一种远红外辐射电热片及其制备方法
技术领域
本发明涉及电加热装置及其制备方法。
背景技术
传统的远红外发热元件一般采用金属电阻丝、合金丝、PTC电热膜等加热元件,金属、合金或电热膜的发热元件都为金属元素、氧化物等,其通电发热时,通过对流或传导方式进行热传递,发热效率较低,使用寿命短。
以碳为主体的发热元件,如碳纤维发热元件,其主要的电热转换为远红外辐射传热,热效率很高,有效热效率超过了95%,因此国内外开发了以碳纤维为发热元件的各种电加热装置。如中国专利00123999.6公开了一种碳纤维远红外电热板,其发热体采用导电碳纤维层;中国专利96122545.9公开了一种远红外辐射体,以及中国专利CN 1062408C,CN 1209719A,CN 2355648Y等其主体材料也是碳纤维。日本专利特公昭51-3098号,特开昭60-107288号,特开昭62-281293号,美国专利第5,459,327号等,利用碳纤维及有机化合物辐射远红外辐射线的加热体,但一般以树脂作为绝缘层,形成刚性或半刚性的发热片或板,且使用的电压为220V或110V。在作为柔性或软体发热元件使用,或使用安全电压或充电电池使用时,则存在明显的缺点。中国专利01270075.4公开了一种穿戴用品的发热装置,其发热材料是采用耐热绝缘层包覆的细密碳纤维,通过在片状物上弯曲缠绕发热线,实际中难以控制发热装置的电阻稳定性,容易引起发热元件的打火或者发热部分过热,且存在加工成本高等缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种电加热装置及其制备方法,具体地说,是一种安全健康的远红外辐射电热片及其制备方法。本发明基于碳纤维的导电性和远红外辐射性能,克服现有加热元件技术使用安全性的不足,提供一种具有柔性和软体结构、高热效率、远红外辐射发热、长使用寿命、低成本加工的新型电热装置。
为实现上述目的,本发明采取以下方案:本发明所述的远红外辐射电热片包括远红外布层、上下基布层、碳纤维发热层、加强纺粘布层、电极及电源;碳纤维发热层为按设计的单元电阻的串并联组合的面发热体,其它为不发热部分;各部分以缝制和/或压合方式组合为一整体。
所述的碳纤维发热层是以碳材料组成的碳纤维毡、碳纤维布、碳纤维丝、石墨纤维毡、石墨纤维布、碳纤维纸之一或其组合。
上下基布层的材料是天然或化学纤维布、毡、毯、无纺纸之一或其组合。上下基布层的材料还可以是塑料、纤维和/或橡胶的薄膜、布、片材之一或其组合。
所述的远红外布层的材料为含远红外陶瓷粉的纤维布、远红外陶瓷粉涂层布层之一或其组合。
所述的加强纺粘布层的材料为纺粘无纺布、无纺纤维网布之一种或其组合。
所述的电极由镀锡或镀银的铜丝束、片之一或其组合。这些束和片编排成多股线束和/或网格。
所述的电源为充电和/或干电池、0-54V的安全电压调压器、0-54V的电瓶。
以上所述远红外辐射电热片的制备方法,包括下列工艺步骤:
a.根据所设计电热片的使用电压和发热功率,确定碳纤维发热层单元电阻的几何尺寸,裁剪、制备发热元件,并设计串并联的结构和电路图;
b.将镀锡或镀银的铜丝束和/或片编排成直形或S形的多股线束和/或网格,用缝制和/或压合方法预成型在加强纺粘布层上,留出与电源连接的电极引线,再与电源的接线端子或插孔卡接为一体,且接头放置在电热片内;
c.按步骤a设计的线路,确定电极的串并联方式,用步骤b制备的电极铺设在碳纤维发热层上,再将加强纺粘布层用缝制和/或压合方法成型碳纤维发热层和电极组合面层;
d.从下至上依次铺放上基布层、碳纤维发热层和电极组合面层、远红外布层、下基布层,通过设计缝线的针距、纵横缝线的间距来调整和保证电热片的电阻,用缝制方法制备出碳材料作为加热元件的远红外辐射电热片。
本发明的优点是:
1.柔软;2.安全健康;3.采用碳纤维材料,远红外健康保健;4.加工简单,质量可靠等。
附图说明
图1为本发明的碳纤维加热片采用镍-镉充电电池加热的使用效果图
图2为本发明的碳纤维加热片用于汽车坐垫的使用效果图
图3为本发明的碳纤维发热片的远红外辐射对辐射能谱曲线图
具体实施方式
实施例1
实验选取的碳纤维导电纸为用长度为6mm的短切碳纤维制造的纯碳纸,将20克/平方米的碳纤维导电纸裁取成尺寸为50mm×360mm的两片,其电热垫的串并联设计采用两片碳纤维纸串联的方式。选用直径为Φ0.05mm镀锡铜线6根加捻为一股,按每股间隔1mm的间距将6股镀锡铜线编排成S形的多股线束,用压合方法预成型在加强纺粘布层上,留出与电源连接的电极引线,再与电源的插孔卡接为一体,且接头放置在电热片内。基布层采用克重为70克/平方米的化学纤维毡,远红外布采用含有远红外陶瓷粉涂层的布料,从下至上依次铺放下基布层、碳纤维发热层和电极组合面层、远红外布层、上基布层,通过设计缝线的针距(本实施例为0.3mm)、纵横缝线的间距(本实施例为0.5mm)来调整和保证电热片的电阻,在本实施例的设计尺寸下的发热片的电阻为1.6Ω。在3.6V的安全电压下测试,测温时,电热片上下各加两片厚度为0.5mm的毡毯,其碳纤维发热片的温升结果如下表1示:
表1 实施例1制造的碳纤维电热片的加热实验数据
加热时间(分钟) | 电压、电流及功率 | 表面温度 | 加热时间(分钟) | 电压、电流及功率 | 表面温度 |
0 | 3.6V,2.0A,7.2W | 27℃ | 0 | 4.1V,2.2A,9W | 27℃ |
5 | 3.6V,2.0A,7.2W | 32℃ | 20 | 4.1V,2.2A,9W | 47℃ |
30 | 3.6V,2.0A,7.2W | 45℃ | 50 | 4.1V,2.2A,9W | 51℃ |
60 | 3.6V,2.0A,7.2W | 47℃ | 75 | 4.1V,2.2A,9W | 56℃ |
240 | 3.6V,2.0A,7.2W | 47℃ | 200 | 4.1V,2.2A,9W | 58℃ |
360 | 3.6V,2.0A,7.2W | 47℃ | 300 | 4.1V,2.2A,9W | 59℃ |
720 | 3.6V,2.0A,7.2W | 47℃ | 720 | 4.1V,2.2A,9W | 59℃ |
实施例2
将20克/平方米的碳纤维导电纸裁取成尺寸为50mm×260mm的两片,其他同实施例1。
制造的碳纤维电热片的电阻为2.2Ω,在3.6V直流电压下通电,采用VC9805A型常规万用电表的测温热电偶测量发热片处的温度,其测量方法同实施例1,其结果如表2示:
表2 实施例2的碳纤维电热片的发热温度测量
加热时间(分钟) | 电压、电流及功率 | 表面温度 | 加热时间(分钟) | 电压、电流及功率 | 表面温度 |
0 | 3.6V,1.73A,6.2W | 27℃ | 60 | 3.6V,1.71A,6.15W | 50℃ |
5 | 3.6V,1.70A,6.1W | 38℃ | 240 | 3.6V,1.71A,6.15W | 50℃ |
20 | 3.6V,1.73A,6.2W | 45℃ | 480 | 3.6V,1.71A,6.15W | 50℃ |
30 | 3.6V,1.70A,6.1W | 46℃ | 1000 | 3.6V,1.71A,6.15W | 50℃ |
40 | 3.6V.1.71A,6.15W | 49℃ | 2000 | 3.6V,1.71A,6.15W | 50℃ |
实验测试时,采用镍-镉充电电池,额定电压为3.6V,其测试的状态如图1示。实验结果表明:该实施例2设计制造的碳纤维电热片在3.6V可充电电池下,发热部位的发热温度在通电10分钟内可达到50℃,且在两节3.6V,1000mAh的充电电池下(如图1示的电池),其发热温度和连续使用时间的测试结果如表3示。
表3 实施例2的碳纤维电热片的发热温度测量
通电时间(min) | 发热片的发热温度(℃) | 电流(A) |
0 | 27 | 0 |
10 | 46 | 1.75 |
20 | 50 | 1.75 |
30 | 52 | 1.75 |
95 | 43 | 1.62 |
120 | 35 | 1.50 |
150 | 32 | 1.42 |
实施例3:碳纤维电热片用于汽车坐垫
采用实施例1相同规格的碳纤维纸,电极的设计制造方法实施例1。其设计缝线的针距(本实施例为0.3mm)、纵横缝线的间距(本实施例为0.5mm)来调整和保证电热片的电阻,制造的发热片的电阻为3.6Ω,在12V汽车充电电池的加热下,其测试结果如表4。
采用该实施例制造的碳纤维汽车坐垫的使用效果如图2示,实验结果表明:采用该实施例制造的碳纤维电热垫可应用在汽车座椅的加热上,具有广阔的应用前景。
表4 实施例3制造的碳纤维片用于汽车坐垫的使用温度
时间(min) | 电压、电流、功率 | 发热垫表面温度(℃) |
0 | 12V,3.15A,38W | 27 |
5 | 12V,3.15A,38W | 49 |
10 | 12V,3.20A,38W | 58 |
20 | 12V,3.20A,38W | 64 |
30 | 12V,3.20A,38W | 65 |
70 | 12V,3.20A,38W | 70 |
90 | 12V,3.20A,38W | 70 |
360 | 12V,3.20A,38W | 70 |
实施例4
实验采用美国ZOLTEK公司生产的厚度为2mm的碳纤维毡。
采用该碳纤维毡设计的发热片尺寸为600mm×150mm,采用实施例1的电极和缝制方法,得到的碳纤维毡发热毯的电阻为6.5Ω,采用24V,4A的调压器对该加热毯加热,其电热毯的发热功率为90W,具有碳纤维发热材料具有的远红外特征,如图3所示,具有健康保健的功能。可用于安全电压下的碳纤维加热毯的制造,解决了电热毯使用的安全性问题。
实施例5
实施采用的上、下基布层是克重为70克/平方米的热塑性尼龙纤维布,电极采用镀银的铜丝束编排成的网格,网格的宽度为5mm,发热片材料采用石墨纤维布,克重为100克/平方米,其他同实施例1。采用热压合的方式制造碳纤维加热片,压合的温度为尼龙熔点以上20-30℃,压力为5MPa,压制时间为5分钟,随后保压下冷却到40℃时开模,得到以尼龙布作为面基布层的碳纤维发热片,可应用在工业、农业等需要防水或防潮的领域。
实施例6-18
实施例6-18的制备方法与实施例1相同,实施例6-18的所述的远红外辐射电热片的各层结构见下页的表5。
实施例6-18经过适当的设计和尺寸的安排,都可以达到实施例1-5所述的效果。