本研究以多元低維碳材料為發熱主體,構建由不同形態的碳材料之間協同作用,搭建三維立體載流子傳輸通道的水性電熱油墨體系。通過理論分析與實驗數據相結合的方式,揭示導電填料的微觀形貌、粒徑、導電性以及流變性與油墨電熱性能的關聯關系。
一、項目分類
顯著效益成果轉化
二、成果簡介
創新性:
本研究以多元低維碳材料為發熱主體,構建由不同形態的碳材料之間協同作用,搭建三維立體載流子傳輸通道的水性電熱油墨體系。通過理論分析與實驗數據相結合的方式,揭示導電填料的微觀形貌、粒徑、導電性以及流變性與油墨電熱性能的關聯關系。根據發熱器件的實際使用需求,指導油墨配方的調整,明確提高電熱轉化效率的關鍵因素,并以此為指導得到高電熱轉化效率、低成本、低功耗、可大規模生產制備的碳系水性電熱油墨。
先進性:
進入二十一世紀以來,國內外許多公司和科研機構都致力于研發低成本高電熱效率的電熱膜,快速的加熱性能和低驅動電壓是其核心目標;大規模低成本的制備工藝、均勻的加熱分布、電熱膜的耐用性及其規模化生產仍然是一個挑戰;良好的柔韌性以及動態穩定性是實現其大范圍應用的關鍵;環保無毒害是未來發展的必然趨勢。針對上述問題,本項目構建了一種多元碳體系水性電熱油墨。該油墨以水為溶劑,炭黑、納米級石墨片、少層石墨烯和碳納米管等碳系材料作為導電發熱填料,水性樹脂作為連接料,利用不同形態碳材料之間的橋接效應和協同作用,降低電熱油墨的滲流閾值并提升電加熱性能。該電熱油墨具備低功耗、低成本、低單位面積使用量的特性。研究了碳材料本身的結構和性能、不同配合體系油墨的導電、導熱機理,優化制備方法,形成高電熱轉化效率、適用于各種復雜場景使用的多元碳體系電熱油墨,具有較高理論和實踐意義。
獨占性
針對目前市場上的碳體系電熱油墨工作電壓高(220 V)、實際電熱轉化率低、功耗大、發熱性能難以滿足復雜多變的應用場景、難以規模化生產等問題。本項目擬以低成本、大規模制備、高電熱轉化效率、綠色環保為目標,構建多元碳體系電熱油墨。利用機器學習方法揭示額定條件下油墨的電熱轉化效率與體系中碳材料的形貌結構、碳材料與連接劑和分散劑等的配比以及制備工藝之間的關聯性;探討界面處發生的各種熱力學和動力學問題;研究多元碳材料之間的協同作用。構建了在24 V~220 V條件下均可使用且能量內耗低、電熱轉化效率大于90 %、油墨用量少的環保性碳系水性電熱油墨。并實現絲網、凹版一次印刷即可滿足24 V工作電壓的使用需求,提高了生產效率,拓寬了應用范圍和領域。
本項目產品涉及家裝供暖,農業保溫,工業加熱以及智能穿戴、柔性電子等多個領域和應用場景。目前,產品已經在電熱取暖器、定制電熱膜以及電熱涂料方面有了實際應用。2020年與湖北龍騰電子科技有限公司聯合開發了便攜式電熱取暖器。2021年,與圣諾曼底能源科技(武漢)有限公司就電熱涂料產品達成合作意向,并進行了中試。
前景:
韓國是電熱膜大面積用于供暖最早的國家,也是世界上最早制訂電熱膜地暖應用規程的國家。在日本,電熱膜被應用于地板供暖己有幾十年的歷史。日本設備設計事務所協會和日本地板供暖施工協會聯合制定了《地板供暖設計和施工準則》,對于電磁輻射有了明確的量化要求,而且提出低電壓安全取暖的概念。歐美等發達國家均紛紛采用低電壓電熱膜供暖。電熱膜供暖也將逐漸成為供暖的一種趨勢。但是現有電熱膜主要采用220 V供暖,而且采用溶劑型油墨,存在安全和環保問題,多層水性低電壓石墨烯芯片印制發熱膜將是未來市場的主要供暖產品。
與傳統供暖方式相比,電熱膜采暖方式具有不耗水、不占地、開關自主、節能節材、安全環保、安裝便捷等優勢。由于發熱薄膜是以面的形式均勻散熱,柜式空調則是點散熱,且紅外輻射在物體上可以起到維持一段溫度作用,其節能性更好。以一間面積為40 m2的會議室為例,如用空調制熱,達到25℃,一臺5匹空調功率約為3675 W。而本項目電發熱膜需要10片0.6 m × 1 m,24 V電壓下,單片發熱功率可以達到150 W,可以達到同樣效果,而其用電量大概是空調的三分之一左右。總體費用大約2000元,而1臺5匹空調定價在6000元左右,因此電熱膜在未來的發展潛力巨大。
經濟效益:
(1)水性油墨替代銀漿。銀漿成本約2000元/公斤,水性油墨成本約200元/公斤,僅為銀漿的1/10,大大降低了電熱膜的生產成本。
(2)電熱轉換效率高,降低能耗。電阻絲加熱的電熱轉化效率約70%,而本項目電熱膜的電熱轉換效率高達90 %以上,極高的電熱轉換效率意味這在在達到同樣熱量時,電熱膜節省了約40 %的電量消耗。
(3)利潤高。一片電熱膜的成本約15元,一個房間安裝10片可達到一臺5匹空調的發熱功率的40%,而成本僅需150元,因此有較大的利潤空間。
社會效益:
(1)解決同類產品技術瓶頸和共性技術的問題
現如今國內外關于導熱薄膜發熱供暖的技術已經日趨成熟,也有一些廠家開始大規模生產類似的發熱薄膜,甚至已經有一定的產業鏈,這為本產品的推出提供了極大的機遇。本產品由于所采用的導電油墨的適性較好,因此可以直接應用于各種流水線生產,在短期內便可以實現量產。
該技術制成的發熱膜可以廣泛應用于民用、農業、工業建筑的不同場景的電熱膜,在其他行業領域也有發展潛力,如智能發熱服飾,理療護具等。電熱膜發展潛力巨大,符合低碳經濟發展趨勢。
(2)節能環保導向
碳系電熱油墨在制備和使用過程中均滿足環保要求,系統能耗低,無排放,耗電量只需空調的三分之一到二分之一,順應了電改、新能源和煤電去產能的國家政策背景。與水暖式供熱系統相比,能源更加清潔。發熱油墨供暖系統的應用非常注重建筑物的節能情況,達到國家節能標準的建筑物更適合安裝發熱油墨供暖系統,具有節能環保的導向意義。
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