CN106273921A - 一种基于改性碳纤维热芯层的新型碳纤维热芯地板 - Google Patents

一种基于改性碳纤维热芯层的新型碳纤维热芯地板 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于改性碳纤维热芯层的新型碳纤维热芯地板，具体操作步骤为：将碳纤维的长纤维切断搅碎得到待改性处理的碳纤维短纤维，然后将待改性处理的碳纤维短纤维置于低温等离子体仪中进行等离子处理，得到活化的碳纤维短纤维，再将活化的碳纤维短纤维加入含苯胺的盐酸溶液中，缓慢搅拌，加入引发剂，常温反应，取出，冲洗，烘干得到聚苯胺包覆的改性碳纤维，然后将聚苯胺包覆的改性碳纤维置于造纸或者无纺布设备中，制造得到改性碳纤维纸或者碳纤维无纺布，最后将改性碳纤维纸或者碳纤维无纺布与电极、绝缘材料相复合得到基于改性碳纤维热芯层，再与木质层相复合得到基于改性碳纤维热芯层的碳纤维热芯地板。

Description

一种基于改性碳纤维热芯层的新型碳纤维热芯地板
技术领域：
本发明属于电热地板技术领域，具体涉及一种基于改性碳纤维热芯层的新型碳纤维热芯地板。
背景技术：
随着人们生活水平的不断提高，人们对居住环境的要求也越来越高，已经不仅仅要满足基本的生活条件，而且要求创造舒适、安逸、智能的居住环境，并且要求室内环境满足温度、湿度、采光、风速、污染物浓度等多方面的水平控制在一定范围。室内环境的调节需要用暖通空调设备来实现，目前国内一般是使用低温热水通过室外管网输送至室内散热设备，形成采暖系统，但是针对于偏南方的一些城市实施起来着实困难，而且这种系统越来越难满足人们的要求，如环境污染、占地面积大、噪声污染、修理困难等。
继而，电采暖技术因具备投资低、运行管理简单、调节方便、收费方便等特别，开始逐渐被一些地区所接受，尤其是长江以南的区域。目前，电采暖的产品主要有电暖器、电锅炉、电热膜、电缆线等。近年来，随着科学技术的迅猛发展，高效电热抓换材料碳纤维也开始被应用于供暖系统。碳纤维的主要采暖方式有：碳纤维电热板、碳纤维笔画、碳纤维衣服等。
碳纤维电热地板采暖系统就是将碳纤维电热板直接铺设于地板表面，再铺设木质地板、地毯等，形成采暖系统，该系统运行时，是通过碳纤维作为发热材料，将电能转换成热能，释放到室内，以整个地板表面为散热面与室内环境通过辐射和对流两种传热方式来实现热交换，与传统的以对流散热为主的散热器供暖相比，碳纤维电热地板采暖系统能使室内温度分布均匀、舒适性好、干净卫生、节约能源，符合环保、节能的发展方向。
中国专利CN103982937A(公开日2014.8.13)公开的一种电热复合地板发热芯及其制作方法，该电热复合地板发热芯包括短电极电热地板发热芯和长电极电热地板发热芯，长短电极之间都为碳纤维或碳晶电热纸，碳纤维或碳晶电热纸的两端分别与长短电极通过铆制针孔铆接，经电极焊接点、连接引线组合接线及插头插座导通，使相邻电热复合地板之间形成串接电路，经温控器至电源。中国专利CN104486851A(公开日2015.4.1)公开的微衰减功率可裁剪碳纤维电热板及其制备方法，微衰减功率可裁剪碳纤维电热板包括上装饰层、上绝缘层、发热芯片层、下绝缘层、下装饰层，其中发热芯片层由多张平铺的碳纤维发热无纺纸通过铜带相互并联构成，该碳纤维电热板采用碳纤维电热无纺纸作为发热芯片，纸张薄抗水，复合强度高，衰减功率低于木浆导电纸，方便耐用。
由上述现有技术可知，目前碳纤维电热地板中的热芯多是采用碳纤维、碳晶电热纸、碳纤维电热无纺纸等材料，而且多是从结构方面改善电热地板的发热性能，但对于碳纤维发热材料本身的性能对电热地板发热性能的研究不多。
发明内容：
本发明要解决的技术问题是提供一种基于改性碳纤维热芯层的新型碳纤维热芯地板，采用聚苯胺包覆的改性碳纤维作为主要原料，与电极和绝缘材料形成改性碳纤维热芯层，再与木质层复合形成碳纤维热芯地板。本发明制备的基于改性碳纤维热芯层的碳纤维热芯地板与常规的碳纤维热芯地板不同，其原料是经过改性的碳纤维，经改性处理的碳纤维其亲水性、抗张性都明显提高，可以简化碳纤维热芯地板的制作工艺，提高碳纤维热芯地板的机械强度和使用性，得到可大规模生产的性能优异的碳纤维热芯地板。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种基于改性碳纤维热芯层的新型碳纤维热芯地板，其特征在于，所述碳纤维热芯地板包括木质层和热芯层，所述热芯层为改性碳纤维热芯层，所述改性碳纤维热芯层包括改性碳纤维材料、电极和绝缘层，所述改性碳纤维材料为聚苯胺包覆的改性碳纤维制备的碳纤维纸或碳纤维无纺布。
优选地，所述聚苯胺包覆的改性碳纤维的原料为等离子体改性的碳纤维短纤维。
优选地，所述一种基于改性碳纤维热芯层的碳纤维热芯地板的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将碳纤维的长纤维切断至3-5cm，再倒入高速搅碎机中切断处理1-3min，得到待改性处理的碳纤维短纤维；
(2)将步骤(1)制备的待改性处理的碳纤维短纤维置于低温等离子体仪中，在100-140℃和1.5×105-2×105下，在氮气氛围下进行等离子处理，得到活化的碳纤维短纤维；
(3)按重量份计，将1份的步骤(2)制备的活化的碳纤维短纤维加入75-90份的含苯胺的盐酸溶液中，缓慢搅拌，加入2-7份的引发剂，常温继续搅拌反应，取出，冲洗至滤液中性，烘干得到聚苯胺包覆的改性碳纤维；
(4)将步骤(3)制备的聚苯胺包覆的改性碳纤维置于造纸或者无纺布设备中，制造得到改性碳纤维纸或者碳纤维无纺布；
(5)将步骤(4)制备的改性碳纤维纸或者碳纤维无纺布与电极、绝缘材料相复合得到改性碳纤维热芯层，再与木质层相复合得到基于改性碳纤维热芯层的碳纤维热芯地板。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，碳纤维的长纤维为聚丙烯晴碳纤维。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，等离子处理的功率为200-300W，时间为60-90s。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，含苯胺的盐酸溶液中苯胺的含量为0.1-0.2g/mol。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，引发剂为过硫酸铵。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，搅拌反应的时间为5-10h。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(4)中，改性碳纤维纸或者碳纤维无纺布的电阻率为0.13-0.15Ω·cm。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(5)中，基于改性碳纤维热芯层的碳纤维热芯地板的升温速率为0.3-0.5℃/min。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明制备的碳纤维热芯地板的主要功能元件为改性碳纤维热芯层，该改性碳纤维热芯层主要由改性的碳纤维短纤维构成，碳纤维短纤维先经低温等离子体处理使碳纤维表面增加活性，而且不影响其他强度，然后再经包覆聚合反应，极大的提高碳纤维的表面性能，使碳纤维表面局域良好的亲水性和亲树脂性能，分散性也变好，使制备的碳纤维纸或碳纤维无纺布的均匀性、稳定剂和机械强度大幅度提高。
(2)本发明制备的碳纤维热芯地板的改性碳纤维热芯层的制备工艺简化，分散性和均匀性好，制备的碳纤维热芯层的热量分布均匀性更好，升温速率稳定，制备的碳纤维热芯地板机械强度和使用性大幅度提高，而且可大规模生产。
具体实施方式：
下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1：
(1)将聚丙烯晴碳纤维T-1000的长纤维切断至3-5cm，再倒入高速搅碎机中切断处理1min，得到待改性处理的碳纤维短纤维。
(2)将步骤(1)制备的待改性处理的碳纤维短纤维置于低温等离子体仪中，在100℃和1.5×105下，在氮气氛围下，以200W的功率进行等离子处理60s，得到活化的碳纤维短纤维。
(3)按重量份计，将1份的步骤(2)制备的活化的碳纤维短纤维加入75份的0.1g/mol含苯胺的盐酸溶液中，缓慢搅拌30min，加入2份的硫酸铵引发剂，常温继续搅拌反应5h，取出，冲洗至滤液中性，烘干得到聚苯胺包覆的改性碳纤维。
(4)将步骤(3)制备的聚苯胺包覆的改性碳纤维置于造纸或者无纺布设备中，制造得到改性碳纤维纸。
(5)将步骤(4)制备的改性碳纤维纸与电极、绝缘材料相复合得到改性碳纤维热芯层，再与木质层相复合得到基于改性碳纤维热芯层的碳纤维热芯地板。
实施例2：
(1)将聚丙烯晴碳纤维M40的长纤维切断至3-5cm，再倒入高速搅碎机中切断处理3min，得到待改性处理的碳纤维短纤维。
(2)将步骤(1)制备的待改性处理的碳纤维短纤维置于低温等离子体仪中，在140℃和2×105下，在氮气氛围下，以300W的功率进行等离子处理90s，得到活化的碳纤维短纤维。
(3)按重量份计，将1份的步骤(2)制备的活化的碳纤维短纤维加入90份的0.2g/mol含苯胺的盐酸溶液中，缓慢搅拌30min，加入7份的硫酸铵引发剂，常温继续搅拌反应10h，取出，冲洗至滤液中性，烘干得到聚苯胺包覆的改性碳纤维。
(4)将步骤(3)制备的聚苯胺包覆的改性碳纤维置于造纸或者无纺布设备中，制造得到改性碳纤维无纺布。
(5)将步骤(4)制备的改性碳纤维无纺布与电极、绝缘材料相复合得到改性碳纤维热芯层，再与木质层相复合得到基于改性碳纤维热芯层的碳纤维热芯地板。
实施例3：
(1)将聚丙烯晴碳纤维M60的长纤维切断至3-5cm，再倒入高速搅碎机中切断处理2min，得到待改性处理的碳纤维短纤维。
(2)将步骤(1)制备的待改性处理的碳纤维短纤维置于低温等离子体仪中，在120℃和1.7×105下，在氮气氛围下，以250W的功率进行等离子处理80s，得到活化的碳纤维短纤维。
(3)按重量份计，将1份的步骤(2)制备的活化的碳纤维短纤维加入80份的0.15g/mol含苯胺的盐酸溶液中，缓慢搅拌30min，加入5份的硫酸铵引发剂，常温继续搅拌反应8h，取出，冲洗至滤液中性，烘干得到聚苯胺包覆的改性碳纤维。
(4)将步骤(3)制备的聚苯胺包覆的改性碳纤维置于造纸或者无纺布设备中，制造得到改性碳纤维无纺布。
(5)将步骤(4)制备的改性碳纤维无纺布与电极、绝缘材料相复合得到改性碳纤维热芯层，再与木质层相复合得到基于改性碳纤维热芯层的碳纤维热芯地板。
实施例4：
(1)将聚丙烯晴碳纤维M60的长纤维切断至3-5cm，再倒入高速搅碎机中切断处理1.5min，得到待改性处理的碳纤维短纤维。
(2)将步骤(1)制备的待改性处理的碳纤维短纤维置于低温等离子体仪中，在130℃和1.6×105下，在氮气氛围下，以230W的功率进行等离子处理70s，得到活化的碳纤维短纤维。
(3)按重量份计，将1份的步骤(2)制备的活化的碳纤维短纤维加入85份的0.13g/mol含苯胺的盐酸溶液中，缓慢搅拌30min，加入4份的硫酸铵引发剂，常温继续搅拌反应8h，取出，冲洗至滤液中性，烘干得到聚苯胺包覆的改性碳纤维。
(4)将步骤(3)制备的聚苯胺包覆的改性碳纤维置于造纸或者无纺布设备中，制造得到改性碳纤维纸。
(5)将步骤(4)制备的改性碳纤维纸与电极、绝缘材料相复合得到改性碳纤维热芯层，再与木质层相复合得到基于改性碳纤维热芯层的碳纤维热芯地板。
实施例5：
(1)将聚丙烯晴碳纤维M60的长纤维切断至3-5cm，再倒入高速搅碎机中切断处理2.5min，得到待改性处理的碳纤维短纤维。
(2)将步骤(1)制备的待改性处理的碳纤维短纤维置于低温等离子体仪中，在100℃和2×105下，在氮气氛围下，以300W的功率进行等离子处理60s，得到活化的碳纤维短纤维。
(3)按重量份计，将1份的步骤(2)制备的活化的碳纤维短纤维加入75份的0.2g/mol含苯胺的盐酸溶液中，缓慢搅拌30min，加入3份的硫酸铵引发剂，常温继续搅拌反应7h，取出，冲洗至滤液中性，烘干得到聚苯胺包覆的改性碳纤维。
(4)将步骤(3)制备的聚苯胺包覆的改性碳纤维置于造纸或者无纺布设备中，制造得到改性碳纤维纸。
(5)将步骤(4)制备的改性碳纤维纸与电极、绝缘材料相复合得到改性碳纤维热芯层，再与木质层相复合得到基于改性碳纤维热芯层的碳纤维热芯地板。
实施例6：
(1)将聚丙烯晴碳纤维M40的长纤维切断至3-5cm，再倒入高速搅碎机中切断处理2min，得到待改性处理的碳纤维短纤维。
(2)将步骤(1)制备的待改性处理的碳纤维短纤维置于低温等离子体仪中，在140℃和1.5×105下，在氮气氛围下，以200W的功率进行等离子处理90s，得到活化的碳纤维短纤维。
(3)按重量份计，将1份的步骤(2)制备的活化的碳纤维短纤维加入90份的0.1g/mol含苯胺的盐酸溶液中，缓慢搅拌30min，加入6份的硫酸铵引发剂，常温继续搅拌反应8h，取出，冲洗至滤液中性，烘干得到聚苯胺包覆的改性碳纤维。
(4)将步骤(3)制备的聚苯胺包覆的改性碳纤维置于无纺布设备中，制造得到改性碳纤维无纺布。
(5)将步骤(4)制备的改性碳纤维无纺布与电极、绝缘材料相复合得到基于改性碳纤维热芯层，再与木质层相复合得到基于改性碳纤维热芯层的碳纤维热芯地板。
经检测，实施例1-6制备的改性碳纤维热芯层的电阻率、电阻的均匀性的结果如下所示：
在温度为20℃，湿度为50％，大气压为一个大气压的环境中，将实施例1-6制备的基于改性碳纤维热芯层的碳纤维热芯地板的升温速率、温度均匀性的结果如下所示：
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6
升温速率(℃/min) 0.3 0.5 0.42 0.38 0.49 0.46
温度均匀性(％) 95 98 99 94 96 97
由上表可见，本发明制备的基于改性碳纤维热芯层的碳纤维热芯地板中改性碳纤维热芯层的电阻率低，电阻的均匀性好，基于改性碳纤维热芯层的碳纤维热芯地板的升温速率稳定，温度均匀性好。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于改性碳纤维热芯层的新型碳纤维热芯地板，其特征在于，所述碳纤维热芯地板包括木质层和热芯层，所述热芯层为改性碳纤维热芯层，所述改性碳纤维热芯层包括改性碳纤维材料、电极和绝缘层，所述改性碳纤维材料为聚苯胺包覆的改性碳纤维制备的碳纤维纸或碳纤维无纺布。
2.根据权利要求1所述的一种基于改性碳纤维热芯层的新型碳纤维热芯地板，其特征在于，所述聚苯胺包覆的改性碳纤维的原料为等离子体改性的碳纤维短纤维。
3.根据权利要求1所述的一种基于改性碳纤维热芯层的新型碳纤维热芯地板的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将碳纤维的长纤维切断至3-5cm，再倒入高速搅碎机中切断处理1-3min，得到待改性处理的碳纤维短纤维；
(2)将步骤(1)制备的待改性处理的碳纤维短纤维置于低温等离子体仪中，在100-140℃和1.5×105-2×105下，在氮气氛围下进行等离子处理，得到活化的碳纤维短纤维；
(3)按重量份计，将1份的步骤(2)制备的活化的碳纤维短纤维加入75-90份的含苯胺的盐酸溶液中，缓慢搅拌，加入2-7份的引发剂，常温继续搅拌反应，取出，冲洗至滤液中性，烘干得到聚苯胺包覆的改性碳纤维；
(4)将步骤(3)制备的聚苯胺包覆的改性碳纤维置于造纸或者无纺布设备中，制造得到改性碳纤维纸或者碳纤维无纺布；
(5)将步骤(4)制备的改性碳纤维纸或者碳纤维无纺布与电极、绝缘材料相复合得到改性碳纤维热芯层，再与木质层相复合得到基于改性碳纤维热芯层的碳纤维热芯地板。
4.根据权利要求3所述的一种基于改性碳纤维热芯层的新型碳纤维热芯地板的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，碳纤维的长纤维为聚丙烯晴碳纤维。
5.根据权利要求3所述的一种基于改性碳纤维热芯层的新型碳纤维热芯地板的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，等离子处理的功率为200-300W，时间为60-90s。
6.根据权利要求3所述的一种基于改性碳纤维热芯层的新型碳纤维热芯地板的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，含苯胺的盐酸溶液中苯胺的含量为0.1-0.2g/mol。
7.根据权利要求3所述的一种基于改性碳纤维热芯层的新型碳纤维热芯地板的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，引发剂为过硫酸铵。
8.根据权利要求3所述的一种基于改性碳纤维热芯层的新型碳纤维热芯地板的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，搅拌反应的时间为5-10h。
9.根据权利要求3所述的一种基于改性碳纤维热芯层的新型碳纤维热芯地板的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中，改性碳纤维纸或者碳纤维无纺布的电阻率为0.13-0.15Ω·cm。
10.根据权利要求3所述的一种基于改性碳纤维热芯层的新型碳纤维热芯地板的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中，基于改性碳纤维热芯层的碳纤维热芯地板的升温速率为0.3-0.5℃/min。
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