新型石墨烯智能發熱陶瓷臺板的研發

曾健 陳永鋒 冼定邦 黃佳奇

摘 要：本文主要介紹了一種以石墨烯發熱膜為發熱體，陶瓷巖板為裝飾臺面，結合溫度傳感器和智能調溫組件制備的新型綠色節能、美觀耐久的發熱臺板。

關鍵詞：石墨烯;發熱膜;發熱臺面;陶瓷巖板

1 前 言

隨著科技進步和人們生活水平的提高，消費者對家居環境舒適度的要求越來越高。近年來，各類智能家居也逐漸興起，傳統的餐桌類、辦公桌類等臺面板難以滿足人們的高檔需求，尤其在氣溫較低的地區和時節，人們渴望一種能夠智能調溫控溫、持久耐磨且有舒適性觸感的臺面板。而現有技術的發熱臺板，主要為餐桌類，存在以下不足：

（1）表面材質多為木板或玻璃材料，其耐磨性、耐高溫性、耐久性和安全性等方面都有所缺陷;

（2）發熱體通常采用電熱絲或電熱毯、導電膠泥等作為發熱源[1]，這些發熱源能耗大，局部溫度分布不均，作為硬質面板的發熱體時，發熱實際效果不佳，消費者體驗差，且高能耗的缺點也不符合當前綠色環保的理念。

近年來，隨著陶瓷成型燒結設備的發展[2]，陶瓷企業已經可生產出大規格尺寸的陶瓷巖板，其致密度、硬度及吸水率、耐高溫性能等參數已經達到了極高的水平，就家居臺面板應用而言，其相比木材、天然石材或玻璃等材質有著突出的優勢。并且隨著噴墨打印技術的推廣普及，陶瓷巖板表面的紋理圖案更為豐富，消費者選擇性更多，甚至可以實現花紋定制。

在發熱技術方面，早期用于航天工業的新型電熱膜技術日趨成熟，制造成本逐漸下降，已逐漸轉為民用，特別是柔性的石墨烯發熱膜，其利用具有極佳導熱、導電特性的二維石墨烯材料制成，電熱轉換效率高達99%，具有節能安全、發熱快速且均勻的優點，是一種優異的發熱源。

本論文中我們創新性的將陶瓷巖板與石墨烯發熱膜結合起來，并利用智能控制器及溫度傳感器，制作了一種可智能調溫、耐熱防污、防火耐久且外觀精美的新型綠色節能發熱臺面板。

2 石墨烯智能發熱陶瓷臺板

所研發的石墨烯智能發熱陶瓷臺板，從上到下分別為陶瓷巖板飾面層、石墨烯發熱層、雙鋁PVC板保溫層、支承層、底架，結構示意圖如圖1所示。

飾面層1所選用的陶瓷巖板可為覆釉或無釉陶瓷巖板制品，厚度為6 mm ～ 12 mm，尺寸最大可達3.2 m×1.6 m;發熱層2為石墨烯電熱膜，由高固含量的石墨烯漿料沉積封裝成膜，具有升溫迅速、發熱均勻、低功耗且安全可靠的特點;保溫層3選用雙鋁PVC板，具有熱導率低、防火阻燃的特點，在底層起到保溫、阻止熱量流失的作用，從而引導石墨烯發熱膜所產生的熱量朝上單向流動，起到快速加熱面板和保溫節能的目的。飾面層、發熱層和保溫層經復合密封為一體，其中發熱層和保溫層內嵌于支承層6中，支承層下面設有臺腳7，起到防水防潮和支承的作用。發熱層的引線5穿過保溫層和支承層的引線孔4后用膠封閉，最后支承層用螺栓與飾面層相連接固定。

所研制的石墨烯智能發熱陶瓷臺板，采用陶瓷巖板作為臺面飾面板、石墨烯發熱膜作為發熱源，把飾面層、石墨烯電熱膜、雙鋁PVC板復合成一體，解決了現有技術產品表面觀感不足，不耐磨、耐高溫性差，導熱能耗高的問題，同時實現了防水、防火、防裂、智能調溫、環保節能，使用壽命長的應用效果。

本文中制備的石墨烯智能發熱陶瓷臺板與市面現有的發熱臺板相比具有如下優點：

（1） 表面層采用了理化性能優異、裝飾圖案紋理更為豐富多彩的陶瓷巖板制品，解決了常規發熱臺板面長時間使用后容易出現磨損、劃花情況，污垢難以清洗等視覺觀感差的問題[3]，更適于消費者日常使用;另外，該技術不僅解決了現有發熱餐桌或臺板上存在的不足情況，其供暖與美化功能可以推廣應用到更多領域上，在無集中供暖的南方省份，冬季室內環境場所溫度回升慢，辦公、會議或聚餐中冰冷桌子或臺面的接觸環境都對人們造成不舒適感，為此，該技術可以用作于辦公類桌面板（如銀行等金融類的服務柜臺或日常會議室的會議臺等場景），更大拓展了該技術的使用空間。

（2） 使用了石墨烯發熱膜作為臺板面的發熱源，其發熱原理是電場作用下，碳原子之間產生劇烈的摩擦與撞擊，產生的熱量以遠紅外輻射和對流的形式向外快速發散出去，相比常規發熱材料靠熱傳遞累積逐層傳遞出去的方式，發熱升溫極為迅速，且溫度更為均衡，用戶體驗的舒適性更佳;另外，石墨烯發熱膜是一層密集的、包裹有二維晶體結構的納米級碳原子的連續體，其發熱是整體性，不會像常規發熱絲等發熱體，中間部件損壞便失去加熱作用，相比具有更優異的耐久性。

（3） 由于實際起發熱作用的石墨烯為納米級碳原子，最低厚度僅為0.34nm，其發熱膜成品小于1 mm。相比常規電熱板、發熱絲等發熱源，其薄膜特性使其在實際加工中在粘合工藝上更為簡單便捷[4]，大大降低裝配難度，更有效的保證了產品可靠性。

（4） 通過飾面層、發熱層和保溫層復合為密封的一體，在整體上更有防水降潮防火防裂的技術效果，其中保溫層的雙鋁PVC板的剛性結構，與表面理化性能優越的陶瓷板材結合使用，更為有效的保證餐臺面不會下陷變形或爆裂，盒狀凹坑形設計的支承層更進一步加強整體的剛性，且進一步提升保溫效果。

（5） 配合智能化開發設計，在固定端與移動端均可智能操作，且智能調節溫度，在使用上更具便利性。

3 結 語

綜上所述，采用陶瓷巖板制品結合石墨烯發熱膜研制出的新型智能發熱臺板，具有裝飾效果多樣、耐磨、耐高溫、節能環保、安全的特點，解決了現有發熱臺板類產品存在的不足，消費者實際體驗佳，視覺效果好，應用上更為廣泛，將是行業發展的新方向。

參考文獻

[1] 張斌.掘金多功能電取暖桌[J].大眾投資指南，2012（1）：32-32.

[2] 楊學先，溫怡彰，鄧耀順， 何芳芳.陶瓷大板（磚）成型工藝及裝備應用現狀簡析[J].機電工程技術，2018，47（5）： 164-166.

[3] 楊曉輝.一種用導電發熱膠膜制成的導電發熱復合板材和其制備方法以及用該復合板材制成的制品[P]：CN104837222A.

[4] 馮林敏.氧化石墨烯制備石墨膜及其導熱性能研究[D].哈爾濱工業大學，2015.