專利名稱：復合碳素晶體電熱材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及電熱材料技術，特別涉及一種復合碳素晶體電熱材料及其制備方法。
背景技術：
長期以來，用于加熱取暖的電熱體材料有多種多樣，主要可歸結為金屬絲材料、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熱、散熱、電熱轉換效率高、遠紅外輻射力強以及顯著的節能效果等優越性能，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、尖端科學研究以及其它工農業領域的加熱取暖裝置中。近些年來，碳纖維材料在民用采暖設備中也已有開發應用。但是，實踐證明，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，如在長時間的高溫工作狀態中，電阻值不夠穩定，導致工作壽命不長；產品生產、使用過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用。
發明內容
本發明針對上述存在的不足之外，提出了一種復合碳素晶體電熱材料，目的在于通過在碳纖維中加入其它有效成份，實現對單純碳纖維進行理化改性，以提高其用作于加熱取暖電熱材料的品質。
本發明的技術解決方案本發明的復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％重量比的混合的遠紅外發射劑、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整劑、由成分為2-羥基-4-正辛氧基二苯酮(CYASORB UV-531)的波段穩定劑的混合劑。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；所述的添加劑遠紅外發射劑占總重量的65％，其余兩種之和為35％。
本發明材料的制備方法步驟為(一)對短切碳纖維原料進行預處理，使碳纖維包括過400-500目篩者和纖維長度5-12mm之間者，并選其中2-3種不同長度者進行均勻混合使用，再進行熱處理和破碎處理，熱處理溫度為1000-1500℃，待等碳纖維成絮團狀，再進行破碎處理；(二)按所述重量比例向上述預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)擠壓以上混合物達到0.7-1.0g/cm3的體積密度，并通過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境中以500-2500℃分段高溫燒結，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，并保持焙燒時間5-15小時，最佳為10小時，便制得成品的復合碳素晶體電熱材料。
本發明的有益效果(一)本發明采用短切碳纖維、樹脂、增塑劑、石墨粉末等復合成碳素晶體，還添加了遠紅外輻射材料，故能在外界一定的激勵條件下，引起分子和原子的共振，加劇發熱材料電子的布朗運動，與單一成份的碳纖維材料相比，明顯提高了發熱量，使電熱交換率更高，節能效果也更好；(二)本發明使用樹脂作介質、使碳纖維具有良好的分散性，并可構成堅固的網絡結構，以致機械強度高，剛性更好；而且電阻值穩定均勻，溫度上升恒定均衡，工作壽命長溫跨范圍也較大，可滿足中、高溫不同場合的使用要求；其產品功率在批量生產中易于控制。
(三)本發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、復雜片狀、線狀形態或者是各種異型的復合碳素晶體發熱元件，使之具有使用上的靈活性。
(四)本發明方法的碳纖維經過熱處理和擠壓成形物的高溫燒結，使復合碳素晶體作為發熱體時，其發熱時的電阻值與室溫時的電阻值變化率幾乎為零，故能保證復合碳素晶體在長時間的高溫工作狀態中，電阻穩定、功率穩定、壽命長。
(五)本發明由于使用波段調整劑、波段穩定劑，使復合碳素晶體發熱元件能發出光波集中在6-15um區間、對人體有益的遠紅外線，使之具有理療功能。
具體實施例方式
實施例1(一)取瀝青基碳纖維，將碳纖維過400目篩者和纖維長度為5、12mm者進行均勻混合，重量為20公斤，然后對該原料進行熱處理，溫度控制在1200℃，待等碳纖維成絮團狀，再進行破碎處理，使碳纖維體積密度為0.01-0.03g/cm3，纖維長度為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、遠紅外發射劑6.5公斤，波段調整劑、波段穩定劑共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進行壓縮，使體積密度為0.7g/cm3，并蓋以石墨壓板進行壓縮，再以改變擠壓成形設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)將已壓制成形的復合碳素晶體制品在氮氣環境中高溫焙燒，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，并保持焙燒時間11小時，便獲得本發明產品復合碳素晶體電熱材料。
實施例2(一)取聚丙烯腈基碳纖維，將碳纖維過450目篩者和纖維長度為6、8mm者進行均勻混合，重量為30公斤，然后對該原料進行熱處理，溫度控制在1500℃，待等碳纖維成絮團狀，再進行破碎處理，使碳纖維測得體積密度為0.01-0.03g/cm3，纖維長度為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、遠紅外發射劑10公斤，波段調整劑、波段穩定劑共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進行壓縮，使體積密度為0.85g/cm3，并蓋以石墨壓板進行壓縮，再以改變擠壓成形設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)將已壓制成形的復合碳素晶體制品在氮氣環境中高溫焙燒，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，并保持焙燒時間12小時便獲得本發明產品復合碳素晶體電熱材料。
實施例3(一)取粘膠基碳纖維，將碳纖維過500目篩者和纖維長度為5、12mm者進行均勻混合、重量為25公斤，然后對該原料進行熱處理，溫度控制在1300℃，待等碳纖維成絮團狀，再進行破碎處理，使碳纖維測得體積密度為0.01-0.03g/cm3，纖維長度為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、遠紅外發射劑13公斤，波段調整劑、波段穩定劑共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進行壓縮，使體積密度為1.0g/cm3，并蓋以石墨壓板進行壓縮，再以改變擠壓成形設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)將已壓制成形的復合碳素晶體制品在真空環境中高溫焙燒，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，，并保持焙燒時間10小時，便獲得本發明產品復合碳素晶體電熱材料。
本發明如選擇所述范圍內不同短切碳纖維進行預處理，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間，則可從多個實施例獲得本發明產品。
權利要求
1.一種復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紅外發射劑的添加劑組成，各組分的重量百分比依次為20-30∶30-40∶10-15∶30-40∶10-20。
2.根據權利要求1所述的復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，其中以符合抗張強度400-900kg/cm2的高彈性碳纖維為好。
3.根據權利要求1所述的復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)、環氧丙烯酸樹脂、氯化聚酯丙烯酸樹脂中的3-5種；
4.根據權利要求1所述的復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；所述的添加劑為遠紅外發射劑、波段調整劑、波段穩定劑的混合物，其中，遠紅外發射劑由鋯和二氧化鈦各按50％重量比混合而成、波段調整劑為三氧化鎢、氧化硅和氧化鋁按1∶2∶1重量比的混合物、波段穩定劑為2-羥基-4-正辛氧基二苯酮。
5.根據權利要求1或4所述的復合碳素晶體電熱材料，其特征在于；所述的遠紅外發射劑占添加劑總量的65％，其余兩者之和為35％。
6.根據權利要求1所述的復合碳素晶體電熱材料，其特征在于所述短切碳纖維包括過400-500目篩者和纖維長度5-12mm之間者，并選其中2-3種不同長度者。
7.一種制備如權利要求1所述的復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)對碳纖維原料進行短切預處理、熱處理和破碎處理；(二)按所述重量比向上述預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)擠壓以上混合物達到一定的體積密度，并通過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境中分段高溫燒結，保持焙燒時間，便制得成品的復合碳素晶體電熱材料。
8.根據權利要求7所述的一種制備復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狀再進行，使測得體積密度為0.01-0.03g/cm3，纖維長度為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境中是以常溫-2500℃之間分段高溫燒結，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，并保持焙燒時間5-15小時，便制得成品的復合碳素晶體電熱材料。
9.根據權利要求7或8所述的一種制備復合碳素晶體電熱材料的方法，其特征在于所述的分段高溫燒結，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，并保持焙燒時間最佳為10小時。
全文摘要
本發明提供了一種復合碳素晶體電熱材料及其制備方法。該復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。本發明方法步驟首先對短切碳纖維原料進行纖維長度預處理，再進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境中，保持一定的升溫速度、升溫時間、高溫焙燒，便制得發熱量、電熱交換率高，節能效果好，機械強度大，工作壽命長的高品質復合碳素晶體電熱材料。其溫跨范圍大，并可制成形態各異的復合碳素晶體發熱元件，供各類加熱取暖裝置靈活應用。
文檔編號H05B3/14GK101083851SQ20071002478
公開日2007年12月5日 申請日期2007年7月2日 優先權日2007年7月2日
發明者方燦榆 申請人:江蘇貝萊爾電氣有限公司