CN104427665B - 复合发热材料及其制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种复合发热材料及其制备方法和用途，该复合发热材料包含硅矿粉及含碳粉，所述硅矿粉包含97%以上的二氧化硅，所述碳晶粉包含90%以上的碳。本发明提供的复合发热材料可在12～110V低电压电源下工作，升温30分钟后，温度可达到50℃以内，每平方米功率为15‑48W，具有节能环保、热效高且使用安全的特点。
Description
技术领域
本发明属于材料领域，具体涉及一种复合发热材料及其制备方法和用途。
背景技术
每到冬季，交通业、建筑业、畜牧业、国防、军事以及家庭、学校、商场和办公室等都离不开发热取暖设备。现有的取暖方法主要包括：一、采用传统的电炉供暖，该方法具有能耗高、电炉占用空间较大及冷热不均的缺点；二、采用烧火炉的方法供暖，该方法热效低，且污染环境；三、采用空调供暖，但空调价位较高且能耗较大，另外空调的副作用明显，长期使用对人体健康有一定损害。
现有的发热材料（例如碳晶发热膜或碳晶地板）通常在220V电压下工作，每平方米功率高达165W以上，能耗较大，不利于节能环保和使用的安全性。
因此，如何开发一种热效高、节能环保且使用安全的发热材料成为本领域亟待解决的课题。
发明内容
针对上述问题，本发明的一个目的在于提供一种复合发热材料，该复合发热材料采用硅矿粉及含碳粉制备，具有热效高、节能环保且使用安全的特点。
本发明的另一目的在于提供一种复合发热材料的制备方法。
本发明的又一目的在于提供一种复合发热材料在制备发热产品中的用途。
为达到上述目的，本发明提供一种复合发热材料，包含硅矿粉及含碳粉，所述硅矿粉包含97%以上的二氧化硅，所述含碳粉包含90%以上的碳。
进一步地，所述含碳粉包含95%以上的碳；
优选地，所述硅矿粉包含97-99%的二氧化硅；所述含碳粉包含95-99%的碳；
优选地，所述硅矿粉与含碳粉的重量比为4：6。
进一步地，所述含碳粉为碳晶粉；
优选地，所述碳晶粉由煤粉、秸秆碳粉、石墨粉或木炭粉中的一种或多种制成；
优选地，所述煤粉为精煤粉。
进一步地，所述硅矿粉及含碳粉的粒径为100～1000目。
进一步地，所述复合发热材料在12～110V交流、直流电压下工作。
进一步地，所述复合发热材料在12～110V交流、直流电压下，通电30分钟内，温度可达到50℃以内。
本发明进一步提供一种上述复合发热材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤a：将硅矿粉及含碳粉在90～140℃下进行混合，得到混合粉末；
步骤b：步骤a得到的混合粉末在35～60℃下混合，得到复合发热材料。
进一步地，所述制备方法包括以下步骤：
步骤a：将硅矿粉及含碳粉在90～140℃下进行搅拌、混合，搅拌速度为2800～3500转/分，搅拌时间为10～15分钟，得到混合粉末；
步骤b：将步骤a得到的混合粉末在35～60℃下进行搅拌、混合，搅拌速度为1200～1600转/分，搅拌时间为8～15分钟，冷却后得到复合发热材料。
进一步地，所述制备方法包括以下步骤：
步骤a：将硅矿粉及含碳粉在125℃下进行搅拌、混合，搅拌速度为3000转/分，搅拌时间为15分钟，得到混合粉末；
步骤b：将步骤a得到的混合粉末在50℃下进行搅拌、混合，搅拌速度为1400转/分，搅拌时间为12分钟，冷却后得到复合发热材料。
本发明进一步提供上述复合发热材料在制备发热产品中的用途。
以下对本发明进行详细描述。
本发明的复合发热材料包含硅矿粉和含碳粉，其中硅矿粉中的二氧化硅作为调节电阻材料，起到调节电阻的作用；而含碳粉中的碳作为使可调电阻材料发挥有效制热功能的导电材料，有助于增强发热材料的导电性能。硅矿粉与含碳粉的重量比、硅矿粉中的二氧化硅含量及含碳粉中的碳含量都会对发热材料的导电性能及发热效果产生影响。通常情况下，复合发热材料中的含碳粉含量越高，材料的导电性越好，升温越快，达到的温度越高；但含碳粉的含量过高时，使材料的电阻过小，导致耗电量较高；另外，含碳粉纯度（碳含量）偏低时，易导致材料活性不够，从而使启动电压增大。因此可通过调整发热材料中硅矿粉和含碳粉的重量比、硅矿粉中的二氧化硅含量及含碳粉中的碳含量，获得实际应用中需要的使用温度、升温时间、升温速度及启动电压。
综合考虑上述因素对发热材料节能及发热效果的影响，本发明优选硅矿粉与含碳粉的重量比为4：6，且硅矿粉中二氧化硅含量为97%以上，含碳粉中碳含量为90%（优选95%）以上，此时，发热材料能够达到理想的节能及发热效果。
本发明的复合发热材料采用高温混合及低温混合方法制备，其中混合的搅拌速度超过3500转/分时，易产生焦料，降低导电性能，而搅拌速度低于2800转/分时，则材料分子结合不够紧密，影响发热效果。本发明优选高温混合的搅拌速度为2800～3500转/分，更优选3000转/分；优选低温混合的搅拌速度为1200～1600转/分钟，更优选1400转/分钟。
本发明采用硅矿粉及含碳粉制备的复合发热材料可在多个领域应用，包括：
交通业：用于道路路面及桥梁冬季防冻、防结冰等；
建筑材料：可添加到各种建材中制成发热建筑材料等；
农业：用于温室栽培，温床育苗育种及养殖场冬季保温等；
建筑业：用于室内外墙面、地面及屋面保温防冻等；
军事：可用于野外作训保温及装备防冻等；
生物、制药：生物制剂研究与制造过程的保温，产品包装等；
办公生活：可用于冬季室内取暖，或以此材料制成各种室外取暖产品等。
另外，可将本发明的复合发热材料作为原料添加或与其它材料共同制成发热产品应用于上述领域，也可将本发明的复合发热材料单独制成各种形态的发热产品应用于上述领域，制成的发热产品同样具有低电压工作、热效高、节能、稳定、安全的特点，发热温度最高可达50℃。
使用时，本发明的复合发热材料在12～110V低压电源的驱动下，将源源不断地向空间持续散发出有效温度为50℃度以内的非可见红外线光线，经光波测定，光波长≧0.83μm，属于近红外热辐射（光波长为0.75～400μm），该光线具有强烈的渗透性，能深入皮下组织10mm，温暖人体血管和神经，起到活化人体组织细胞，促进血液循环的作用，并能加速供给养分和酵素，促进新陈代谢，因而使人感到温暖、舒适。
与现有的发热材料相比，本发明的复合发热材料至少具有以下优点：
1、本发明的复合发热材料可在12～110V低电压电源下工作，30分钟内即能迅速升温，温度可达到50℃以内，每平方米功率仅15～48W，与现有技术中在220V电压下工作、每平方米功率高达165W以上的发热材料相比，能耗较低，更有利于节能，同时增强了使用的安全性；
2、采用传统的火炉及空调供热取暖时，容易污染环境，且不利于人体健康，而采用本发明的发热材料供热取暖时，不产生任何对环境及人体有害的物质，无毒无味且稳定安全，大大提高了材料使用的安全性，更利于环保及人体健康；
3、本发明的复合发热材料以红外线辐射的方式传导能量发热，更有利于渗透入人体、促进人体血液循环及新陈代谢，从而有利于保持人体健康。
具体实施方式
以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。
实施例1复合发热材料的制备
步骤1：将40kg硅矿粉（100～1000目，SiO2含量为97%）和60kg含碳粉（100～1000目，含碳量95%，该含碳粉为煤粉。）输送至高速混料机内，设置高速混料机的温度90℃，转速3500转/分钟，将上述材料高混15分钟；
步骤2：设置低速混料机的温度为35℃，转速1600转/分，混合8分钟，冷却后得到复合发热材料1。
实施例2复合发热材料的制备
步骤1：将40kg硅矿粉（100～1000目，SiO2含量为97%）和60kg含碳粉（100～1000目含碳量97%的碳晶粉，该碳晶粉由秸秆碳粉制成）输送至高速混料机内，设置高速混料机的温度125℃，转速3000转/分钟，将上述材料高混15分钟；
步骤2：设置低速混料机的温度为50℃，转速1400转/分，混合12分钟，冷却后得到复合发热材料2。
实施例3复合发热材料的制备
步骤1：将40kg硅矿粉（100～1000目，SiO2含量为97%）和60kg含碳粉（100～1000目含碳量99%的碳晶粉，该碳晶粉由石墨粉制成）输送至高速混料机内，设置高速混料机的温度125℃，转速3000转/分钟，将上述材料高混15分钟；
步骤2：设置低速混料机的温度为50℃，转速1400转/分，混合12分钟，冷却后得到复合发热材料3。
实施例4复合发热材料的制备
步骤1：将40kg硅矿粉（100～1000目，SiO2含量为98%）和60kg含碳粉（100～1000目，含碳量95%，包含20kg秸秆碳粉、20kg石墨粉和20kg木炭粉）输送至高速混料机内，设置高速混料机的温度140℃，转速2800转/分钟，将上述材料高混10分钟；
步骤2：设置低速混料机的温度为60℃，转速1200转/分，混合12分钟，冷却后得到复合发热材料4。
实施例5复合发热材料的制备
步骤1：将40kg硅矿粉（100～1000目，SiO2含量为98%）和60kg含碳粉（100～1000目含碳量97%的碳晶粉，该碳晶粉由重量比为1:1的煤粉和秸秆碳粉制成）输送至高速混料机内，设置高速混料机的温度125℃，转速3000转/分钟，将上述材料高混15分钟；
步骤2：设置低速混料机的温度为50℃，转速1400转/分，混合12分钟，冷却后得到复合发热材料5。
实施例6
步骤1：将40kg硅矿粉（100～1000目，SiO2含量为98%）和60kg含碳粉（100～1000目含碳量99%的碳晶粉，该碳晶粉由重量比为1:2:1的秸秆碳粉、石墨粉及木炭粉制成）输送至高速混料机内，设置高速混料机的温度125℃，转速3000转/分钟，将上述材料高混15分钟；
步骤2：设置低速混料机的温度为50℃，转速1400转/分，混合12分钟，冷却后得到复合发热材料6。
实施例7
步骤1：将40kg硅矿粉（100～1000目，SiO2含量为99%）和60kg含碳粉（100～1000目含碳量95%的碳晶粉，该碳晶粉由重量比为1:1的秸秆碳粉和石墨粉制成）输送至高速混料机内，设置高速混料机的温度125℃，转速3000转/分钟，将上述材料高混15分钟；
步骤2：设置低速混料机的温度为50℃，转速1400转/分，混合12分钟，冷却后得到复合发热材料7。
实施例8
步骤1：将40kg硅矿粉（100～1000目，SiO2含量为99%）和60kg含碳粉（100～1000目含碳量97%的碳晶粉，该碳晶粉由精煤粉制成）输送至高速混料机内，设置高速混料机的温度125℃，转速3000转/分钟，将上述材料高混15分钟；
步骤2：设置低速混料机的温度为50℃，转速1400转/分，混合12分钟，冷却后得到复合发热材料8。
实施例9
步骤1：将40kg硅矿粉（100～1000目，SiO2含量为99%）和60kg含碳粉（100～1000目含碳量99%的碳晶粉，该碳晶粉由木炭粉制成）输送至高速混料机内，设置高速混料机的温度125℃，转速3000转/分钟，将上述材料高混15分钟；
步骤2：设置低速混料机的温度为50℃，转速1400转/分，混合12分钟，冷却后得到复合发热材料9。
实施例10
步骤1：将40kg硅矿粉（100～1000目，SiO2含量为97%）和60kg含碳粉（100～1000目，含碳量90%，包括20kg煤粉、20kg秸秆碳粉、10kg石墨粉及10kg木炭粉）输送至高速混料机内，设置高速混料机的温度125℃，转速3000转/分钟，将上述材料高混15分钟；
步骤2：设置低速混料机的温度为50℃，转速1400转/分，混合12分钟，冷却后得到复合发热材料10。
对比例1
步骤1：将60kg硅矿粉（SiO2含量为97%）和40kg含碳粉（含碳量82%，包括20kg精煤粉、10kg秸秆碳粉及10kg石墨粉）输送至高速混料机内，设置高速混料机的温度125℃，转速3000转/分钟，将上述材料高混12分钟；
步骤2：设置低速混料机的温度为45℃，转速1400转/分，混合15分钟，冷却后得到对比材料1。
对比例2
步骤1：将50kg硅矿粉（SiO2含量为97%）和50kg含碳粉（含碳量82%，包括20kg精煤粉、15kg秸秆碳粉及15kg石墨粉）输送至高速混料机内，设置高速混料机的温度125℃，转速3000转/分钟，将上述材料高混15分钟；
步骤2：设置低速混料机的温度为50℃，转速1400转/分，混合12分钟，冷却后得到对比材料2。
对比例3
步骤1：将40kg硅矿粉（SiO2含量为97%）和60kg含碳粉（含碳量78%，包括30kg煤粉、10kg秸秆碳晶粉、10kg石墨粉及10kg木炭粉）输送至高速混料机内，设置高速混料机的温度125℃，转速3000转/分钟，将上述材料高混12分钟；
步骤2：设置低速混料机的温度为45℃，转速1400转/分，混合8～15分钟，冷却后得到对比材料3。
对比例4
步骤1：将40kg硅矿粉（SiO2含量为97%）和60kg含碳粉（含碳量82%，包括20kg碳晶粉、20kg木炭粉、10kg石墨粉及10kg精煤粉）输送至高速混料机内，设置高速混料机的温度125℃，转速3000转/分钟，将上述材料高混15分钟；
步骤2：设置低速混料机的温度为50℃，转速1400转/分，混合12分钟，冷却后得到对比材料4。
对比例5
步骤1：将30kg硅矿粉（SiO2含量为95%）和70kg含碳粉（含碳量82%，包括30kg精煤粉、30kg石墨粉及10kg木炭粉）输送至高速混料机内，设置高速混料机的温度125℃，转速3000转/分钟，将上述材料高混12分钟；
步骤2：设置低速混料机的温度为45℃，转速1400转/分，混合15分钟，冷却后得到对比材料5。
测试例发热效果测试
发热效果测试：将上述实施例1～10及对比例1～5制备的发热材料平铺压紧成3mm厚薄板，制品规格：厚3mm×长2400mm×宽200mm，在初始室温0～5℃及一定的启动电压下，升温30分钟，测试发热材料表面的平均温度、室内温度、发热材料每平方米产生的电阻。测试结果如下表1所示。
表1：室温0～5℃及12～110V电压下的发热效果测试
注：关于对比材料1～5更详细的测试结果如下：
对比材料1：接入24～110V直流电源，在室温1～5℃条件下，升温不明显，电压调至190V，电流0.12A，温度上升，经60分钟，温度升至27℃左右便无法上升，经检测为电阻过大（含碳粉量偏少），每平方米840Ω，发热效果达不到要求。
对比材料2：接入24～110V直流电源，在室温1～5℃条件下，电压90V，电流1.3A，经60分钟，温度升至28～30℃后不再上升，发热效果不尽如人意，经检测电阻为450Ω/平方米，电阻仍偏大（含碳粉量仍偏少）。
对比材料3：在110V以下交、直流电压下，每平方米功率25W，但材料导电性能不够，升温较慢，室温5～10℃时，需120分钟才能使发热材料温度达到27～31℃。经检测分析，原因在于含碳粉纯度（含碳量）不够，导致材料活性不足，影响导电性能。
对比材料4：接通110V以下电源，室温0～5℃条件下，电压在55V以上升温明显，通电45分钟时间，发热材料温度可达到30～33℃，每平方米功率50W，未达到理想的温度和节能效果。经检测，原因是碳粉纯度仍偏低。
对比材料5：接入24～110V直流电源，在室温1～5℃条件下，电压调至90V，温度上升，经60分钟，温度升至35℃左右保持稳定，每平方米达到65W，节能效果一般，经检测，每平方米电阻22Ω，表明复合发热材料中含碳粉比例过高，使电阻过小，导致耗电量较高，同时含碳粉纯度偏低导致材料活性不够，需较高电压才能启动。
从表1看出，采用本发明的复合发热材料在室温0～5℃及12-110V电压下，升温30min后，发热材料的表面平均温度可达到35-50℃，每平方米产生的电阻为30-55Ω，每平方米功率为15-48W，而目前市售的发热材料（例如碳晶发热膜或碳晶地板）在220V电压驱动下，最快可在15至30分钟表面温度达到50℃，每平方米功耗达165W以上，显著高于本申请的复合发热材料的功耗。由此表明，与现有的发热材料相比，本发明的复合发热材料在低电压驱动条件下具有较高的发热效率，且能耗较低，达到了较优的节能效果。
以上对本发明具体实施方式的描述并不限制本发明，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变或变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求的范围。
Claims (11)
1.一种复合发热材料，其由硅矿粉及含碳粉组成，所述硅矿粉包含97-99％的二氧化硅；所述含碳粉包含95-99％的碳，所述硅矿粉与含碳粉的重量比为4：6。
2.根据权利要求1所述的复合发热材料，其特征在于，所述含碳粉为碳晶粉。
3.根据权利要求2所述的复合发热材料，其特征在于，所述碳晶粉由煤粉、秸秆碳粉、石墨粉或木炭粉中的一种或多种制成。
4.根据权利要求3所述的复合发热材料，其特征在于，所述煤粉为精煤粉。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的复合发热材料，其特征在于，所述硅矿粉及含碳粉的粒径为100～1000目。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的复合发热材料，其特征在于，所述复合发热材料在12～110V交流、直流电压下工作。
7.根据权利要求6所述的复合发热材料，其特征在于，所述复合发热材料在12～110V交流、直流电压下，通电30分钟内，温度可达到50℃以内。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的复合发热材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤a：将硅矿粉及含碳粉在90～140℃下进行混合，得到混合粉末；
步骤b：步骤a得到的混合粉末在35～60℃下混合，得到复合发热材料。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
步骤a：将硅矿粉及含碳粉在90～140℃下进行搅拌、混合，搅拌速度为2800～3500转/分，搅拌时间为10～15分钟，得到混合粉末；
步骤b：将步骤a得到的混合粉末在35～60℃下进行搅拌、混合，搅拌速度为1200～1600转/分，搅拌时间为8～15分钟，冷却后得到复合发热材料。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
步骤a：将硅矿粉及含碳粉在125℃下进行搅拌、混合，搅拌速度为3000转/分，搅拌时间为15分钟，得到混合粉末；
步骤b：将步骤a得到的混合粉末在50℃下进行搅拌、混合，搅拌速度为1400转/分，搅拌时间为12分钟，冷却后得到复合发热材料。
11.根据权利要求1至7中任一项所述的复合发热材料或根据权利要求8至10中任一项所述的制备方法得到的复合发热材料在制备发热产品中的用途。
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