CN101193466A - 纳米碳纤维电热体的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种用作电采暖电热元件的纳米碳纤维电热体的制备方法，包括：取直径5－50nm、长度10－90μm的实心纳米碳纤维，加入去离子水中采用超声仪分散；按实心纳米碳纤维与中性干木浆重量比为1－5∶100的比例，将分散的实心纳米碳纤维加入木桨中，用机械分散的方法使所述实心纳米碳纤维在木桨中均匀分布，形成混合浆料；将所述混合浆料涂于绝缘层上而由此在该绝缘层上形成导电发热层，绝缘层两端设置金属片作为电极，组成电热体胚体；采用常规热压工艺将所述电热体胚体热压成型，即得。本方法工艺简单、易于操作控制、成本低、有利于环保；产品具有升温速度快、表面温度高、节能、经济、无污染、寿命长和温度可控等特点。
Description
技术领域
本发明涉及用作电采暖电热元件的纳米碳纤维电热体的制备方法。
背景技术
传统电采暖的电热元件大多采用铁铬铝或镍、铬、钨、钼等金属材料和PTC器件制作而成，其升温慢、表面温度不均匀，发热功率随着使用时间发生衰减，不仅浪费能源，还影响了产品的使用寿命；经常由于发热体电缆丝的断裂或者导电油的泄漏出现故障，使其不能正常供热。并且，由于这些材料本身所存在的不可弥补的性能缺陷，导致在使用过程中出现了诸多难以解决的性能方面的技术问题，例如：电转换效率低、耗电量大；金属电热体易氧化，影响使用寿命；PTC电热元件易局部击穿，出现加热功率逐年衰落。这些缺陷直接影响到电热采暖产品的安全和可靠使用，阻碍了电采暖的推广和使用。
近年来出现的用微米碳纤维电热板采暖，解决了金属发热的诸多问题。微米碳纤维辐射供暖通过远红外线辐射形式散热取暖，对室内物体直接加热升温而不通过加热空气升温，不会造成室内燥热，异味，皮肤失水，口干舌燥，室内尘埃，污浊空气对流；虽然微米碳纤维电热板环保，但是也存在着供热效率低，散热不均匀等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的缺陷，提出一种纳米碳纤维电热体的制备方法，该方法工艺过程简单、易于操作控制、成本低、有利于环保；用该方法制得的发热体向外辐射的波长可完全覆盖在太阳照射光线的红外光波长之内，产品具有升温速度快、表面温度高、节能、经济、无污染、寿命长和温度可控等特点。
本发明的技术方案是，所述纳米碳纤维电热体的制备方法为：
(1)取直径为5nm-50nm、长度为10μm-90μm的实心纳米碳纤维，在去离子水中用超声仪分散；
(2)按实心纳米碳纤维与中性干木浆重量比为1-5∶100的比例，将上述分散的实心纳米碳纤维加入木桨中，用机械分散的方法使所述实心纳米碳纤维在木桨中均匀分布，形成混合浆料；
(3)将所述混合浆料涂于绝缘层上而由此在该绝缘层上形成导电发热层，绝缘层两端设置金属片作为电极，组成电热体胚体；
(4)采用常规热压工艺将所述电热体胚体热压成型，即得。
以下对本发明做出进一步说明。
本发明中，所述实心纳米碳纤维可采用已有技术以SP2和SP3键杂化的实心纳米碳纤维，其结构如图2所示；导电发热层是，将纳米碳纤维与中性木桨混合，通过机械分散的方法(如超声波清洗器分散)使纤维在木桨中均匀分布而形成三维导电网络；导电发热层厚度可以是0.1mm-1mm；所用木桨可采用普通造纸木桨。
随着纳米碳纤维新材料的出现，本发明的研制者发现纳米碳纤维具有比微米碳纤维更好的性能，如高强度、电阻率低、热导率高等特点，因而采用纳米碳纤维复合材料作为供热体的发热源，即发热源是以纳米碳纤维和木浆为基体，形成纳米碳纤维复合材料，在发热体两端嵌入铜版，作为导电电极(参见1图)。由本发明制得的电热体，在通电几十秒内，发热体表面温度迅速升高，并将热能向外传递，使覆盖物表面温度不断升高；2-4分钟之后，发热体以及隔热材料之间达到热态平衡，地面以恒定的温度进行热辐射。经测通电后在4分钟左右，其表面温度可达82℃左右，并趋于稳定，如图3。根据维恩-葛利琴位移定律，即
λmax·T＝2897
计算得出电热板辐射波长曲线，如图4。
本发明产品可向外辐射波长集中在8-15μ波段，完全覆盖在太阳照射光线的红外光波长之内，医学上称之为“生命之光”，是医疗界公认健康理疗的频谱光波，使人体深层细胞适度共振，起到暖身通络、加速血液循环、调节神经和内分泌系统的作用，提高人体的免疫力。
本发明的技术原理是，纳米碳纤维沿轴向方向有良好的导电性，且π电子非定域范围较大。当碳原子进行spn(n≤3)杂化时，n+1个电子属于杂化的σ轨道，而剩下的未杂化的4-(n+1)个2p原子轨道的电子形成π轨道。σ电子是在原子和原子结合轴方向进行分布。从固体物理的角度看，π电子能在所构成原子不变形的情况下，在其内部和表面形成的非定域共轭系统内自由运动，形成π电子云。π电子对光、电、磁作用十分敏感，是发挥物质功能的根源。纳米碳纤维中芳环联成的广大的碳网平面是一个共轭体系，在石墨层平面上由sp2电子杂化轨道形成σ键，又由p电子轨道在该平面垂直向上形成π键.而纳米碳纤维电热性能主要取决于非定域π电子。石墨层面越发达，形成π键的非定域区越大，导电性能也就越好。因此π电子的运动是导电层具有导电性的重要因素
通过本发明的制备方法，使纳米碳纤维在导电复合层中分布比较均匀，且形成三维空间导电网络，使得电热板的电阻分布比较均匀。在电场的作用下，电流冲击电热板内导电网络间的绝缘材料，产生介电击穿或隧道导电使导电网络间接触点数目增加，并且使之稳定。另外在电流的作用下，产生热量。在电流和热态下经表面处理的纳米碳纤维其表面的化学基团之间的化学结合，促进其导电网络的紧密接触。通电后石墨乱层结构趋于稳定完整，其单位体积内的π电子数目、平均自由程保持稳定。导电通道学说认为影响电导率的主要原因包括接触数目、接触电阻、间隙的大小及网络形成等方面。由于发热体在加工过程中经过热处理，碳纤维导电网络已经紧密搭接。
纳米碳纤维的热传递主要通过晶格振动来产生。晶格中的原子在一定温度下的振动有一个相对应的振幅(位移)，处于高温位置的原子振幅较大，处于温度低的原子振幅较小，由高到低的逐步传递热能，直到彼此温度达到平衡。格波的能量是量子化的。晶格振动的实质是微观粒子的热运动。在电引发激励的条件下，热组件通过晶格振动产生热效应。微观粒子在热组件中作高速运动。在其不规则的导体面上产生“布朗运动”，由于大量电子不断进入激励，微观粒子不断撞击、摩擦产生热能，即电能转化为热能。
由以上可知，本发明为一种纳米碳纤维电热体的制备方法，该方法工艺过程简单、易于操作控制、成本低、有利于环保；用该方法制得的发热体向外辐射的波长可完全覆盖在太阳照射光线的红外光波长之内，产品具有升温速度快、表面温度高、节能、经济、无污染、寿命长和温度可控等特点。
附图说明
图1是纳米碳纤维电热器件的一种实施例结构示意图(构件为分离状态)；
图2是实心纳米碳纤维微观结构，其中(a)为纳米碳纤维的TEM的明场像，(b)为纳米碳纤维的TEM暗场像，(c)为纳米碳纤维HRTEM像，(d)为TEM中纳米碳纤维弯曲部位；
图3是电热体表面温度随时间变化曲线；
图4是电热体辐射波长随时间变化曲线。
在图中：1、4-绝缘层，2-电热体，3-铜电极，5-测温器。
具体实施方式
实施例1：纳米碳纤维电热体的制备方法，包括：
(1)取直径为5nm-50nm、长度为10μm-90μm的实心纳米碳纤维，加入去离子水中用超声仪分散；其用量可以是，0.1克纳米碳纤维，40毫升去离子水(分散剂)；
(2)按实心纳米碳纤维与中性干木浆重量比为1∶100的比例，将上述分散的实心纳米碳纤维加入木桨中，用采用超声波清洗器(超声波仪)分散的方法使所述实心纳米碳纤维在木桨中均匀分布，形成混合浆料；
(3)将所述混合浆料涂于玻璃纤维绝缘层(或其它适宜材料绝缘层)上而由此在该绝缘层上形成导电发热层，绝缘层两端设置铜片作为电极，组成电热体胚体；
(4)采用常规热压工艺将所述电热体胚体热压成型，即得；制得的产品尺寸：长1米、宽1米、厚0.5毫米。热压机的热压温度：150℃，成型压力：20Mpa。
所用实心纳米碳纤维的常规制备，可采用石墨粉与金属镍(0.1wt％)混合压制成片)，放入管式石英炉中，以Ar为载气，流速50sccm，加热到1200℃，保温24小时，即得。
实施例2：纳米碳纤维电热体的制备方法，包括：
(1)取直径为5nm-50nm、长度为10μm-90μm的实心纳米碳纤维，加入去离子水中采用超声仪分散；其用量可以是，0.1克碳纳米纤维，60毫升去离子水(分散剂)；
(2)按实心碳纳米纤维与中性干木浆重量比为5∶100的比例，将上述分散的实心纳米碳纤维加入木桨中，用采用超声波清洗器分散的方法使所述实心纳米碳纤维在木桨中均匀分布，形成混合浆料；
(3)将所述混合浆料涂于玻璃纤维绝缘层上而由此在该绝缘层上形成导电发热层，绝缘层两端设置铜片作为电极，组成电热体胚体；
(4)采用常规热压工艺将所述电热体胚体热压成型，即得。热压机的热压温度：150℃，压力15Mpa；制得的产品尺寸：长1米、宽1米、厚0.5毫米。
Claims (3)
1.一种纳米碳纤维电热体的制备方法，其特征是，该方法为：
(1)取直径为5nm-50nm、长度为10μm-90μm的实心纳米碳纤维，加入去离子水中用超声仪分散；
(2)按实心纳米碳纤维与中性干木浆重量比为1-5∶100的比例，将上述分散的实心纳米碳纤维加入木桨中，用机械分散的方法使所述实心纳米碳纤维在木桨中均匀分布，形成混合浆料；
(3)将所述混合浆料涂于绝缘层上而由此在该绝缘层上形成导电发热层，绝缘层两端设置金属片作为电极，组成电热体胚体；
(4)采用常规热压工艺将所述电热体胚体热压成型，即得。
2.根据权利要求1所述纳米碳纤维电热体的制备方法，其特征是，所述机械分散的方法是用超声波清洗器使所述实心纳米碳纤维在木桨中均匀分布。
3.根据权利要求1所述纳米碳纤维电热体的制备方法，其特征是，所述绝缘层为玻璃纤维层。
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