CN101150891B

CN101150891B - 纳米碳素晶体材料及其制备电热板的方法

Info

Publication number: CN101150891B
Application number: CN2007101443596A
Authority: CN
Inventors: 谭羽非; 李木松
Original assignee: Yunsor Carbon Crystal (shanghai) Co Ltd
Current assignee: Yuanshuo Carbon Wisker Technology (Shanghai) Co., Ltd.
Priority date: 2007-09-25
Filing date: 2007-09-25
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2027-09-25
Also published as: CN101150891A

Abstract

纳米碳素晶体材料及其制备电热板的方法，它涉及一种晶体材料及其制造面状发热体的方法。本发明解决了现有碳纤维电热板表面升温散热不均匀、碳纤维与导电带接触不良、电绝缘性能差及工作寿命短的问题。纳米碳素晶体材料是由占总重70～80％的丙烯腈基碳纤维、占总重1～5％的纳米碳纤维和占总重15～29％的碳素晶体组成。纳米碳素晶体材料电热板是由纳米碳素晶体材料与纸浆混合后并添加粘性助剂等在加压的条件下制备得到的面状发热体。本发明电热板具有发热性能均匀稳定、升温快、电绝缘性能优良、工作寿命长的优点。本发明的产品适于大规模的批量生产来满足生产和生活的需要。本发明的方法工艺简单、便于操作。

Description

纳米碳素晶体材料及其制备电热板的方法

技术领域

本发明涉及一种晶体材料及其制造面状发热体的方法。

背景技术

碳纤维作为一种高性能材料，具有优良的导电、导热性等特性，加上其成本逐渐降低，因此在日常生活领域的开发利用也逐渐扩展。但在保温取暖方面，目前生产的碳纤维电热板大都存在如下问题：

1.由于碳纤维选用不当，质地松软，与纸浆混合团状块较多，造成压成后的复合产品表面升温散热不均匀，极易变形、有烧糊点。

2.由于碳纤维与导电带之间形成间隙，造成接触不良，通电后易产生电弧，使覆盖在碳纤维纸与电极搭接处的板材出现被击穿的报废现象。

3.碳纤维材料在盐雾或潮湿环境中工作，会产生大量的泄露电流，使用时会危及生命安全。

上述问题影响了碳纤维电热板在生活中的大规模的推广使用。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有碳纤维电热板表面升温散热不均匀、碳纤维与导电带接触不良、电绝缘性能差及工作寿命短的问题，而提供一种纳米碳素晶体材料及其制备电热板的方法。

本发明的纳米碳素晶体材料是由占总重70～80％的丙烯腈基碳纤维、占总重1～5％的纳米碳纤维和占总重15～29％的碳素晶体组成，所述的丙烯腈基碳纤维是由支数为10～15K、直径为1～5μm、长度分别为2～4mm和4.5～6mm的丙烯腈基碳纤维按0.5～2∶1的重量比的组成，所述的纳米碳纤维直径为50～200nm，所述碳素晶体目数为400～500目；其制备电热板的方法步骤如下：一、纳米碳素晶体发热纸的制备：a、按纳米碳素晶体材料与造纸用纸浆重量比为1∶9～19的配比，将纳米碳素晶体材料掺到造纸用纸浆中；然后加入到分散剂的水溶液中形成碳纤维混合浆粕，其中分散剂的用量为纳米碳素晶体材料重量的0.5～5％；b、将碳纤维混合浆粕加入装有水溶性粘合剂溶液的高速均质机中，以800～2000r/min的速度打浆1～2h，使浆粕的叩解度在35°～55°SR之间；c、将步骤b处理后的碳纤维混合浆粕用具有50目抄纸网的造纸机，控制抄纸车速在10～15m/min，上毛布挤压再上热烘筒干燥成型，二、玻璃纤维布浸胶片的制备：将混合涂料敷刷于25×16以上经纬的玻璃丝纤维布面之上，混合涂料为按1～5∶4～8∶1的重量比的酚醛树脂、环氧树脂与丙酮混合物，得到厚度为0.1～0.3mm玻璃纤维布浸胶片；三、纳米碳素晶体电热板的制备：d、在铁托板上先铺设6层50克牛皮纸，再铺上厚度为1～3mm的平整铁板，然后在铁板上涂抹脱模剂；e、在铁板上铺一层0.01～0.05mm厚的耐高压聚乙烯膜，再在耐高压聚乙烯膜上铺装饰纸；f、在装饰纸上铺设3～5层纤维布浸胶片，再铺设纳米碳素晶体发热纸，然后在两边分别放置一块用锡箔纸包裹的铜皮作导电电极，所述的铜皮的宽为10～15mm、铜皮的厚为0.6mm；然后用滚花机在两边压出网纹；g、在纳米碳素晶体发热纸上再铺设3～5层纤维布浸胶片；h、在纤维布浸胶片上铺设一层0.01～0.05mm厚的耐高压聚乙烯膜，涂抹脱模剂，然后在耐高压聚乙烯膜上铺盖1～3mm厚平整铁板，再在铁板上铺6层50克牛皮纸；i、将扁型铜网编织导线与f步中的铜电极焊接牢固，作为正负导电电极平行从玻璃纤维布浸胶片背面引出；j、放置在热压机上，预热达80℃，开启热压机，加压到200吨，并将温度升至100℃时，恒温保压8～9分钟；然后升温到120℃，恒温恒压8～9分钟；再升温至140℃，保压恒温8～9分钟；然后保压降温至55℃，再减压，降温至室温后开模，得到纳米碳素晶体电热板。

所述的分散剂是海藻酸钠、甲基纤维素、聚丙烯酰胺中的一种或几种的组合；所述的造纸用纸浆为木浆纤维素浆粕；所述的水溶性粘合剂为聚苯胺、聚乙烯醇、水溶性酚醛树脂中的一种或几种的组合；所述的脱模剂为聚氨酯脱模剂。

本发明中碳素晶体做晶格震动发热，以不同长径比的丙烯腈基碳纤维原料形成连接晶格的搭接线，加入纳米碳纤维，一方面减少静电消散和火花的产生，同时保证了相互接触或只分开几个原子直径距离的晶格点阵的搭接传热，所构成的纳米碳素晶体材料是点、线、面三维纵横交错网络，载流子沿着这些网络朝电势低的方向移动，微观上局部无序，宏观上整体有序，能形成均匀的面状发热面。因此，纳米碳素晶体材料电热板表面升温散热均匀。

本发明纳米碳素晶体材料电热板是整张板面状散热，其导体是三维网络，局部无序，整体有序的不同长度短切碳纤维所形成的面状发热面，能产生8-10μm的远红外线，长期使用能起到保健强身的作用。还具有坚固安全、绝缘性能好，击穿电压10000V、使用寿命长，连续使用3万小时不断裂、不脱落，防潮、防水。本发明的纳米碳纤维晶体电热板适用于家庭取暖、浴池加温、衣物烘干及办公室、会议室、宾馆等。

本发明电热板的发热性能均匀稳定、升温快、电绝缘性能优良、工作寿命长的优点。本发明的产品适于大规模的批量生产来满足生产和生活的需要。本发明的方法工艺简单、便于操作。

附图说明

图1是具体实施方式十中用于检测的测试点示意图。图2是室内空气温度随时间变化的曲线图。图3是碳晶电热板表面平均温度随时间变化的曲线图，图4是碳晶电热板表面发热量随时间变化的曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式中纳米碳素晶体材料是由占总重70～80％的丙烯腈基碳纤维、占总重1～5％的纳米碳纤维和占总重15～29％的碳素晶体组成，所述的丙烯腈基碳纤维是由支数为10～15K、直径为1～5μm、长度分别为2～4mm和4.5～6mm的丙烯腈基碳纤维0.5～2∶1的重量比的组成，所述的纳米碳纤维直径为50～200nm，所述碳素晶体目数为500～1000目；其处理方法是按下述反应实现的：(一)将占总重70～80％的丙烯腈基碳纤维、占总重1～5％的纳米碳纤维和占总重15～29％的碳素晶体混匀；(二)将混合物加入盛有质量浓度为10～30％的丙酮溶液的洁净容器中，再以300～600r/min的速度搅拌，浸渍软化1h；(三)将步骤b处理后的溶液超声震荡清洗0.5～2h；(超声震荡的目的是去除杂质，并使表面清洁无胶)(四)将步骤c处理后的溶液加热烘至丙酮完全挥发后，得到了纳米碳素晶体材料。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是纳米碳素晶体材料是由占总重72～78％的丙烯腈基碳纤维、占总重2～4％的纳米碳纤维和占总重18～25％的碳素晶体组成。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是纳米碳素晶体材料是由占总重75％的丙烯腈基碳纤维、占总重3％的纳米碳纤维和占总重20％的碳素晶体组成。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述的丙烯腈基碳纤维直径为2～4μm。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述的丙烯腈基碳纤维直径为3μm。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述的纳米碳纤维直径为80～150nm。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述的纳米碳纤维直径为100nm。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述碳素晶体目数为600～900目。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述碳素晶体目数为800目。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式十：本实施方式使用具体实施方式一中的纳米碳素晶体材料制备电热板方法的步骤如下：一、纳米碳素晶体发热纸的制备：a、按纳米碳素晶体材料与造纸用纸浆重量比为1∶9～19的配比，将纳米碳素晶体材料掺到造纸用纸浆中；然后加入到分散剂的水溶液中形成碳纤维混合浆粕，其中分散剂的用量为纳米碳素晶体材料重量的0.5～5％；所述的分散剂是海藻酸钠、甲基纤维素、聚丙烯酰胺中的一种或几种的组合；所述的造纸用纸浆为木浆纤维素浆粕；b、将碳纤维混合浆粕加入装有水溶性粘合剂溶液的高速均质机中，以800～2000r/min的速度打浆1～2h，使浆粕的叩解度在35°～55°SR之间；所述的水溶性粘合剂为聚苯胺、聚乙烯醇、水溶性酚醛树脂中的一种或几种；c、将步骤b处理后的碳纤维混合浆粕用具有50目抄纸网的造纸机，控制抄纸车速在10～15m/min，上毛布挤压再上热烘筒干燥成型，收卷，用剪裁设备配合模量检测装置，在大卷的纳米碳素晶体发热纸中挑选碳素晶体含量符合产品要求的原纸，并按产品的制作要求裁减成所需的形状备用；二、玻璃纤维布浸胶片的制备：将混合涂料敷刷于25×16以上经纬的玻璃丝纤维布面之上，混合涂料为按1～5∶4～8∶1的重量比的酚醛树脂、环氧树脂与丙酮混合物，得到厚度为0.1～0.3mm玻璃纤维布浸胶片；所述的酚醛树脂为酚醛树脂1411，环氧树脂为环氧树脂E44；三、纳米碳素晶体电热板的制备：d、在铁托板上先铺设6层50克牛皮纸，再铺上厚度为1～3mm的平整铁板，然后在铁板上涂抹脱模剂，所述的脱模剂为聚氨酯脱模剂；e、在铁板上铺一层0.01～0.05mm厚的耐高压聚乙烯膜，再在耐高压聚乙烯膜上铺装饰纸；f、在装饰纸上铺设3～5层纤维布浸胶片，再铺设纳米碳素晶体发热纸，然后在两边分别放置一块用锡箔纸包裹的铜皮作导电电极，所述的铜皮的宽为10～15mm、铜皮的厚为0.6mm；然后用滚花机在两边压出网纹；(压纹的目的是为了使锡箔纸、铜皮和碳素晶体纸三者充分接触)g、在纳米碳素晶体发热纸上再铺设3～5层纤维布浸胶片；h、在纤维布浸胶片上铺设一层0.01～0.05mm厚的耐高压聚乙烯膜，涂抹脱模剂，所述的脱模剂为聚氨酯脱模剂，然后在耐高压聚乙烯膜上铺盖1～3mm厚平整铁板，再在铁板上铺6层50克牛皮纸；i、将扁型铜网编织导线与f步中的铜电极焊接牢固，作为正负导电电极平行从玻璃纤维布浸胶片背面引出；j、放置在热压机上，预热达80℃，开启热压机，加压到200吨，并将温度升至100℃时，恒温保压8～9分钟；然后升温到120℃，恒温恒压8～9分钟；再升温至140℃，保压恒温8～9分钟；然后保压降温至55℃，再减压，降温至室温后开模，得到纳米碳素晶体电热板。

本实施实施方式中发热纸定重为30～70g/m²，厚度为60～80μm。上下两层牛皮纸起减压缓冲作用。本实施方式在步骤一的a步中的分散剂为混合物时，各种分散剂间可按任意比组合。在步骤一的b步中的水溶性粘合剂为混合物时，各种水溶性粘合剂可按任意比组合。在步骤二中混合涂料中的酚醛树脂为固化剂，环氧树脂为粘合剂，丙酮溶液为稀释剂。

通过下述试验验证本实施方式的效果：

试验在具有国际标准的温控闭式小室内进行，小室无内外热源，围护结构近似绝热，小室内部净尺寸为：地面(3.93±0.2m)×(3.93±0.2m)，高度2.8±0.2m，在小室内地面上铺设纳米碳素晶体电热板(600mm×900mm)16块，所有纳米碳素晶体电热板之间串联接插。

检测条件：纳米碳素晶体电热板在标准小室采用水平直接铺设，电热板边缘离墙面距离0.3m，居中铺设。

检测器材：测温热电偶、热流计、温度显示仪表、电压表、电流表、风速计、湿度测量仪表、电度表等。

任选1块板，在其表面上布置8个温度测点，置于标准小室内，室内无空调等冷热源，四周围护结构近似绝热。当室温12.5℃时，将纳米碳素晶体电热板通电并连续测温。由表1(升温时电热板各测点温度)、表2(稳定后电热板各测点温度)测试结果可见，无论在表1的升温过程还是表2的稳定过程，板表面各测点间温度均匀，近似实现等温温度场，各测试时间及各测试点的平均最大与最小温差在0.5～2.5℃范围内。

表1

表2

图2是在室温12.5℃的标准小室内，将纳米碳素晶体电热板通电后，16块电热板表面平均温度随时间的变化。可见通电后，板表面平均温度迅速上升，仅经过4.4分钟，16块板平均温度即达到建筑地面采暖的适宜温度36℃。

图3是通电后，标准小室内空气温度随时间的变化，可见纳米碳素晶体电热板能迅速向空气中扩散传热，室内温度升温快，升至室内采暖标准温度18℃时，仅用了23.2分钟。

图4是通电后，16块板表面平均发热量随时间变化曲线，表明电热板通电后发热量迅速升高，4.3分钟后，发热量达到最大，且随后一直保持稳定。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式十不同的是在步骤一的a步中纳米碳素晶体材料和造纸用纸浆重量比为1∶12～17。其它与具体实施方式十相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式十不同的是在步骤一的中纳米碳素晶体材料和造纸用纸浆重量比为1∶15。其它与具体实施方式十相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式十不同的是在步骤二中酚醛树脂、环氧树脂与丙酮的重量比为3∶6∶1。其它与具体实施方式十相同。

Claims

1.一种纳米碳素晶体材料，其特征在于它是由占总重70～80％的丙烯腈基碳纤维、占总重1～5％的纳米碳纤维和占总重15～29％的碳素晶体组成；所述的丙烯腈基碳纤维是由支数为10～15K、直径为1～5μm、长度分别为2～4mm和4.5～6mm的丙烯腈基碳纤维按0.5～2∶1的重量比的组成，所述的纳米碳纤维直径为50～200nm，所述碳素晶体目数为400～500目。

2.根据权利要求1所述的纳米碳素晶体材料，其特征在于它是由占总重72～78％的丙烯腈基碳纤维、占总重2～4％的纳米碳纤维和占总重18～25％的碳素晶体组成。

3.利用权利要求1所述的纳米碳素晶体材料制备电热板的方法，其特征在于该方法步骤如下：一、纳米碳素晶体发热纸的制备：a、按纳米碳素晶体材料与造纸用纸浆重量比为1∶9～19的配比，将纳米碳素晶体材料掺到造纸用纸浆中；然后加入到分散剂的水溶液中形成碳纤维混合浆粕，其中分散剂的用量为纳米碳素晶体材料重量的0.5～5％；b、将碳纤维混合浆粕加入装有水溶性粘合剂溶液的高速均质机中，以800～2000r/min的速度打浆1～2h，使浆粕的叩解度在35°～55°SR之间；c、将b步骤处理后的碳纤维混合浆粕用具有50目抄纸网的造纸机，控制抄纸车速在10～15m/min，上毛布挤压再上热烘筒干燥成型，二、玻璃纤维布浸胶片的制备：将混合涂料敷刷于25×16以上经纬的玻璃丝纤维布面之上，混合涂料为按1～5∶4～8∶1的重量比的酚醛树脂、环氧树脂与丙酮混合物，得到厚度为0.1～0.3mm玻璃纤维布浸胶片；三、纳米碳素晶体电热板的制备：d、在铁托板上先铺设6层50克牛皮纸，再铺上厚度为1～3mm的平整铁板，然后在铁板上涂抹脱模剂；e、在铁板上铺一层0.01～0.05mm厚的耐高压聚乙烯膜，再在耐高压聚乙烯膜上铺装饰纸；f、在装饰纸上铺设3～5层纤维布浸胶片，再铺设纳米碳素晶体发热纸，然后在两边分别放置一块用锡箔纸包裹的铜皮作导电电极，所述的铜皮的宽为10～15mm、铜皮的厚为0.6mm；然后用滚花机在两边压出网纹；g、在纳米碳素晶体发热纸上再铺设3～5层纤维布浸胶片；h、在纤维布浸胶片上铺设一层0.01～0.05mm厚的耐高压聚乙烯膜，涂抹脱模剂，然后在耐高压聚乙烯膜上铺盖1～3mm厚平整铁板，再在铁板上铺6层50克牛皮纸；i、将扁型铜网编织导线与f步中的铜电极焊接牢固，作为正负导电电极平行从玻璃纤维布浸胶片背面引出；j、放置在热压机上，预热达80℃，开启热压机，加压到200吨，并将温度升至100℃时，恒温保压8～9分钟；然后升温到120℃，恒温恒压8～9分钟；再升温至140℃，保压恒温8～9分钟；然后保压降温至55℃，再减压，降温至室温后开模，得到纳米碳素晶体电热板。

4.根据权利要求3所述的纳米碳素晶体材料电热板的制备方法，其特征在于在步骤一的a步中所述的分散剂是海藻酸钠、甲基纤维素、聚丙烯酰胺中的一种或几种的组合。

5.根据权利要求3所述的纳米碳素晶体材料电热板的制备方法，其特征在于在步骤一的a步中所述的造纸用纸浆为木浆纤维素浆粕。

6.根据权利要求3所述的纳米碳素晶体材料电热板的制备方法，其特征在于在步骤一的b步中所述的水溶性粘合剂为聚苯胺、聚乙烯醇、水溶性酚醛树脂中的一种或几种的组合。

7.根据权利要求3所述的纳米碳素晶体材料电热板的制备方法，其特征在于在步骤二中所述的酚醛树脂为酚醛树脂1411。

8.根据权利要求3所述的纳米碳素晶体材料电热板的制备方法，其特征在于在步骤二的a步中环氧树脂为环氧树脂E44。

9.根据权利要求3所述的纳米碳素晶体材料电热板的制备方法，其特征在于在步骤三的d和h步中所述的脱模剂为聚氨酯脱模剂。