CN1093730C - 耐热阻燃面状发热体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种面状发热体及其制备方法，特别是一种具有耐热阻燃性能的面状发热体及其制备方法。针对现有技术中发热体存在起火的潜在危险，绝缘材料耐热等级低，面状发热体的使用温度低，发热体的使用寿命短等问题，通过耐热阻燃树脂的引入提供一种耐热阻燃的面状发热体及其制备方法，在提高发热体电热转化效率和抗热氧老化性能的同时，提高发热体的耐热阻燃性能，以及发热体的使用寿命。
Description
本发明涉及一种面状发热体及其制备方法，特别是一种具有耐热阻燃性能的面状发热体及其制备方法。
面状发热元件具有发热及散热面大、传热均匀、有效热效率高、使用方便等特点，但以往的技术是利用金属或合金电热丝或管作为发热元件，通过导热油或金属板等热传导介质达到面状发热的效果，也有用水蒸汽盘管或换热管作为热源从而形成面状发热的。存在加工成本高、制备工艺复杂、换热效率低以及使用寿命短等缺陷。
随后出现了以碳黑、石墨、金属氧化物等形成的导电涂料涂覆在各种绝缘基材(如陶瓷、塑料、橡胶、搪瓷、玻璃)上形成面状发热体，如中国专利93112735.1采用磁控溅射或真空镀膜方法在各种非金属基材上镀金属导电薄膜的电加热器，虽可以作到大面积均匀加镀电热金属膜，达到面状发热的效果，可提高电热转换效率，但电热膜裸露在空气中，在150℃以下的中低温加热区加热，电热膜受空气氧化，不仅存在基板开裂、电热膜开裂引起的断路，而且存在因空气氧化造成的功率衰减、使用寿命短等缺陷，另外，电热膜直接裸露在外，还存在使用的安全性问题，若外加绝缘外罩保护，会大大增加成本。
近期开发的一种以短切导电碳纤维与纤维浆复合生产的碳纤维导电纸为电热元件，采用粘合或热压的方法，复合各种绝缘材料，如树脂、胶粘剂、薄膜等制成电热体，如中国专利93220837.1的碳纤维纸加热器，虽然热转化率高，克服了电热涂料的热氧老化性差的缺陷，但由于所用的基材纤维和树脂不阻燃，作为一种电热元件使用，存在起火的潜在危险。另外，因绝缘材料耐热等级低，面状发热体的使用温度不能超过90℃，不能作为中低温区理想的面状发热元件，加之绝缘材料长期经受热氧老化后，绝缘强度下降，不仅有触电的危险，而且会因绝缘材料脆化或剥裂使导电材料的搭接点而脱落，不发热，从而大大降低发热体的使用寿命。
本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足，通过耐热阻燃树脂的引入提供一种耐热阻燃的面状发热体及其制备方法，在提高发热体电热转化效率和抗热氧老化性能的同时，提高发热体的耐热阻燃性能，以及发热体的使用寿命。
本发明的要点：一种耐热阻燃面状发热体，由碳纤维导电纸、绝缘层、电极构成，其中碳纤维导电纸置于两层绝缘层之间，电极置于碳纤维导电纸的两端，并夹在绝缘层与碳纤维导电纸之间，绝缘层为浸渍耐热阻燃树脂的增强纤维布或纸。
耐热阻燃树脂选自下列物质组中的任何一种或它们的组合：溴化环氧树脂、硼改性酚醛树脂、有机氟树脂、马来酰亚胺树脂、有机硅树脂、热塑性聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚醚醚酮树脂、聚苯醚酮、聚醚酮、聚砜、聚芳砜、聚苯硫醚、聚醚砜、聚酮、聚芳酯或添加有阻燃剂的环氧树脂、酚醛树脂、尼龙、聚碳酸酯、聚甲醛、聚苯醚、聚酯、聚氨酯。
增强纤维布或纸由下列物质中的一种或多种的单层或复合层构成，即：无碱玻璃纤维布、硅酸铝纤维无纺布、聚芳酰胺纤维纸、聚砜酰胺纤维纸、聚恶二唑纤维纸、聚酯纤维纸、云母纸。
耐热阻燃树脂最好选用溴化环氧树脂或溴化环氧树脂含量大于等于10％(重量)的混合树脂。选用溴化环氧树脂与其它树脂并用时，溴化环氧树脂还起到阻燃剂的作用，其用量在小于10％以下时，达不到V-O级的阻燃性能，溴化环氧树脂的用量最好大于30％。
碳纤维发热纸的基材可以为木浆纤维、化学纤维或耐热纤维。碳纤维导电发热纸的电阻最好为5-2000欧姆/口，(口：代表600×380mm的碳纤维导电发热纸，在380mm幅宽的导电纸两端用夹具测的体电阻)。还可以将碳纤维发热纸进行阻燃处理，如浸渍阻燃树脂。
电极可以选用单面或双面粗化的金属箔或铜粉导电胶、银粉导电胶、碳粉导电胶或它们的混合导电胶，最好为单面粗化的厚度在10-40微米的铜箔。铜箔的粗化可以采用打磨、钝化等方法。选用粗化的铜箔可增大碳纤维导电纸与电极的接触面，使电极与碳纤维导电纸的结合更紧密。
本发明耐热阻燃面状发热体的制备方法，依次包括下列步骤：
A：将耐热阻燃树脂及助剂溶于相应的有机溶剂中，形成树脂溶液；
B：将增强纤维布或纸在步骤A中形成的树脂溶液中充分浸渍，然后经加热、干燥、脱除溶剂等常规方法制成浸渍耐热阻燃树脂的增强纤维布或纸；
C：将耐热阻燃面状发热体所需材料依下列次序叠合：脱模膜/浸渍耐热阻燃树脂的增强纤维布或纸/电极/碳纤维导电纸/浸渍耐热阻燃树脂的增强纤维布或纸/脱模膜，逐渐升压、升温至温度为120-400℃、压力为20-80千克/平方厘米，热压5-300分钟，然后最好经恒压降温，制得耐热阻燃面状发热体。
本发明的耐热阻燃面状发热体的阻燃等级可达V-O级(UL94标准)，绝缘强度远大于3750V，耐热等级可达F或H级，在100-150℃范围内使用，寿命大于10000小时，电热转换效率高达95％以上，另外本发明的导电发热体还可辐射对人体有保健作用的远红外线，其波长为8-15微米，法向发射率大于75％。本发明的耐热阻燃面状发热体可以串、并联组合使用，达到不同使用场合所需的功率及表面温度的要求。本发明的耐热阻燃面状发热体对直、交流电都可适用。本发明的制备耐热阻燃面状发热体的方法，操作简便，条件温合，成本低，易于工业化。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1：
将市售的溴化环氧树脂125千克，双氰胺固化剂2.9千克，二甲基甲酰胺15千克，乙二醇甲醚15千克，2-甲基眯唑0.07千克等助剂溶于丙酮中，充分搅拌，形成阻燃树脂溶液；选用立式上胶机，用无碱玻璃布浸渍阻燃树脂溶液，经压榨、干燥形成浸渍耐热阻燃树脂的增强纤维布或纸；选用市售的木浆基碳纤维导电纸；电极为市售单面粗化的电解铜箔，厚度为18微米、宽度为20mm；将耐热阻燃面状发热体所需材料依下列次序叠合：脱模膜/浸渍耐热阻燃树脂的增强纤维布或纸/电极/碳纤维导电纸/浸渍耐热阻燃树脂的增强纤维布或纸/脱模膜，放置在400×400mm，60吨的平板热压机上，逐渐升压、升温至温度为178℃、压力为45千克/平方厘米，热压90分钟，恒压降温至60℃后开模。制得的耐热阻燃面状发热体性能如下：
| 性能 | 试样1 | 试样2 | 试样3 | 试样4 |
| 导电纸尺寸(mm) | 360×380 | 360×380 | 360×380 | 360×380 |
| 导电纸电阻(Ω) | 63.7 | 102.6 | 377 | 21.1 |
| 发热体电阻(Ω) | 48.1 | 93.6 | 223 | 23.3 |
| 阻燃性能(UL94) | V-O | V-O | V-O | V-O |
| 绝缘强度(V) | ＞8000 | ＞8000 | ＞8000 | ＞8000 |
| 耐热等级 | F | F | F | F |
实施例2：
将市售的溴化环氧树脂125千克，双氰胺固化剂40千克，二甲基甲酰胺15千克，乙二醇甲醚15千克，甲基溶纤剂50千克，苄基二甲基苯胺0.2千克等助剂溶于丙酮中，充分搅拌，形成阻燃树脂溶液；选用立式上胶机，用无碱玻璃布浸渍阻燃树脂溶液，经压榨、干燥形成浸渍耐热阻燃树脂的增强纤维布或纸；选用市售的木浆基碳纤维导电纸；电极为市售单面粗化的电解铜箔，厚度为18微米、宽度为20mm；将耐热阻燃面状发热体所需材料依下列次序叠合：脱模膜/浸渍耐热阻燃树脂的增强纤维布或纸/电极/碳纤维导电纸/浸渍耐热阻燃树脂的增强纤维布或纸/脱模膜，放置在1250×1090mm，16层的平板热压机上，逐渐升压、升温至温度为180℃、压力为60千克/平方厘米，热压70分钟，制得的耐热阻燃面状发热体性能如下：
实施例3：
| 性能 | 试样1 | 试样2 | 试样3 | 试样4 | 试样5 | 试样6 |
| 导电纸尺寸(mm) | 570×280 | 570×380 | 570×380 | 585×427 | 1100×445 | 2200×890 |
| 导电纸电阻(Ω) | 175 | 177 | 327 | 110 | 53 | 27 |
| 发热体电阻(Ω) | 163 | 123 | 220 | 83 | 43 | 23 |
| 220V下表面温度(℃) | 110 | 110 | 80 | 120 | 125 | 130 |
| 绝缘强度(V) | ≥10000 | ≥10000 | ≥10000 | ≥10000 | ≥10000 | ≥10000 |
| 阻燃性能 | V-O | V-O | V-O | V-O | V-O | V-O |
| 耐热等级 | F | F | F | F | F | F |
阻燃树脂选用硼改性酚醛树脂与溴化环氧树脂1∶1重量比的混合树脂，溶于无水酒精中形成树脂溶液，用硅酸铝纤维无纺布浸渍阻燃树脂，制成浸渍耐热阻燃树脂的增强纤维布或纸；其它材料及工艺同实施例1。所得碳纤维导电纸的耐热等级可达H级，阻燃性能为V-O级，发热体可在150℃下长期使用。
实施例4：
将木浆基碳纤维导电纸浸渍12％(重量)的(NH4)2HPO4水溶液，其中(NH4)2HPO4水溶液为阻燃剂，在105℃下干燥30分钟，经上述阻燃处理后的导电纸的限氧指数(LOI)＞50；电极选用市售的银粉导电胶(DAD-5型)，手工涂覆在阻燃导电纸两端；其它工艺及材料同实施例1。所得耐热阻燃面状发热体的阻燃性能为V-O级，耐热等级为F级。实施例5：
用502型云母纸浸渍1450型有机硅漆后，制成浸渍耐热阻燃树脂的增强纤维布或纸；导电纸的选择同实施例4；电极选用厚度为35微米宽度为20毫米的单面粗化的电解铜箔；将发热体所需材料依下列次序叠合：脱模膜/浸渍耐热阻燃树脂的增强纤维布或纸/电极/碳纤维导电纸/浸渍耐热阻燃树脂的增强纤维布或纸/脱模膜，放置在400×400mm，60吨的平板热压机上；逐渐升压；升温至温度为230℃、压力为45千克/平方厘米，热压70分钟，恒压降温至60℃后开模。制得的耐热阻燃面状发热体性能如下：
| 性能 | 试样1 | 试样2 |
| 发热体尺寸(mm) | 360×380 | 360×380 |
| 导电纸电阻(Ω) | 182.8 | 20.1 |
| 发热体电阻(Ω) | 36.8 | 10.6 |
| 绝缘强度(V) | ＞3750 | ＞3750 |
| 阻燃性能(UL94) | V-O | V-O |
| 耐热等级 | H | H |
Claims (8)
1.一种耐热阻燃面状发热体，由碳纤维导电纸、绝缘层、电极构成，其中碳纤维导电纸置于两层绝缘层之间，电极置于碳纤维导电纸的两端，并夹在绝缘层与碳纤维导电纸之间，其特征是：绝缘层为浸渍耐热阻燃树脂的增强纤维布或纸。
2.根据权利要求1所述的耐热阻燃面状发热体，其特征在于：所说的耐热阻燃树脂选自下列物质组中的任何一种或它们的组合：溴化环氧树脂、硼改性酚醛树脂、有机氟树脂、马来酰亚胺树脂、有机硅树脂、热塑性聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚醚醚酮树脂、聚苯醚酮、聚醚酮、聚砜、聚芳砜、聚苯硫醚、聚醚砜、聚酮、聚芳酯或添加有阻燃剂的环氧树脂、酚醛树脂、尼龙、聚碳酸酯、聚甲醛、聚苯醚、聚酯、聚氨酯。
3.根据权利要求1所述的耐热阻燃面状发热体，其特征在于：所说的增强纤维布或纸由下列物质中的一种或多种的单层或复合层构成，即：无碱玻璃纤维布、硅酸铝纤维无纺布、聚芳酰胺纤维纸、聚砜酰胺纤维纸、聚恶二唑纤维纸、聚酯纤维纸、云母纸。
4.根据权利要求1至3中任何一种耐热阻燃面状发热体，其特征在于：所述的耐热阻燃树脂为溴化环氧树脂或溴化环氧树脂含量大于等于10％(重量)的混合树脂。
5.根据权利要求1至3中任何一种耐热阻燃面状发热体，其特征在于：所述的电极为单面或双面粗化的金属箔或铜粉导电胶、银粉导电胶、碳粉导电胶或它们的混合导电胶。
6.根据权利要求5所述的耐热阻燃面状发热体，其特征在于：所述的电极为单面粗化的厚度在10-40微米的铜箔。
7.一种制备权利要求1-6的耐热阻燃面状发热体的方法，依次包括下列步骤：
A：将耐热阻燃树脂及助剂溶于相应的有机溶剂中，形成树脂溶液；
B：将增强纤维布或纸在步骤A中形成的树脂溶液中充分浸渍，然后经加热、干燥、脱除溶剂制成浸渍耐热阻燃树脂的增强纤维布或纸；
C：将发热体所需材料依下列次序叠合：脱模膜/浸渍耐热阻燃树脂的增强纤维布或纸/电极/碳纤维导电纸/浸渍耐热阻燃树脂的增强纤维布或纸/脱模膜，逐渐升压、升温至温度为120-400℃、压力为20-80千克/平方厘米，热压5～300分钟，制得耐热阻燃面状发热体。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征是：步骤C中，发热体经热压5～300分钟后，还需经恒压降温，制得耐热阻燃面状发热体。
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