CN105848320B - 一种碳纤维红外发热线、制备方法及应用 - Google Patents

一种碳纤维红外发热线、制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维红外发热线，其为三层编织套管结构，由内向外依次为碳纤维复合支撑芯、碳纤维柔性红外发热层和微生物碳纤维吸附层；所述碳纤维复合支撑芯为棒状结构，由芯层碳纤维和树脂基体制备而成；所述碳纤维柔性红外发热层，采用碳纤维长丝与低含量高温定型胶黏剂复合而成；所述微生物碳纤维吸附层采用经过活化的碳纤维长丝制备而成；活化后的碳纤维长丝比表面积为1000‑2000m2/g。本发明还公开了由上述碳纤维红外发热线制备的蔬菜大棚用土壤加温装置。该蔬菜大棚用土壤加温装置可适用不同埋入深度下土壤的智能控温加温，有效保证土壤内部微生物菌群体系的稳定，具有提高蔬菜抗病虫害能力以及优化蔬菜作物营养成分等多种作用。

Description

一种碳纤维红外发热线、制备方法及应用
技术领域
本发明涉及一种碳纤维红外发热线及其制备方法和在蔬菜大棚土壤加温中的应用。
背景技术
农作物的生长受制于季节温度的限制，尤其在北方或高寒地区，冬季气温较低时间较长，如果大量蔬菜产品通过南方长途运输途径解决，将带来其成本的大幅度提高，不利于蔬菜的持续供应。要解决目前的寒冬季节的蔬菜供给，温室大棚的蔬菜种植显得尤为重要。
尽管我国北方地区进行了大量温室大棚的配制，但是蔬菜产品在冬季市场的供应仍然仅仅占到15％左右消费量，其主要原因是冬季气候寒冷，阳光照射不足导致了棚内土壤温度较低。现有技术中，对于温室大棚的加温多采用燃煤型锅炉、水源热泵和空气源热泵，但是，燃煤锅炉热效率低，污染严重，机械自动化水平低，存在着诸多不足；水源温度虽然和土壤源温度一样长年稳定，有效的提高了机组的能效比，但对地下水资源的破坏极大，且初投资大，使得推广极难；空气源热泵的区域性限制强，受冬季环境温度较低影响，机组在黄河流域、华北、西北等地区将无法在冬季正常工作；制热时蒸发器易结霜。而且上述间接土壤加温的方法较为缓慢，耗能大且热效率较低，无法给蔬菜作物提供良好充分的土壤温度以保证其稳定的生长环境与条件。
碳纤维属于纯黑体材料，在电热转换过程中的可见光极低，电热转换效率在99％以上，与金属加热器相比节能达到30％以上。碳纤维作为发热体在加热时可发射出波长在2-15微米的红外线，碳纤维作为发热体所发出的远红外线可较好的被人体、农作物、土壤等吸收，在热传递过程中的热量损失较小。因此，利用碳纤维作为发热体制备蔬菜作物大棚的土壤加温装置具有较好的保温控温效果。除此之外，碳纤维属于柔性纤维材料，可根据大棚内蔬菜作物根系的生长特性及根系土壤埋入深度，进行特定发热体的排布，以满足不同土壤深度的温度分布要求，同时蔬菜作物所需的土壤温度相对较低，一般在20-30℃之间，上限温度一般不超过40℃，而低温加热要求对供电系统的要求不高，可选用太阳能或风能等绿色供电系统与之配合使用。
但目前很少有将碳纤维用于温室大棚土壤加温的报道，中国专利“一种蔬菜大棚克服长期低温连阴雨(雪)的栽培方法(CN103416172A)中公开了在恶劣天气条件下，直接采用DRD-B硅橡胶碳纤维加热带进行加温以保证正常生长。但该硅橡胶碳纤维加热带仍类似上述传统的温室加热方式，对土壤的加温较为缓慢，而且仅是用于加温，功能相对比较单一。
发明内容
针对上述现有技术，本发明的第一个目的是提供一种碳纤维红外发热线及其制备方法。该碳纤维红外发热线采用多层套管编织结构，该结构除了基本红外加热控制土壤温度的功能之外，又可同时实现力学支撑和引入有益微生物等综合作用。
本发明的第二个目的是提供上述碳纤维红外发热线在蔬菜大棚土壤加温中的应用。
本发明的第三个目的是提供一种蔬菜大棚用土壤加温装置，该装置基本结构为框架模块结构，框架模块的内部布置上述碳纤维红外发热线和感温控制系统，红外发热线的分布面积及深度等可根据蔬菜作物根系的温度要求进行灵活设计；框架模块结构之间可采用并联方式完成碳纤维发热线的电气装配，碳纤维加温装置的供储电系统通过太阳能极板或风电系统与蓄电池共同组成，在绿色供电的基础上结合储电装置应用，有效保证夜间无阳光环境下的土壤稳定控温。该蔬菜大棚用土壤加温装置可适用不同埋入深度下土壤的智能控温加温，同时又有效保证土壤内部微生物菌群体系的稳定，具有提高蔬菜抗病虫害能力以及优化蔬菜作物营养成分等多种作用。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
根据本发明的第一方面，提供一种碳纤维红外发热线，其为三层编织套管结构，由内向外依次为碳纤维复合支撑芯、碳纤维柔性红外发热层和微生物碳纤维吸附层；
所述碳纤维复合支撑芯为棒状结构，直径为0.5-2mm，由芯层碳纤维和树脂基体制备而成；所述碳纤维复合支撑芯为连续长度并可以任意弯曲定型；
所述芯层碳纤维为T300、T700、T800等中的一种或多种组合，芯层碳纤维采用多股绳编织结构，绳状芯层的股数及单股纤维的K数根据力学性能要求灵活选择。
所述树脂基体为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂中的一种或多种组合，树脂含量为5-20％之间可调。
所述碳纤维柔性红外发热层，采用碳纤维长丝与低含量高温定型胶黏剂复合而成；其中高温定型胶含量为5-10％；碳纤维长丝为T300、T700、T800等中的一种或多种组合，碳纤维长丝采用筒状编织结构，编织中间层的股数及单股纤维的K数根据发热温度需要灵活调整。
所述微生物碳纤维吸附层采用经过活化的碳纤维长丝制备而成；碳纤维长丝为T300、T700、T800等中的一种或多种组合；活化后的碳纤维长丝比表面积为1000-2000m2/g，活化后的碳纤维采用筒状编织结构，编织吸附层的股数及单股纤维的K数根据发热温度需要蔬菜作物的土壤菌群要求灵活调整。
上文中，所述高温定型胶为现有技术中的常规产品，如50A-1定型胶(襄阳精细汇明科技股份有限公司)等。
上文中，所述经过活化的碳纤维是指将碳纤维经过高温活化，使其表面产生纳米级的孔径，增加比表面积，从而改变其物化特性。
根据本发明的第二方面，提供上述碳纤维红外发热线的制备方法，步骤如下：
(1)内层芯层的制备：以T300、T700、T800中的一种或多种组合为碳纤维原料，采用多股绳编织，编织的股数为6-25股，芯层编织后采用树脂基体与纤维绳复合形成复合材料，树脂含量为5-20％；
(2)中间发热层的制备：以T300、T700、T800等中的一种或多种组合为碳纤维长丝原料，采用筒状编织结构，编织的股数为8-30股，然后与高温定型胶黏剂复合而成，其中高温定型胶含量为5-10％；
(3)外表面的微生物碳纤维吸附层的制备：以活化后的碳纤维长丝为原料，采用筒状编织结构，编织的股数为7-30股。
上述碳纤维红外发热线在蔬菜大棚土壤加温中的应用也是本发明的保护范围。
根据本发明的第三方面，提供一种蔬菜大棚用土壤加温装置，包括碳纤维加温装置框架模块，所述碳纤维加温装置框架模块通过引线分别与绿色供能装置和储能装置相连接。
所述碳纤维加温装置框架模块包括碳纤维框架模块，碳纤维红外发热线布置在所述碳纤维框架模块内，并通过弹簧连接端子与碳纤维框架模块连接成整体。连接端采用弹簧绕线接头，可以避免在加温装置模块埋入土壤内的过程中出现松弛或分布不均匀的问题出现。
进一步的，所述碳纤维红外发热线在碳纤维框架模块内的布置形式为网格状、折线状或螺旋盘绕状等各种布置形式，发热线的布置结构可灵活调整。
进一步的，所述碳纤维加温装置框架模块设有接线端，以并联的方式将布置好碳纤维发热线的框架模块进行电气连接；
所述接线端包括至少两个引线端，以及与所述引线端相连的排线。
所述接线端整体采用弹簧压片式结构，以保证端头较低的接触电阻和连接紧密性。
进一步的，所述碳纤维加温装置框架模块在靠近碳纤维红外发热线表面的位置设有感温元件，感温元件的布置位置靠紧发热线表面，温度精度为0.1-0.001℃范围，感温探头的布置密度根据要求灵活调整。
进一步的，所述绿色供能装置为太阳能极板或风电装置，作为蔬菜大棚内碳纤维土壤加温装置的供电设备，其中太阳能极板可采用单晶硅或多晶硅两种类型，风力发电机可采用水平轴或垂直轴结构，其中太阳能极板的面积以及风力发电机的结构根据加温功率要求灵活调整。
所述储能装置优选为蓄电池，以保证稳定夜间供电。
本发明的有益效果：
(1)本发明的碳纤维红外发热线采用三层结构，其中，碳纤维复合支撑芯可有效实现不同蔬菜作物的根系特征的均匀结构布置和构型稳定；碳纤维柔性红外发热层可有效进行远红外加热以保证土壤环境温度；微生物碳纤维吸附层采用经过活化的碳纤维长丝制备，活化后的碳纤维长丝比表面积为1000-2000m2/g，可有效吸附土壤内复合微生物肥料的抗生素类物质，在蔬菜作物根系周围形成优势菌群，抑制有害微生物繁殖。
(2)采用土壤埋入式框架模块，同时配合特殊接线端子装置，保证碳纤维发热线的电气装配过程中的结构稳定性；同时通过框架模块支撑在碳纤维发热线布置结构的同时，在特定部位引入感温元件，以实时控制土壤内部温度。
(3)采用绿色供电及储能系统的配置，有效保证夜间无阳光环境下的土壤加温和稳定控温节约能源。
附图说明
图1：碳纤维红外发热线的结构示意图；
图2：碳纤维加温装置框架模块示意图；
图3：蔬菜大棚用土壤加温装置结构示意图。
其中，1-碳纤维复合支撑芯，2-碳纤维柔性红外发热层，3-微生物碳纤维吸附层，4-碳纤维红外发热线，5-弹簧连接端子，6-第一引线端，7-碳纤维框架模块，8-第二引线端，9-排线，10-弹簧压片，11-碳纤维加温装置框架模块，12-引线，13-绿色供能装置，14-储能装置。
具体实施方式
结合实施例对本发明作进一步的说明，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。
实施例1：
(1)碳纤维红外发热线的制备：
碳纤维红外发热线的结构示意图如图1所示，其为三层编织套管结构，由内向外依次为碳纤维复合支撑芯1、碳纤维柔性红外发热层2和微生物碳纤维吸附层3。
制备方法为：最内层的复合支撑芯采用T300编织多股绳，股数为10股，单股采用3K纤维，最终芯部的直径为2mm，芯层编织后采用环氧树脂与纤维绳复合形成复合材料，最终树脂含量为20％之间。中间碳纤维柔性红外发热层采用碳纤维长丝与低含量高温定型胶黏剂复合组成，高温定型胶含量为5％，发热层采用筒状编织结构，股数为8股，单股采用3K纤维，单股纤维采用T700碳纤维。最外表面的微生物碳纤维吸附层，采用经过活化的T800碳纤维长丝制备，活化后碳纤维的比表面积为1000m2/g，活性碳纤维采用筒状编织结构，股数为9股，单股采用3K纤维。
(2)碳纤维加温装置框架模块的装配及发热线构型设计
碳纤维红外发热1的布置可根据蔬菜作物根系的土壤内分布特点，采用网格状布置形式。将布置好的发热线1与碳纤维框架模块7连接成整体，连接端采用弹簧绕线接头。碳纤维框架模块接线端采用并联方式，将布置好碳纤维发热线的框架模块进行连接，接线端采用弹簧压片式结构。同时在框架模块的特定部位布置感温元件，感温元件的布置位置靠紧发热线表面，温度精度为0.1℃，感温探头的布置密度为10个/m2，装配后的结构示意图如图2所示。
(3)碳纤维绿色供电及储能系统配制。
采用面积为5m2的单晶硅太阳能极板作为蔬菜大棚内碳纤维土壤加温装置的供电设备，采用水平轴结构风力发电机作为蔬菜大棚内碳纤维土壤加温装置的供电设备，发电功率为5KW，供电装置配合蓄电池以保证稳定夜间供电。
如图3所示，其结构包括碳纤维加温装置框架模块11，所述碳纤维加温装置框架模块11通过引线12分别与绿色供能装置13和储能装置14相连接。
利用该实施例的碳纤维土壤加温装置，可保证棚内蔬菜作物的土壤温度不低于35℃。
实施例2：
(1)碳纤维红外发热线的制备。采用三层编织套管结构：最内层的复合支撑芯采用T700编织多股绳，股数为6股，单股采用3K纤维，最终芯部的直径为1.5mm，芯层编织后采用酚醛树脂与纤维绳复合形成复合材料，最终树脂含量为10％之间。中间碳纤维柔性红外发热层采用碳纤维长丝与低含量高温定型胶黏剂复合组成，高温定型胶含量为8％，发热层采用筒状编织结构，股数为10股，单股采用3K纤维，单股纤维采用T700碳纤维。最外表面的微生物碳纤维吸附层，采用经过活化的T800碳纤维长丝制备，活化后碳纤维的比表面积为1500m2/g，活性碳纤维采用筒状编织结构，股数为7股，单股采用3K纤维。
(2)碳纤维框架模块的装配及发热线构型设计。碳纤维红外发热线的布置可根据蔬菜作物根系的土壤内分布特点，采用折线状布置形式。将布置好的发热线与碳纤维框架模块连接成整体，连接端采用弹簧绕线接头。碳纤维框架模块接线端采用并联方式，将布置好碳纤维发热线的框架模块进行连接，接线端采用弹簧压片式结构。同时在框架模块的特定部位布置感温元件，感温元件的布置位置靠紧发热线表面，温度精度为0.01℃，感温探头的布置密度为15个/m2。
(3)碳纤维绿色供电及储能系统配制。采用面积为4m2的多晶硅太阳能极板作为蔬菜大棚内碳纤维土壤加温装置的供电设备，采用垂直轴结构风力发电机作为蔬菜大棚内碳纤维土壤加温装置的供电设备，发电功率为3KW，供电装置配合蓄电池以保证稳定夜间供电。
利用该实施例的碳纤维土壤加温装置，可保证棚内蔬菜作物的土壤温度不低于30℃。
实施例3：
(1)碳纤维红外发热线的制备。采用三层编织套管结构：最内层的复合支撑芯采用T800编织多股绳，股数为20股，单股采用1K纤维，最终芯部的直径为2mm，芯层编织后采用不饱和聚酯树脂与纤维绳复合形成复合材料，最终树脂含量为10％之间。中间碳纤维柔性红外发热层采用碳纤维长丝与低含量高温定型胶黏剂复合组成，高温定型胶含量为5％，发热层采用筒状编织结构，股数为20股，单股采用1K纤维，单股纤维采用T700碳纤维。最外表面的微生物碳纤维吸附层，采用经过活化的T300碳纤维长丝制备，活化后碳纤维的比表面积为2000m2/g，活性碳纤维采用筒状编织结构，股数为9股，单股采用3K纤维。
(2)碳纤维框架模块的装配及发热线构型设计。碳纤维红外发热线的布置可根据蔬菜作物根系的土壤内分布特点，采用螺旋盘绕状布置形式。将布置好的发热线与碳纤维框架模块连接成整体，连接端采用弹簧绕线接头。碳纤维框架模块接线端采用并联方式，将布置好碳纤维发热线的框架模块进行连接，接线端采用弹簧压片式结构。同时在框架模块的特定部位布置感温元件，感温元件的布置位置靠紧发热线表面，温度精度为0.01℃，感温探头的布置密度为12个/m2。
(3)碳纤维绿色供电及储能系统配制。采用面积为7m2的单晶硅太阳能极板作为蔬菜大棚内碳纤维土壤加温装置的供电设备，采用垂直轴结构风力发电机作为蔬菜大棚内碳纤维土壤加温装置的供电设备，发电功率为5KW，供电装置配合蓄电池以保证稳定夜间供电。
利用该实施例的碳纤维土壤加温装置，可保证棚内蔬菜作物的土壤温度不低于32℃。
实施例4：
(1)碳纤维红外发热线的制备。采用三层编织套管结构：最内层的复合支撑芯采用T800编织多股绳，股数为25股，单股采用1K纤维，最终芯部的直径为1mm，芯层编织后采用环氧树脂与纤维绳复合形成复合材料，最终树脂含量为20％之间。中间碳纤维柔性红外发热层采用碳纤维长丝与低含量高温定型胶黏剂复合组成，高温定型胶含量为5％，发热层采用筒状编织结构，股数为30股，单股采用1K纤维，单股纤维采T800碳纤维。最外表面的微生物碳纤维吸附层，采用经过活化的T800碳纤维长丝制备，活化后碳纤维的比表面积为2000m2/g，活性碳纤维采用筒状编织结构，股数为30股，单股采用1K纤维。
(2)碳纤维框架模块的装配及发热线构型设计。碳纤维红外发热线的布置可根据蔬菜作物根系的土壤内分布特点，采用螺旋盘绕状布置形式。将布置好的发热线与碳纤维框架模块连接成整体，连接端采用弹簧绕线接头。碳纤维框架模块接线端采用并联方式，将布置好碳纤维发热线的框架模块进行连接，接线端采用弹簧压片式结构。同时在框架模块的特定部位布置感温元件，感温元件的布置位置靠紧发热线表面，温度精度为0.001℃，感温探头的布置密度为20个/m2。
(3)碳纤维绿色供电及储能系统配制。采用面积为8m2的单晶硅太阳能极板作为蔬菜大棚内碳纤维土壤加温装置的供电设备，采用水平轴或垂直轴结构风力发电机作为蔬菜大棚内碳纤维土壤加温装置的供电设备，发电功率为2KW，供电装置配合蓄电池以保证稳定夜间供电。
利用该实施例的碳纤维土壤加温装置，可保证棚内蔬菜作物的土壤温度不低于30℃。

Claims (10)

1.一种碳纤维红外发热线，其特征在于，其为三层编织套管结构，由内向外依次为碳纤维复合支撑芯、碳纤维柔性红外发热层和微生物碳纤维吸附层；
所述碳纤维复合支撑芯为棒状结构，直径为0.5-2mm，由芯层碳纤维和树脂基体制备而成；
所述碳纤维柔性红外发热层，采用碳纤维长丝与低含量高温定型胶黏剂复合而成；
其中高温定型胶含量为5-10％；
所述微生物碳纤维吸附层采用经过活化的碳纤维长丝制备而成；活化后的碳纤维长丝比表面积为1000-2000m2/g。
2.如权利要求1所述的碳纤维红外发热线，其特征在于，所述芯层碳纤维为T300、T700、T800中的一种或多种组合，芯层碳纤维采用多股绳编织结构。
3.如权利要求1所述的碳纤维红外发热线，其特征在于，所述树脂基体为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂中的一种或多种组合，树脂含量为5-20％。
4.如权利要求1所述的碳纤维红外发热线，其特征在于，制备碳纤维柔性红外发热层所采用的碳纤维长丝为T300、T700、T800中的一种或多种组合，碳纤维长丝采用筒状编织结构。
5.如权利要求1所述的碳纤维红外发热线，其特征在于，活化后的碳纤维采用筒状编织结构。
6.权利要求1至5任一项所述的碳纤维红外发热线的制备方法，其特征在于，步骤如下：
(1)内层芯层的制备：以T300、T700、T800中的一种或多种组合为碳纤维原料，采用多股绳编织，编织的股数为6-25股，芯层编织后采用树脂基体与纤维绳复合形成复合材料，树脂含量为5-20％；
(2)中间发热层的制备：以T300、T700、T800中的一种或多种组合为碳纤维长丝原料，采用筒状编织结构，编织的股数为8-30股，然后与高温定型胶黏剂复合而成，其中高温定型胶含量为5-10％；
(3)外表面的微生物碳纤维吸附层的制备：以活化后的碳纤维长丝为原料，采用筒状编织结构，编织的股数为7-30股。
7.权利要求1至5任一项所述的碳纤维红外发热线在蔬菜大棚土壤加温中的应用。
8.一种蔬菜大棚用土壤加温装置，其特征在于，包括碳纤维加温装置框架模块，所述碳纤维加温装置框架模块通过引线分别与绿色供能装置和储能装置相连接；所述碳纤维加温装置框架模块包括碳纤维框架模块，权利要求1所述的碳纤维红外发热线布置在所述碳纤维框架模块内，并通过弹簧连接端子与碳纤维框架模块连接成整体。
9.如权利要求8所述的蔬菜大棚用土壤加温装置，其特征在于，所述碳纤维红外发热线在碳纤维框架模块内的布置形式为网格状、折线状或螺旋盘绕状。
10.如权利要求8所述的蔬菜大棚用土壤加温装置，其特征在于，所述碳纤维加温装置框架模块在靠近碳纤维红外发热线表面的位置设有感温元件，温度精度为0.1-0.001℃。
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