104776U，名稱為“透明電熱膜除霜擋風(fēng)玻璃”的實用新型專利中采用的是將電熱膜夾在兩層玻璃中間的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的缺陷在于兩層玻璃之間容易進入灰塵，無法進行清理，長期使用會影響駕駛員的視線，而且比較厚重更換成本高；3、如 專利號為ZL200720013801. 7，名稱為“汽車風(fēng)擋玻璃電熱防霜膜”的實用新型專利中涉及一種無色透明的電熱膜和恒溫器；無色透明的電熱膜是電熱涂料的噴涂膜，電極和恒溫器用導(dǎo)電耐熱膠固定在電熱膜上，透明導(dǎo)電涂料為“TWU-1”牌號涂料，該導(dǎo)電涂料是通過在水中分散ATO (銻摻雜二氧化錫)而制成的；將其涂到合成樹脂薄膜上，形成具有防靜電、防止吸附粉塵功能的透明導(dǎo)電膜，但是該材料耐酸堿性差，脆性大，而且ITO和ATO涂料價格昂貴，成本太高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種基于石墨烯的透明電加熱薄膜及其制備方法，其結(jié)構(gòu)簡單緊湊，透明度高，柔韌性好，成本低，適應(yīng)范圍廣，穩(wěn)定可靠。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述基于石墨烯的透明電加熱薄膜，包括透明柔性襯底，所述透明柔性襯底上設(shè)置石墨烯膜，所述石墨烯膜上設(shè)有導(dǎo)電連接網(wǎng)膜，所述導(dǎo)電連接網(wǎng)膜上設(shè)有電極，所述電極與導(dǎo)電連接網(wǎng)膜及石墨烯膜電連接；電極上設(shè)置防護層，所述防護層覆蓋在電極上，并覆蓋在石墨烯膜及導(dǎo)電連接網(wǎng)膜上。所述透明柔性襯底的材料包括PET膜。所述導(dǎo)電連接網(wǎng)膜的材料包括鋁或銀。所述導(dǎo)電連接網(wǎng)膜的線徑小于5 μ m。所述透明柔性襯底上設(shè)有粘結(jié)劑膜，石墨烯膜通過粘結(jié)劑膜設(shè)置在透明柔性襯底上。一種基于石墨烯的透明電加熱薄膜的制備方法，所述透明電加熱薄膜的制備方法包括如下步驟
a、提供透明柔性襯底，并在所述透明柔性襯底上涂覆粘結(jié)劑膜；
b、制備石墨烯膜，并將所述石墨烯膜轉(zhuǎn)移到透明柔性襯底上，石墨烯膜通過粘結(jié)劑膜與透明柔性襯底連接；
C、在上述石墨烯膜上印刷導(dǎo)電連接網(wǎng)膜；
d、在上述石墨烯膜及導(dǎo)電連接網(wǎng)膜上印刷電極，所述電極與石墨烯膜及導(dǎo)電連接網(wǎng)膜電連接；
e、在上述電極上印刷防護層，所述防護層覆蓋在電極上，并覆蓋在石墨烯膜及導(dǎo)電連接網(wǎng)膜上。所述步驟a中，在透明柔性襯底的印刷面上進行電暈處理或化學(xué)腐蝕磨砂處理，粘結(jié)劑膜涂覆在透明柔性襯底的印刷面上。所述步驟d中，通過卷對卷噴墨印刷或卷對卷絲網(wǎng)印刷制備電極，所述電極的材料包括銀。所述步驟b，包括如下步驟
bl、提供臨時襯底，并在臨時襯底上通過CVD方式淀積得到石墨烯膜；b2、將臨時襯底上的石墨烯膜與透明柔性襯底上的粘結(jié)劑膜疊合，形成臨時粘結(jié)體； b3、將上述臨時粘結(jié)體從兩個滾動接觸的傳遞輥中通過，以使得石墨烯膜與透明柔性襯底上的粘結(jié)劑I吳粘結(jié)；
b4、去除上述臨時襯底，以得到位于透明柔性襯底上的石墨烯膜。所述臨時襯底為銅箔或鎳箔。本發(fā)明的優(yōu)點能通過卷對卷工藝來制備，適合于大批量生產(chǎn)，大大降低了人工成本，同時提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性，具有加熱均勻、透明度高、柔韌性好、成本低、穩(wěn)定性好的特點。透明電加熱膜的加熱功率可根據(jù)實際需要進行設(shè)計，也可以根據(jù)使用需要設(shè)計加熱曲線，保證加熱膜具有除霧除霜功能，同時不會由于溫度突變而引起玻璃的脆性開裂，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，適應(yīng)范圍廣，穩(wěn)定可靠。


圖I為本發(fā)明的石墨烯膜、導(dǎo)電連接網(wǎng)膜在透明柔性襯底上分布的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明制備石墨烯膜的示意圖。圖3為本發(fā)明將石墨烯膜轉(zhuǎn)移到透明柔性襯底上的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明印刷防護層的示意圖。圖5為本發(fā)明透明電加熱薄膜的結(jié)構(gòu)剖視圖。附圖標(biāo)記說明1_防護層、2-電極、3-導(dǎo)電連接網(wǎng)膜、4-石墨烯膜、5-粘結(jié)劑膜、6-透明柔性襯底、7-管式爐及8-石英管。
具體實施例方式下面結(jié)合具體附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。如圖I和圖5所示為了提高電加熱薄膜的適用范圍，降低成本，本發(fā)明的電加熱薄膜包括透明柔性襯底6，所述透明柔性襯底6上設(shè)置石墨烯膜4，所述石墨烯膜4上設(shè)有導(dǎo)電連接網(wǎng)膜3，所述導(dǎo)電連接網(wǎng)膜3上設(shè)有電極2，所述電極2與導(dǎo)電連接網(wǎng)膜3及石墨烯膜4電連接；電極2上設(shè)置防護層I，所述防護層I覆蓋在電極2上，并覆蓋在石墨烯膜4及導(dǎo)電連接網(wǎng)膜3上。石墨烯膜4通過粘結(jié)劑膜5設(shè)置在透明柔性襯底6上，導(dǎo)電連接網(wǎng)膜3的材料包括鋁或銀，導(dǎo)電連接網(wǎng)膜3由若干線條形成的框架結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電連接網(wǎng)膜3的線徑小于5 μ m。導(dǎo)電連接網(wǎng)膜3和石墨烯膜4組成的電熱膜材料，具有透明度高、柔韌性好的特點，石墨烯膜4是單層的碳原子組成的具有蜂窩狀六邊形的二維晶體結(jié)構(gòu)，與柔韌性良好的透明導(dǎo)電連接網(wǎng)膜3結(jié)合，導(dǎo)電連接網(wǎng)膜3增強石墨和石墨的連接性，填補所有的空白之間的網(wǎng)格，能保證電熱膜材料良好的導(dǎo)電性，質(zhì)量輕，價格低廉，導(dǎo)電連接網(wǎng)膜3的線徑以不影響材料的透光性為準。透明柔性襯底6的材料包括PET (Polyethylene terephthalate),本發(fā)明實施例中，通過透明柔性襯底6能夠擴大制備得到電加熱膜的適用范圍。電極2的材料包括銀，通過電極2能夠與外部電源連接，石墨烯膜4及導(dǎo)電連接網(wǎng)膜3能產(chǎn)生所需加熱熱量。如圖f圖5所示上述結(jié)構(gòu)的透明電加熱薄膜的結(jié)構(gòu)，可以通過下述工藝制備得至1J，具體地包括
a、提供透明柔性襯底6，并在所述透明柔性襯底6上涂覆粘結(jié)劑膜5 ；
所述透明柔性襯底6的材料包括PET薄膜，為了提高透明柔性襯底6所需形成印刷表面的附著力，在透明柔性襯底6的印刷面上進行電暈處理或化學(xué)腐蝕磨砂處理，然后再將 粘結(jié)劑膜5涂覆在透明柔性襯底6的印刷面上。對透明柔性襯底6的印刷面進行電暈處理及化學(xué)腐蝕磨砂處理為常規(guī)的處理過程，此處不再詳述。b、制備石墨烯膜4，并將所述石墨烯膜4轉(zhuǎn)移到透明柔性襯底6上，石墨烯膜4通過粘結(jié)劑膜5與透明柔性襯底6連接；
如圖2和圖3所示制備石墨烯膜4及將所述石墨烯膜4轉(zhuǎn)移到透明柔性襯底6上的工藝過程包括如下步驟
bl、提供臨時襯底，并在臨時襯底上通過CVD (化學(xué)氣相沉積)方式淀積得到石墨烯膜
4 ；
所述臨時襯底為銅箔、鎳箔或Ru等；大面積薄膜狀的石墨烯膜4是利用管式爐7及石英管8通過化學(xué)氣相沉積技術(shù)(CVD)而得到的。具體地，在一定的有機氣氛中熱處理帶有金屬催化劑的臨時襯底，金屬催化劑中就會溶解一定濃度的碳，在降溫過程中，過飽和的碳從金屬催化劑中析出形成石墨烯，金屬催化劑通常是Ni、Cu、Ru等，大致工藝過程如圖2所示，甲烷作為碳原料從甲烷氣體中分解出碳原子，并按六邊形的原子結(jié)構(gòu)整齊地排列在金屬表面，得到單原子層的石墨烯膜4 ;氫在石墨烯生長前在銅或者鎳的表面刻蝕有害氧化物和其他污染物，在沉積過程中氫也有選擇性地蝕刻多余的非晶態(tài)的碳；氬氣作為一種惰性保護氣體。所有氣體的最低純度為99. 999%。石墨烯生長過程中，一般氣體是按照氬氣1000cm3/min、氫氣50cm3/min、甲燒25cm3/min,在生長之前,系統(tǒng)在IS氣保護下加熱到1000°C，銅膜的運行速度可以在f40cm/min之間調(diào)整，生長完成后，繼續(xù)通入氬氣冷卻。上述石墨烯膜4制備的過程為本技術(shù)領(lǐng)域人員所熟知，此處不再贅述。b2、將臨時襯底上的石墨烯膜4與透明柔性襯底6上的粘結(jié)劑膜5疊合，形成臨時粘結(jié)體；
本發(fā)明實施例中，利用柔性銅襯底作為臨時襯底，以催化生長大面積的石墨烯膜4，再采用化學(xué)刻蝕和轉(zhuǎn)印方法將石墨烯膜4轉(zhuǎn)移到透明柔性襯底6上，如圖3所示；為將石墨烯膜4與臨時襯底分離的過程，透明柔性襯底6上的粘結(jié)劑膜5包括PVB或者乙基纖維素等，將臨時襯底上的石墨烯膜4與透明柔性襯底6上的粘結(jié)劑膜5疊合，形成臨時粘結(jié)體；b3、將上述臨時粘結(jié)體從兩個滾動接觸的傳遞輥中通過，以使得石墨烯膜4與透明柔性襯底6上的粘結(jié)劑膜5粘結(jié)；
然后將臨時粘結(jié)體送入兩個傳遞輥，經(jīng)過兩次輥軋，使石墨烯膜4通過粘結(jié)劑膜5與透明柔性襯底6粘結(jié)在一起；
b4、去除上述臨時襯底，以得到位于透明柔性襯底6上的石墨烯膜4。石墨烯膜5與透明柔性襯底6粘結(jié)在一起后，需要將作為臨時襯底的銅箔或者鎳箔分離，這樣生長在銅箔上的石墨烯膜4就被完整的轉(zhuǎn)移到目標(biāo)透明柔性襯底6上了。通過所述方法所制得的石墨烯膜4純度高，面積大，并且不再依賴于任何的礦產(chǎn)資源。C、在上述石墨烯膜4上印刷導(dǎo)電連接網(wǎng)膜3 ；
d、在上述石墨烯膜4及導(dǎo)電連接網(wǎng)膜3上印刷電極2，所述電極2與石墨烯膜4及導(dǎo)電連接網(wǎng)膜3電連接；
電極2是電加熱薄膜電流匯流條的一部分，也可作為引出線的焊接用。e、在上述電極2上印刷防護層1，所述防護層I覆蓋在電極2上，并覆蓋在石墨烯膜4及導(dǎo)電連接網(wǎng)膜3上。所述防護層I具有防刮傷能力。上述步驟d和步驟e中，電極2和防護層I通過卷對卷噴墨印刷技術(shù)或者卷對卷絲網(wǎng)印刷技術(shù)來制備，如圖4所示。制備使，將透明柔性襯底6以整卷的方式安裝到放卷設(shè)備上，連續(xù)、等距離得移動到印刷位置，通過色標(biāo)傳感器實現(xiàn)精確對位，可進行多個圖案的套印，印刷完之后，透明柔性襯底6進入旋轉(zhuǎn)式烘箱，經(jīng)過充分的紅外干燥后進行收卷，該工藝大大降低了人工成本，同時提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。目前，傳統(tǒng)的透明電極利用銦錫氧化物半導(dǎo)體(ΙΤ0)，常用于太陽能電池和平板顯示器、觸摸傳感器的電極結(jié)構(gòu)；薄膜電阻小于ΙΟΟΩ/sq，光學(xué)透明90%，和無限的可擴展性。本發(fā)明通過卷對卷印刷技術(shù)和化學(xué)氣相沉積到透明柔性襯底6上的單層30英寸寬的石墨烯膜4，單層的石墨烯膜4的電阻片低至125Q/Sq，97. 4%的透光率，具有常溫下可觀測到的霍爾量子效應(yīng)，導(dǎo)電性良好；同時，還可以制備出四層疊加的石墨烯膜4結(jié)構(gòu)，四層疊加的石墨烯膜4結(jié)構(gòu)的電阻片電阻值低至30 Q/Sq，90%的透明度，即本發(fā)明得到的石墨烯膜4的性能優(yōu)于商業(yè)化的透明電極，所述商業(yè)化的透明電極如銦錫氧化物。本發(fā)明電加熱薄膜包括石墨烯膜4及導(dǎo)電連接網(wǎng)膜3，并由透明柔性襯底6支撐，具有透明度高、柔韌性好的特點，石墨烯膜4是單層的碳原子組成的具有蜂窩狀六邊形的二維晶體結(jié)構(gòu)，它具有特殊的能帶結(jié)構(gòu)，具有常溫下可觀測到的霍爾量子效應(yīng)，導(dǎo)電性良好，單層石墨烯膜4非常薄，厚度不到O. 335nm。透光性良好，吸光率只有2. 3%，導(dǎo)電連接網(wǎng)膜3并不影響材料的透光性，本發(fā)明的制造成本大大低于現(xiàn)有的ITO和ATO涂料，而且材料的穩(wěn)定性很好。本發(fā)明能通過卷對卷工藝來制備，適合于大批量生產(chǎn)，大大降低了人工成本，同時提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性，具有加熱均勻、透明度高、柔韌性好、成本低、穩(wěn)定性好的特點。透明電加熱膜的加熱功率可根據(jù)實際需要進行設(shè)計，也可以根據(jù)使用需要設(shè)計加熱曲線，保證加熱膜具有除霧除霜功能，同時不會由于溫度突變而引起玻璃的脆性開裂。解決了現(xiàn)有擋風(fēng)玻璃除霜加熱絲不透明，不能用于前擋風(fēng)玻璃的缺陷；電熱膜夾在兩層玻璃中的建構(gòu)的笨重、成本高、不適合長期使用的缺陷；無色透明電熱防霜膜的不耐酸堿和脆性大的缺陷。
權(quán)利要求
1.一種基于石墨烯的透明電加熱薄膜，其特征是包括透明柔性襯底(6)，所述透明柔性襯底(6)上設(shè)置石墨烯膜(4)，所述石墨烯膜(4)上設(shè)有導(dǎo)電連接網(wǎng)膜(3)，所述導(dǎo)電連接網(wǎng)膜(3)上設(shè)有電極(2)，所述電極(2)與導(dǎo)電連接網(wǎng)膜(3)及石墨烯膜(4)電連接；電極 (2)上設(shè)置防護層(1)，所述防護層(I)覆蓋在電極(2)上，并覆蓋在石墨烯膜(4)及導(dǎo)電連接網(wǎng)膜(3)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于石墨烯的透明電加熱薄膜，其特征是所述透明柔性襯底(6)的材料包括PET膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于石墨烯的透明電加熱薄膜，其特征是所述導(dǎo)電連接網(wǎng)膜(3)的材料包括鋁或銀。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或3所述的基于石墨烯的透明電加熱薄膜，其特征是所述導(dǎo)電連接網(wǎng)膜(3)的線徑小于5 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于石墨烯的透明電加熱薄膜，其特征是所述透明柔性襯底(6)上設(shè)有粘結(jié)劑膜(5)，石墨烯膜(4)通過粘結(jié)劑膜(5)設(shè)置在透明柔性襯底(6)上。
6.一種基于石墨烯的透明電加熱薄膜的制備方法，其特征是，所述透明電加熱薄膜的制備方法包括如下步驟 (a )、提供透明柔性襯底(6 )，并在所述透明柔性襯底(6 )上涂覆粘結(jié)劑膜(5 ); (b )、制備石墨烯膜(4 )，并將所述石墨烯膜(4 )轉(zhuǎn)移到透明柔性襯底(6 )上，石墨烯膜(4 )通過粘結(jié)劑膜(5 )與透明柔性襯底(6 )連接； (C)、在上述石墨烯膜(4)上印刷導(dǎo)電連接網(wǎng)膜(3)； (d)、在上述石墨烯膜(4)及導(dǎo)電連接網(wǎng)膜(3)上印刷電極(2)，所述電極(2)與石墨烯膜(4)及導(dǎo)電連接網(wǎng)膜(3)電連接； (e)、在上述電極(2)上印刷防護層(1)，所述防護層(I)覆蓋在電極(2)上，并覆蓋在石墨烯膜(4)及導(dǎo)電連接網(wǎng)膜(3)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述基于石墨烯的透明電加熱薄膜的制備方法，其特征是所述步驟(a)中，在透明柔性襯底(6)的印刷面上進行電暈處理或化學(xué)腐蝕磨砂處理，粘結(jié)劑膜(5)涂覆在透明柔性襯底(6)的印刷面上。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述基于石墨烯的透明電加熱薄膜的制備方法，其特征是所述步驟(d)中，通過卷對卷噴墨印刷或卷對卷絲網(wǎng)印刷制備電極(2)，所述電極(2)的材料包括銀。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述基于石墨烯的透明電加熱薄膜的制備方法，其特征是，所述步驟(b)，包括如下步驟 (bl)、提供臨時襯底，并在臨時襯底上通過CVD方式淀積得到石墨烯膜(4); (b2)、將臨時襯底上的石墨烯膜(4)與透明柔性襯底(6)上的粘結(jié)劑膜(5)疊合，形成臨時粘結(jié)體； (b3)、將上述臨時粘結(jié)體從兩個滾動接觸的傳遞輥中通過，以使得石墨烯膜(4)與透明柔性襯底(6)上的粘結(jié)劑膜(5)粘結(jié)； (b4)、去除上述臨時襯底，以得到位于透明柔性襯底(6)上的石墨烯膜(4)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述基于石墨烯的透明電加熱薄膜的制備方法，其特征是所述臨時襯底為銅箔或鎳箔。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于石墨烯的透明電加熱薄膜及其制備方法，其包括透明柔性襯底，透明柔性襯底上設(shè)置石墨烯膜，石墨烯膜上設(shè)有導(dǎo)電連接網(wǎng)膜，所述導(dǎo)電連接網(wǎng)膜上設(shè)有電極，所述電極與導(dǎo)電連接網(wǎng)膜及石墨烯膜電連接；電極上設(shè)置防護層，所述防護層覆蓋在電極上，并覆蓋在石墨烯膜及導(dǎo)電連接網(wǎng)膜上。本發(fā)明適合于大批量生產(chǎn)，大大降低了人工成本，同時提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性，具有加熱均勻、透明度高、柔韌性好、成本低、穩(wěn)定性好的特點。透明電加熱膜的加熱功率可根據(jù)實際需要進行設(shè)計，也可以根據(jù)使用需要設(shè)計加熱曲線，保證加熱膜具有除霧除霜功能，同時不會由于溫度突變而引起玻璃的脆性開裂，適應(yīng)范圍廣，穩(wěn)定可靠。
文檔編號H05B3/86GK102883486SQ20121036976
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月28日
發(fā)明者黃海琴, 王慰, 王文韜, 王雯, 陳俊, 陳圣龍 申請人:江蘇物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心