CN106488593A - 一种远红外碳纤维复合发热膜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及远红外碳纤维复合发热膜，由上基底层、下基底层、碳纤维复合发热层、上绝缘阻燃耐温防水层和下绝缘阻燃耐温防水层组成，所述碳纤维复合发热层位于上、下基底层中间，所述上、下基底层外侧包裹上、下绝缘阻燃耐温防水层。其中，所述远红外碳纤维复合发热层可优选的为碳纤维布或碳纤维复合纸，本发明所述远红外碳纤维复合发热膜，结构简单，具有很好的柔性，可随意切割、折叠，在低温条件下也不会影响其柔软性，以30次/分钟的速度，单面折叠1000次后，负载电阻偏差不超过8％，安全稳定性显著提高，使用寿命长，另外其外部绝缘性高、耐高温，防明火、防水，内部导电性能和发热性能好，安全性高。

Description

一种远红外碳纤维复合发热膜

技术领域

本发明属于导电发热材料领域，特别涉及一种远红外碳纤维复合发热膜和制法。

背景技术

电热膜供暖是世界上新兴的供暖方式之一，常见的电加热方式有合金电热丝加热、非金属导电材料加热方式，其中合金电热丝加热最为传统，金属材料热传递主要靠自由电子完成,存在电能转换效率低，仅达60％～70％，电热丝易断裂，抗震性能差等缺点；如碳纤维等非金属导电材料的热传递主要依靠晶格的振动和传递完成，热量的传递主要以远红外辐射的方式进行，能有效避免蓄热和过热现象的发生，因而使使用寿命长，电热转换效率高。

由于碳纤维的热传导和热辐射性能相当的好，利用碳纤维制成的远红外发热膜得到了越来越广泛的应用，如中国专利100534238C中公开的一种远红外辐射电热片，包括远红外布层，上下基布层碳纤维发热层，加强纺粘布层，电极及电源；中国专利申请103862743A中公开的一种远红外控制面发热碳素布，包括基底层和面料层，所述面料层由碳纤维长丝和金属丝经纬编织而成，所述面料层经线为金属丝，所述面料层纬线为碳纤维长丝；中国专利申请103388278中公开的一种碳纤维纸，由碳纤维、木浆、羧甲基纤维素钠和纳米锌粉等多种原料制备而成。

目前，现有技术中的远红外发热膜及用其制造的供暖设备因材料和工艺的限制均存在以下不足：一、硬度过高，难以进行折叠，长时间或反复折叠后负载电阻偏差大，故在携带、运输以及安装方面比较复杂，使用寿命短；二、不能进行随意剪裁，尺寸固定，应用范围小；三、发热均匀性不良、有过热点、温差过大；四、远红外射线发射不稳定，不能将远红外射线的波长稳定在对人体健康最有益的波段，且发射量较小，起不到保健作用。

发明内容

本发明克服上述现有技术存在的缺点，提供一种远红外碳纤维复合发热膜，柔韧性强，可随意切割、折叠，且热量传输效率高，红外发射稳定、高效。

为实现上述目的，本发明具体技术方案如下：

一种远红外碳纤维复合发热膜，包括上基底层、下基底层、碳纤维复合发热层、上绝缘阻燃耐温防水层和下绝缘阻燃耐温防水层，所述碳纤维复合发热层位于上基底层和下基底层中间，所述上基底层和下基底层外侧分别包裹上绝缘阻燃耐温防水层和下绝缘阻燃耐温防水层。

进一步的，所述碳纤维复合发热层与上基底层和下基底层中间均设有胶层。

优选的，所述上基底层和下基底层选自热缩性聚氨酯和/或无纺布。

本发明所述远红外碳纤维复合发热膜，结构简单，具有很好的柔性，在低温条件下也不会影响其柔软性，以30次/分钟的速度，单面折叠1000次后，负载电阻偏差不超过8％，安全稳定性显著提高，可折叠、可裁剪，使用寿命长；另外其外部绝缘性高、耐高温，防明火、防水，内部导电性能和发热性能好，安全性高。

进一步的优选，所述绝缘阻燃耐温防水层由以下重量份原料高温复合制备而成：聚四氟乙烯10份、酚醛环氧树脂7份、三氧化二锑1份、丙烯酸3份、聚醚砜4份、橡胶6份。

上述配比原料经高温复合形成的材料，绝缘、防水、耐高温高压、阻燃且具有防静电功能；另外所述复合材料可塑性强，柔软度好，制成绝缘阻燃耐温防水层，起到绝缘、阻燃和防水等功能的同时，不影响所述远红外碳纤维复合发热膜的柔性。

进一步的，本发明还提供了所述远红外碳纤维复合发热膜的制备方法，各层之间通过高温热压复合的方式制备所述远红外碳纤维复合发热膜。

优选的，所述碳纤维复合发热层为碳纤维布，由碳纤维长丝经纬编织而成。

或者，优选的，所述碳纤维复合发热层为复合碳纤维纸，主要由如下重量份数原料制成：木浆纤维10-15、聚烯烃纤维5-12、碳纤维短丝10-15、碳化钼0.2-0.5、氧化铂0.3-0.4、硫化氮0.1-0.3、碳化锆1.2-2.0、五氧化二钒1-1.8、木质素磺酸钠2-3.5、羟丙甲纤维素1.5-3、聚噻吩0.2-0.4和纳米二氧化钛0.6-1。

更进一步的优选，所述碳纤维短丝为长度为3mm、5mm、8mm和12mm的碳纤维短丝混合而成，质量比为1-2:2-3:1-3:1。

由上述原料与碳纤维丝复合，形成的复合碳纤维纸，具有面状材料的优点，又通过对材料的配方变化，使其电热转化效率较单纯碳纤维更高，能达到99％以上，明显提高发热程度；远红外辐射率及远红外波长较单纯碳纤维的布，纸，丝的组合或符合板，片，管时，更能复合人体需求，远红外线辐射强度增加20％以上，辐射波长稳定在在4-16um之间，保健作用更加明显。

另外的，本发明还提供了所述远红外碳纤维复合发热膜的制备方法,所述方法包括如下步骤：

1)将碳纤维切割成不同长度的短丝，然后将碳纤维短丝置于ZnCl2溶液中浸泡30h，取出干燥后，置于管式炉中，以25℃/min的速度升温至600-850℃，在N2和H2等体积混合气体条件下活化60-80min，然后于纯N2保护的条件下降至室温得到活化碳纤维短丝；

2)将步骤1)得到的活化碳纤维短丝、碳化钼、氧化铂、硫化氮、碳化锆、五氧化二钒、木质素磺酸钠、羟丙甲纤维素、聚噻吩和纳米二氧化钛混悬于水中，常温下搅拌120min，然后再在130-165℃的条件下搅拌60-80min,降至室温后过滤，收集滤饼，并将滤饼加入到含有质量分数为8-20％分散剂的水溶液中，搅拌混匀后得到碳纤维短丝分散液；

3)将木浆纤维和聚烯烃纤维分散于水中，并打浆20-30min，然后将步骤2)所得的碳纤维短丝分散液与木浆纤维和聚烯烃纤维分散液混合，搅拌并研磨80-100min，得到混合浆料；

4)将混合浆料均匀恒速的倒入铺设带有微孔片状板的过滤器上，待水被滤净后，将所述片状板及沉积于所述片状板上的复合纤维层取出，烘干置质量恒定后，进行热压处理，然后分离去除片状板，即得所述碳纤维复合发热层；

5)将下绝缘阻燃耐温防水层、下基底层、碳纤维复合发热层、上基底层和上绝缘阻燃耐温防水层依次叠加，经热压复合，制成所述远红外碳纤维复合发热膜。

优选的，所述制备方法步骤2)中加入的含有分散剂的水溶液的重量为原料总重量的65-80倍；步骤3)中加入的水的重量为木浆纤维和聚烯烃纤维总重量的70-90倍。

进一步优选，所述制备方法步骤2)中所述的分散剂为质量比为2：1的三聚磷酸钠和聚乙二醇200的混合物。

采用上述方法制备的远红外碳纤维复合发热层，碳纤维丝长度及质量适中、分散均匀、与木浆纤维和聚烯烃纤维在三维空闲内纵横交错，搭接均匀一致，使导电的碳纤维丝形成一个稳定均匀的导电网络，保证电流在碳纤维复合发热层中传递均匀，另一方面，使本发明所述的碳纤维复合发热层可任意剪切，都不会影响其导电性能；将碳纤维丝进行上述表面活化处理，使各组分与碳纤维丝之间并不是简单的物理掺杂，而是通过化学粘结、物理吸附、分子间作用力或机械缠结作用相互搭接，使所述功能化碳纤维复合发热层具有良好的空间和机械性能，有效提高其电热辐射性能的均一和稳定性。

本发明所述的远红外碳纤维复合发热膜，本发明所述远红外碳纤维复合发热膜，结构简单，具有很好的柔性，在低温条件下也不会影响其柔软性，以30次/分钟的速度，单面折叠1000次后，负载电阻偏差不超过8％，安全稳定性显著提高，使用寿命长，另外其外部绝缘性高、耐高温，防明火、防水，内部导电性能和发热性能好，安全性高。

使用本发明所述的复合碳纤维纸作为远红外碳纤维复合发热层而制得的发热膜，碳纤维丝分布均匀，整个面状膜体均为发热面和散热面，通电后可迅速将热量最大限度的传递给受体，发热均匀稳定，安全性高；又通过对材料的配方变化，使其电热转化效率较单纯碳纤维更高，能达到99％以上，明显提高发热程度；远红外辐射率及远红外波长较单纯碳纤维的布，纸，丝的组合或符合板，片，管时，更能复合人体需求，远红外线辐射强度增加20％以上，辐射波长稳定在在4-16um之间，保健作用更加明显。

具体实施方式

实施例1

一种远红外碳纤维复合发热膜,由上基底层、下基底层、碳纤维复合发热层、上绝缘阻燃耐温防水层和下绝缘阻燃耐温防水层，所述碳纤维复合发热层位于上基底层和下基底层中间，所述上基底层和下基底层外侧分别包裹上绝缘阻燃耐温防水层和下绝缘阻燃耐温防水层。

实施例2

基于实施例1所述的远红外复合发热膜，本实施例所述的远红外碳纤维复合发热膜进一步的，在所述碳纤维复合发热层与上基底层和下基底层中间均设有胶层，有助于碳纤维复合发热层与上、下基底层之间的粘合连接。

实施例3

基于1所述的远红外复合发热膜，本实施例所述的远红外碳纤维复合发热膜进一步的限定了，所述绝缘阻燃耐温防水层由以下重量份原料高温复合制备而成：聚四氟乙烯10份、酚醛环氧树脂7份、三氧化二锑1份、丙烯酸3份、聚醚砜4份、橡胶6份；所述上基底层和下基底层选自热缩性聚氨酯和/或无纺布；

制备方法：

1)绝缘阻燃耐温防水层的制备：

将配方量的聚四氟乙烯、酚醛环氧树脂、三氧化二锑、丙烯酸、聚醚砜和橡胶分别研磨成细粉，然后混合均匀，高温热融后搅拌均匀，制成薄膜，即为所述绝缘阻燃耐温防水层；

2)将各层依次排列后，经高温高压热复合，形成所述远红外复合发热膜。

实施例4

基于1所述的远红外复合发热膜，本实施例所述的远红外碳纤维复合发热膜进一步的限定了，所述碳纤维复合发热层为碳纤维布，由碳纤维长丝经纬编织而成；将碳纤维长丝织成面状碳纤维布，使发热更加均匀。

实施例5

基于1所述的远红外碳纤维复合发热膜，本实施例所述的远红外碳纤维复合发热膜进一步的限定了，所述碳纤维复合发热层为复合碳纤维纸，主要由如下重量份数原料制成：木浆纤维10、聚烯烃纤维5、碳纤维短丝10、碳化钼0.2、氧化铂0.3、硫化氮0.1、碳化锆1.2、五氧化二钒1、木质素磺酸钠2、羟丙甲纤维素1.5、聚噻吩0.2和纳米二氧化钛0.6。

实施例6

与实施例5的远红外碳纤维复合发热膜的区别在于，制备所述复合碳纤维纸的原料的重量份数为：木浆纤维15、聚烯烃纤维12、碳纤维短丝15、碳化钼0.5、氧化铂0.4、硫化氮0.3、碳化锆2.0、五氧化二钒1.8、木质素磺酸钠3.5、羟丙甲纤维素3、聚噻吩0.4和纳米二氧化钛1。

实施例7

与实施例5的远红外碳纤维复合发热膜的区别在于，制备所述复合碳纤维纸的原料的重量份数为：木浆纤维12、聚烯烃纤维8、碳纤维短丝13、碳化钼0.3、氧化铂0.34、硫化氮0.2、碳化锆1.7、五氧化二钒1.1、木质素磺酸钠3、羟丙甲纤维素3、聚噻吩0.4和纳米二氧化钛0.8。

制备方法：

1)将碳纤维切割成质量比为1:2:1:1的长度为3mm、5mm、8mm和12mm的碳纤维短丝，将上述碳纤维短丝于ZnCl2溶液中浸泡30h，取出干燥后，置于管式炉中，以25℃/min的速度升温至600℃，在N2和H2等体积混合气体条件下活化80min，然后于纯N2保护的条件下降至室温得到活化碳纤维短丝；

2)将步骤1)得到的活化碳纤维短丝、碳化钼、氧化铂、硫化氮、碳化锆、五氧化二钒、木质素磺酸钠、羟丙甲纤维素、聚噻吩和纳米二氧化钛混悬于水中，常温下搅拌120min，然后再在165℃的条件下搅拌60min,降至室温后过滤，收集滤饼，并将滤饼加入到含有质量分数为8％分散剂的水溶液中，搅拌混匀后得到碳纤维短丝分散液；

3)将木浆纤维和聚烯烃纤维分散于水中，并打浆20min，然后将步骤2)所得的碳纤维短丝分散液与木浆纤维和聚烯烃纤维分散液混合，搅拌并研磨100min，得到混合浆料；

4)将混合浆料均匀恒速的倒入铺设带有微孔片状板的过滤器上，待水被滤净后，将所述片状板及沉积于所述片状板上的复合纤维层取出，烘干置质量恒定后，进行热压处理，然后分离去除片状板，即得所述碳纤维复合发热层；

5)将下绝缘阻燃耐温防水层、下基底层、步骤4)得到的碳纤维复合发热层、上基底层和上绝缘阻燃耐温防水层依次叠加后经热压复合，制成远红外碳纤维复合发热膜。

实施例8

与实施例5的远红外碳纤维复合发热膜的区别在于，制备所述复合碳纤维纸的原料的重量份数为：木浆纤维13、聚烯烃纤维10、碳纤维短丝10、碳化钼0.4、氧化铂0.34、硫化氮0.2、碳化锆1.7、五氧化二钒1.1、木质素磺酸钠3、羟丙甲纤维素1.7、聚噻吩0.4和纳米二氧化钛0.9。

制备方法：

1)将碳纤维切割成质量比为2:3:3:1的长度为3mm、5mm、8mm和12mm的碳纤维短丝，将上述碳纤维短丝于ZnCl2溶液中浸泡30h，取出干燥后，置于管式炉中，以25℃/min的速度升温至850℃，在N2和H2等体积混合气体条件下活化60min，然后于纯N2保护的条件下降至室温得到活化碳纤维短丝；

2)将步骤1)得到的活化碳纤维短丝、碳化钼、氧化铂、硫化氮、碳化锆、五氧化二钒、木质素磺酸钠、羟丙甲纤维素、聚噻吩和纳米二氧化钛混悬于水中，常温下搅拌120min，然后再在130℃的条件下搅拌80min,降至室温后过滤，收集滤饼，并将滤饼加入到含有质量分数为20％分散剂的水溶液中，搅拌混匀后得到碳纤维短丝分散液，其中所述含有分散剂的水溶液的重量为原料总重量的65倍；

3)将木浆纤维和聚烯烃纤维分散于总重量70倍的水中，并打浆30min，然后将步骤2)所得的碳纤维短丝分散液与木浆纤维和聚烯烃纤维分散液混合，搅拌并研磨80min，得到混合浆料；

4)将混合浆料均匀恒速的倒入铺设带有微孔片状板的过滤器上，待水被滤净后，将所述片状板及沉积于所述片状板上的复合纤维层取出，烘干置质量恒定后，进行热压处理，然后分离去除片状板，即得所述碳纤维复合发热层；

5)将下绝缘阻燃耐温防水层、下基底层、步骤4)所得的碳纤维复合发热层、上基底层和上绝缘阻燃耐温防水层依次叠加后经热压复合，制成远红外碳纤维复合发热膜。

实施例9

与实施例5的远红外碳纤维复合发热膜的区别在于，制备所述复合碳纤维纸的原料的重量份数为：木浆纤维13、聚烯烃纤维10、碳纤维短丝10、碳化钼0.4、氧化铂0.34、硫化氮0.2、碳化锆1.7、五氧化二钒1.1、木质素磺酸钠3、羟丙甲纤维素1.7、聚噻吩0.4和纳米二氧化钛0.9。

制备方法：

1)将碳纤维切割成质量比为1:2:2:1的长度为3mm、5mm、8mm和12mm的碳纤维短丝，将上述碳纤维短丝于ZnCl2溶液中浸泡30h，取出干燥后，置于管式炉中，以25℃/min的速度升温至800℃，在N2和H2等体积混合气体条件下活化70min，然后于纯N2保护的条件下降至室温得到活化碳纤维短丝；

2)将步骤1)得到的活化碳纤维短丝、碳化钼、氧化铂、硫化氮、碳化锆、五氧化二钒、木质素磺酸钠、羟丙甲纤维素、聚噻吩和纳米二氧化钛混悬于水中，常温下搅拌120min，然后再在150℃的条件下搅拌70min,降至室温后过滤，收集滤饼，并将滤饼加入到含有质量分数为12％分散剂的水溶液中，搅拌混匀后得到碳纤维短丝分散液，其中所述含有分散剂的水溶液的重量为原料总重量的80倍，所述分散剂为质量比为2：1的三聚磷酸钠和聚乙二醇200的混合物；

3)将木浆纤维和聚烯烃纤维分散于总重量90倍的水中，并打浆25min，然后将步骤2)所得的碳纤维短丝分散液与木浆纤维和聚烯烃纤维分散液混合，搅拌并研磨90min，得到混合浆料；

4)将混合浆料均匀恒速的倒入铺设带有微孔片状板的过滤器上，待水被滤净后，将所述片状板及沉积于所述片状板上的复合纤维层取出，烘干置质量恒定后，进行热压处理，然后分离去除片状板，即得所述远红外碳纤维复合发热层；

5)将下绝缘阻燃耐温防水层、下基底层、步骤4)所得的碳纤维复合发热层、上基底层和上绝缘阻燃耐温防水层依次叠加后经热压复合，制成远红外碳纤维复合发热膜。

试验例1远红外碳纤维复合发热膜的性能试验

取实施例4-9的远红外碳纤维复合发热膜，均裁剪为600mm×400mm，使用220V的交流电压进行通电测试，通电10min后，在其表面上的10处不同的位置测试其电阻和温度分布，取平均值，并计算温度偏差和电阻偏差，计量电热转化效率，测试结果见表1。

表1远红外碳纤维复合发热膜的性能测试结果

由上述试验可知，本法所提供的远红外碳纤维复合发热膜电热转换效率高，均在93％以上；发热均匀，散热良好，整体温度偏差和电阻偏差均小于2％；其中，实施例4所述的复合发热膜效果稍差，而实施例7-9所述的远红外碳纤维复合发热膜的电热转换效率最高，发热的均匀性和散发的热量也最好。

另外，将实施例4-9所述的远红外碳纤维复合发热膜以42次/分钟的速度，单面折叠1000次后，做上述测试，测其负载电阻偏差及温度偏差，发现各组之间无显著差异，与为折叠之前相比，电阻偏差均小于8％，温度偏差小于5％，说明本发明所述的远红外碳纤维复合发热膜耐折叠，使用方便，寿命长。

试验例2远红外碳纤维复合发热膜的远红外发射性测试

取实施例4、实施例5、实施例7和中国专利申请103388278中公开的一种碳纤维纸(对照例)，用FT-IR分光仪测量其远红外发射性能，结果见表2。

表2远红外碳纤维复合发热膜的远红外发射性能测试结果

以上结果用FT-IR分光仪在黑体背景上得到；在19℃的测量温度、70％湿度的条件下测定辐射温度。

由上述试验结果可知，使用本发明所述的碳纤维纸作为远红外碳纤维发热层制得的远红外碳纤维发热膜，远红外发热性能更加优良，发射波长稳定在4-16um，发射率和辐射能量更强，保健作用更加明显。

Claims (10)

1.一种远红外碳纤维复合发热膜，其特征在于，包括上基底层、下基底层、碳纤维复合发热层、上绝缘阻燃耐温防水层和下绝缘阻燃耐温防水层，所述碳纤维复合发热层位于上基底层和下基底层中间，所述上基底层和下基底层外侧分别包裹上绝缘阻燃耐温防水层和下绝缘阻燃耐温防水层。

2.如权利要求1所述的远红外碳纤维复合发热膜，其特征在于，所述碳纤维复合发热层与上基底层和下基底层中间均设有胶层。

3.如权利要求1或2所述的远红外碳纤维复合发热膜，其特征在于，所述上基底层和下基底层选自热缩性聚氨酯和/或无纺布。

4.如权利要求1或2所述的远红外碳纤维复合发热膜，其特征在于，所述绝缘阻燃耐温防水层由以下重量份原料高温复合制备而成：聚四氟乙烯10份、酚醛环氧树脂7份、三氧化二锑1份、丙烯酸3份、聚醚砜4份、橡胶6份。

5.如权利要求1所述的远红外碳纤维复合发热膜，其特征在于，所述碳纤维复合发热层为碳纤维布，由碳纤维长丝经纬编织而成。

6.如权利要求1所述的远红外碳纤维复合发热膜，其特征在于，所述碳纤维复合发热层为复合碳纤维纸，主要由如下重量份数原料制成：木浆纤维10-15、聚烯烃纤维5-12、碳纤维短丝10-15、碳化钼0.2-0.5、氧化铂0.3-0.4、硫化氮0.1-0.3、碳化锆1.2-2.0、五氧化二钒1-1.8、木质素磺酸钠2-3.5、羟丙甲纤维素1.5-3、聚噻吩0.2-0.4和纳米二氧化钛0.6-1。

7.如权利要求6所述的远红外碳纤维复合发热膜，其特征在于，所述碳纤维短丝为长度为3mm、5mm、8mm和12mm的碳纤维短丝混合而成，质量比为1-2:2-3:1-3:1。

8.如权利要求7所述的远红外碳纤维复合发热膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

1)将碳纤维切割成不同长度的短丝，然后将碳纤维短丝置于ZnCl2溶液中浸泡30h，取出干燥后，置于管式炉中，以25℃/min的速度升温至600-850℃，在N2和H2等体积混合气体条件下活化60-80min，然后于纯N2保护的条件下降至室温得到活化碳纤维短丝；

2)将步骤1)得到的活化碳纤维短丝、碳化钼、氧化铂、硫化氮、碳化锆、五氧化二钒、木质素磺酸钠、羟丙甲纤维素、聚噻吩和纳米二氧化钛混悬于水中，常温下搅拌120min，然后再在130-165℃的条件下搅拌60-80min,降至室温后过滤，收集滤饼，并将滤饼加入到含有质量分数为8-20％分散剂的水溶液中，搅拌混匀后得到碳纤维短丝分散液；

3)将木浆纤维和聚烯烃纤维分散于水中，并打浆20-30min，然后将步骤2)所得的碳纤维短丝分散液与木浆纤维和聚烯烃纤维分散液混合，搅拌并研磨80-100min，得到混合浆料；

4)将混合浆料均匀恒速的倒入铺设带有微孔片状板的过滤器上，待水被滤净后，将所述片状板及沉积于所述片状板上的复合纤维层取出，烘干置质量恒定后，进行热压处理，然后分离去除片状板，即得所述碳纤维复合发热层；

5)将下绝缘阻燃耐温防水层、下基底层、碳纤维复合发热层、上基底层和上绝缘阻燃耐温防水层依次叠加，经热压复合，制成所述远红外碳纤维复合发热膜。

9.如权利要求8所述的柔性远红外碳纤维复合发热膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法步骤2)中加入的含有分散剂的水溶液的重量为原料总重量的65-80倍；步骤3)中加入的水的重量为木浆纤维和聚烯烃纤维总重量的70-90倍。

10.如权利要求8所述的远红外碳纤维复合发热膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法步骤2)中所述的分散剂为质量比为2：1的三聚磷酸钠和聚乙二醇200的混合物。