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CN102696277A - 基于高温热塑性塑料的加热元件与基板熔融粘合的方法 - Google Patents

基于高温热塑性塑料的加热元件与基板熔融粘合的方法 Download PDF

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CN102696277A
CN102696277A CN2010800587222A CN201080058722A CN102696277A CN 102696277 A CN102696277 A CN 102696277A CN 2010800587222 A CN2010800587222 A CN 2010800587222A CN 201080058722 A CN201080058722 A CN 201080058722A CN 102696277 A CN102696277 A CN 102696277A
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CN
China
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film
electrical insulating
insulating film
substrate
melt bonded
Prior art date
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Application number
CN2010800587222A
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玛丽·安·鲁吉厄欧
列扎·索塔尼
杨迈之
多米尼克·塔拉拉
蒂莫西·拉塞尔·奥尔丁
约翰·斯托克顿
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Datec Coating Corp
Original Assignee
Datec Coating Corp
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Publication date
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Abstract

描述了用于生产热塑性膜-基板电阻式厚膜加热元件的方法，其包括电绝缘的熔融粘合，任选地将高温热塑性膜填充至基板。该厚膜加热元件包括任意填充的高温热塑性膜-基板，其上至少沉积有电阻式厚膜，并能够以消费者和工业加热元件应用的各种功率密度运行。

Description

基于高温热塑性塑料的加热元件与基板熔融粘合的方法
相关申请的引用
本申请要求2009年10月22日提交的，标题为“基于高温热塑性塑料的加热元件与基板熔融粘合的方法”的第61/254,058号美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
发明领域
本发明涉及基于膜的加热元件及其生产方法。更具体地，本发明涉及在热塑性膜上形成的并适于与各种基板熔融粘合的电阻式加热元件。
发明背景
厚膜加热元件由于其能提供多功能设计、高功率密度、均匀加热以及快速加热和冷却而被研究已久。这些类型的元件设计通过放置厚膜元件与受加热的组件接触或当需要它们直接辐射热量至周围时而对直接加热非常有效。
通过导电轨(conductive track)或直接到达电阻厚膜将电压应用于电阻厚膜。这是所需的元件设计，因为其为轻型的，提供了快速的加热和冷却时间，提供了非常均匀的加热并在使元件操作更安全的低温下传递能量。
标题为“厚膜高温热塑性绝缘加热元件”的第12/385,889号美国专利申请描述了适于具有低熔点和/或高热膨胀系数(CTE)的基板的厚膜高温热塑性绝缘电阻加热元件和使用复合涂层合成方法生产所述电阻加热元件的方法。用于生产所述加热元件的方法包括在所选择的基板上沉积包含在溶液中的电绝缘高温热塑性聚合物和填充物粉末的介电涂料配方并在低于600°C下处理以使热塑性粉末熔融流动并形成复合介电层涂覆的基板。为了满足温度下的电绝缘要求，表明多个介电涂层沉积和处理步骤。
尽管上述方法提供了适于具有低熔融温度和高CTE的基板的厚膜加热器，但存在与所述方法相关的若干缺点。第一，沉积绝缘热塑性多层膜的方法是复杂且耗费时间的。第二，使用丝网印刷沉积厚膜加热器限制在诸如非均匀弯曲或凹陷表面的复杂形状上形成加热器。第三，溶液-沉积涂层的电绝缘值通常低于相同厚度的独立式膜，所述独立式膜通过另外的制造方法制备，诸如通过注射成型或一些其它挤压方法一起使热塑性聚合物和填充物材料熔融流动。最后，通过喷涂沉积绝缘热塑性层的方法导致明显的粗糙或散布的表面光洁度。
因此，亟需包括更简单和更快速的制造步骤的生产加热元件的方法，其适用于弯曲的和凹陷的基板表面，每单位膜厚度优选具有更大的电绝缘强度并提供提高的表面光洁度。
发明概述
本发明的实施方案通过提供用于生产基于热塑性膜的电阻厚膜加热元件的方法解决了上述问题，其包括将预制的电绝缘，任选填充高温热塑性膜与基板熔融粘合。在粘合之前热塑性膜可具有位于热塑性膜上的电阻无铅厚膜，其具有电阻使得当将电压应用于电阻无铅厚膜时，其相应地加热。或者，可在粘合步骤后在热塑性膜上沉积和处理电阻无铅厚膜。加热元件优选能够以用于消费者和工业加热元件应用的各种功率密度运行。
因此，在第一方面中，提供了用于在基板上生产加热元件的方法，其包括步骤：提供包含高温熔融流动的热塑性聚合物的电绝缘膜；将所述电绝缘膜熔融粘合至所述基板的表面上；以及将电阻膜沉积到至少部分所述电绝缘膜上；其中所述基板的熔融温度大于使所述电绝缘膜熔融粘合时所使用的温度。
使所述电绝缘膜熔融粘合的步骤包括如下步骤：放置所述电绝缘膜与所述表面接触；以及加热所述电绝缘膜以使所述绝缘膜熔融，并优选还包括当使所述电阻膜熔融粘合时施加压力的步骤。使电绝缘膜熔融粘合的步骤可包括膜层压或卷对卷(roll to roll)层压。
在所述熔融粘合步骤过程中优选将所述电绝缘膜加热至约300摄氏度-450摄氏度的温度。在熔融粘合步骤之前可能产生表面的粗糙度。
基板优选包含选自铝、铝合金、铜、铜合金以及铁素体和奥氏体等级的不锈钢的材料。
使所述电阻膜沉积的步骤包括以下步骤：沉积包含导电粉末的溶胶凝胶配方；以及在高温下烧制所述溶胶凝胶配方。
优选将包含两个或多个导电轨的导电膜沉积到至少部分所述电阻膜上。或者，在沉积所述电阻膜之前将包含两个或多个导电轨的导电膜沉积到至少部分所述电绝缘膜上。
将保护表面涂层沉积或者层压到在至少部分所述加热元件上。表面涂层优选地选自陶瓷、玻璃、高温聚合物、氟聚合物、聚四氟乙烯、硅氧烷、硅酮、聚酰亚胺和热塑性材料。
可将热传感器粘附于所述电绝缘膜的第一部分，其中当进行沉积所述电阻膜的步骤时，将所述电阻膜沉积在所述电绝缘膜的第二部分上。或者，可将热传感器沉积到包含高温熔融流动的热塑性塑料的附加膜上，并将所述附加膜熔融粘合到所述加热元件的上表面上。
所述热塑性塑料优选包括聚苯硫醚(PPS)、聚邻苯二甲酰胺(PPA)、聚芳基酰胺(PARA)、液晶聚合物(LCP)、聚砜(PS或PSU)、聚醚砜(PES)、聚苯砜(PPSU)、聚酰胺-酰亚胺(PAI)、聚酰亚胺(PI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、聚醚酮酮(PEKK)中的一种及其任意组合。绝缘膜还包括诸如陶瓷、矿物、玻璃、高温聚合物颗粒及其组合的填充物材料。
可在所述熔融粘合步骤之前进行沉积所述电阻膜的步骤，并优选包括在熔融粘合步骤之前将所述电阻膜进行热处理，其中在小于所述电绝缘膜的熔融流动温度的温度下进行将所述电阻膜进行热处理的步骤。
可在使所述电绝缘膜熔融粘合的步骤之前将粘合层(bond layer)沉积到所述基板上。粘合层优选包括熔融粘合的高温热塑性塑料和云母纸中的一种。
可在沉积所述电阻膜的步骤之前将粘附层(adhesion layer)沉积到所述电绝缘膜上。粘附层优选包括熔融粘合的高温热塑性塑料和云母纸中的一种。
电绝缘膜和电阻膜优选基本上不含铅。
在另一方面中，提供了熔融-粘合的加热元件，其包括：包含高温熔融流动的热塑性聚合物的电绝缘膜；以及沉积在至少部分绝缘膜上的电阻膜。电阻膜优选包含陶瓷基体和导电相，并更优选包含溶胶凝胶衍生的复合厚膜。
加热元件还可包括包含两个或多个接触至少部分电阻膜的导电轨的导电膜，或包含两个或多个接触至少部分电绝缘膜并且还接触电阻膜的导电轨的导电膜。
加热元件可还包括在至少部分加热元件上提供的表面涂层。表面涂层优选包括选自陶瓷、玻璃、高温聚合物、氟聚合物、PTFE、硅氧烷、硅酮、聚酰亚胺和热塑性塑料的材料。
加热元件还可包括位于电绝缘膜的第一部分上的热传感器，其中在电绝缘膜的第二部分上提供电阻膜。
热塑性塑料优选选自聚苯硫醚(PPS)、聚邻苯二甲酰胺(PPA)、聚芳基酰胺(PARA)、液晶聚合物(LCP)、聚砜(PS或PSU)、聚醚砜(PES)、聚苯砜(PPSU)、聚酰胺-酰亚胺(PAI)、聚酰亚胺(PI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、聚醚酮酮(PEKK)及其任意组合。
绝缘膜优选还包括诸如陶瓷、矿物、玻璃、高温聚合物颗粒及其组合的填充物材料。
可在电绝缘膜和电阻膜之间提供粘附层，并可包括熔融粘合的高温热塑性塑料和云母纸中的一种。
通过参考下列详细描述和附图能实现对本发明功能和有利方面的进一步理解。
附图简述
结合随附的附图进行的下列其详细描述更充分地理解本发明，所述附图形成本申请的一部分，并且其中：
图1显示根据本发明制备的加热器元件和不同的可选涂层的俯视图。
图2显示沿着图1的线I-I截取的加热器元件的横截面。
图3显示沿着图1线H的包含至基板的粘合层的加热器元件和不同的可选涂层的横截面。
图4显示沿着图1线H的包含至电阻电路的粘合层的加热器元件和不同的可选涂层的横截面。
发明详述
一般而言，本文描述的系统涉及可与基板熔融粘合的厚膜加热元件，以及生产和粘合所述厚膜加热元件的方法。根据需要，本文公开了本发明的实施方案。然而，所公开的实施方案仅为示例性的，并且应当理解可以多种形式和替代形式呈现本发明。
因此，本文公开的具体结构和功能细节不应理解为限制而仅作为权利要求的基础并作为教导本领域技术人员多方面采用本发明的代表性基础。出于教导而非限制的目的，例示的实施方案涉及可与基板熔融粘合的加热元件以及生产和粘合所述加热元件的方法。
如本文使用的，当与颗粒尺寸范围或其它物理性质或特征连同使用时，术语“约”和“大约”是指包括可存在于尺寸范围的上限和下限的少量变化以不排除其中大多数尺寸的平均符合条件而其中在统计学上尺寸可能存在于该范围之外的实施方案。不意图排除诸如来自本发明的这些实施方案。
如本文使用的，术语“包含(comprises)”、“包含(comprising)”、“包括(including)”和“包括(includes)”应理解为包括在内和开放式的，而非排除式的。具体地，当用于本文的包括权利要求在内的说明书时，术语“包含(comprises)”和“包含(comprising)”及其变型是指包括具体的特征、步骤或组分。这些术语不应理解为排除其它特征、步骤或组分的存在。
如本文使用的，短语“电绝缘”是指可通过膜的厚度尺寸应用规定电压并且不发生电击穿或不可接受水平的泄漏电流，因而这样的膜被称为电绝缘的。
如本文使用的，短语“高温热塑性塑料”是指具有高于约250°C的高熔融温度并在高于约180°C的高温下保留其物理性质的聚合物。
当提及在介电涂层和在介电涂层上部生长的电阻式无铅厚膜的处理温度时，应当理解本文公开的温度仅为示例性的并不限于那些温度或温度范围。能使用的温度取决于所使用的熔融流动的高温热塑性聚合物、与热塑性聚合物混合的填充物材料、用于生产电阻式无铅厚膜的特殊材料和基板的性质。例如，当在其上形成加热器元件的基板由铝或铝合金制成时，那么上限为约600°C。因为这些材料的熔点为约600°C。另一方面，如果不锈钢为基板材料，那么能使用高于600°C的处理温度，但在该情况下，处理温度更多取决于所使用的热塑性聚合物的性质、填充物材料和用于制备电阻厚膜的材料。
如本文使用的，短语“熔融粘合”是指其中第一层熔融并经冷却形成与表面的粘合的粘合过程。可通过大量方法获得熔融粘合，包括但不限于膜层压、超声焊接激光焊接和卷对卷层压。给定的熔融粘合方法还可包括压力的应用。
本文使用的术语“厚膜”意思通常是指厚度大于1μm的涂层。当术语“厚膜”和“薄膜”相对应时，在涂料工业中，“薄膜”通常是指使用纳米或亚微米厚的涂层的技术，所述涂层通常使用诸如溅射、PVD、MBE等的技术的光学和电子应用来完成，其在一些情况下沉积原子厚的涂料层。另一方面，“厚膜”通常是指用于大于1μm的涂层的技术并可通过使用诸如丝网印刷法的技术沉积若干连续层进行制备。当“厚膜”通常是指约1μm至约500μm厚度的膜时，其包括大多数商业物品加热应用的范围，应当理解更厚的膜例如约1000μm或更厚的也包括在术语“厚膜”中。
参考图1和2，本发明的实施方案提供了通过熔融粘合方法容易与基板10粘附的基于膜的加热元件，以及用于生产所述加热元件的方法。加热元件包括至少电绝缘膜15和电阻膜20。与已知的厚膜加热元件不同，通过将电绝缘膜15与基板10熔融粘合将本加热元件粘附于基板10。如下文所讨论的，可首先提供不含基板10的图1所示结构，并随后通过熔融粘合方法粘附于基板10。
相对于标题为“厚膜高温热塑性绝缘加热元件”的第12/385,889号美国专利申请采用的方法，本文公开的方法提供了显著减少制造厚膜电阻加热元件的加工步骤数的方法。此外，本文公开的熔融粘合方法基本上消除了生产环境中的颗粒污染物问题，如第12/385,889号美国临时专利申请所描述的，生产环境中的颗粒污染物能危害从溶液中的粉末沉积和处理的热塑性层电绝缘的完整性。另外的优势在于将具有位于所述热塑性膜上的电阻厚膜的热塑性膜粘合至弯曲表面基板的能力。这使得在弯曲表面上可靠地沉积电阻厚膜的过程不再具有挑战性并且是可行的。
电绝缘膜15优选具有高的电绝缘强度和高的热导率，并且基本上没有针孔。膜15提供了能实现当电流通过电阻膜20时快速热传递的热基础，而同时使电阻膜20与基板10电绝缘。在膜厚度为25μm或更大时，优选获得在250°C下3000V的耐压强度(hi-pot strength)以满足诸如IEC 60335(国际电工委员会)的典型设备管理标准。如下文进一步描述的，加热元件优选包含用于将电压应用于电阻膜的导电膜，优选以至少两个导电轨22和24的形式提供所述导电膜。优选地，加热元件还包含保护表面涂层30。
电绝缘膜15至少部分由高温熔融-可流动热塑性材料形成。热塑性聚合物优选为熔融流动的，具有组合物的高温热塑性塑料，所述组合物优选包括聚苯硫醚(PPS)、聚邻苯二甲酰胺(PPA)、聚芳基酰胺(PARA)、液晶聚合物(LCP)、聚砜(PS或PSU)、聚醚砜(PES)、聚苯砜(PPSU)、聚酰胺-酰亚胺(PAI)、聚酰亚胺(PI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、聚醚酮酮(PEKK)等的至少一种。
电绝缘膜优选还包括填充物材料。任选在其制造过程中将填充物材料加入至电绝缘膜并提供了在电绝缘膜和另外沉积的电阻膜以及导电厚膜之间匹配的改善的热膨胀系数。填充物材料还发挥作用以提高电绝缘膜15的热导率从而向基板产生更好的热传递并防止“热点”的产生。填充物材料还提供了支持结构以便另外沉积的电阻膜或导电厚膜在当被处理达到温度接近或高于高温热塑性基质的熔融温度时可靠地且一贯地不陷入电绝缘膜15，其避免了损害电绝缘的完整性。
填充物材料可包括陶瓷、矿物、玻璃或高温聚合物(即，能够经受明显的温度而不降解和改变性能，即优选非熔融流动的聚合物)颗粒并在电绝缘膜15的制造点加入。适合的陶瓷材料的实例包括氧化铝、氧化锆、二氧化硅、(任选二氧化铈稳定的氧化锆或氧化钇稳定的氧化锆)、二氧化钛、锆酸钙、碳化硅、氮化钛、镍锌铁氧体、羟磷灰石钙、云母、氮化铝及其任意组合。氧化铝具有良好的热导率和介电强度，但云母具有提供热塑性厚膜的机械、电和热性质的有益组合的薄片结构。
可商购各种厚度并包含各种适合填充物的独立式热塑性膜。一个适合的供应商是Victrex，其提供了热塑性PEEK膜。此外，如上所述，在其制备过程中能将这类热塑性膜与特定的填充物自定地混合以提供更好的性质。
可使用还包括施加压力的各种方法将电绝缘膜15与基板材料熔融粘合。在优选的实施方案中，使用层压方法将电绝缘膜15与基板10粘合。
在一个实施方案中，在形成加热元件的其余层之前，将电绝缘膜15与基板10熔融粘合。例如，可使用层压机将电绝缘膜15层压至基板10。通过使膜15与基板10的表面接触将电绝缘膜15层压至基板10。如下文进一步描述的，然后可形成加热元件的其它组件。
在熔融粘合步骤过程中，优选应用基本上均匀的压力，因为将电绝缘膜15和基板10热处理至足以引起电绝缘膜15熔融流动并与基板10粘附的温度。例如，包含PEEK的电绝缘层的优选温度为约350°C-400°C。优选应用足够的压力以促使膜与基板接触，但不对其过度挤压从而使厚度性质变差。(精确的挤压条件取决于所使用的设备，尽管发明者发现约5-30N/cm2的典型压力实现满意的结果)。在适用于大批量生产的优选实施方案中，可以使用连续卷对卷金属层压过程和/或系统。
基板10的熔融温度高于在熔融粘合步骤过程中所应用的温度和当在随后的处理步骤中形成加热元件时所需的任何热处理温度。基板10优选为金属基板。诸如铝和铝合金、铜和铜合金的金属基板以及诸如300系列不锈钢(300SS)奥氏体和铁素体等级的不锈钢，由于它们优异的热性能特性而是理想的。诸如玻璃、玻璃陶瓷和陶瓷的非金属基板也适于热粘合。铝和铝合金特别理想，因为它们具有是不锈钢热传递的10倍至20倍的导热，使得这些基板上的厚膜加热器快速作用并具有有助于非常轻、有效的加热元件的低密度。应当理解，只要其熔点高于能通过加热器本身产生的最大温度，则基板10可为任何材料。
优选地，在熔融粘合之前预处理基板10的表面以从沉积至热处理至加热元件操作提供提高的均匀性和涂层粘附。表面处理的实例包括砂磨、研磨、蚀刻和喷砂。1μm的表面粗糙度(Ra)是优选的并能通过常规喷砂处理(gritblasting)实现。清洁状态是优选的并且应采取护理以避免任何污染，这能防止膜与基板粘附。
参考图3，可在熔融粘合绝缘膜15之前，任选将粘合层29沉积在基板10上。粘合层29改善了电绝缘膜15膜与基板10的粘附并且还提供了在电绝缘膜15和基板10之间匹配的改善的热膨胀。粘合层29优选包含与电绝缘膜15相容的熔融粘合的高温聚合物并优选还包含填充物材料以提供在基板10和电绝缘膜15之间匹配的改善的热膨胀。适合的填充物材料可选自与电绝缘层15相关的上述列表。可通过多种方法将粘合层29应用于基板10，包括但不限于喷涂、丝网印刷、浸渍、粉末涂覆、熔融粘合和帘幕涂覆并优选在熔融粘合电绝缘膜15之前固化。可以与基板10熔融粘合的预制膜形式提供粘合层29。
参考图4，可在熔融粘合之后，将类似的粘附层31添加至与电绝缘膜15相对的表面。上粘附层发挥作用以改善在该膜和导电膜22、24和/或电阻膜20(下文进一步描述的)之间匹配的粘附和热膨胀以防止导电膜和电阻膜的破裂和分层。粘附31层还优选包含与绝缘膜相容的熔融粘合的高温聚合物，并还可包含填充物材料以提供在电阻膜20和/或导电膜22、24之间匹配的改善的热膨胀系数。适合的填充物材料可选自与电绝缘层15相关的上述列表。可通过多种方法将粘附层31应用于电绝缘膜15，包括但不限于喷涂，包括但不限于喷涂、丝网印刷、浸渍、粉末涂覆、熔融粘合和帘幕涂覆并优选在沉积导电膜22、24和电阻膜20之前固化。可以与电绝缘层15熔融粘合的预制膜形式提供粘附层31。
粘合层29和粘附层31中的一种或多种可另外包含诸如云母纸的非热塑性膜层，该层可例如通过层压步骤将其层压至热塑性膜。
在将电绝缘膜15与基板10(和任选提供的粘合层29和/或粘附层31)熔融粘合之后，可根据2009年4月22日提交的标题为“厚膜高温热塑性绝缘加热元件”的第12/385,889号美国专利申请的描述沉积和热处理电阻膜和导电膜，其以其全部内容通过引用并入本文。可通过丝网印刷、掩蔽喷涂或其它沉积方法将优选为厚膜的电阻膜20沉积到电绝缘膜15上并优选在低于600°C下处理以形成厚膜加热元件。应当理解，如下文进一步描述的，电阻膜20不需覆盖电绝缘膜15的整个上表面，因为可能优选的是在空间邻近电阻膜的位置在电绝缘膜上另外结合传感器(例如温度传感器)。
电阻膜20优选为沉积在电绝缘膜15上的基于无铅复合溶胶凝胶的电阻加热器层并处理(烧制)达到低于600°C的温度，通常为约400°C至约450°C(但不限于此)以固化涂层。选择温度以提供不含挥发性和/或有机组分无裂纹层20。可根据Olding等人于2004年5月18日颁发的第6,736,997号美国专利和2008年12月2日颁发的第7,459,104号美国专利的教导来制备复合溶胶凝胶电阻厚层20，(其二者均以其全部内容通过引用并入本文)并且如Olding专利公开所描述的，电阻粉末能为掺石墨氧化锡、掺银氧化锡、掺镍氧化锡中的一种或任何其它适合的电阻材料。
电阻膜20的溶胶凝胶配方是优选的，因为其不需要添加铅或任何其它有害材料以在600°C下处理加热元件，符合欧洲在2006年使用的RoHS指令。还可使用包含高温聚合物或无机粘合剂的其它导电和电阻厚膜配方。
溶胶凝胶配方是包含反应性金属有机或金属盐溶胶凝胶前体的溶液，这些前体被热处理以形成诸如氧化铝、二氧化硅、氧化锆、(任选二氧化铈稳定的氧化锆或氧化钇稳定的氧化锆)、二氧化钛、锆酸钙、碳化硅、氮化钛、镍锌铁氧体、羟磷灰石钙及其任意组合的陶瓷材料。溶胶凝胶法包括稳定的液体溶液或包含无机金属盐或诸如金属醇盐的金属有机化合物的“溶胶”的制备。然后，将溶胶沉积在基板材料上并经历过渡以形成固体凝胶相。伴随进一步干燥和高温烧制，将“凝胶”转化为陶瓷涂层。溶胶凝胶配方可为有机金属溶液或盐溶液。溶胶凝胶配方可为水溶液或有机溶液或其混合物。
可沉积优选为厚膜的导电膜以提供导电条(conductive strip)/母线(bus bar)22和24用于产生与电阻厚膜元件20的电连接。在沉积电阻膜20之前或之后沉积导电条22和24(在图2中，在沉积电阻层15之前，显示已经沉积导电条22和24)。可另外提供电接触26和线28以应用电压或将电流注入电阻膜15。
能通常在450°C或更低的温度下使用单独的处理步骤处理导电条22和24，或另外能将其与电阻膜15共同烧制。导电厚膜优选为无铅的并能由包含镍、银或任何其它适合的导电粉末或薄片材料的复合溶胶凝胶配方制备。可从但不限于在溶液中稳定的氧化铝、二氧化硅、氧化锆或二氧化钛金属有机前体制备溶胶凝胶配方。当图1和2示出导电条22和24的具体尺寸、形状和方向时，本领域技术人员容易理解可提供两个或多个各种尺寸、形状、方向和组成的适合接触电阻膜20的导电条。
或者，可从能在小于加热元件和基板的其它组件的熔融温度(优选约450°C或更低)的温度下热处理的商购厚膜产品来制备导电条22和24。一种适合的厚膜产品为Parmod VLT，其包含反应性银金属有机物和分散在媒介物中的银薄片或粉末并通常能在约200-450°C的温度下烧制。当Parmod VLT为优选的商购导电厚膜产品时，应当理解可使用其它适合的导电厚膜产品，并且本文公开的实施方案不局限于这些示例的产品。由于可能不将导电膜暴露于电阻厚膜中的加热温度，因此一些基于高温聚酰亚胺或聚酰胺-酰亚胺的银厚膜产品也可能适用于生产导电条22和24。
可任选将可能包含陶瓷、玻璃或高温聚合物(诸如聚四氟乙烯(PTFE)的氟聚合物、硅氧烷、硅酮、聚酰亚胺等)的保护表面涂层30或表面热塑性膜层分别沉积或层压到电阻膜上以提供氧化保护、防潮性、机械支持和保护以及电绝缘。
在层压之前，可任选将诸如热敏电阻、热电偶、电容传感器或其它适合装置的热传感器放置在电绝缘膜15上。在本发明优选的实施方案中，通过丝网印刷将厚膜热敏电阻沉积在电绝缘膜15的第一部分上，并在那里将电阻膜20沉积在第二部分中。优选地，为了提供最佳的热反应，第一部分基本上邻近第二部分。然后，可在上部层压保护表面涂层使得温度传感器夹在保护表面涂层和电绝缘热塑性膜15之间。
或者，可将热传感器丝网印刷在单独的膜上并直接层压在电阻膜上部，由此提供绝缘体和传感器。能任选将表面涂层层压在传感器上部。
在优选的实施方案中，在电绝缘膜15层压至基板10之前，可在电绝缘膜15上配制、沉积并热处理电阻厚膜20、导电厚膜22、24和任选随后的表面涂层30。为了避免热粘合，在该过程中将电绝缘膜与支持基底粘合，在低于热塑性膜的熔融流动温度的温度下沉积并热处理电阻膜15、导电膜20且更优选为表面涂层30。
例如，可使用第12/385,889号美国专利申请描述的方法将电阻膜20沉积在电绝缘膜15上，条件是选择在温度小于电绝缘层15的熔融流动温度下与电阻膜的热处理相容的适合的溶胶-凝胶，诸如胶体二氧化硅溶胶-凝胶。在层压之前还可沉积包含导电条22和24以及表面层30的附加层。然后，可将由电绝缘膜10、电阻膜20和导电膜(例如，条22和24)和/或表面层30组成的整个膜结构与基板10熔融粘合。例如，可放置与基板10接触的预先安装的结构并热处理(优选在压力下)至300°C-450°C的温度以层压加热元件基板。应该应用足够的压力以促使膜与基板紧密接触，但不过度挤压它以防止加热器的变形。然后，可将另外的电阻厚膜、导电厚膜和/或表面涂层沉积在层压制品的表面上并按照前面的描述处理。
上述包含在其上沉积的至少具有电阻膜20的电绝缘膜15的加热元件及其制造方法非常适于在具有弯曲或复杂表面或凹陷的或难于进入的基板表面上形成加热元件。这种表面不适用于形成加热元件的现有方法，其需要喷涂和随后丝网印刷形成加热元件的层。该实施方案的一个实例是与u-形铝模具组件的内弯曲表面粘合的加热元件。另一实例是与具有随着通过管的液体流动的非均匀外形的金属管的外表面粘合的加热元件。
如上所述，在选择的基板上喷涂沉积包含在溶液中的电绝缘高温热塑性聚合物和填充物粉末的电绝缘涂层配方是已知方法，其导致外观无光泽的涂层表面纹理。这在随后沉积的电阻膜和导电厚膜的改善的粘附方面是有利的。然而，当在预制备的热塑性膜上沉积所述膜时，能获得电阻膜和导电厚膜的更好的厚度均匀性以及由此产生的电可靠性。此外，后面的改善提供了显著改善的表面质量，能根据改善的镜面反射系数和降低的漫反射率将其定量。因此，根据本发明实施方案制备的加热元件的该区别特征提供了具有优异的装饰外观的产品。
现在使用下列非限制性实例说明本发明。应当理解，用于制备加热器元件的这些实例和处理条件仅出于说明的目的而不意图限制本发明的范围。例如，用于制备各个不同层所使用的基板、组分将决定处理温度但应当理解基板材料、热塑性聚合物、填充物材料、电阻式加热器层组成的变化可能伴随不同的处理温度和其它条件。
实施例
实施例1
在铝基板上的层压电介质上印刷的加热器元件
将铝基板喷砂达到1μm的RA并使用标准脱脂技术脱脂以去除所有油脂和表面杂质的痕迹。在10N/cm2的均匀压力和400°C的温度下，在压力机中将包含约20wt%矿物颗粒的125μm厚填充的PEEK膜层压至基板，持续足够的时间以使涂层熔融弯曲。通过丝网印刷诸如Parmod DAA100的银导体浆料将加热器的导电电路应用于层压膜表面并在400°C的温度下处理。使用由石墨制成的复合溶胶凝胶电阻浆料在导体上丝网印刷电阻轨并在400°C下热处理。在10N/cm2的均匀压力和400°C的温度下，在压力机中，在加热器电路上部层压包含约20wt%矿物颗粒的25μm厚填充的PEEK膜。
实施例2
在铝基板上层压的加热器元件
通过首先丝网印刷诸如Parmod DAA100的银导体浆料而在包含约20wt%矿物颗粒的125um厚填充的PEEK膜上沉积加热器的导电电路。在温度250°C下处理导体。使用由石墨制成的复合溶胶凝胶电阻浆料在导体上丝网印刷电阻轨道并在250°C下热处理。通过喷砂处理表面制备铝基板达到1μm的表面光洁度(RA)并使用标准脱脂技术脱脂以去除所有油脂和表面杂质的痕迹。在约5N/cm2的均匀压力下，在压力机中将加热器膜层压至制备的基板。在10N/cm2的均匀压力和400°C的温度下，在压力机中在加热器电路上部层压包含约20wt%矿物颗粒的25μm厚填充的PEEK膜。
实施例3
在铝基板上的包含溶胶凝胶复合粘合层的层压电介质上
印刷的加热器元件
除了在铝基板上沉积和固化粘合层并将热塑性膜随后层压至涂覆基板的粘合层表面上之外，按照实施例1制备加热器元件(参见图3)。粘合层由包含3μm的氧化铝粉末的二氧化硅溶胶凝胶配方组成，将其喷雾-沉积在铝基板上，在90°C下的干燥炉中干燥并在400°C下的熔炉中烧制。
实施例4
在层压至铝基板上的热塑性电介质膜的云母纸粘合层上印刷的加热器元件
除了在层压热塑性膜与铝基板的过程中包括云母纸粘合层使得云母纸层压至热塑性膜的一个表面而铝基板层压至热塑性膜的另一表面之外，按照实施例1制备加热器元件(参见图4)。
如本文使用的，术语“包含(comprises)”、“包含(comprising)”、“包括(including)”和“包括(includes)”应理解为包括在内和开放式的，而非排除式的。具体地，当用于本包括权利要求在内的说明书时，术语“包含(comprises)”和“包含(comprising)”及其变型是指包括具体的特征、步骤或组分。这些术语不应理解为排除其它特征、步骤或组分的存在。
提供前述本发明优选实施方案的描述以说明本发明的原理而非限制本发明于所例示的特定实施方案。其意图通过下列权利要求及其等同物范围内所包括的所有实施方案来限定本发明的范围。

Claims (22)

1.在基板上生产加热元件的方法，其包括以下步骤：
提供包含高温熔融流动的热塑性聚合物的电绝缘膜；
将所述电绝缘膜熔融粘合至所述基板的表面上；以及
将电阻膜沉积到至少部分所述电绝缘膜上；
其中所述基板的熔融温度大于使所述电绝缘膜熔融粘合时所使用的温度。
2.如权利要求1所述的方法，其中使所述电绝缘膜熔融粘合的步骤包括如下步骤：
放置所述电绝缘膜与所述表面接触；以及
加热所述电绝缘膜以使所述绝缘膜熔融。
3.如权利要求1或2所述的方法，其还包括当使所述电阻膜熔融粘合时施加压力的步骤。
4.如权利要求1或2所述的方法，其中所述使所述电绝缘膜熔融粘合的步骤包括层压过程，所述层压过程选自膜层压和卷对卷层压。
5.如权利要求1至4中任一权利要求所述的方法，其中在所述熔融粘合步骤过程中将所述电绝缘膜加热至约300摄氏度-450摄氏度的温度。
6.如权利要求1至5中任一权利要求所述的方法，其中所述基板包含选自铝、铝合金、铜、铜合金以及铁素体和奥氏体等级的不锈钢的材料。
7.如权利要求1至6中任一权利要求所述的方法，其中所述使所述电阻膜沉积的步骤包括以下步骤：
沉积包含导电粉末的溶胶凝胶配方；以及
在高温下烧制所述溶胶凝胶配方。
8.如权利要求1至7中任一权利要求所述的方法，其还包括将包含两个或多个导电轨的导电膜沉积到至少部分所述电阻膜上的步骤。
9.如权利要求1至7中任一权利要求所述的方法，其还包括在沉积所述电阻膜之前将包含两个或多个导电轨的导电膜沉积到至少部分所述电绝缘膜上的步骤。
10.如权利要求1至9中任一权利要求所述的方法，其还包括将保护表面涂层沉积或者层压到至少部分所述加热元件上。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述表面涂层选自陶瓷、玻璃和高温聚合物。
12.如权利要求1至11中任一权利要求所述的方法，其还包括将热传感器粘附于所述电绝缘膜的第一部分的步骤，其中当进行沉积所述电阻膜的步骤时，将所述电阻膜沉积在所述电绝缘膜的第二部分上。
13.如权利要求1至11中任一权利要求所述的方法，其还包括将热传感器沉积到包含高温熔融流动的热塑性塑料的附加膜上的步骤，并将所述附加膜熔融粘合到所述加热元件的上表面上。
14.如权利要求1至13中任一权利要求所述的方法，其中所述热塑性塑料包括聚苯硫醚(PPS)、聚邻苯二甲酰胺(PPA)、聚芳基酰胺(PARA)、液晶聚合物(LCP)、聚砜(PS或PSU)、聚醚砜(PES)、聚苯砜(PPSU)、聚酰胺-酰亚胺(PAI)、聚酰亚胺(PI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、聚醚酮酮(PEKK)中的一种及其任意组合。
15.如权利要求1至14中任一权利要求所述的方法，其中所述绝缘膜还包含填充物材料。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述填充物材料选自陶瓷、矿物、玻璃、高温聚合物颗粒及其组合。
17.如权利要求1至16中任一权利要求所述的方法，其中在所述熔融粘合步骤之前进行所述沉积所述电阻膜的步骤。
18.如权利要求17所述的方法，其还包括在所述熔融粘合步骤之前将所述电阻膜进行热处理的步骤，其中在小于所述电绝缘膜的熔融流动温度的温度下进行所述将所述电阻膜进行热处理的步骤。
19.如权利要求1至18中任一权利要求所述的方法，其还包括在所述使所述电绝缘膜熔融粘合的步骤之前将粘合层沉积到所述基板上的步骤。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述粘合层包括熔融粘合的高温热塑性塑料和云母纸中的一种。
21.如权利要求1至19中任一权利要求所述的方法，其还包括在所述沉积所述电阻膜的步骤之前将粘附层沉积到所述电绝缘膜上的步骤。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述粘附层包括熔融粘合的高温热塑性塑料和云母纸中的一种。
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