CN105246179B - 一种柔性与发射率均可调的碳纤维发热体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性与发射率均可调的碳纤维发热体及其制备方法，制备方法为将碳纤维长丝进行编织处理加工成绳状或带状形式，利用碳纤维的导电性通过瞬时通电除去纤维表面的上浆剂，之后在编织后的碳纤维绳或带表面涂覆红外辐射定型胶，在均匀涂覆定型胶之后进行快速烘干处理，最后对碳纤维绳或带进行炭晶化处理形成柔性辐射发热体。所制备的发热体可柔性弯曲并且具有一定弹性和韧性，针对不同加热对象可以在发热体加工过程中通过特种定型胶的涂覆实现特定波段的法向光谱发射率和法向总发射率调节。

Description

一种柔性与发射率均可调的碳纤维发热体及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种碳纤维发热体及其制备技术，具体涉及一种柔性与发射率均可调的碳纤维发热体及其制备方法。

背景技术

电加热是目前工业或民用加热应用最为广泛的加热形式，而电热元件是电加热设备的主要工作部件。目前应用在电加热元件中的发热体因加热温度的要求不同，可分为低温、中温和高温三个等级，而采用的加热原理也分为热传导、热对流和热辐射三种。目前应用在工业和民用加热领域的主要是热辐射加热，这种加热形式的热效率高、受热深度较大，加热效果较为均匀。目前热辐射加热所用的发热体通常为金属材质和陶瓷材质，相对而言，由于陶瓷材质的表面发射率较高因此其热辐射效果相对较好。但是陶瓷发热体硬度和脆性较大，加工通常采用烧结的方式相对较为困难，此外辐射加热设备成型过程中也存在设计和装配的难度。

碳纤维是一种含碳量在93％以上的纤维状碳材料，该纤维材质的表面法向总发射率可达到0.9以上，接近绝对黑体，其电热辐射转换效率和热辐射加热效率都非常高。同时，碳纤维还是一种柔性材料，具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、高温环境杂质释放量少等优异特性，用碳纤维作为辐射发热体进行电热辐射设备的制造，特别适合工业加热、民用取暖、低温烘烤设备等多个领域。

目前采用碳纤维作为发热体的热辐射加热设备的通用性较强，而不同受热材质的热辐射机理存在多样性和特殊性，陶瓷材质主要靠晶格振动实现热辐射能量传递，金属材质靠电子运动实现能量传递，这就需要制备不同结构的碳纤维来调整其晶格振动最强辐射区，以适应不同材质的辐射热交换特性。而目前根据辐射机理进行的匹配性加热体制备仍无成熟产品，要达到不同材质针对性加热的目的，仅靠通用性的黑体特性或灰体特性的加热设备是达不到的，不同材质的结构不同，受热特性不同，因此一种发热体的物质结构所产生的热辐射无法适应各种各样的受热物质结构。要实现匹配式加热，就需要根据不同物质的热辐射机理，通过分析不同受热体的原子或分子共振特性，设计特定结构的碳纤维发热体，以达到最理想的加热效果。

发明内容

针对热辐射加热的匹配性要求，以达到最佳加热效果，本发明提供了一种柔性与发射率均可调的碳纤维发热体及其制备方法，该方法制备的发热体能够满足不同异形辐射加热设备的需要。该碳纤维发热体可柔性弯曲并且具有一定弹性和韧性，针对不同加热对象可以在发热体加工过程中通过特种定型胶的涂覆实现特定波段的法向光谱发射率和法向总发射率调节。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种柔性与发射率均可调的碳纤维发热体的制备方法，步骤如下：

(1)根据所需的加热功率计算碳纤维长丝用量(具体计算过程：首先根据发热功率，通过欧姆定律计算发热体的电阻，之后根据碳纤维单位长度的电阻值确定所需碳纤维发热体的长度，其中单位长度碳纤维的电阻值根据不同的编织工艺而定)；

(2)将步骤(1)中的纤维长丝进行编织处理；

(3)除去步骤(2)中编织纤维表面的上浆剂(去除方式：通过瞬时通电的方式，通电时间控制在1-5秒)；

(4)在步骤(3)处理后的编织纤维表面涂覆定型胶，烘干后，对编织纤维进行炭晶化处理即形成柔性与发射率均可调的碳纤维发热体。

所述步骤(2)中的编织为绳状如图1(a)或带状编织如图1(b)。其中进行绳状编织时对碳纤维长丝进行加捻处理，捻度根据发热体的电阻要求和加热设备的外型要求灵活调节，加捻后的碳纤维长丝进行合股处理，合股数根据电阻要求可调；绳状编织时碳纤维选用T300、T700、T800中的任意一种。优点：编织状碳纤维长丝具有一定的韧性和弹性，并且可以根据受热对象的外型要求灵活调节长度和编织结构形式。

所述步骤(3)中采用瞬时通电方式除去上浆剂，选用可控硅调压器进行除胶通电的电压调节，具体电压值根据发热体的电阻值灵活调节，瞬时通电时间在1-5，优选3-5秒。如图2。优点：该方式能够彻底去除成品纤维丝束涂覆的上浆剂。

所述步骤(4)中定型胶为热固性树脂为基材，配入纳米级碳化硅高辐射填料，纳米填料粒径在10-50nm之间，填料加入量10-50％(重量比例)，涂覆后编织状碳纤维长丝的含胶量在10-40％(重量比例)。优点：纳米填料可均匀渗透至纤维丝束内部，形成均匀高效辐射体。

所述热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、热固性聚氨酯中的一种或多种。

所述步骤(4)中的烘干温度在50-70℃进行，时间为5-10min。优点：保证快速烘干的同时，不破坏编织纤维。

所述步骤(4)中的炭晶化处理，采用真空高温石墨炉，处理温度根据受热体的杂质挥发量要求而定，在1300-2350℃之间可调，处理时间在5-30min之间可调。优点：整个过程在真空环境中进行，热处理温度较高可有效降低碳纤维发热体在高温发热过程中的杂质挥发量，保证加热环境的洁净度和无尘化。

上述方法制备的发热体，所述发热体在电加热设备中的应用。

本发明的有益效果是：

本发明方法通过各步骤之间的协同配合作用，制备的发热体具有柔性和发射率均可调的特点，同时步骤简单，易于操作。

本发明制备的碳纤维柔性发热体，采用绳状或带状结构，编织状碳纤维长丝具有一定的韧性和弹性，并且可以根据受热对象的外型要求灵活调节长度和编织结构形式。

本发明采用辐射定型胶对碳纤维编织丝进行涂覆处理，通过定型胶实现发射率可调，达到对不同受热对象的匹配式加热效果，整个涂覆及烘干过程可连续进行，生产效率较高。

本发明采用高真空炭晶化高温处理，整个过程在真空环境中进行，热处理温度较高可有效降低碳纤维发热体在高温发热过程中的杂质挥发量，保证加热环境的洁净度和无尘化。

附图说明

图1是碳纤维编织处理后的示意图，其中包括绳状编织结构(a)和带状编织结构(b)两种；

图2是瞬时通电除胶处理的工艺示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

根据加热体电阻要求，采用3K碳纤维T300长丝进行绳状编织处理，捻度为3捻/cm，合股数为4股，制成的绳状碳纤维进行表面瞬时通电除胶处理，通电碳纤维绳长度为1m，电压为80V，通电时间为3s。除胶后的碳纤维绳进行表面辐射定型胶的涂覆，含胶量在20％，其中定型胶选用环氧树脂为基材，填料选用纳米级碳化硅高辐射填料，粉体粒径为30nm，填料占定型胶比例为30％，涂覆后的碳纤维绳在50℃烘干处理，时间为6分钟。最后烘干后的浸胶碳纤维绳在1400℃进行炭晶化处理，处理时间为10min，处理后得到法向总发射率为0.9以上的碳纤维辐射发热体，其中在2-13微米波段的分发射率可以达到0.94以上。

实施例2

根据加热体电阻要求，采用3K碳纤维T700长丝进行绳状编织处理，捻度为4捻/cm，合股数为6股，制成的绳状碳纤维进行表面瞬时通电除胶处理，通电碳纤维绳长度为1m，电压为85V，通电时间为2s。除胶后的碳纤维绳进行表面辐射定型胶的涂覆，含胶量在25％，其中定型胶选用酚醛树脂为基材，填料选用纳米级碳化硅高辐射填料，粉体粒径为20nm，填料占定型胶比例为35％，涂覆后的碳纤维绳在55℃烘干处理，时间为7分钟。最后烘干后的浸胶碳纤维绳在1800℃进行炭晶化处理，处理时间为15min，处理后得到法向总发射率为0.92以上的碳纤维辐射发热体，其中在5-15微米波段的分发射率可以达到0.97以上。

实施例3

根据加热体电阻要求，采用3K碳纤维T300长丝进行带状编织处理，编织带单束纤维总数为12股，制成的带状碳纤维进行表面瞬时通电除胶处理，通电碳纤维绳长度为1m，电压为80V，通电时间为3s。除胶后的碳纤维绳进行表面辐射定型胶的涂覆，含胶量在20％，其中定型胶选用环氧树脂为基材，填料选用纳米级碳化硅高辐射填料，粉体粒径为25nm，填料占定型胶比例为35％，涂覆后的碳纤维带在60℃烘干处理，时间为10分钟。最后烘干后的浸胶碳纤维带在2000℃进行炭晶化处理，处理时间为10min，处理后得到法向总发射率为0.93以上的碳纤维辐射发热体，其中在6-13微米波段的分发射率可以达到0.98以上。

实施例4

根据加热体电阻要求，采用3K碳纤维T800长丝进行带状编织处理，编织带单束纤维总数为20股，制成的带状碳纤维进行表面瞬时通电除胶处理，通电碳纤维绳长度为1m，电压为90V，通电时间为2s。除胶后的碳纤维绳进行表面辐射定型胶的涂覆，含胶量在30％，其中定型胶选用环氧树脂为基材，填料选用纳米级碳化硅高辐射填料，粉体粒径为40nm，填料占定型胶比例为22％，涂覆后的碳纤维带在65℃烘干处理，时间为5分钟。最后烘干后的浸胶碳纤维带在2300℃进行炭晶化处理，处理时间为5min，处理后得到法向总发射率为0.88以上的碳纤维辐射发热体，其中在7-20微米波段的分发射率可以达到0.91以上。

上述虽然结合实施例对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种柔性与发射率均可调的碳纤维发热体的制备方法，其特征是：步骤如下：

(1)根据所需的加热功率计算碳纤维长丝用量；

(2)将步骤(1)中的纤维长丝进行编织处理；

(3)采用瞬时通电方式除去除去步骤(2)中编织纤维表面的上浆剂，通电时间1-5秒；

(4)在步骤(3)处理后的编织纤维表面涂覆定型胶，烘干后，对编织纤维进行炭晶化处理即形成柔性与发射率均可调的碳纤维发热体；所述定型胶为热固性树脂为基材，配入纳米级碳化硅高辐射填料，纳米填料粒径为10-50nm，填料加入的重量比例为10-50％，涂覆后编织状碳纤维长丝的含胶量的重量比为10-40％；所述炭晶化处理采用真空高温石墨炉，处理温度为1300-2350℃，处理时间为5-30min。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征是：所述步骤(2)中的编织为绳状或带状编织。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征是：所述绳状编织时对碳纤维长丝进行加捻处理，加捻后的碳纤维长丝进行合股处理，绳状编织时碳纤维选用T300、T700、T800中的任意一种。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征是：所述热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、热固性聚氨酯中的一种或多种。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征是：所述步骤(4)中的烘干为在50-70℃条件下处理5-10min。

6.权利要求1-5任一方法制备的发热体。

7.如权利要求6所述的发热体在电加热设备中的应用。