專利名稱：一種高發射率遠紅外柔性面發熱元件的制作方法
技術領域：
本發明涉及紡織、復合材料、電熱技術領域，具體地說涉及一種高發射率遠紅外柔性面發熱元件。
背景技術：
碳纖維及其它含碳材料均具有遠紅外發熱功能，特別是在對人體健康有益的8-14um光譜區發射率更高。因此，人們紛紛用它作遠紅外發熱制品。目前已有的柔性遠紅外面發熱器件有以下幾種一是將碳纖維表層用硅枸膠絕緣包復或用編織線包復絕緣，然后將線折疊繞成面狀發熱體，如中國專利01270075.4；第二種是利用碳纖維制成紙或無紡布，然后用織物或硅枸膠兩面絕緣制成面發熱體，如中國專利03157521.8；第三種是將超細碳粉與膠粘劑混合制成導電涂料或導電油墨，然后用涂層或印刷的方法在織物或塑料膜上制成面發熱體，如中國專利CN1675721；第四種是用碳纖維布制成發熱體，如CN2324745Y。以上這些面發熱體的制作方法和產品很多，但是在將這些產品推向市場，進入實際使用的過程中就暴露出以下不足之處1)低電壓工作區，這類發熱體多采用電池類移動電源，電池希望發熱元件具有高的遠紅外發射率和熱轉換率，這樣才能減小電池體積和重量，提高電池的使用壽命；2)柔性面發熱體的性能和質量的穩定性尚有不足之處，例如發熱電阻值不穩定，當柔性發熱元件使用一段時間之后，或者受到工作負荷之后，發熱體原設計的阻值變化導致發熱功率減小或增大；3)用于服裝類紡織品的發熱元件都有柔軟性，透氣性等舒適性能要求。
前面列舉的發熱元件在不同程度都有此類問題。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在于提供一種遠紅外發射率高的柔性面發熱元件，以解決現有技術中的缺陷。
為實現上述目的，本發明采取以下方案本發明首先提供了一種遠紅外發射率高的柔性面發熱元件，該發熱元件包括導熱絕緣布層、熱熔膠網膜A、電極、發熱體、熱熔膠網膜B、隔熱絕緣層，各部分以膠合和/或縫制的方式結合為一整體。見附圖1其中所述的發熱體為功能性碳纖維布，所述的功能性碳纖維布外觀厚度薄，經緯紗細而密，質地柔軟，其性能如下經緯紗細度 20-30TEX經緯紗密度 18-20根/厘米織物厚度 0.15-0.20mm織物重量 80-110g/m2含碳量 大于99％電阻率 6-100m·Ω.cm經向抗拉強度 20-25N/50mm本發明所述的功能性碳纖維布其特征在于它與普通碳纖維布制造工藝不同，它是先紡織再碳化(普通碳纖維布是先碳化再紡織)，它是通過如下步驟制備而成的PAN纖維原絲經預氧化處理、切短、短纖紡紗、織造、碳化處理和石墨化處理制備而成。
本發明所述的功能性碳纖維布與其它遠紅外發熱體相比，具有以下特點1)功能性碳纖維布含碳在99％以上，石墨化程度高，導電率高，有利于增大發熱面積，制成低電壓大功率發熱元件，也提高了它的遠紅外發射率；2)功能性碳纖維布是先織好布再碳化，經緯紗保持在碳化前交織時的卷曲狀態，織物受力時經緯紗之間不易松動，因此發熱電阻值穩定；此外，發熱體是均一的碳相結構，比多相結構的發熱體(如碳紙)耐熱沖擊，不會因兩相膨脹系數之差異形成內應力，影響壽命和穩定性；3)功能性碳纖維布是短纖維紡成的高支紗線織成的薄型織物，它的強度和模量均低。模量低性能柔軟，正是柔性發熱元件所需的；但織物的交織點多，孔隙率大，比表面積大，有很好的粘結復合性能。容易用增強織物復合改善強度低的弱點。
本發明所述的發熱元件中的導熱絕緣布層，是指發熱體與受熱體之間的絕緣層，它除絕緣功能外，尚要兼備對功能性碳纖維布的增強功能，傳熱功能以及柔軟性、透氣性、阻燃性等，本發明所述的導熱絕緣布是以滌綸、丙綸、錦綸紗為原料的機織平紋布，經緯紗密度與功能性碳纖維布相近(18-20根/厘米)，并經過阻燃處理。
本發明所述的發熱元件中的電極材料是一種新型金屬絲布，它以滌綸或尼龍絲為基材，用化學鍍或電沉積工藝鍍銅或銀，表層形成0.2-1μm鍍銅或鍍銀導電層的紗線，用它織成的布性能如下
本發明所述的發熱元件中的電極材料與發熱體之間的連接是用導電紗線縫紉連接。這種面同面接觸的柔性連接方式，改善了電極發熱和電極壽命短的缺陷，同時也不影響發熱元件的柔軟性。發明人注意到用金屬絲(或絲束)作電極時，因按觸面積小，按觸電阻大而引起電極發熱的現象；用銅箔使用導電膠與發熱體剛性膠在一起時，因膨脹系數差異大導致膠層裂開，致使發熱元件壽命短的現象。
本發明所述的發熱元件中的熱熔膠網膜A、B的材料是熔點較高的聚氨酯或聚酰胺類熱熔膠，但在該熱熔膠的配方組分中加入了2-8％重量百分比的超細遠紅外無機陶瓷粉(如氧化鋯、三氧化二釔、氧化鋁等)，用噴熔紡設備加工成網膜，性能如下網膜厚度0.05-0.10mm單位面積重量15-20g/m2軟化點 110℃粘接剝離強度4-6N/cm本發明所述的發熱元件中的隔熱絕緣層的材料為保暖性能好的機織物或無紡布。
本發明還提供了制備上述發熱元件的方法，該方法包括如下步驟A、根據發熱功率、發熱面積、電源電壓確定發熱體的阻值和電路圖，并進一步定出發熱體和電極的具體尺寸；B、用導電線通過縫紉方法將電極金屬布固定在發熱的功能碳布上；C、按以下順序導熱絕緣布層、熱熔膠網膜A、電極、發熱體、熱熔膠網膜B、隔熱絕緣層進行鋪層，并用電燙斗將其固定；D、將C制成體在輥壓復合機上進行熱壓復合；
E、用銅套管將電極金屬布與引出導線連接，并用絕緣膠固定。
本發明所提供的一種高發射率遠紅外柔性面發熱元件具有如下優點遠紅外發射率高，經中科院技術物理研究所檢測發現，發熱元件在8-14u光譜區法向發射率，高達0.910-0.962。
發熱元件質量可靠性提高，發熱電阻值穩定，電極區域的發熱溫度比發熱體溫度低；本發明所制備的發熱元件，柔軟、透氣，更能滿足紡織制品的需求。其性能如下項目 性能工作電壓 1.2-36V發熱功率 0.05-100W長期工作溫度 低于90℃遠紅外發射率 0.91-0.96發熱阻值穩定范圍 小于6％絕緣電阻 大于1012本發明未公開部份為本領域技術人員根據現有技術和常規可以重復實現。
圖1遠紅外柔性發熱元件剖面結構圖其中1、導熱絕緣布；2、熱熔膠網膜A；3、電極；4、發熱體；5、熱熔膠網膜B；6、隔熱絕緣層。
圖2含有柔性發熱元件的背心；圖3背心的電極連接圖
具體實施例方式
實例1 柔性發熱元件的制作1)用PAN基預氧化絲切短至長度20-30mm短纖維，經紡制成20-30TEX的紗線后，織成經緯紗密度為18-20根/厘米的平紋細布，將這種予氧化絲布在1200℃碳化處理，再經2600℃石墨化處理，制得功能性碳纖維發熱布。該布單位面積重80-110克/米2、含碳率高于99％，電阻值為6-100m·Ω.cm。
2)根據發熱面積、發熱功率、電源電壓等設計要素選擇發熱碳布的電阻值，分布狀態(串聯或并聯)及形狀大小，在這個基礎上確定電極安放位置以及電極的尺寸，然后用金屬線將電極金屬絲布縫在碳布表面。
3)按以下順序導熱絕緣布層、熱熔膠網膜A、電極、發熱體、熱熔膠網膜B、隔熱絕緣層進行鋪層。為保護電極不受氧化，電極和絕緣層之間可多鋪一層熱熔膠網膜，最后用電燙斗將其固定。
4)將3)制成體在輥壓復合機上進行熱壓復合，復合工藝熱輥溫度控制在180-210℃，加壓壓力在1.5-2.5MPa。
5)用銅套管將電極金屬布與引出導線連接，并用絕緣膠固定。
實例2 柔性發熱元件用于背心用實例1的方法制作5片遠紅外發熱片，每片發熱面積5公分寬、15公分長，電阻值1.9-2.1歐姆，用縫線固定在人體肩、背、腰的部位(如圖2)發熱片間用軟導線串聯，如圖3通過雙向開關同7.4V的鋰電池連接，當電源接通時，只有腰部、肩部4片加熱片發熱，衣服升溫快，當感覺溫高時，撥動拔動開關，第5片(背部)發熱片參與工作，電阻增加，電流減小，進入節電穩定工作狀態。
實例3 柔性發熱元件應用于電熱襪用實例1的方法制作2片遠紅外發熱片，其中一片用于腳趾部位，發熱面積2公分寬，8公分長，電阻值1.5-2歐姆，另一片用于腳心部位，發熱面積4公分寬，5公分長，電阻值1.5-2歐姆，用PU熱熔膠將上述發熱片固定并串聯在一起，兩端用軟導線與固及于足頸處的3,7V鋰電池連接。
實例4 柔性發熱元件應用于墊敷護膝用實例1的方法制作發熱面積6*9厘米2發熱片，發熱電阻3.5-4歐姆，用縫線分幾點固足定在有彈性的護膝上，用導線同一節3.7V鋰電池連接，電池用專用電池盒固足在護膝上。
實例5 柔性發熱元件應用於頸椎熱敷墊用實例1的方法制作發熱面積6*9厘米2發熱片，發熱電阻3.5-4歐姆用縫線分幾點固足定在有彈性的底布上，用導線同接插口相連，3.7V鋰電池置于上衣袋中，電池用導線連接插頭，運用時，電池插頭插入插口即可。
實例6 柔性發熱元件應用于口罩用實例1的方法制作發熱片，表里兩層絕緣織物應采問用經緯密較低的織物，要求更高的柔軟性和透氣性，發熱面積6*10厘米2發熱片置於口罩夾層中用導線同接插口相連，3.7V鋰電池置於上衣袋中，電池用導線連接插頭，運用時，電池插頭插入插口即可。
實例7 柔性發熱元件應用于遠紅外多功能電熱毯用實例1的方法制作發熱片，碳纖布為10塊面積15×45厘米2發熱片，將其分成2組，每組5片，將5塊碳纖布用電極布將它們串聯，然后兩組并連，控制發熱電阻在8-10歐姆，采用24V的直流電源。制成180×50厘米的柔性發熱墊。可置入各種用途的電熱毯套中使用。
權利要求
1.一種高發射率遠紅外柔性面發熱元件，其特征在于該發熱元件包括導熱絕緣布層、熱熔膠網膜A、電極、發熱體、熱熔膠網膜B、隔熱絕緣層，各部分以膠合和/或縫制的方式結合為一整體。
2.根據權利要求1所述的發熱元件，其特征在于所述的發熱體為功能性碳纖維布，所述的碳纖維布性能如下經緯紗細度20-30TEX經緯紗密度18-20根/厘米織物厚度 0.15-0.20mm織物重量 80-110g/m2含碳量大于99％電阻率6-100m·Ω.cm經向抗拉強度 20-25N/50mm。
3.根據權利要求2所述的發熱元件，其特征在于所述的功能性碳纖維布是通過如下步驟制備而成的PAN纖維原絲經預氧化處理、切短、短纖紡紗、織造、碳化處理和石墨化處理制備而成。
4.根據權利要求1所述的發熱元件，其特征在于所述的導熱絕緣布層為以滌綸、丙綸或錦綸紗為原料的機織平紋布，其經緯紗密度為18-20根/厘米，并經過阻燃處理。
5.根據權利要求1所述的發熱元件，其特征在于所述的電極材料是以滌綸或尼龍絲為基材，表層形成0.2-1μm鍍銅或鍍銀導電層的紗線，導電布的性能為經緯紗細度 12TEX經緯紗密度 22根/厘米織物厚度 0.08Mm織物重量 120g/m2單紗單位長度電阻 20Ω/M電阻率 2-6m·Ω.cm經向抗拉強度 40N/50mm。
6.根據權利要求1所述的發熱元件，其特征在于所述的熱熔膠網膜A和熱熔膠網膜B中的熱熔膠中，含有2-8％重量百分比的遠紅外無機陶瓷粉。
7.根據權利要求6所述的發熱元件，其特征在于所述熱熔膠網膜A和熱熔膠網膜B的性能如下網膜厚度0.05-0.10mm單位面積重量15-20g/m2軟化點 110℃粘接剝離強度4-6N/cm。
8.根據權利要求1所述的發熱元件，其特征在于發熱體和電極之間的連接是通過導電紗線連接而成。
9.一種制備權利要求1-8任一項所述發熱元件的方法，其特征在于該方法包括如下步驟A、根據發熱功率、發熱面積、電源電壓確定發熱體的阻值和電路圖，并進一步定出發熱體和電極的具體尺寸；B、用導電線通過縫紉方法將電極金屬布固定在發熱的功能碳布上；C、按以下順序導熱絕緣布層、熱熔膠網膜A、電極、發熱體、熱熔膠網膜B、隔熱絕緣層進行鋪層，并用電燙斗將其固定；D、將C制成體在輥壓復合機上進行熱壓復合；E、用銅套管將電極金屬布與引出導線連接，并用絕緣膠固定。
全文摘要
本發明公開了一種高發射率遠紅外柔性面發熱元件，該發熱元件包括導熱絕緣布層、熱熔膠網膜A、電極、發熱體、熱熔膠網膜B和隔熱絕緣層，各部分以膠合和/或縫制的方式結合為一整體。同時還公開了該發熱元件主要組成物的制備和性能，以及發熱元件的制備方法；本發明所述的面發熱元件遠紅外發射率高達0.910－0.962，熱效率高、安全、舒適，適合應用於服裝類紡織品。
文檔編號H05B3/14GK101014218SQ20071003693
公開日2007年8月8日 申請日期2007年1月30日 優先權日2007年1月30日
發明者李峻, 李靈炘 申請人:東華大學, 上海依極科技有限公司