專利名稱：復(fù)合碳素晶體電熱材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電熱材料技術(shù)，特別涉及一種復(fù)合碳素晶體電熱材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
長(zhǎng)期以來(lái)，用于加熱取暖的電熱體材料有多種多樣，主要可歸結(jié)為金屬絲材料、PTC陶瓷或塑料材料、碳化硅、碳纖維等。其中碳纖維材料，因具有可大面積均勻發(fā)熱、散熱、電熱轉(zhuǎn)換效率高、遠(yuǎn)紅外輻射力強(qiáng)以及顯著的節(jié)能效果等優(yōu)越性能，而成為目前極為推崇的加熱取暖電熱體材料。該碳纖維作為電熱材料被廣泛地用航空航天、尖端科學(xué)研究以及其它工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的加熱取暖裝置中。近些年來(lái)，碳纖維材料在民用采暖設(shè)備中也已有開發(fā)應(yīng)用。但是，實(shí)踐證明，單一成份的碳纖維作為電熱體材料還存在著一定的不足之處，如在長(zhǎng)時(shí)間的高溫工作狀態(tài)中，電阻值不夠穩(wěn)定，導(dǎo)致工作壽命不長(zhǎng)；產(chǎn)品生產(chǎn)、使用過(guò)程中功率又較難控制等。因而，一定程度上影響了碳纖維電熱材料更深層次的推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述存在的不足之外，提出了一種復(fù)合碳素晶體電熱材料，目的在于通過(guò)在碳纖維中加入其它有效成份，實(shí)現(xiàn)對(duì)單純碳纖維進(jìn)行理化改性，以提高其用作于加熱取暖電熱材料的品質(zhì)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案本發(fā)明的復(fù)合碳素晶體材料所含組分為碳纖維、樹脂、增塑劑、石墨和添加劑。所述的碳纖維為短切碳纖維，所述的樹脂主要為聚酰胺樹脂及丙烯腈乙二烯與聚乙烯、聚碳酸脂的混合脂；所述的增塑劑為磷酸、亞磷酸脂類；所述的石墨為粉末狀石墨；所述的添加劑為由鋯和二氧化鈦各按50％重量比的混合的遠(yuǎn)紅外發(fā)射劑、由三氧化鎢、氧化硅和氧化鋁按1∶2∶1重量比的混合物波段調(diào)整劑、由成分為2-羥基-4-正辛氧基二苯酮(CYASORB UV-531)的波段穩(wěn)定劑的混合劑。以上組分的重量百分比依次為20-30∶30-40∶10-15∶30-40∶10-20。又上述短切碳纖維是包括瀝青基碳纖維，聚丙烯腈基碳纖維、粘膠基碳纖維中的一種，其中以符合抗張強(qiáng)度400-900kg/cm2的高彈性碳纖維為好。上述樹脂可選聚酰胺樹脂(尼龍66、尼龍610、尼龍1010)、ABS/PVC、ABS/PC混合脂，聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PPE)、聚丙烯(PP)、丙烯腈乙二烯(ABS)、聚苯乙烯樹脂(PS)、酚醛樹脂(PF)、、聚氟乙烯(PVF)、聚四氟乙烯樹脂(PTFE)、聚礬(PSU)、聚苯醚(PPO)樹脂，聚碳酸酯(PC)、環(huán)氧丙烯酸樹脂、氯化聚酯丙烯酸樹脂中的3-5種；所述的添加劑遠(yuǎn)紅外發(fā)射劑占總重量的65％，其余兩種之和為35％。
本發(fā)明材料的制備方法步驟為(一)對(duì)短切碳纖維原料進(jìn)行預(yù)處理，使碳纖維包括過(guò)400-500目篩者和纖維長(zhǎng)度5-12mm之間者，并選其中2-3種不同長(zhǎng)度者進(jìn)行均勻混合使用，再進(jìn)行熱處理和破碎處理，熱處理溫度為1000-1500℃，待等碳纖維成絮團(tuán)狀，再進(jìn)行破碎處理；(二)按所述重量比例向上述預(yù)處理后的碳纖維中添加3-5種混合樹脂和增塑劑、石墨粉、添加劑，并充分混合；(三)擠壓以上混合物達(dá)到0.7-1.0g/cm3的體積密度，并通過(guò)鑄模擠壓成各種所需要形狀；(四)在干燥的惰性氣體或真空環(huán)境中以500-2500℃分段高溫?zé)Y(jié)，其升溫速度為常溫-1000℃之間為20-150℃/h、最佳為30-60℃/h，1000-2000℃之間為80-250℃/h，最佳為120-220℃/h，2000-2500℃/h之間為90-250℃/h，最佳為150-220℃/h，并保持焙燒時(shí)間5-15小時(shí)，最佳為10小時(shí)，便制得成品的復(fù)合碳素晶體電熱材料。
本發(fā)明的有益效果(一)本發(fā)明采用短切碳纖維、樹脂、增塑劑、石墨粉末等復(fù)合成碳素晶體，還添加了遠(yuǎn)紅外輻射材料，故能在外界一定的激勵(lì)條件下，引起分子和原子的共振，加劇發(fā)熱材料電子的布朗運(yùn)動(dòng)，與單一成份的碳纖維材料相比，明顯提高了發(fā)熱量，使電熱交換率更高，節(jié)能效果也更好；(二)本發(fā)明使用樹脂作介質(zhì)、使碳纖維具有良好的分散性，并可構(gòu)成堅(jiān)固的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以致機(jī)械強(qiáng)度高，剛性更好；而且電阻值穩(wěn)定均勻，溫度上升恒定均衡，工作壽命長(zhǎng)溫跨范圍也較大，可滿足中、高溫不同場(chǎng)合的使用要求；其產(chǎn)品功率在批量生產(chǎn)中易于控制。
(三)本發(fā)明由于配置具有柔性的樹脂和增塑劑成分、故易于壓制成圓桿狀、復(fù)雜片狀、線狀形態(tài)或者是各種異型的復(fù)合碳素晶體發(fā)熱元件，使之具有使用上的靈活性。
(四)本發(fā)明方法的碳纖維經(jīng)過(guò)熱處理和擠壓成形物的高溫?zé)Y(jié)，使復(fù)合碳素晶體作為發(fā)熱體時(shí)，其發(fā)熱時(shí)的電阻值與室溫時(shí)的電阻值變化率幾乎為零，故能保證復(fù)合碳素晶體在長(zhǎng)時(shí)間的高溫工作狀態(tài)中，電阻穩(wěn)定、功率穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)。
(五)本發(fā)明由于使用波段調(diào)整劑、波段穩(wěn)定劑，使復(fù)合碳素晶體發(fā)熱元件能發(fā)出光波集中在6-15um區(qū)間、對(duì)人體有益的遠(yuǎn)紅外線，使之具有理療功能。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1(一)取瀝青基碳纖維，將碳纖維過(guò)400目篩者和纖維長(zhǎng)度為5、12mm者進(jìn)行均勻混合，重量為20公斤，然后對(duì)該原料進(jìn)行熱處理，溫度控制在1200℃，待等碳纖維成絮團(tuán)狀，再進(jìn)行破碎處理，使碳纖維體積密度為0.01-0.03g/cm3，纖維長(zhǎng)度為30-130um，纖維粗度大部分在0.6um以下；(二)在上述碳纖維中加入30公斤的聚酰胺樹脂及丙烯腈乙二烯與聚乙烯、聚碳酸脂的混合脂，10公斤的磷酸脂增塑劑、石墨粉末30公斤、遠(yuǎn)紅外發(fā)射劑6.5公斤，波段調(diào)整劑、波段穩(wěn)定劑共3.5公斤，采用亨氏混合器充分混和；(三)將上述混合物置于石墨坩堝內(nèi)進(jìn)行壓縮，使體積密度為0.7g/cm3，并蓋以石墨壓板進(jìn)行壓縮，再以改變擠壓成形設(shè)備的擠壓部分的鑄模擠壓制成圓桿狀、片狀、線狀或其它各種形狀的制品；(四)將已壓制成形的復(fù)合碳素晶體制品在氮?dú)猸h(huán)境中高溫焙燒，在常溫-500度℃之間以50℃/h逐步升溫，500-1000℃之間以60℃/h逐步升溫，1000-2000℃之間以150℃/h逐步升溫，2000-2500℃之間以180℃/h逐步升溫，并保持焙燒時(shí)間11小時(shí)，便獲得本發(fā)明產(chǎn)品復(fù)合碳素晶體電熱材料。
實(shí)施例2(一)取聚丙烯腈基碳纖維，將碳纖維過(guò)450目篩者和纖維長(zhǎng)度為6、8mm者進(jìn)行均勻混合，重量為30公斤，然后對(duì)該原料進(jìn)行熱處理，溫度控制在1500℃，待等碳纖維成絮團(tuán)狀，再進(jìn)行破碎處理，使碳纖維測(cè)得體積密度為0.01-0.03g/cm3，纖維長(zhǎng)度為30-130um，纖維粗度大部分在0.6um以下；(二)在上述碳纖維中加入40公斤的聚酰胺樹脂及聚四氟乙烯樹脂(PTFE)、聚苯醚(PPO)樹脂的混合脂，15公斤的亞磷酸脂增塑劑、石墨粉末40公斤、遠(yuǎn)紅外發(fā)射劑10公斤，波段調(diào)整劑、波段穩(wěn)定劑共5公斤，采用亨氏混合器充分混和；(三)將上述混合物置于石墨坩堝內(nèi)進(jìn)行壓縮，使體積密度為0.85g/cm3，并蓋以石墨壓板進(jìn)行壓縮，再以改變擠壓成形設(shè)備的擠壓部分的鑄模擠壓制成圓桿狀、片狀、線狀或其它各種形狀的制品；(四)將已壓制成形的復(fù)合碳素晶體制品在氮?dú)猸h(huán)境中高溫焙燒，在常溫-500度℃之間以60℃/h逐步升溫，500-1000℃之間以150℃/h逐步升溫，1000-2000℃之間以200℃/h逐步升溫，在2000-2500℃之間以220℃/h逐步升溫，在2000-2500℃之間以220℃/h逐步升溫，并保持焙燒時(shí)間12小時(shí)便獲得本發(fā)明產(chǎn)品復(fù)合碳素晶體電熱材料。
實(shí)施例3(一)取粘膠基碳纖維，將碳纖維過(guò)500目篩者和纖維長(zhǎng)度為5、12mm者進(jìn)行均勻混合、重量為25公斤，然后對(duì)該原料進(jìn)行熱處理，溫度控制在1300℃，待等碳纖維成絮團(tuán)狀，再進(jìn)行破碎處理，使碳纖維測(cè)得體積密度為0.01-0.03g/cm3，纖維長(zhǎng)度為30-130um，纖維粗度大部分在0.6um以下(二)在上述碳纖維中加入35公斤的聚酰胺樹脂及酚醛樹脂(PF)、聚氟乙烯(PVF)的混合脂，12公斤的磷酸脂增塑劑、石墨粉末35公斤、遠(yuǎn)紅外發(fā)射劑13公斤，波段調(diào)整劑、波段穩(wěn)定劑共7公斤，采用亨氏混合器充分混和；(三)將上述混合物置于石墨坩堝內(nèi)進(jìn)行壓縮，使體積密度為1.0g/cm3，并蓋以石墨壓板進(jìn)行壓縮，再以改變擠壓成形設(shè)備的擠壓部分的鑄模擠壓制成圓桿狀、片狀、線狀或其它各種形狀的制品；(四)將已壓制成形的復(fù)合碳素晶體制品在真空環(huán)境中高溫焙燒，在常溫-500度℃之間以70℃/h逐步升溫，500-1000℃之間以150℃/h逐步升溫，1000-2000℃之間以170℃/h逐步升溫，在2000-2500℃之間以250℃/h逐步升溫，，并保持焙燒時(shí)間10小時(shí)，便獲得本發(fā)明產(chǎn)品復(fù)合碳素晶體電熱材料。
本發(fā)明如選擇所述范圍內(nèi)不同短切碳纖維進(jìn)行預(yù)處理，加之石墨粉組分及不同的樹脂組合，不同的增塑劑和添加劑，各組分以所述范圍內(nèi)的重量比混和，壓制成形，并以所述條件的不同升溫速率和升溫時(shí)間，則可從多個(gè)實(shí)施例獲得本發(fā)明產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合碳素晶體電熱材料，其特征在于它由碳纖維、樹脂、增塑劑、石墨和主要成分為遠(yuǎn)紅外發(fā)射劑的添加劑組成，各組分的重量百分比依次為20-30∶30-40∶10-15∶30-40∶10-20。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合碳素晶體電熱材料，其特征在于所述的碳纖維為短切碳纖維，可以是包括瀝青基碳纖維，聚丙烯腈基碳纖維、粘膠基碳纖維中的一種，其中以符合抗張強(qiáng)度400-900kg/cm2的高彈性碳纖維為好。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合碳素晶體電熱材料，其特征在于所述的樹脂可以是聚酰胺樹脂-尼龍66、尼龍610、尼龍1010、ABS/PVC、ABS/PC混合脂、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PPE)、聚丙烯(PP)、丙烯腈乙二烯(ABS)、聚苯乙烯樹脂(PS)、酚醛樹脂(PF)、、聚氟乙烯(PVF)、聚四氟乙烯樹脂(PTFE)、聚礬(PSU)、聚苯醚(PPO)樹脂，聚碳酸酯(PC)、環(huán)氧丙烯酸樹脂、氯化聚酯丙烯酸樹脂中的3-5種；
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合碳素晶體電熱材料，其特征在于所述的增塑劑為磷酸、亞磷酸脂類；所述的石墨為粉末狀石墨；所述的添加劑為遠(yuǎn)紅外發(fā)射劑、波段調(diào)整劑、波段穩(wěn)定劑的混合物，其中，遠(yuǎn)紅外發(fā)射劑由鋯和二氧化鈦各按50％重量比混合而成、波段調(diào)整劑為三氧化鎢、氧化硅和氧化鋁按1∶2∶1重量比的混合物、波段穩(wěn)定劑為2-羥基-4-正辛氧基二苯酮。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的復(fù)合碳素晶體電熱材料，其特征在于；所述的遠(yuǎn)紅外發(fā)射劑占添加劑總量的65％，其余兩者之和為35％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合碳素晶體電熱材料，其特征在于所述短切碳纖維包括過(guò)400-500目篩者和纖維長(zhǎng)度5-12mm之間者，并選其中2-3種不同長(zhǎng)度者。
7.一種制備如權(quán)利要求1所述的復(fù)合碳素晶體電熱材料的方法，其特征在于它的方法步驟為(一)對(duì)碳纖維原料進(jìn)行短切預(yù)處理、熱處理和破碎處理；(二)按所述重量比向上述預(yù)處理后的碳纖維中添加3-5種混合樹脂和增塑劑、石墨粉、添加劑，并充分混合；(三)擠壓以上混合物達(dá)到一定的體積密度，并通過(guò)鑄模擠壓成各種所需要形狀；(四)在干燥的惰性氣體或真空環(huán)境中分段高溫?zé)Y(jié)，保持焙燒時(shí)間，便制得成品的復(fù)合碳素晶體電熱材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種制備復(fù)合碳素晶體電熱材料的方法，其特征在于所述步驟(一)的熱處理溫度為1000-1500℃；所述破碎處理需等待碳纖維熱處理成絮團(tuán)狀再進(jìn)行，使測(cè)得體積密度為0.01-0.03g/cm3，纖維長(zhǎng)度為30-130um，纖維粗度大部分在0.6um以下；所述步驟(三)擠壓以上的混合物達(dá)到的體積密度為0.7-1.0g/cm3；所述步驟(四)在干燥的惰性氣體或真空環(huán)境中是以常溫-2500℃之間分段高溫?zé)Y(jié)，其分段升溫的速度為常溫-1000℃之間為20-150℃/h，1000-2000℃之間為80-250℃/h，2000-2500℃/h之間為90-250℃/h，并保持焙燒時(shí)間5-15小時(shí)，便制得成品的復(fù)合碳素晶體電熱材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的一種制備復(fù)合碳素晶體電熱材料的方法，其特征在于所述的分段高溫?zé)Y(jié)，其分段升溫的速度為常溫-1000℃之間、最佳為30-60℃/h，1000-2000℃之間、最佳為120-220℃/h，2000-2500℃/h之間、最佳為150-220℃/h，并保持焙燒時(shí)間最佳為10小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種復(fù)合碳素晶體電熱材料及其制備方法。該復(fù)合碳素晶體材料主要由碳纖維、樹脂、增塑劑、石墨和添加劑組成。各組分的重量百分比依次為20－30∶30－40∶10－15∶30－40∶10－20。本發(fā)明方法步驟首先對(duì)短切碳纖維原料進(jìn)行纖維長(zhǎng)度預(yù)處理，再進(jìn)行熱處理和破碎處理，再按所述重量比例將所有組分充分混合，并擠壓以上混合物成各種所需要形狀，在干燥的惰性氣體或真空環(huán)境中，保持一定的升溫速度、升溫時(shí)間、高溫焙燒，便制得發(fā)熱量、電熱交換率高，節(jié)能效果好，機(jī)械強(qiáng)度大，工作壽命長(zhǎng)的高品質(zhì)復(fù)合碳素晶體電熱材料。其溫跨范圍大，并可制成形態(tài)各異的復(fù)合碳素晶體發(fā)熱元件，供各類加熱取暖裝置靈活應(yīng)用。
文檔編號(hào)H05B3/14GK101083851SQ20071002478
公開日2007年12月5日 申請(qǐng)日期2007年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月2日
發(fā)明者方燦榆 申請(qǐng)人:江蘇貝萊爾電氣有限公司