CN102226325B - 一种远红外碳纤维低温导电发热纸及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种远红外碳纤维低温导电发热纸包括原浆板、碳纤维、纳米远红外负离子粉以及扩散剂。本发明将纸浆打浆后加入经过碳化处理、水相处理、亲水性处理的碳纤维浸渍，进行均质并继续打浆后将混合浆料取料测量其电阻，电阻误差在2%-10%内的混合浆料抄造成纸。本发明制备的远红外碳纤维低温导电发热纸发热均匀，热转换效率高，电磁辐射几乎为零，使用安全，电流密度极小，且放射的远红外线光波能活化人体内水分子，提高血液含氧量，增强细胞活力，改善人体微循环，促进新陈代谢。

Description

一种远红外碳纤维低温导电发热纸及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种导电发热纸，具体涉及一种远红外碳纤维低温导电发热纸及其制备方法。

背景技术

目前，远红外电热产品迅速发展，但是，其制成的工业化成品中存在着较多的缺陷，主要表现在：发热材料的表面发热不均匀，温差过大，发热性能不稳定，使用寿命较低，电热材料成品表面泄露电流过大，这些缺陷使得产品质量饱受消费者质疑，同时也带来了极大的安全隐患。

一种现有技术的利用聚丙烯腈增强碳纤维作为红外热源的红外线发热纸，以空心纸浆为基体，再加入一定量的并带有红外保护膜的短碳纤维充分混匀后制成，红外化保护膜由一定量的远红外辐射剂、远红外稳定剂、防腐剂、隔离剂、阻燃剂、波段调整剂经加工而成。该现有技术未对碳纤维进行碳化处理、水相处理、亲水性处理，导电性差，发热面积小，电磁辐射也较大，电流密度较大。

鉴于上述问题，本发明公开了一种远红外碳纤维低温导电发热纸及其制备方法。其具有如下文所述之技术特征，以解决现有的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种远红外碳纤维低温导电发热纸及其制备方法，它能解决现有电热材料表面发热不均匀，温差过大，发热性能不稳定，使用寿命较低，成品表面泄露电流过大等问题，用于制作平面发热的电热原件。

本发明一种远红外碳纤维低温导电发热纸的目的是通过以下技术方案实现的：一种远红外碳纤维低温导电发热纸，包括：

原浆板，所述的原浆板的重量占所述的远红外碳纤维低温导电发热纸的总重量的85%-94%；所述的原浆板是植物纤维纸浆，且纤维长度在2.56mm-4.08mm之间，纤维直径在40.9μm-54.9μm之间。

碳纤维，所述的碳纤维的重量占所述的远红外碳纤维低温导电发热纸的总重量的4%-10%；所述的碳纤维由碳纤维原材料及碳纳米管纤维原材料构成，且所述的碳纤维原材料及碳纳米管纤维原材料的重量比范围为4-8:1。

纳米远红外负离子粉，所述的纳米远红外负离子粉的重量占所述的远红外碳纤维低温导电发热纸的总重量的1%-3%；所述的纳米远红外负离子粉是由纳米远红外粉及负离子粉气流粉碎而成的，且所述的纳米远红外粉及负离子粉的重量比为1:1。

扩散剂，所述的扩散剂是聚氧化乙烯与阴离子聚丙烯酰胺组合而成的，且聚氧化乙烯与阴离子聚丙烯酰胺的重量比是1:1。

上述的远红外碳纤维低温导电发热纸，其中，所述的碳纤维原材料是沥青树脂系碳纤维或人造丝系碳纤维。

上述的远红外碳纤维低温导电发热纸，其中，所述的碳纤维原材料是聚丙烯腈系碳纤维；且所述的聚丙烯腈系碳纤维长度范围分别为2mm-5mm及5mm-8mm，所述的聚丙烯腈系碳纤维的直径范围为4μm-10μm。

上述的远红外碳纤维低温导电发热纸，其中，所述的长度为2mm-5mm的聚丙烯腈系碳纤维与长度为5mm-8mm的聚丙烯腈系碳纤维的重量比范围为1.5-2:1。

上述的远红外碳纤维低温导电发热纸，其中，所述的碳纳米管纤维是多壁碳纳米管纤维或单壁碳纳米管纤维或双壁碳纳米管纤维；且所述的碳纳米管纤维的长度范围是5μm-15μm。

上述的远红外碳纤维低温导电发热纸，其中，所述的碳纳米管纤维的直径范围为10nm-20nm。

上述的远红外碳纤维低温导电发热纸的制备方法，其中，该方法至少包括以下步骤：

步骤1，将所述的原浆板放入水中浸泡10分钟-15分钟,然后加入打浆机中，原桨板经浸泡使植物纤维吸水润胀，对其形成的纸浆进行打浆；对纸浆打浆时间在60分钟-120分钟之间。

步骤2，制备所述的碳纤维。

步骤2.1，取直径4μm-10μm，长度为2mm-5mm的聚丙烯腈碳纤维与长度5mm-8mm的聚丙烯腈碳纤维按照重量比1.5-2:1的比例，通过高压气流进行混合。

步骤2.2，将所述的步骤2.1中混合后的聚丙烯腈碳纤维与所述的碳纳米管纤维按4-8:1的重量比例进行高压气流混合。

步骤2.3，将所述的步骤2.2中的聚丙烯腈碳纤维与碳纳米管纤维的混合物进行碳化处理，形成乱层石墨结构；所述的碳化处理的温度范围为700℃-1500℃，微波功率范围为500W-1000W，热处理时间范围为10分钟-30分钟。

步骤2.4，将所述的步骤2.3中获得的经碳化处理的聚丙烯腈碳纤维与碳纳米管纤维的混合物通过硝酸溶液进行亲水性处理；所述的硝酸溶液的浓度为60%-75%。

步骤2.5，将所述的步骤2.4中获得的经亲水性处理的聚丙烯腈碳纤维与碳纳米管纤维的混合物进行冲洗，并在100℃-120℃的温度下烘焙，直至水分完全蒸发，形成碳纤维。

步骤3，对所述的步骤2中制备的碳纤维进行水相处理。

步骤3.1，将所述的聚氧化乙烯与阴离子聚丙烯酰胺倒入装有洁净水的搅拌机中，其聚氧化乙烯与阴离子聚丙烯酰胺的重量范围为总重量的1%-4%，溶液的浓度范围为2%-8%。

步骤3.2，启动搅拌机，对所述的步骤3.1中获得的溶液进行溶解，直至完全溶解。

步骤3.3，将所述的步骤2中制备的碳纤维加入搅拌机内的溶液中，并进行搅拌处理，搅拌机的工作速度范围为300-600r/min。

步骤3.4，对所述的步骤3.3中的溶液搅拌15分钟-20分钟后，停止搅拌。

步骤3.5，使所述的步骤2中制备的碳纤维在聚氧化乙烯与阴离子聚丙烯酰胺的混合溶液中浸渍，浸渍30分钟-60分钟后得到水相分散的碳纤维溶液。

步骤4，将所述的纳米远红外粉及负离子粉按照1:1的重量比例气流粉碎而成纳米远红外负离子粉。

步骤5，将所述的步骤3中获得的经水相处理的碳纤维及步骤4中获得的纳米远红外负离子粉加入步骤1中获得的纸浆中，继续打浆制成混合浆料，打浆时间在30分钟-60分钟之间。

步骤6，对步骤5中打浆完成后的混合浆料进行均质，均质的时间在60分钟-120分钟之间；均质机的工作速度为1500-3000r/min。

步骤7，在均质过程中不断提取所述的步骤6中的混合浆料并抄造成纸，多次测量其电阻大小，且多次测量的电阻大小的误差在2%±10%之间。

步骤8，将步骤7中获得的电阻误差在2%±10%之间的均质后的混合浆料通过湿法造纸的方法抄造成纸，获得远红外碳纤维低温导电发热纸。

上述的远红外碳纤维低温导电发热纸的操作方法，其中，所述的步骤2.4中，所述的亲水性处理时的温度范围为50℃-90℃，亲水性处理的时间范围是30分钟-125分钟。

本发明一种远红外碳纤维低温导电发热纸及其制备方法由于采用了上述方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1、本发明一种远红外碳纤维低温导电发热纸的发热体的表面积大，其整个面都是发热面和散热面，因而发热均匀，且表面温度可达50℃-60℃，热量易于传递、疏散，热辐射性好。

2、本发明一种远红外碳纤维低温导电发热纸的发热体的热转换效率高，热效率理论值高达99.99%，在实际应用中一般可达97%，比传统材料节能15%-30%，是一种先进的节能材料。

3、本发明一种远红外碳纤维低温导电发热纸的热量传递主要以远红外辐射为主，而且还释放出8μm-18μm的远红外线光波，活化人体内水分子，提高血液含氧量，增强细胞活力，改善人体微循环，促进新陈代谢。

4、本发明一种远红外碳纤维低温导电发热纸的发热体中碳纤维的无量纲的磁阻和磁场在劳伦兹力的作用下，其积蓄的正、负电荷产生的电场磁场和磁阻相互抵消，电磁辐射几乎为零。

5、本发明一种远红外碳纤维低温导电发热纸使用安全，在一般电压（220V）下整个面都是电子通路，电流密度极小，对人体毫无伤害。

以下，将通过具体的实施例做进一步的说明，然而实施例仅是本发明可选实施方式的举例，其所公开的特征仅用于说明及阐述本发明的技术方案，并不用于限定本发明的保护范围。

附图说明

为了更好的理解本发明，可参照本说明书援引的以供参考的附图，附图中：

图1是本发明一种远红外碳纤维低温导电发热纸的制备方法的方法流程图。

图2是本发明一种远红外碳纤维低温导电发热纸的制备方法的步骤2的分步骤流程图。

图3是本发明一种远红外碳纤维低温导电发热纸的制备方法的步骤3的分步骤流程图。

具体实施方式

根据本发明的权利要求和发明内容所公开的内容，本发明的技术方案具体如下所述。

本发明一种远红外碳纤维低温导电发热纸包括原浆板、碳纤维、纳米远红外负离子粉以及扩散剂。

原浆板的重量占远红外碳纤维低温导电发热纸的总重量的85%-94%；原浆板采用植物纤维纸浆，如针叶树漂白纸浆或未漂白针叶木浆。其中尤以针叶木浆为最佳，这是因为针叶木纤维较长，一般长度在2.56mm-4.08mm之间，直径在40.9μm-54.9μm之间，其长宽比多在70倍以下并且其组织结构较其它种类木浆更紧密，有利于植物纤维与碳纤维之间的缠络能非常有效的搭建和形成三维导电网络。

碳纤维的重量占远红外碳纤维低温导电发热纸的总重量的4%-10%；碳纤维由碳纤维原材料及碳纳米管纤维原材料构成，且碳纤维原材料及碳纳米管纤维原材料的重量比范围为4-8:1。

碳纤维原材料可采用沥青树脂系碳纤维或人造丝系碳纤维或聚丙烯腈系碳纤维中的任意一种，优选机械强度高的聚丙烯腈系碳纤维。且聚丙烯腈系碳纤维长度范围分别为2mm-5mm及5mm-8mm，聚丙烯腈系碳纤维的直径范围为4μm-10μm。长度为2mm-5mm的聚丙烯腈系碳纤维与长度为5mm-8mm的聚丙烯腈系碳纤维的重量比范围为1.5-2:1。

碳纳米管纤维可采用多壁碳纳米管纤维或单壁碳纳米管纤维或双壁碳纳米管纤维；且碳纳米管纤维的长度范围是5μm-15μm。碳纳米管纤维的直径范围为10nm-20nm。

纳米远红外负离子粉的重量占远红外碳纤维低温导电发热纸的总重量的1%-3%；纳米远红外负离子粉是由纳米远红外粉及负离子粉气流粉碎而成的，且纳米远红外粉及负离子粉的重量比为1:1。

扩散剂可采用聚氧化乙烯、阴离子聚丙烯酰胺或聚氨酯分散剂中的一种或几种组合而成，其中尤以聚氧化乙烯和阴离子聚丙烯酰胺按重量比为1:1混合而成的扩散剂为最佳。因为碳纤维具有疏水性，经过亲水性处理后的碳纤维与纸浆溶液混合时，碳纤维表面的乱层石墨结构有沟槽和明显的裂痕，且表面粗糙，在混合均质过程中，碳纤维与植物纤维间摩擦力较大而难以离散成单根纤维，而形成絮团。采用聚氧化乙烯和阴离子聚丙烯酰胺分散剂对其进行分散，能使碳纤维在浆料中均匀分散，使得抄造的碳纤维纸强度提高，发热均匀。

请参见附图1、附图2及附图3所示，本发明一种远红外碳纤维低温导电发热纸的制备方法，该方法以原浆板、碳纤维、纳米远红外负离子粉及扩散剂为原料，通过湿法造纸工艺制成远红外碳纤维低温导电发热纸。该方法至少包括以下步骤：

步骤1，将原浆板放入水中浸泡10分钟-15分钟,然后加入打浆机中，原桨板经浸泡使植物纤维吸水润胀，对其形成的纸浆进行打浆；对纸浆打浆时间在60分钟-120分钟之间。

步骤2，制备碳纤维。

步骤2.1，取直径4μm-10μm，长度为2mm-5mm的聚丙烯腈碳纤维与长度5mm-8mm的聚丙烯腈碳纤维按照重量比1.5-2:1的比例，通过高压气流进行混合。

步骤2.2，将步骤2.1中混合后的聚丙烯腈碳纤维与碳纳米管纤维按4-8:1的重量比例进行高压气流混合。

步骤2.3，将步骤2.2中的聚丙烯腈碳纤维与碳纳米管纤维的混合物进行碳化处理，形成乱层石墨结构；碳化处理的温度范围为700℃-1500℃，微波功率范围为500W-1000W，热处理时间范围为10分钟-30分钟。

在上述碳化处理中，700℃为碳化的敏感温度，700℃以上的碳化温度能使得碳纤维六角碳网平面得到迅速发展，并生成乱层石墨结构，试验表明经过此工艺处理后的碳纤维具有优良的导电性。

步骤2.4，将步骤2.3中获得的经碳化处理的聚丙烯腈碳纤维与碳纳米管纤维的混合物通过硝酸溶液进行亲水性处理；硝酸溶液的浓度为60%-75%，处理时采用的温度为50℃-90℃，处理时间在30分钟-125分钟之间。

步骤2.5，将步骤2.4中获得的经亲水性处理的聚丙烯腈碳纤维与碳纳米管纤维的混合物进行冲洗，并在100℃-120℃的温度下烘焙，直至水分完全蒸发，形成碳纤维。

步骤3，对步骤2中制备的碳纤维进行水相处理。

步骤3.1，将聚氧化乙烯与阴离子聚丙烯酰胺倒入装有洁净水的搅拌机中，其聚氧化乙烯与阴离子聚丙烯酰胺的重量范围为总重量的1%-4%，溶液的浓度范围为2%-8%。

步骤3.2，启动搅拌机，对步骤3.1中获得的溶液进行溶解，直至完全溶解。

步骤3.3，将步骤2中制备的碳纤维加入搅拌机内的溶液中，并进行搅拌处理，搅拌机的工作速度范围为300-600r/min。

步骤3.4，对步骤3.3中的溶液搅拌15分钟-20分钟后，停止搅拌。

步骤3.5，使步骤2中制备的碳纤维在聚氧化乙烯与阴离子聚丙烯酰胺的混合溶液中浸渍，浸渍30分钟-60分钟后得到水相分散的碳纤维溶液。

步骤4，将纳米远红外粉及负离子粉按照1:1的重量比例气流粉碎而成纳米远红外负离子粉。

步骤5，将步骤3中获得的经水相处理的碳纤维及步骤4中获得的纳米远红外负离子粉加入步骤1中获得的纸浆中，继续打浆制成混合浆料，打浆时间在30分钟-60分钟之间。混合浆料的叩解度在20°-35°SR时即可停止打浆。由于碳纤维是合成纤维，是一种非细胞结构材料，打浆只能对齐产生切断，所以，打浆过程中的混浆时间不宜过长，时间过长会导致碳纤维被切断，从而影响其导电网络的搭建。

步骤6，对步骤5中打浆完成后的混合浆料进行均质，均质的时间在60分钟-120分钟之间；均质机的工作速度为1500-3000r/min。通过均质，能使碳纤维均匀的分布在纸浆中。

步骤7，在均质过程中不断提取步骤6中的混合浆料并抄造成纸，多次测量其电阻大小，多次测量的电阻大小的误差在2%±10%之间即得到制备远红外碳纤维低温导电发热纸的浆料。

步骤8，将步骤7中获得的电阻误差在2%±10%之间的均质后的混合浆料通过现有技术湿法造纸的方法抄造成纸，获得远红外碳纤维低温导电发热纸。抄纸可以采用小型圆网抄纸机或长网抄纸机。

碳纤维导电纸的热传递主要依靠晶格振动（声子和光子）来产生，在电引发激励下，碳纤维导电纸发热组件通过晶格振动产生热效应，碳纤维导电纸中的原子在一定温度下的振动有一个相对应的位移，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，由高到低的传输热能，直到碳纤维导电纸组件发热达到平衡。晶格振动的实质是微观粒子（分子、原子、离子）的热运动,且符合量子力学的运动规律。碳纤维的单色发射率为0.9左右，其热量传递主要以热辐射为主，热辐射晶格振动波可分为声频和光频两种，在面状发热板实际使用的中低温范围（<150℃），光频格波的能量弱，声频晶格振动波是热传递的最大能量者。因此，碳纤维的热传导和热辐射性能相当好，加上其直径细，外表面积相当大，热辐射效率相当高。

实施例1：

选用直接市购的纸浆，纸浆的重量为总重量的94%，将原浆板放入水中浸泡10分钟，放入打浆机中对纸浆打浆，纸浆打浆75分钟后，加入水相处理后分散的碳纤维溶液和占总重量1%的纳米远红外负离子粉。碳纤维的重量为总重量的4.5%，扩散剂采用聚氧化乙烯和阴离子聚丙烯酰胺按重量比为1:1混合而成，扩散剂混合物的重量为总重量的2%，扩散剂溶液浓度为5%，采用上述水相分散即得分散性、均匀性和亲水性均佳的碳纤维溶液。继续打浆45分钟，混合浆料叩解度在25°SR即停止打浆。然后对混合浆料进行均质后80分钟，均质速度2500r/min，均质过程中多次提取混合浆料，采用快速纸页成型器抄造成纸，对其进行电阻测量，多次测量电阻误差在±5%范围内即得到制备远红外低温导电发热纸的浆料。采用湿法造纸制的碳纤维远红外低温导电发热纸。本方案制得的碳纤维远红外低温导电发热纸的主要技术指标：碳纤维远红外低温导电发热纸的电阻率在20-30Ω·cm，定重为55-60g/㎡。

实施例2：

如实例1方法相同，纸浆的重量为总重量的89.5%，碳纤维的重量为总重量的6%，扩散剂混合物的重量为总重量的3.5%，纳米远红外负离子粉的重量为总重量的1%。本方案制得的碳纤维远红外低温导电发热纸的主要技术指标：碳纤维远红外低温导电发热纸的电阻值在400-440Ω/m2，电阻率在10-20Ω·cm，定重为55-60g/㎡，可广泛应用于远红外低温平面发热材料。

综上所述，本发明一种远红外碳纤维低温导电发热纸的发热体的表面积大，其整个面都是发热面和散热面，因而发热均匀，且表面温度可达50℃-60℃，热量易于传递、疏散，热辐射性好；本发明的发热体的热转换效率高，热效率理论值高达99.99%，在实际应用中一般可达97%，比传统材料节能15%-30%，是一种先进的节能材料；本发明的热量传递主要以远红外辐射为主，而且还释放出8μm-18μm的远红外线光波，活化人体内水分子，提高血液含氧量，增强细胞活力，改善人体微循环，促进新陈代谢；本发明的发热体中碳纤维的无量纲的磁阻和磁场在劳伦兹力的作用下，其积蓄的正、负电荷产生的电场磁场和磁阻相互抵消，电磁辐射几乎为零；本发明使用安全，在一般电压（220V）下整个面都是电子通路，电流密度极小，对人体毫无伤害。

上述内容为本发明一种远红外碳纤维低温导电发热纸及其制备方法的具体实施例的列举，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。

Claims (1)

1.一种远红外碳纤维低温导电发热纸，包括：原浆板、碳纤维、纳米远红外负离子粉及扩散剂，其特征在于，

所述原浆板的重量占所述的远红外碳纤维低温导电发热纸的总重量的85%-94%；原浆板采用针叶木浆，其长度为2.56mm-4.08mm，纤维直径在40.9μm-54.9μm之间，使植物纤维与碳纤维之间的缠络能有效地搭建和形成三维导电网络；

所述碳纤维的重量占所述的远红外碳纤维低温导电发热纸的总重量的4%-10%；碳纤维由碳纤维原材料及碳纳米管纤维原材料构成，且碳纤维原材料及碳纳米管纤维原材料的重量比为4-8:1；所述碳纤维原材料是纤维长度为2mm-5mm的聚丙烯腈系碳纤维和纤维长度为5mm-8mm的聚丙烯腈系碳纤维的混合物，两者的重量比例为1.5-2:1，所述聚丙烯腈系碳纤维的直径为4μm-10μm；所述碳纳米管纤维选自多壁碳纳米管纤维、单壁碳纳米管纤维或双壁碳纳米管纤维，且碳纳米管纤维的长度范围是5μm-15μm，直径范围为10nm-20nm；

所述纳米远红外负离子粉的重量占所述远红外碳纤维低温导电发热纸总重量的1%-3%，纳米远红外负离子粉由纳米远红外粉及负离子粉经气流粉碎而成，且纳米远红外粉及负离子粉的重量比为1:1；

所述扩散剂是由聚氧化乙烯和阴离子聚丙烯酰胺按重量比为1:1混合而成的扩散剂；

所述远红外碳纤维低温导电发热纸的制备包括以下步骤：

（1）将原浆板放入水中浸泡10分钟-15分钟，然后加入打浆机中进行打浆，打浆时间为60分钟-120分钟；

（2）将长度为2mm-5mm的聚丙烯腈碳纤维与长度为5mm-8mm的聚丙烯腈碳纤维进行高压气流混合以制备碳纤维原材料，然后将得到的碳纤维原材料与碳纳米管纤维进行高压气流混合，得到碳纤维原材料和碳纳米管纤维的混合物；将所述混合物进行碳化处理以形成乱层石墨结构，处理温度为700℃-1500℃，微波功率范围为500W-1000W，处理时间为10分钟-30分钟；将经碳化处理的混合物通过浓度为60%-75%的硝酸溶液进行亲水性处理，处理时间在30分钟-125分钟之间，温度为50℃-90℃；之后，将经亲水性处理的混合物进行冲洗，并在100℃-120℃的温度下烘焙，直至水分完全蒸发，形成碳纤维；

（3）将聚氧化乙烯与阴离子聚丙烯酰胺倒入装有洁净水的搅拌机中，搅拌直至完全溶解，其中，聚氧化乙烯与阴离子聚丙烯酰胺的重量范围为总重量的1%-4%，溶液的浓度范围为2%-8%；将步骤（2）中获得的碳纤维加入所述搅拌机中进行搅拌，搅拌机的工作速度为300-600r/min，搅拌时间为15分钟-20分钟，停止搅拌后，使碳纤维在聚氧化乙烯与阴离子聚丙烯酰胺的混合溶液中浸渍30分钟-60分钟，得到水相分散的碳纤维溶液；

（4）将所述的纳米远红外粉和负离子粉气流粉碎以形成纳米远红外负离子粉；

（5）将经水相处理的碳纤维溶液和步骤（4）获得的纳米远红外负离子粉加入步骤（1）得到的纸浆中，继续打浆制成混合浆料，打浆时间为30分钟-60分钟，混合浆料的叩解度在20°-35°SR时停止打浆；

（6）对步骤（5）中打浆完成后的混合浆料进行均质，均质时间为60分钟-120分钟，均质机的工作速度为1500-3000r/min；在均质过程中不断提取混合浆料并抄造成纸，多次测量其电阻大小，多次测量的电阻大小的误差在2%±10%之间即得到制备远红外碳纤维低温导电发热纸的浆料；

（7）将步骤（6）中获得的电阻误差在2%±10%之间的均质后的混合浆料通过湿法造纸的方法抄造成纸，获得远红外碳纤维低温导电发热纸，所述湿法造纸使用小型圆网抄纸机或长网抄纸机。