CN101014218A - 一种高发射率远红外柔性面发热元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高发射率远红外柔性面发热元件，该发热元件包括导热绝缘布层、热熔胶网膜A、电极、发热体、热熔胶网膜B和隔热绝缘层，各部分以胶合和/或缝制的方式结合为一整体。同时还公开了该发热元件主要组成物的制备和性能，以及发热元件的制备方法；本发明所述的面发热元件远红外发射率高达0.910－0.962，热效率高、安全、舒适，适合应用於服装类纺织品。

Description

一种高发射率远红外柔性面发热元件

技术领域

本发明涉及纺织、复合材料、电热技术领域，具体地说涉及一种高发射率远红外柔性面发热元件。

背景技术

碳纤维及其它含碳材料均具有远红外发热功能，特别是在对人体健康有益的8-14um光谱区发射率更高。因此，人们纷纷用它作远红外发热制品。目前已有的柔性远红外面发热器件有以下几种：一是将碳纤维表层用硅枸胶绝缘包复或用编织线包复绝缘，然后将线折叠绕成面状发热体，如中国专利01270075.4；第二种是利用碳纤维制成纸或无纺布，然后用织物或硅枸胶两面绝缘制成面发热体，如中国专利03157521.8；第三种是将超细碳粉与胶粘剂混合制成导电涂料或导电油墨，然后用涂层或印刷的方法在织物或塑料膜上制成面发热体，如中国专利CN1675721；第四种是用碳纤维布制成发热体，如CN2324745Y。以上这些面发热体的制作方法和产品很多，但是在将这些产品推向市场，进入实际使用的过程中就暴露出以下不足之处：

1)低电压工作区，这类发热体多采用电池类移动电源，电池希望发热元件具有高的远红外发射率和热转换率，这样才能减小电池体积和重量，提高电池的使用寿命；

2)柔性面发热体的性能和质量的稳定性尚有不足之处，例如发热电阻值不稳定，当柔性发热元件使用一段时间之后，或者受到工作负荷之后，发热体原设计的阻值变化导致发热功率减小或增大；

3)用于服装类纺织品的发热元件都有柔软性，透气性等舒适性能要求。

前面列举的发热元件在不同程度都有此类问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种远红外发射率高的柔性面发热元件，以解决现有技术中的缺陷。

为实现上述目的，本发明采取以下方案：

本发明首先提供了一种远红外发射率高的柔性面发热元件，该发热元件包括：导热绝缘布层、热熔胶网膜A、电极、发热体、热熔胶网膜B、隔热绝缘层，各部分以胶合和/或缝制的方式结合为一整体。见附图1

其中所述的发热体为功能性碳纤维布，所述的功能性碳纤维布外观厚度薄，经纬纱细而密，质地柔软，其性能如下：

经纬纱细度：   20-30TEX

经纬纱密度：   18-20根/厘米

织物厚度：     0.15-0.20mm

织物重量：     80-110g/m²

含碳量：       大于99％

电阻率：       6-100m·Ω.cm

经向抗拉强度： 20-25N/50mm

本发明所述的功能性碳纤维布其特征在于它与普通碳纤维布制造工艺不同，它是先纺织再碳化(普通碳纤维布是先碳化再纺织)，它是通过如下步骤制备而成的：

PAN纤维原丝经预氧化处理、切短、短纤纺纱、织造、碳化处理和石墨化处理制备而成。

本发明所述的功能性碳纤维布与其它远红外发热体相比，具有以下特点：

1)功能性碳纤维布含碳在99％以上，石墨化程度高，导电率高，有利于增大发热面积，制成低电压大功率发热元件，也提高了它的远红外发射率；

2)功能性碳纤维布是先织好布再碳化，经纬纱保持在碳化前交织时的卷曲状态，织物受力时经纬纱之间不易松动，因此发热电阻值稳定；此外，发热体是均一的碳相结构，比多相结构的发热体(如碳纸)耐热冲击，不会因两相膨胀系数之差异形成内应力，影响寿命和稳定性；

3)功能性碳纤维布是短纤维纺成的高支纱线织成的薄型织物，它的强度和模量均低。模量低性能柔软，正是柔性发热元件所需的；但织物的交织点多，孔隙率大，比表面积大，有很好的粘结复合性能。容易用增强织物复合改善强度低的弱点。

本发明所述的发热元件中的导热绝缘布层，是指发热体与受热体之间的绝缘层，它除绝缘功能外，尚要兼备对功能性碳纤维布的增强功能，传热功能以及柔软性、透气性、阻燃性等，本发明所述的导热绝缘布是以涤纶、丙纶、锦纶纱为原料的机织平纹布，经纬纱密度与功能性碳纤维布相近(18-20根/厘米)，并经过阻燃处理。

本发明所述的发热元件中的电极材料是一种新型金属丝布，它以涤纶或尼龙丝为基材，用化学镀或电沉积工艺镀铜或银，表层形成0.2-1μm镀铜或镀银导电层的纱线，用它织成的布性能如下：

经纬纱细度TEX	经纬纱密度根/厘米	织物厚度mm	织物重量g/m2	单纱单位长度电阻Ω/M	电阻率m·Ω.cm	经向抗拉强度N/50mm
							12	22	0.08	120	20	2-6	40

本发明所述的发热元件中的电极材料与发热体之间的连接是用导电纱线缝纫连接。这种面同面接触的柔性连接方式，改善了电极发热和电极寿命短的缺陷，同时也不影响发热元件的柔软性。发明人注意到用金属丝(或丝束)作电极时，因按触面积小，按触电阻大而引起电极发热的现象；用铜箔使用导电胶与发热体刚性胶在一起时，因膨胀系数差异大导致胶层裂开，致使发热元件寿命短的现象。

本发明所述的发热元件中的热熔胶网膜A、B的材料是熔点较高的聚氨酯或聚酰胺类热熔胶，但在该热熔胶的配方组分中加入了2-8％重量百分比的超细远红外无机陶瓷粉(如氧化锆、三氧化二钇、氧化铝等)，用喷熔纺设备加工成网膜，性能如下：

网膜厚度：        0.05-0.10mm

单位面积重量：    15-20g/m²

软化点：          110℃

粘接剥离强度：    4-6N/cm

本发明所述的发热元件中的隔热绝缘层的材料为保暖性能好的机织物或无纺布。

本发明还提供了制备上述发热元件的方法，该方法包括如下步骤：

A、根据发热功率、发热面积、电源电压确定发热体的阻值和电路图，并进一步定出发热体和电极的具体尺寸；

B、用导电线通过缝纫方法将电极金属布固定在发热的功能碳布上；

C、按以下顺序：导热绝缘布层、热熔胶网膜A、电极、发热体、热熔胶网膜B、隔热绝缘层进行铺层，并用电烫斗将其固定；

D、将C制成体在辊压复合机上进行热压复合；

E、用铜套管将电极金属布与引出导线连接，并用绝缘胶固定。

本发明所提供的一种高发射率远红外柔性面发热元件具有如下优点：

远红外发射率高，经中科院技术物理研究所检测发现，发热元件在8-14u光谱区法向发射率，高达0.910-0.962。

发热元件质量可靠性提高，发热电阻值稳定，电极区域的发热温度比发热体温度低；

本发明所制备的发热元件，柔软、透气，更能满足纺织制品的需求。其性能如下：

项目               性能

工作电压           1.2-36V

发热功率           0.05-100W

长期工作温度       低于90℃

远红外发射率       0.91-0.96

发热阻值稳定范围   小于6％

绝缘电阻           大于10¹²

本发明未公开部份为本领域技术人员根据现有技术和常规可以重复实现。

附图说明

图1：远红外柔性发热元件剖面结构图

其中：1、导热绝缘布；2、热熔胶网膜A；3、电极；4、发热体；5、热熔胶网膜B；6、隔热绝缘层。

图2：含有柔性发热元件的背心；

图3：背心的电极连接图

具体实施方式

实例1  柔性发热元件的制作

1)用PAN基预氧化丝切短至长度20-30mm短纤维，经纺制成20-30TEX的纱线后，织成经纬纱密度为18-20根/厘米的平纹细布，将这种予氧化丝布在1200℃碳化处理，再经2600℃石墨化处理，制得功能性碳纤维发热布。该布单位面积重80-110克/米²、含碳率高于99％，电阻值为6-100m·Ω.cm。

2)根据发热面积、发热功率、电源电压等设计要素选择发热碳布的电阻值，分布状态(串联或并联)及形状大小，在这个基础上确定电极安放位置以及电极的尺寸，然后用金属线将电极金属丝布缝在碳布表面。

3)按以下顺序：导热绝缘布层、热熔胶网膜A、电极、发热体、热熔胶网膜B、隔热绝缘层进行铺层。为保护电极不受氧化，电极和绝缘层之间可多铺一层热熔胶网膜，最后用电烫斗将其固定。

4)将3)制成体在辊压复合机上进行热压复合，复合工艺热辊温度控制在180-210℃，加压压力在1.5-2.5MPa。

5)用铜套管将电极金属布与引出导线连接，并用绝缘胶固定。

实例2  柔性发热元件用于背心

用实例1的方法制作5片远红外发热片，每片发热面积5公分宽、15公分长，电阻值1.9-2.1欧姆，用缝线固定在人体肩、背、腰的部位(如图2)发热片间用软导线串联，如图3通过双向开关同7.4V的锂电池连接，当电源接通时，只有腰部、肩部4片加热片发热，衣服升温快，当感觉温高时，拨动拔动开关，第5片(背部)发热片参与工作，电阻增加，电流减小，进入节电稳定工作状态。

实例3  柔性发热元件应用于电热袜

用实例1的方法制作2片远红外发热片，其中一片用于脚趾部位，发热面积2公分宽，8公分长，电阻值1.5-2欧姆，另一片用于脚心部位，发热面积4公分宽，5公分长，电阻值1.5-2欧姆，用PU热熔胶将上述发热片固定并串联在一起，两端用软导线与固及于足颈处的3,7V锂电池连接。

实例4  柔性发热元件应用于垫敷护膝

用实例1的方法制作发热面积6*9厘米²发热片，发热电阻3.5-4欧姆，用缝线分几点固足定在有弹性的护膝上，用导线同一节3.7V锂电池连接，电池用专用电池盒固足在护膝上。

实例5  柔性发热元件应用於颈椎热敷垫

用实例1的方法制作发热面积6*9厘米²发热片，发热电阻3.5-4欧姆用缝线分几点固足定在有弹性的底布上，用导线同接插口相连，3.7V锂电池置于上衣袋中，电池用导线连接插头，运用时，电池插头插入插口即可。

实例6  柔性发热元件应用于口罩

用实例1的方法制作发热片，表里两层绝缘织物应采问用经纬密较低的织物，要求更高的柔软性和透气性，发热面积6*10厘米²发热片置於口罩夹层中用导线同接插口相连，3.7V锂电池置於上衣袋中，电池用导线连接插头，运用时，电池插头插入插口即可。

实例7  柔性发热元件应用于远红外多功能电热毯

用实例1的方法制作发热片，碳纤布为10块面积15×45厘米²发热片，将其分成2组，每组5片，将5块碳纤布用电极布将它们串联，然后两组并连，控制发热电阻在8-10欧姆，采用24V的直流电源。制成180×50厘米的柔性发热垫。可置入各种用途的电热毯套中使用。

Claims (9)

1.一种高发射率远红外柔性面发热元件，其特征在于该发热元件包括导热绝缘布层、热熔胶网膜A、电极、发热体、热熔胶网膜B、隔热绝缘层，各部分以胶合和/或缝制的方式结合为一整体。

2.根据权利要求1所述的发热元件，其特征在于：所述的发热体为功能性碳纤维布，所述的碳纤维布性能如下：

经纬纱细度：    20-30TEX

经纬纱密度：    18-20根/厘米

织物厚度：      0.15-0.20mm

织物重量：      80-110g/m2

含碳量：        大于99％

电阻率：        6-100m·Ω.cm

经向抗拉强度：  20-25N/50mm。

3.根据权利要求2所述的发热元件，其特征在于所述的功能性碳纤维布是通过如下步骤制备而成的：

PAN纤维原丝经预氧化处理、切短、短纤纺纱、织造、碳化处理和石墨化处理制备而成。

4.根据权利要求1所述的发热元件，其特征在于所述的导热绝缘布层为以涤纶、丙纶或锦纶纱为原料的机织平纹布，其经纬纱密度为18-20根/厘米，并经过阻燃处理。

5.根据权利要求1所述的发热元件，其特征在于所述的电极材料是以涤纶或尼龙丝为基材，表层形成0.2-1μm镀铜或镀银导电层的纱线，导电布的性能为：

经纬纱细度：         12TEX

经纬纱密度：         22根/厘米

织物厚度：           0.08Mm

织物重量：           120g/m2

单纱单位长度电阻：   20Ω/M

电阻率：             2-6m·Ω.cm

经向抗拉强度：       40N/50mm。

6.根据权利要求1所述的发热元件，其特征在于所述的热熔胶网膜A和热熔胶网膜B中的热熔胶中，含有2-8％重量百分比的远红外无机陶瓷粉。

7.根据权利要求6所述的发热元件，其特征在于所述热熔胶网膜A和热熔胶网膜B的性能如下：

网膜厚度：        0.05-0.10mm

单位面积重量：    15-20g/m2

软化点：          110℃

粘接剥离强度：    4-6N/cm。

8.根据权利要求1所述的发热元件，其特征在于发热体和电极之间的连接是通过导电纱线连接而成。

9.一种制备权利要求1-8任一项所述发热元件的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

A、根据发热功率、发热面积、电源电压确定发热体的阻值和电路图，并进一步定出发热体和电极的具体尺寸；

B、用导电线通过缝纫方法将电极金属布固定在发热的功能碳布上；

C、按以下顺序：导热绝缘布层、热熔胶网膜A、电极、发热体、热熔胶网膜B、隔热绝缘层进行铺层，并用电烫斗将其固定；

D、将C制成体在辊压复合机上进行热压复合；

E、用铜套管将电极金属布与引出导线连接，并用绝缘胶固定。

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