低电压碳系水性电热油墨

本研究以多元低维碳材料为发热主体，构建由不同形态的碳材料之间协同作用，搭建三维立体载流子传输通道的水性电热油墨体系。通过理论分析与实验数据相结合的方式，揭示导电填料的微观形貌、粒径、导电性以及流变性与油墨电热性能的关联关系。

一、项目分类

显著效益成果转化

二、成果简介

创新性：

本研究以多元低维碳材料为发热主体，构建由不同形态的碳材料之间协同作用，搭建三维立体载流子传输通道的水性电热油墨体系。通过理论分析与实验数据相结合的方式，揭示导电填料的微观形貌、粒径、导电性以及流变性与油墨电热性能的关联关系。根据发热器件的实际使用需求，指导油墨配方的调整，明确提高电热转化效率的关键因素，并以此为指导得到高电热转化效率、低成本、低功耗、可大规模生产制备的碳系水性电热油墨。

先进性：

进入二十一世纪以来，国内外许多公司和科研机构都致力于研发低成本高电热效率的电热膜，快速的加热性能和低驱动电压是其核心目标；大规模低成本的制备工艺、均匀的加热分布、电热膜的耐用性及其规模化生产仍然是一个挑战；良好的柔韧性以及动态稳定性是实现其大范围应用的关键；环保无毒害是未来发展的必然趋势。针对上述问题，本项目构建了一种多元碳体系水性电热油墨。该油墨以水为溶剂，炭黑、纳米级石墨片、少层石墨烯和碳纳米管等碳系材料作为导电发热填料，水性树脂作为连接料，利用不同形态碳材料之间的桥接效应和协同作用，降低电热油墨的渗流阈值并提升电加热性能。该电热油墨具备低功耗、低成本、低单位面积使用量的特性。研究了碳材料本身的结构和性能、不同配合体系油墨的导电、导热机理，优化制备方法，形成高电热转化效率、适用于各种复杂场景使用的多元碳体系电热油墨，具有较高理论和实践意义。

独占性

针对目前市场上的碳体系电热油墨工作电压高（220 V）、实际电热转化率低、功耗大、发热性能难以满足复杂多变的应用场景、难以规模化生产等问题。本项目拟以低成本、大规模制备、高电热转化效率、绿色环保为目标，构建多元碳体系电热油墨。利用机器学习方法揭示额定条件下油墨的电热转化效率与体系中碳材料的形貌结构、碳材料与连接剂和分散剂等的配比以及制备工艺之间的关联性；探讨界面处发生的各种热力学和动力学问题；研究多元碳材料之间的协同作用。构建了在24 V~220 V条件下均可使用且能量内耗低、电热转化效率大于90 %、油墨用量少的环保性碳系水性电热油墨。并实现丝网、凹版一次印刷即可满足24 V工作电压的使用需求，提高了生产效率，拓宽了应用范围和领域。

本项目产品涉及家装供暖，农业保温，工业加热以及智能穿戴、柔性电子等多个领域和应用场景。目前，产品已经在电热取暖器、定制电热膜以及电热涂料方面有了实际应用。2020年与湖北龙腾电子科技有限公司联合开发了便携式电热取暖器。2021年，与圣诺曼底能源科技（武汉）有限公司就电热涂料产品达成合作意向，并进行了中试。

前景：

韩国是电热膜大面积用于供暖最早的国家，也是世界上最早制订电热膜地暖应用规程的国家。在日本，电热膜被应用于地板供暖己有几十年的历史。日本设备设计事务所协会和日本地板供暖施工协会联合制定了《地板供暖设计和施工准则》，对于电磁辐射有了明确的量化要求，而且提出低电压安全取暖的概念。欧美等发达国家均纷纷采用低电压电热膜供暖。电热膜供暖也将逐渐成为供暖的一种趋势。但是现有电热膜主要采用220 V供暖，而且采用溶剂型油墨，存在安全和环保问题，多层水性低电压石墨烯芯片印制发热膜将是未来市场的主要供暖产品。

与传统供暖方式相比，电热膜采暖方式具有不耗水、不占地、开关自主、节能节材、安全环保、安装便捷等优势。由于发热薄膜是以面的形式均匀散热，柜式空调则是点散热，且红外辐射在物体上可以起到维持一段温度作用，其节能性更好。以一间面积为40 m2的会议室为例，如用空调制热，达到25℃，一台5匹空调功率约为3675 W。而本项目电发热膜需要10片0.6 m × 1 m，24 V电压下，单片发热功率可以达到150 W，可以达到同样效果，而其用电量大概是空调的三分之一左右。总体费用大约2000元，而1台5匹空调定价在6000元左右，因此电热膜在未来的发展潜力巨大。

经济效益：

（1）水性油墨替代银浆。银浆成本约2000元/公斤，水性油墨成本约200元/公斤，仅为银浆的1/10，大大降低了电热膜的生产成本。

（2）电热转换效率高，降低能耗。电阻丝加热的电热转化效率约70%，而本项目电热膜的电热转换效率高达90 %以上，极高的电热转换效率意味这在在达到同样热量时，电热膜节省了约40 %的电量消耗。

（3）利润高。一片电热膜的成本约15元，一个房间安装10片可达到一台5匹空调的发热功率的40%，而成本仅需150元，因此有较大的利润空间。

社会效益：

（1）解决同类产品技术瓶颈和共性技术的问题

现如今国内外关于导热薄膜发热供暖的技术已经日趋成熟，也有一些厂家开始大规模生产类似的发热薄膜，甚至已经有一定的产业链，这为本产品的推出提供了极大的机遇。本产品由于所采用的导电油墨的适性较好，因此可以直接应用于各种流水线生产，在短期内便可以实现量产。

该技术制成的发热膜可以广泛应用于民用、农业、工业建筑的不同场景的电热膜,在其他行业领域也有发展潜力，如智能发热服饰，理疗护具等。电热膜发展潜力巨大，符合低碳经济发展趋势。

（2）节能环保导向

碳系电热油墨在制备和使用过程中均满足环保要求，系统能耗低，无排放，耗电量只需空调的三分之一到二分之一，顺应了电改、新能源和煤电去产能的国家政策背景。与水暖式供热系统相比，能源更加清洁。发热油墨供暖系统的应用非常注重建筑物的节能情况，达到国家节能标准的建筑物更适合安装发热油墨供暖系统，具有节能环保的导向意义。

ZL201910290259.7；ZL201910290265.2