CN105101486A - 储能发热材料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种储能发热材料及其制造方法，其特点是：储能发热材料是化学通式为A_xB_yC_z的三元物质体系，其中A、B、C为三类不同的化学物质，x、y、z分别为A、B和C的重量百分比，所述x、y、z取值分别在0至80%之间，且x、y、z三者的总和为100%。基于储能发热材料的电容式发热器件中储能发热材料与电极的接触面积大（在数平方厘米至数平方米之间），产生的热量直接从大的电极表面传播到周围介质，因此电容式发热中电热能的传递效率高。并且，由于储能发热材料具有频率响应特性，在1.0-至6.0V的交变电压下可产生0.005至1.0A/cm²的电流，能在特低交变电压下有效制热，弥补了电阻式发热的不足。

Description

储能发热材料及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种导电体及其制造方法，尤其涉及一种储能发热材料及其制造方法。

背景技术

电致发热过程是指将电能转化为热能的过程：当把一定的电压施加在电阻上时，产生一定电流，电压和电流的乘积则为相应的电功率。在电阻中，电子在电场力作用下做定向运动时，会与金属离子不断碰撞，碰撞时把一部分动能传给离子，使离子的热运动加剧，导致发热。转化的效率遵循焦耳定律。目前市场上的电致发热元器件有电热膜、电热陶瓷、电热石英管、碳纤维等，它们被用来制成各式各样的电热器件和设备，满足各种不同的需求。上述各类电热元器件有一个共同点，它们都是基于电阻通电发热的原理，将经由电阻丝产生的热能，传递到周围环境，达到加热效果。一般而言，电阻式发热技术有下列共性：

电阻材料通常呈细丝状，与外界环境的接触面积很小，即通电时发热与散热的面积很小。这使得电阻材料产生的热能绝大部分局限在电阻材料体内，只有很少部分能通过有限的表面输出到外界环境。因此，电阻材料虽然能产生大量的电热能，但其将热能输出传递到周围环境的效率较低。

作为纯电阻负载，其产生的电热能不随电压的频率而变化，这限制了电阻式发热的一些应用。

电阻丝电压和电流的关系遵循欧姆定律，电流随电压线性增加，只有在较高的电压下，才能产生相当的电流，使电阻丝发热。因此，电阻式发热不能在低电压的条件下有效提供热能。

电阻材料通常呈细丝状，与外界环境的接触面积很小，即通电时发热与散热的面积很小。这使得电阻材料产生的热能绝大部分局限在电阻材料体内，只有很少部分能通过有限的表面输出到外界环境。因此，电阻材料虽然能产生大量的电热能，但其将热能输出传递到周围环境的效率较低。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提供一种储能发热材料及其制造方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

储能发热材料，其中：所述的储能发热材料是化学通式为A_xB_yC_z的三元物质体系，其中A、B、C为三类不同的化学物质，x、y、z分别为A、B和C的重量百分比，所述x、y、z取值分别在0至80%之间，且x、y、z三者的总和为100%，所述的A为聚乙烯磺酸钠、聚丙烯酸钠(盐)、1，5至萘二磺酸二钠盐水合物、2，6至二硝基至4至三氟甲基苯磺酸钠、4至氯至1至羟基至丁烷磺酸钠、2至巯基苯并咪唑至5至磺酸钠二水合物、N，N至二甲基二硫代甲酰胺丙烷磺酸钠、聚茴香磺酸钠、2至硝基苯胺至4至磺酸钠盐、聚季铵盐至7中的一种或是多种组合,所述的B为氯化钠、氢氧化钠、硫酸钠、氯化铵、氟化铵、氯化铜、氯化铁、氯化铝、氯化锌、氯化镁、氯化钾、氢氧化钾中的一种或是多种组合,所述的C为水、乙醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇、异丁醇、仲丁醇、丙酮、乙醚、乙酸乙酯、乙酸甲酯中的一种或是多种组合。

上述的储能发热材料，其中：所述的储能发热材料为溶液形态，所述A用于调节溶液的电导率和粘度，其重量百分比为0至30%，所述B用于调节溶液的离子导电率和工作电压，其重量百分比为5至50%，所述C成为A、B的溶剂，其重量百分比为20至95%。

进一步地，上述的储能发热材料，其中：所述的储能发热材料为薄膜形态，所述A的重量百分比为20至40%，所述B的重量百分比为0至5%，所述C重量百分比为55至80%，所述薄膜厚度为0.1至15mm。

更进一步地，上述的储能发热材料，其中：所述的储能发热材料为片材形态，所述A的重量百分比为15至50%，B的重量百分比为45至85%，C用于粘结Ａ和Ｂ，其重量百分比为0至5%，所述片材厚度为1至10mm。

一种制造储能发热材料的方法，其包括以下步骤：首先，将与足以使其溶解的C组分在充分搅拌下，混合得到混合溶液，所述B与C的重量比值为5至60%。之后，在25至100℃之间，0.5至6小时之间，进行溶解，构成混合溶液。然后，将A添加到步骤②制得的混合溶液中，A与混合溶液的重量比值为0至50%。最终，在室温至80℃的温度下将A充分溶于混合溶液中，即可制的溶液状态的储能发热材料。

一种制造储能发热材料的方法，其包括以下步骤：首先，将B与足以使其溶解的C组分在充分搅拌下混合得到混合溶液，所述B与C的重量比值为0至5%。接着，在25至100℃之间，0.5至6小时之间，进行溶解，构成混合溶液。然后，将A添加到步骤②制得的混合溶液中，A与混合溶液的重量比值为15至50%。最后，采用流延机烘干，温度设置为第一温区40℃至60℃，第二温区60℃至70℃，第三温区70℃至80℃，第四温区50℃至60℃，传送带的速度为10至20m/min，最终获得厚度为0.5至1.5mm的薄膜形态的储能发热材料。

一种制造储能发热材料的方法，其包括以下步骤：首先，将B与足以使其溶解的C组分在充分搅拌下混合得到混合溶液，所述B与C的重量比值为45至85%。紧接着，在25至100℃之间，0.5至6小时之间，进行溶解，构成混合溶液。完成上述工作后，将A添加到步骤②制得的混合溶液中，A与混合溶液的重量比值为15至50%。最终，采用压片机压片，设置压力2至6N，即可制的厚度在1.0至150mm之间的片材形态的储能发热材料。

本发明技术方案的优点主要体现在：制得的储能发热材料与电极的接触面积大（在数平方厘米至数平方米之间），产生的热量直接从大的电极表面传播到周围介质，因此电容式发热中电热能的传递效率高。同时，储能发热材料中的正负离子在电极间随交变电压来回迁移的频次可由电压的频率来控制。当电压频率在0.01至200Hz的范围内增加时，离子迁移频次变快，电流增加，离子发生碰撞的几率增高，由此产生的热量也就增多。因此，电容式发热可通过电压频率的变化，对储能发热材料产生热量的多少进行调节，达到发热元器件的智能化和节能化。并且，由于上述频率响应特性，储能发热材料在1.0-至6.0V的交变电压下，即可产生0.005至1.0A/cm²的电流，所产生热量可使电极表面温度高达100℃。因此电容式发热开创了在特低电压条件下有效制热的可能性，弥补了电阻式发热的不足。

附图说明

图1是电容式发热中发热芯子产生并传递电热能的原理示意图。

图中各附图标记的含义如下：

1	铝板	2	螺丝螺母
				3	电极	4	绝缘垫片

具体实施方式

储能发热材料，其特别之处在于：采用的储能发热材料是化学通式为A_xB_yC_z的三元物质体系，其A、B、C为三类不同的化学物质，x、y、z分别为A、B和C的重量百分比，具体来说，x、y、z取值分别在0至80%之间，且x、y、z三者的总和为100%。考虑到生产的出产品的电学性能要求不同，A为聚乙烯磺酸钠、聚丙烯酸钠(盐)、1，5至萘二磺酸二钠盐水合物、2，6至二硝基至4至三氟甲基苯磺酸钠、4至氯至1至羟基至丁烷磺酸钠、2至巯基苯并咪唑至5至磺酸钠二水合物、N，N至二甲基二硫代甲酰胺丙烷磺酸钠、聚茴香磺酸钠、2至硝基苯胺至4至磺酸钠盐、聚季铵盐至7中的一种或是多种组合。同时，B为氯化钠、氢氧化钠、硫酸钠、氯化铵、氟化铵、氯化铜、氯化铁、氯化铝、氯化锌、氯化镁、氯化钾、氢氧化钾中的一种或是多种组合。并且，C为水、乙醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇、异丁醇、仲丁醇、丙酮、乙醚、乙酸乙酯、乙酸甲酯中的一种或是多种组合。

就本发明一较佳的实施方式来看，考虑到应用环境的不同，储能发热材料可以至少有三种形态，包括溶液形态、薄膜形态、片材形态。具体来说，对于溶液形态的储能发热材料来看，A用于调节溶液的电导率和粘度，其重量百分比为0至30%，B用于调节溶液的离子导电率和工作电压，其重量百分比为5至50%，C成为A、B的溶剂，其重量百分比为20至95%。对于薄膜形态的储能发热材料来看，A的重量百分比为20至40%，B的重量百分比为0至5%，C重量百分比为55至80%，按此配比，可制得具有良好离子导电性的薄膜，最终获取薄膜厚度为0.1至15mm。相对于片材形态的储能发热材料来看，采用的A的重量百分比为15至50%，B的重量百分比为45至85%，C用于粘结Ａ和Ｂ，其重量百分比为0至5%，最终片材厚度为1至10mm。

进一步来看，储能发热材料采用A组分、B组分、C组分三元系组成，A组分的作用是调节溶液的离子导电率和粘度。B组分的作用是调节溶液的离子导电率。C组分的作用是将有机盐和无机盐按一定重量百分比溶解。根据上述三种物质的质量百分比的不同，即可制得形态分别为溶液、薄膜及压片状的储能发热材料。

再进一步结合本发明的实际制备情况来看，对于溶液状态的储能发热材料，其制造过程如下：首先，将与足以使其溶解的C组分在充分搅拌下，混合得到混合溶液，B与C的重量比值为5至60%。之后，在25至100℃之间，0.5至6小时之间，进行溶解，构成混合溶液。接着，将A添加到步骤②制得的混合溶液中，A与混合溶液的重量比值为0至50%。最终，在室温至80℃的温度下将A充分溶于混合溶液中，即可制的溶液状态的储能发热材料。由此配制的溶液可在电压为1.0至6.0V、频率为0.01至200Hz的交变电压下工作，且在不高于250℃的温度下，该储能发热材料溶液能保持稳定的工作状态。

对于薄膜形态的储能发热材料来说，其制造过程如下：首先，将B与足以使其溶解的C组分在充分搅拌下混合得到混合溶液，B与C的重量比值为0至5%。然后，在25至100℃之间，0.5至6小时之间，进行溶解，构成混合溶液。随后，将A添加到步骤②制得的混合溶液中，A与混合溶液的重量比值为15至50%。最后，采用流延机烘干，温度设置为第一温区40℃至60℃，第二温区60℃至70℃，第三温区70℃至80℃，第四温区50℃至60℃，传送带的速度为10至20m/min，最终获得厚度为0.5至1.5mm的薄膜形态的储能发热材料。

并且，对于片材形态的储能发热材料的制造过程来说：首先，将B与足以使其溶解的C组分在充分搅拌下混合得到混合溶液，令B与C的重量比值为45至85%。之后，在25至100℃之间，0.5至6小时之间，进行溶解，构成混合溶液。接着，将A添加到步骤②制得的混合溶液中，A与混合溶液的重量比值为15至50%。最终，采用压片机压片。在此期间，设置压力2至6N，即可制的厚度在1.0至150mm之间的片材形态的储能发热材料。

〖实施例一〗

储能发热材料薄膜：用35%重量百分比的聚苯乙烯磺酸钠溶解在水中，充分搅拌下得到混合溶液，将溶液置于真空烘箱加热到80℃，溶解95分钟；随后称取5%重量百分比的氢氧化钠添加至上述混合溶液中。取一定量的溶液采用流延机烘干成膜，温度设置为第一温区50℃，第二温区70℃，第三温区75℃，第四温区50℃，传送带的速度为10m/min，最终获得厚度为1.0mm的薄膜形态的储能发热材料。将烘干的储能发热膜分别剪裁成尺寸8.0cm×8.0cm，厚度为1.0mm，重量为10g。采用“石墨片/储能发热材料/石墨片”三明治结构制成发热芯子，其中电极与储能发热材料为平面接触且石墨片的尺寸为7.0cm×7.0cm；随后通频率为50Hz电压为3V的交流电，可使得储能发热材料产生发热并有电流密度为0.05A/cm²的电流产生，同样在通电3min后，发热芯子的表面温度可迅速升至65℃。

〖实施例二〗

储能发热材料压片材料：用85%重量百分比的聚苯乙烯磺酸钠溶解与15%重量百分比的氯化钾均匀混合，放置到压片机台上，对其施加4-12N/cm²的压力并保持压力10-30秒，即可得到储能发热材料压片材料，其尺寸是半径为2mm，厚度为1.5cm。在片材的两端以“石墨片/储能发热材料/石墨片”三明治结构制成发热芯子，随后通频率为50Hz电压为3V的交流电，可使得储能发热材料产生发热并有电流密度为0.01A/cm²的电流产生，同样在通电3min后，发热芯子的表面温度可升至35℃。

再进一步结合实际应用来看，可以采用本发明制得的储能发热材料来提供一种电容式电致发热方法，具体来说，如图1所示：采用的发热芯子，该所述发热芯子为“电极/储能发热材料/电极”三明治结构，其中电极与储能发热材料为平面接触，且接触面积大。当在电极上施加交变电压时，储能发热材料中的正负离子受电场作用，在电极之间来回迁移运动，并不断于周围粒子碰撞，将电能转化为热能。由于电极与储能发热材料有大的接触面积，且电极导热性能良好，因此产生的电热能通过电极表面有效地传输到外界环境，为外界环境提供热量。

同时，采用的三明治结构中，电极材料包括铝、铸铁、铜、银、钢、钨合金、二氧化锰以及石墨等导电材料，但并不局限于以上材料。并且，电极材料可以是刚性的导电片材、板材等形态，也可以是柔性的金属箔片、导电薄膜、导电纤维、导电颗粒、导电布等形态，但并不局限于以上形态。实际使用时，本发明获取的发热芯子，可在频率为0.01至200Hz、电压为1.0至6.0V的交变电压工作条件下，产生0.005至1.0A/cm²的电流，由此产生的电热能可使储能发热材料温度高达250℃。

通过上述的文字表述可以看出，采用本发明后，制得的储能发热材料或是由储能发热材料构成的电极的接触面积大（在数平方厘米至数平方米之间），产生的热量直接从大的电极表面传播到周围介质，因此电容式发热中电热能的传递效率高。同时，储能发热材料中的正负离子在电极间随交变电压来回迁移的频次可由电压的频率来控制。当电压频率在0.01至200Hz的范围内增加时，离子迁移频次变快，电流增加，离子发生碰撞的几率增高，由此产生的热量也就增多。因此，电容式发热可通过电压频率的变化，对储能发热材料产生热量的多少进行调节，达到发热元器件的智能化和节能化。并且，由于上述频率响应特性，储能发热材料在1.0-至6.0V的交变电压下，即可产生0.005至1.0A/cm²的电流，所产生热量可使电极表面温度高达100℃。因此电容式发热开创了在特低电压条件下有效制热的可能性，弥补了电阻式发热的不足。

这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (7)

1.储能发热材料，其特征在于：所述的储能发热材料是化学通式为A_xB_yC_z的三元物质体系，其中A、B、C为三类不同的化学物质，x、y、z分别为A、B和C的重量百分比，所述x、y、z取值分别在0至80%之间，且x、y、z三者的总和为100%，所述的A为聚乙烯磺酸钠、聚丙烯酸钠(盐)、1，5至萘二磺酸二钠盐水合物、2，6至二硝基至4至三氟甲基苯磺酸钠、4至氯至1至羟基至丁烷磺酸钠、2至巯基苯并咪唑至5至磺酸钠二水合物、N，N至二甲基二硫代甲酰胺丙烷磺酸钠、聚茴香磺酸钠、2至硝基苯胺至4至磺酸钠盐、聚季铵盐至7中的一种或是多种组合；所述的B为氯化钠、氯化锂、氧化钠、硫酸钠、氯化铵、氟化铵、氯化铜、氯化铁、氯化铝、氯化锌、氯化镁、氯化钾、氢氧化钾中的一种或是多种组合；所述的C为水、乙醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇、异丁醇、仲丁醇、丙酮、乙醚、乙酸乙酯、乙酸甲酯中的一种或是多种组合。

2.根据权利要求1所述的储能发热材料，其特征在于：所述的储能发热材料为溶液形态，所述A用于调节溶液的电导率和粘度，其重量百分比为0至30%，所述B用于调节溶液的离子导电率和工作电压，其重量百分比为5至50%，所述C成为A、B的溶剂，其重量百分比为20至95%。

3.根据权利要求1所述的储能发热材料，其特征在于：所述的储能发热材料为薄膜形态，所述A的重量百分比为20至40%，所述B的重量百分比为0至5%，所述C重量百分比为55至80%，所述薄膜厚度为0.1至15mm。

4.根据权利要求1所述的储能发热材料，其特征在于：所述的储能发热材料为片材形态，所述A的重量百分比为15至50%，B的重量百分比为45至85%，C用于粘结Ａ和Ｂ，其重量百分比为0至5%，所述片材厚度为1至10mm。

5.一种制造权利要求1所述的储能发热材料的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤①，将与足以使其溶解的C组分在充分搅拌下，混合得到混合溶液，所述B与C的重量比值为5至60%；

步骤②，在25至100℃之间，0.5至6小时之间，进行溶解，构成混合溶液；

步骤③，将A添加到步骤②制得的混合溶液中，A与混合溶液的重量比值为0至50%；

步骤④，在室温至80℃的温度下将A充分溶于混合溶液中，即可制的溶液状态的储能发热材料。

6.一种制造权利要求1所述的储能发热材料的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤①，将B与足以使其溶解的C组分在充分搅拌下混合得到混合溶液，所述B与C的重量比值为0至5%；

步骤②，在25至100℃之间，0.5至6小时之间，进行溶解，构成混合溶液；

步骤③，将A添加到步骤②制得的混合溶液中，A与混合溶液的重量比值为15至50%；

步骤④，采用流延机烘干，温度设置为第一温区40℃至60℃，第二温区60℃至70℃，第三温区70℃至80℃，第四温区50℃至60℃，传送带的速度为10至20m/min，最终获得厚度为0.5至1.5mm的薄膜形态的储能发热材料。

7.一种制造权利要求1所述的储能发热材料的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤①，将B与足以使其溶解的C组分在充分搅拌下混合得到混合溶液，所述B与C的重量比值为45至85%；

步骤②，在25至100℃之间，0.5至6小时之间，进行溶解，构成混合溶液；

步骤③，将A添加到步骤②制得的混合溶液中，A与混合溶液的重量比值为15至50%；

步骤④，用压片机压片，设置压力2至6N，即可制的厚度在1.0至150mm之间的片材形态的储能发热材料。