CN105813246B - 一种碳纤维加热材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维加热材料及其制备方法，所述碳纤维加热材料由复合碳纤维丝经颗粒后涂覆粘合在普通纤维上后经纬编织而成。

Description

一种碳纤维加热材料及其制备方法

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种碳纤维加热材料及其制备方法。

背景技术

碳纤维，是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性突出。

碳纤维价格贵，且都是人工合成性材料，更增加了生产的成本。工业化生产碳纤维按原料路线可分为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维三大类，但主要生产前两种碳纤维。从粘胶纤维制取高力学性能的碳纤维必须经高温拉伸石墨化，碳化收率低，技术难度大、设备复杂，产品主要为耐烧蚀材料及隔热材料所用；由沥青制取碳纤维，碳化收率高，但因原料调制复杂、产品性能较低，亦未得到大规模发展。

复合纤维是多组分纤维的一种，是针对人造纤维品种的术语。在同一根纤维截面上存在两种或两种以上不相混合的聚合物纤维，这种纤维称复合纤维，它是20世纪60年代发展起来的物理改性纤维。利用复合纤维制造技术可以获得兼有两种聚合物特性的双组分纤维。有并列型、皮芯型、海岛型等复合纤维，纤维截面有圆形和异形。纤维具有三维立体卷曲、高蓬松性和覆盖性，良好的导电性、抗静电性和阻燃性。复合纤维需要采用特殊结构的复合纺丝机纺丝。主要用于毛线、毛毯、毛织物、保暖絮绒填充料、丝绸织物、非织造布、医疗卫生用品和特殊工作服等。

目前发热、加热产品及其应用，普遍是采用更为环保和节能的材料制作而成的，碳纤维的加热/发热功能的应用就是利用其本身纤维状碳材料的特点，利用其耐腐蚀性，抗氧化(金属容易氧化造成局部击穿)，高稳定性，寿命更长，热转换率高(98％以上)等特点，其加热/发热效果比较常用以烧油烧电为辅助热源的/加热发热方式节能30-50％，安装使用简单方便，环保节能，成本低廉。现有的加热布产品主要是材料用浸碳碳纤维发热和碳纤维发热，将其编制在的涤纶或棉线上，然后给碳纤维通电使其发热，采取这种方式制成的发热线碳粒的附着均匀程度很难控制故存在发热不匀的问题，且碳粒容易脱落，长期使用容易引起短路，加之涤纶、棉线之内织物使用寿命有限，熔点、燃点低，长期高温使用极易碳化。

在现有技术中，中国专利申请cn104105232A所提及的只是碳纤维的一个编织技术，碳纤维本身就可以发生热，没有任何技术革新，只是对一个产品做了一个简单的编织，从发明角度看，没有新的发明迹象，也不过是一种新型技术而已。

一般的碳纤维加热材料都是在PET材料的表面进行涂料，然后在其一侧的两端附着导电金属，或将带有导电性质的金属丝混合加入后进行涂料。通过加入带有导电性质的金属材料，使其电阻进行发热。这样的碳纤维加热材料（平面发热体）因被覆材料无法均匀分布于其整体表面，并且导电金属无法维持一定的排列顺序，致使其无法获得恒定的电阻。由于存在类似的种种问题，使得产品部件的寿命各异，最终带来了耐久性差、发热温度受限的缺陷。虽然能在高温环境下（200℃以上）使用的平面发热体也已出现，但除一般的被覆材之外，还需添加高耐热性物质，因此制作成本相对较高。同时，在同一生产设备下，现有技术还无法实现生产能适合多种温度条件的平面发热体。之外，为切断平面发热体产生的其它电磁波，还需备置相关设备，这也会导致产品成本的上升

本发明正是从解决上述问题的角度出发，旨在提供一种具有统一的表面厚度和恒定的电阻，耐用性及寿命较长的碳纤维加热材料（平面发热体）。这种碳纤维加热材料不需要借助其它材料，即可适用于从低到高的多种温度环境，并能抑制电磁波的产生。这既是一种新型产品又是一种全新的制造工艺。同时，本项发明也将通过改变碳纤维加热材料（平面发热体）的制造条件，使其在同一设备生产环境下能调节自身适用的温度范围。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种碳纤维加热材料及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种碳纤维加热材料，所述碳纤维加热材料由复合碳纤维丝经颗粒后涂覆粘合在普通纤维上后经纬编织而成。

所述复合碳纤维丝的原料组分及重量配比如下：邻苯二甲酸二甲酯20-30份，乙二醇10-15份，聚乙二醇1~5份，碳纤维10~15份，增韧剂1-5份，填料15-20份，偶联剂1-5份，抗氧剂1-5份；所述填料选自滑石粉、 碳酸钙、玻璃微珠、陶瓷粉或贝壳粉中的一种；所述的偶联剂为硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂中的至少一种；抗氧剂为抗氧剂1010或抗氧剂1076；所述增韧剂选自聚乙烯、 聚丙烯、聚碳酸酯、聚氨酯中的一种。

所述复合碳纤维丝的原料组分及重量配比如下：邻苯二甲酸二甲酯20份，乙二醇10份，聚乙二醇1份，碳纤维10份，增韧剂1份，填料15份，偶联剂1份，抗氧剂1份。

所述复合碳纤维丝的原料组分及重量配比如下：邻苯二甲酸二甲酯30份，乙二醇15份，聚乙二醇5份，碳纤维15份，增韧剂5份，填料20份，偶联剂5份，抗氧剂5份。

一种所述碳纤维加热材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一、被覆材料处理阶段，按照复合碳纤维丝的原料组分配比，制备出复合碳纤维丝，然后将所述复合碳纤维丝粉碎，进行直径0.01微米到0.001微米做颗粒化处理，将复合碳纤维丝颗粒根据电压和产生热量的要求进行配比粘贴涂覆在普通纤维上，称为粘合纤维，涂覆方法：将合成纤维丝浸泡在具有经颗粒化处理的复合碳纤维的导电生物胶脂中，所述导电生物胶脂是采用猪皮，在200-400℃加热容器中持续熬制8-14个小时，取得具有导电性质的生物胶脂，用于复合颗粒化的碳纤维，并将粘合纤维置于可调节温度的加热室中加热，再通过冷却室的冷却处理，获取被覆丝；

步骤二、织造阶段，将步骤一中的被覆丝同聚酯丝一起织造，横向两侧的线端与正、负电极相连的编织线置于纵向位置，按照小于0.02毫米的上下和左右间隔进行织造，制作平面发热体；

步骤三、压缩阶段，将步骤二中的平面发热体两两相连，通过滚轴进行加压和旋转；

步骤四、被覆阶段，在经过步骤三压缩的平面发热体两面粘贴合成树脂胶片，并在其中的一侧排列布置规定电线后，再次粘贴合成树脂胶片，最后将上述电线同与负极相连的编织线进行连接。

所述制备方法具体为：

将普通纤维丝浸泡在具有经颗粒化处理的复合碳纤维的导电生物胶脂中，在300-500℃的加热室中加热后，再将其置于装有风扇的冷却室中冷却，以获得被覆丝的涂料被覆阶段（10），将经所述导电涂料被覆阶段后的被覆丝进行纵横织造，并按照小于0.02毫米的上下、左右间隔，与横向两线端的铜合金编织线进行纵向编织，制成平面发热体的织造阶段；

将织造阶段后的平面发热体两两相连，并使之通过旋转的滚轴，以确保平面发热体厚度一致和表面平坦的压缩阶段（30），在已压缩的平面发热体两面粘贴合成树脂胶片的被覆阶段。

在滚丝机（11）中取出的普通纤维丝，通过盛有涂料（2）的漆房（12），以得到粘合纤维；漆房（12）中使用的涂料（2）具有导电性，所述涂料（2）中还添加了比例100:5的重量比的固化剂，所述涂料（2）和固化剂按照100:5的重量比进行混合。

加入固化剂的涂料（2）在长60cm-80cm的漆房中投入使用，将普通纤维丝（1）浸泡其中，这时，滚丝机（11）抽取原丝的马达旋转速度控制在3-6rpm的范围之内。

经涂料（2）附着的合成纤维丝，即为粘合纤维，所述粘合纤维通过装有加热器（13a）的加热室（13），然后将加热室（13）的内部温度设置在300℃-500℃之间，加热复合碳纤维丝（1）表面所粘着的涂料（2）；粘合纤维在加热室（13）中停留20-25秒；

将通过加热室（13）后的粘合纤维再次放入装有换气扇的冷却室（14），使经过加热的涂料（2）得以固定， 并将冷却室（14）的温度维持在常温或者10℃-20℃之间，将通过冷却室（14）得到的被覆丝（3）缠绕于卷取机（15）上，并投入织造阶段（20）。

如果将加热室（13）的内部温度设定为400℃，在此条件下制成的被覆丝（3）就会拥有在400℃以内的环境下正常使用的耐热性。

因此，通过适当调节加热室（13）的温度条件，可以制造出具有不同耐热特性的平面发热体。

图2所示的平面发热体（21）是由复合碳纤维丝和被覆丝沿着纬线（横向）与经线（纵向）的方向进行织造的，与图二的扩大图一样，纵向使用复合碳纤维丝，而横向是将复合碳纤维丝与覆膜丝（3）按照1:1的比例进行交叉织造。

另外，在平面发热体（21）的横向两侧线端，编织线（4）按照纵向进行织造。例如图3的扩大图，横向的被覆丝（3）与纵向的复合碳纤维丝（1）紧密相连，同时横向的被覆丝（3）与编织线（4）也已相互交叉的形态进行织造。

编织线（4）是由7股铜合金线拧成一块制成的，平面发热体（21）的一侧以及其它侧的编织线都是和纵向的被覆丝相互交叉，虽然建议使用10股左右的丝线进行织造，但织造的形态无需限于图示案例。对此，不仅可以采用多种形态，而且平面发热体（21）中横向的被覆丝（3）和复合碳纤维丝（1）还可以依据1:1的比率进行交叉织造。

有益效果

1、首先将碳纤维纳米颗粒化，通过粘合技术以及合理的比例复合在普通纤维上，让纤维均匀附着指定比例的碳纤维颗粒。由碳纤维颗粒含量来决定该合成后碳纤维丝的电阻，这样就能保证我们在指定的电压下产生指定的温度。有效的发挥碳纤维的发热效果，也同时对两端的电压要求更加灵活；

2、因为本产品的碳纤维颗粒是复合在普通纤维丝上，当在非正常供电时，出现极端温度，由纤维丝的熔断点作为本产品的熔断温度点，这样能最大限度的保证人身和财产的安全。由本碳纤维编织的碳纤维编织布具有供给电压宽，发热温度可控，就有熔断安全保护的特点。

3、这是一项关于碳纤维加热材料（平面发热体）及其制造方法及实际成品的发明创造。其中碳纤维加热材料（平面发热体）的制造方法包含以下几个阶段：

4、本项发明的碳纤维加热材料（平面发热体），不仅能使涂料在发热体的整体表层以一定厚度和分量均匀分布，另外被覆丝以一定的上下和左右间隔进行织造，还能实现发热体的均衡发热，并由此提高产品的耐用性。此外，在消除电磁波方面，碳纤维加热材料（平面发热体）自身具备的电磁波抑制功能，摆脱了对其他设备的依赖，进一步扩大了产品的用途。

5、加热室内部的温度和移送速度等作业条件具有易控性，对此能够根据不同的用途来制造合适的平面加热体。也就是说，在相同的工艺水平下，生产适合多重温度的平面加热体已经成为可能。这不仅仅提高了生产水平，而且可以根据不同的使用目的，制造价格适中的产品，从而达到降低生产成本的效果。

附图说明

图1是据本项发明的实施案例，绘制的涂料被覆阶段结构示意图；

图2是据本项发明实施案例的织造阶段，绘制的碳纤维加热材料（平面发热体）平面示意图；

图3是图2中A部分的放大示意图；

图4是据本项发明的实施案例，绘制的压缩阶段结构示意图；

图5是据本项发明的实施案例，绘制的在被覆阶段所得碳纤维加热材料（平面发热体）的剖面图图1。

其中， 1-复合碳纤维丝；2-涂料；3-被覆丝；4-编织线；5-复合碳纤维丝切面；5a-复合碳纤维丝接触面；11-滚丝机；12-漆房；13-加热室；13a-加热器；14-冷却室；14a-冷却器；15-卷取机；21-平面发热体；30-压缩阶段；32-流轴；42-pet被覆阶段。

具体实施方式

以下，将参考本发明具体实施案例附图，对发明进行详细地说明。附加的实施案例意在帮助理解，不能将发明仅仅局限于其中。对该领域的相关知识有一定了解的人来说，一目了然或浅显易懂的技术，在此不做详细说明。

为实现上述目标，本项发明包含了以下几个制作阶段。如图1所示为平面发热体的制造工艺。即将合成纤维丝、复合碳纤维丝浸泡在导电涂料中，在300℃-500℃的加热室中加热后，再将其置于装有风扇的冷却室中冷却以获得被覆丝的涂料被覆阶段（10），将上述被覆丝进行纵横织造，并按照一定的上下、左右间隔，将其与横向两线端的铜合金编织线进行纵向编织，制成平面发热体的织造阶段。

将上述的平面发热体两两相连，并使之通过旋转的滚轴，以确保平面发热体厚度一致和表面平坦的压缩阶段（30），此外还有在已压缩的平面发热体两面粘贴合成树脂胶片的被覆阶段。

以下将通过图1-5，具体说明上述各阶段的优选实施案例。

图1是根据本项发明的实施案例，绘制出的涂料被覆阶段结构示意图。由图可知，复合碳纤维丝（1）是构成平面发热体合成纤维丝的优选，这在复合碳纤维丝（1）外部添加涂料（2）的阶段顺序中也得到了充分体现。从图1中还可看出，滚丝机（11）中取出的复合碳纤维丝，还将通过盛有涂料（2）的漆房（12），以得到粘合纤维。

漆房（12）中使用的涂料（2）具有导电性，其它材料只要是与其属于同一种类，便无其他限制。上述涂料（2）中还添加了少量的固化剂，建议将涂料（2）和固化剂按照100:5的重量比进行混合。

加入固化剂的涂料（2）将在长约60cm-80cm的漆房中投入使用，复合碳纤维丝（1）将被浸泡其中。这时，复合碳纤维丝（1）滚丝机（11）抽取原丝的马达旋转速度建议控制在3-6rpm的范围之内。

复合碳纤维丝（1）的移动速度如果慢于上述范围，导电性涂料便会过度地附着于复合碳纤维丝（1）的表面。相反，如果速度过快，附着于复合碳纤维丝（1）表面的涂料则会不足，从而影响平面发热体的发热性能。

以下，为了说明方便，将涂料（2）附着的合成纤维丝，即为粘合纤维。

如上所述，通过漆房（12）得到的粘合纤维还将通过装有加热器（13a）的漆房（13）。

将上述加热室（13）的内部温度设置在300℃-500℃之间，加热复合碳纤维丝（1）表面所粘着的涂料（2）。本项发明旨在制造具备耐热性的平面发热体，所以应按照以下两个条件合理设计加热室（13）的规格：一是加热室（13）的内部温度维持在300℃以上；二是粘合纤维在加热室（13）中停留20-25秒。

将通过加热室（13）的粘合纤维再次放入装有换气扇的冷却室（14），使经过加热的涂料（2）得以固定， 并将上述冷却室（14）的温度维持在常温或者10℃-20℃之间。

经过这样的处理过程，便可以得到在复合碳纤维丝（1）表面涂抹涂料（2）制成的被覆丝（3）。如果将加热室（13）的内部温度设定为400℃，在此条件下制成的被覆丝（3）就会拥有在400℃以内的环境下正常使用的耐热性。

因此，通过适当调节加热室（13）的温度条件，可以制造出具有不同耐热特性的平面发热体。

根据平面发热体使用目的及用途的不同，通过适当的方式进行生产，还可以防止因生产过剩而导致生产成本的上升。

如上所述，将通过冷却室（14）得到的被覆丝（3）缠绕于卷取机（15）上，并投入下一生产工序——织造阶段。

上述的织造阶段，可使用一般的织造机来进行生产，在此省略具体说明。图4是根据本项发明的实施案例，绘制的碳纤维加热材料（平面发热体）平面示意图。

图2所示的平面发热体（21）是由复合碳纤维丝和被覆丝沿着纬线（横向）与经线（纵向）的方向进行织造的，与图二的扩大图一样，纵向使用复合碳纤维丝，而横向是将复合碳纤维丝与覆膜丝（3）按照1:1的比例进行交叉织造。

另外，在平面发热体（21）的横向两侧线端，编织线（4）按照纵向进行织造。例如图3的扩大图，横向的被覆丝（3）与纵向的复合碳纤维丝（1）紧密相连，同时横向的被覆丝（3）与编织线（4）也已相互交叉的形态进行织造。

编织线（4）是由7股铜合金线拧成一块制成的，平面发热体（21）的一侧以及其它侧的编织线都是和纵向的被覆丝相互交叉，虽然建议使用10股左右的丝线进行织造，但织造的形态无需限于图示案例。对此，不仅可以采用多种形态，而且平面发热体（21）中横向的被覆丝（3）和复合碳纤维丝（1）还可以依据1:1的比率进行交叉织造。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请型的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种碳纤维加热材料的制备方法，其特征在于，所述碳纤维加热材料由复合碳纤维丝经颗粒化后涂覆粘合在合成纤维丝上后经纬编织而成；

所述复合碳纤维丝的原料组分及重量配比如下：邻苯二甲酸二甲酯20-30份，乙二醇10-15份，聚乙二醇1~5份，碳纤维10~15份，增韧剂1-5份，填料15-20份，偶联剂1-5份，抗氧剂1-5份；所述填料选自滑石粉、 碳酸钙、玻璃微珠、陶瓷粉或贝壳粉中的一种；所述的偶联剂为硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂中的至少一种；抗氧剂为抗氧剂1010或抗氧剂1076；所述增韧剂选自聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯和聚氨酯中的一种；

所述方法包括如下步骤：

步骤一、被覆材料处理阶段，按照复合碳纤维丝的原料组分配比，制备出复合碳纤维丝，然后将所述复合碳纤维丝粉碎，进行直径0.01微米到0.001微米的颗粒化处理，将复合碳纤维丝颗粒根据电压和产生热量的要求进行配比粘贴涂覆在合成纤维丝上，即粘合纤维，涂覆方法：将合成纤维丝浸泡在具有经颗粒化处理的复合碳纤维的导电生物胶脂中，所述导电生物胶脂是采用猪皮，在200-400℃加热容器中持续熬制8-14个小时，取得具有导电性质的生物胶脂，用于复合颗粒化的碳纤维，并将粘合纤维置于可调节温度的加热室中加热，再通过冷却室的冷却处理，获取被覆丝；

步骤二、织造阶段，将步骤一中的被覆丝同聚酯丝一起织造，横向两侧的线端与正、负电极相连的编织线置于纵向位置，按照上、下、左、右间隔小于0.02毫米进行织造，制作平面发热体；

步骤三、压缩阶段，将步骤二中的平面发热体两两相连，通过滚轴进行加压和旋转；

步骤四、被覆阶段，在经过步骤三压缩的平面发热体两面粘贴合成树脂胶片，并在其中的一侧排列布置规定电线后，再次粘贴合成树脂胶片，最后将上述电线同与负极相连的编织线进行连接。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体为：

将合成纤维丝浸泡在具有经颗粒化处理的复合碳纤维的导电生物胶脂中，在300-500℃的加热室中加热后，再将其置于装有风扇的冷却室中冷却，以获得被覆丝的涂料被覆阶段（10），将经所述导电涂料被覆阶段后的被覆丝进行纵横织造，并按照小于0.02毫米的上、下、左、右间隔，与横向两线端的铜合金编织线进行纵向编织，制成平面发热体的织造阶段；

将织造阶段后的平面发热体两两相连，并使之通过旋转的滚轴，以确保平面发热体厚度一致和表面平坦的压缩阶段（30），在已压缩的平面发热体两面粘贴合成树脂胶片的被覆阶段。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：在滚丝机（11）中取出的合成纤维丝，通过盛有涂料（2）的漆房（12），以得到粘合纤维；漆房（12）中使用的涂料（2）具有导电性，所述涂料（2）中还添加了固化剂，所述涂料（2）和固化剂按照100:5的重量比进行混合。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：加入固化剂的涂料（2）在长60cm-80cm的漆房中投入使用，将合成纤维丝浸泡其中，这时，滚丝机（11）抽取原丝的马达旋转速度控制在3-6rpm的范围之内。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：经涂料（2）附着的合成纤维丝，即为粘合纤维，所述粘合纤维通过装有加热器（13a）的加热室（13），然后将加热室（13）的内部温度设置在300℃-500℃之间，加热合成纤维丝表面所粘着的涂料（2）；粘合纤维在加热室（13）中停留20-25秒；

将通过加热室（13）后的粘合纤维再次放入装有换气扇的冷却室（14），使经过加热的涂料（2）得以固定， 并将冷却室（14）的温度维持在常温或者10℃-20℃之间，将通过冷却室（14）得到的被覆丝（3）缠绕于卷取机（15）上，并投入织造阶段。