CN109640408A - 一种碳纤维复合薄膜及碳纤维加热垫 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纤维复合薄膜及碳纤维加热垫，所述碳纤维复合薄膜由高功率碳纤维材料或低功率碳纤维材料复合而成；所述碳纤维复合薄膜所构成的碳纤维加热垫：包括碳纤维加热复合层（2）；所述碳纤维加热复合层（2）包含多层所述的碳纤维复合薄膜（2.1），任意两层相邻的碳纤维复合薄膜（2.1）之间均设置有导电电极对（2.2）；每一层所述的碳纤维复合薄膜（2.1）上均设置有多个通孔（2.3）。本发明在有效的发热面积下实现了更大功率的加热，并且碳纤维复合薄膜上设置有多个通孔，便于整个碳纤维加热垫的安装。
Description
技术领域
本发明涉及加热设备，特别是涉及一种碳纤维复合薄膜及碳纤维加热垫。
背景技术
碳纤维加热的独特优势如加热密度优良，不增加空气循环，加热快速等目前已经得到业界认可，碳纤维加热垫已经开始逐步扩展到远红外加热理疗护理产品应用中。
目前的碳纤维加热垫均为平面式加热，在设计制造时，尽可能采用微米级的超薄碳纤维，与PET或EVA膜实现层压，从而实现薄膜装的加热产品；目前碳纤维薄膜通常每平方米的功率在110W-200W附近，如需实现数十立方米空间的加热，需要铺设数十平米的薄膜，工程量大，需要薄膜之间并联接入，存在接入点的异常发热、损耗和安全隐患；同时目前碳纤维加热垫的柔和度差，很难用于既需要加热功率大，又节省面积，且安装方面的环境，如碳纤维薄膜由于PET材料的缘故，导致很难直接安装于墙体，地毯中。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种碳纤维复合薄膜及碳纤维加热垫，在有效的发热面积下实现了更大功率的加热，并且碳纤维复合薄膜上设置有多个通孔，便于整个碳纤维加热垫的安装，能够直接应用于墙体、地毯中。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种碳纤维复合薄膜，由高功率碳纤维材料或低功率碳纤维材料复合而成。
所述的高功率碳纤维材料采用如下任一种组合：
A、碳纤维、玻璃纤维、二氧化钛和色料；
B、碳纤维、尼龙和色料；
C、碳纤维、聚酯、植物纤维和催化剂；
D、纳米碳纤维、催化剂和芳纶。
上述高功率碳纤维材料的任一种组合中，碳纤维的重量占比大于80%。
所述低功率碳纤维材料复合材料采用如下任一种组合：
A、碳纳米粉、纺织纤维、陶瓷粉和调和剂；
B、碳纳米粉、纺织纤维、聚酯纤维和添加材料；
C、碳纳米粉、聚酯、植物纤维和添加材料；
D、碳纳米粉、聚酯、植物纤维、矿物粉和添加材料。
上述低功率碳纤维材料的任一种组合中，碳纤维的重量占比为30%~80%。
所述添加材料为调和剂、添加剂和粘合剂中的任意一种，优选地，所述调和剂为树脂，所述添加剂为聚氨酯，所述粘合剂为硅酮。
所述的一种碳纤维复合薄膜所构成的碳纤维加热垫，包括碳纤维加热复合层；所述碳纤维加热复合层包含多层所述的碳纤维复合薄膜，任意两层相邻的碳纤维复合薄膜之间均设置有导电电极对；每一层所述的碳纤维复合薄膜上均设置有多个通孔。
优选地，每一层碳纤维复合薄膜上，所有通孔的总面积占该碳纤维复合薄膜面积的20~50%；各层所述碳纤维复合薄膜上的通孔上下对齐；优选地，所述通孔为圆形通孔或方形通孔。
优选地，所述碳纤维加热复合层的上表面还设置有第一绝缘涂层，所述碳纤维加热复合层的下表面还设置有第二绝缘涂层。
优选地，所述第一绝缘涂层和第二绝缘涂层可以是喷涂形成的绝缘层，也可以是成型薄膜。
优选地，所述第一绝缘涂层和第二绝缘涂层采用树脂材料、芳纶、聚酯PET、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚乙烯、乙烯醋酸乙烯酯共聚物中的一种或多种复合而成。
本发明的有益效果是：本发明采用多层碳纤维复合薄膜形成立体式，碳纤维加热复合层，并在层间布置导电电极对，利用有效的发热面积实现更大功率的加热，并且，一个导电电极对能够同时对相邻两层的碳纤维复合薄膜进行通电加热，节省了导电电极对的数量，节约了成本；通过碳纤维复合薄膜上设置有多个通孔的方式，能够便于安装辅料的填充和整个碳纤维加热垫的安装，使得整个碳纤维加热垫可以安装到墙体或地毯中；同时通过立体式多层结构与碳纤维薄膜打孔的方式，能够有效调节发热面积，在几个伏特到数百伏特多种工作电压条件下实现加热功能，在特殊应用场合如墙体加热等环境，也实现36V以下的安全电压供电。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为碳纤维加热复合层的结构示意图；
图3为碳纤维复合薄膜的通孔示意图；
图中，1-第一绝缘涂层，2-碳纤维加热复合层，2.1-碳纤维复合薄膜，2.2-导电电极，2.3-通孔。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种碳纤维复合薄膜，由高功率碳纤维材料或低功率碳纤维材料复合而成。
所述的高功率碳纤维材料采用如下任一种组合：
A、碳纤维、玻璃纤维、二氧化钛和色料；
B、碳纤维、尼龙和色料；
C、碳纤维、聚酯、植物纤维和催化剂；
D、纳米碳纤维、催化剂和芳纶。
对碳纤维制品施加电压时，能够产生远红外线进行供暖，依照太阳黑子能量频谱的理论,不同温度条件下的辐射峰值波长不同，即波长越短，辐射能量越大；通常增大电压会提高辐射量, 增大温度, 降低辐射波长；由此可根据碳纤维制品的供电电压调整达到调整辐射波长的目的。高功率碳纤维薄膜，可直接用碳纤维的切割粉料与玻璃纤维，尼龙等组合而成，主要用于辐射加热或作为加热垫，墙面加热灯。高功率碳纤维薄膜中，碳纤维占比为80%以上。高功率碳纤维材料一种典型的重量份比如下：碳纤维100份，玻璃纤维10份，二氧化钛1份，色料1份。
所述低功率碳纤维材料复合材料采用如下任一种组合：
A、碳纳米粉、纺织纤维、陶瓷粉和调和剂；
B、碳纳米粉、纺织纤维、聚酯纤维和添加材料；
C、碳纳米粉、聚酯、植物纤维和添加材料；
D、碳纳米粉、聚酯、植物纤维、矿物粉和添加材料。
低功率的配置主要考虑到以下应用场合：
靠垫、坐垫、腰带、桌面等其他领域涉及柔性度要求偏高或与人体接触距离较小的场合。
低功率的更加考虑了环保理疗的元素，混合材料中添加陶瓷粉或矿物粉，或竹炭纤维等，采用的碳纤维或是碳纳米材料，石墨烯料等。
低功率的由于单位面积的表面发热低，按照黑子能量谱的理论，其设计波长可以直接避开较低波长的范围，如直接有效范围4微米到30微米。在该配置下，通过调整电压值，可实现频谱峰值对应的波长的调整，如原来是10微米，通过降低电压，降低辐射量和发热量，其峰值能量所对应的波长改变到18微米。低功率碳纤维混纺料中碳纤维或碳纳米材料的占比为30%-80%。根据需要的柔性度和发热功率调整混纺比例；低功率碳纤维材料复合材料的一种典型重量份比如下：碳纳米粉65份，纺织纤维20份，陶瓷粉5份，调和剂5份、粘合剂5份。
所述添加材料为调和剂、添加剂和粘合剂中的任意一种。本申请的实施例中，所述调和剂为树脂，所述添加剂为聚氨酯，所述粘合剂为硅酮。
如图1~3所示，所述的一种碳纤维复合薄膜所构成的碳纤维加热垫，包括碳纤维加热复合层2；所述碳纤维加热复合层2包含多层所述的碳纤维复合薄膜2.1，任意两层相邻的碳纤维复合薄膜2.1之间均设置有导电电极对2.2；每一层所述的碳纤维复合薄膜2.1上均设置有多个通孔2.3。在本申请的实施例中，碳纤维复合薄膜2.1与导电电极对2.2之间通过粘接或镶嵌的方式固定。
在本申请的实施例中，每一层碳纤维复合薄膜上，所有通孔的总面积占该碳纤维复合薄膜面积的20~50%；各层所述碳纤维复合薄膜上的通孔上下对齐；优选地，所述通孔为圆形通孔或方形通孔。
为增大散热均匀度，高功率碳纤维薄膜打孔尺寸直径通常为1-6mm。孔距通常为直径的2-5倍；低功率碳纤维薄膜的打孔尺寸通常不大于3mm.如0.8mm打孔直径，孔距为3mm；
在本申请的实施例中，所述碳纤维加热复合层2的上表面还设置有第一绝缘涂层1，所述碳纤维加热复合层2的下表面还设置有第二绝缘涂层3。该实施例中，所述第一绝缘涂层1和第二绝缘涂层3采用树脂材料、芳纶、聚酯PET、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚乙烯、乙烯醋酸乙烯酯共聚物中的一种或多种复合而成。所述第一绝缘涂层1和第二绝缘涂层3可以是喷涂形成的绝缘层，也可以是成型薄膜。
下面结合一些具体的实施例对本发明的技术方案进行说明：
实施例一：采用双层碳纤维复合薄膜2.1形成碳纤维加热复合层2，并在双层碳纤维复合薄膜2.1之间设置铜箔导电电极，对上下两层碳纤维复合薄膜2.1同时进行通电加热；在该实施例中，碳纤维复合薄膜2.1由纳米碳纤维、催化剂和芳纶混合编而成织，密度为1.39g/立方米。基于等效电阻的设计，设2mm双层碳纤维垫（两层厚度为4mm）的典型电阻为10欧姆（单层为20欧姆），如采用220V供电单位面积功率为4.85kW。由此可通过近似2-3倍PET薄膜碳纤维的厚度，达到近似20倍的发热功率（同等供电电压条件下）。这里玻璃纤维的可达到温度为400度，并具有较好的阻燃性，基本满足5kW的发热功率要求。当需要降低自身温度时，如应用在保健理疗方面，可采取其他纺织纤维材料，也可通过提升混纺添加剂的方式提升绝缘、提高电阻值；还可通过降低电压实现功率降低。
实施例二：墙体安装式辐射加热设供电电压为12-24V，基于变频直流可调节模式，碳纤维复合薄膜采用碳纤维、聚酯、植物纤维和催化剂混合纺织而成，厚度2mm, 密度为1.65g/立方米，单位面积电阻为6欧姆，采用平面打孔结构，孔直径为5mm。
单层峰值功率计算为：
24V供电时，24*24/6=96W。
12V供电时，12*12/6=24W。
采用双层设计则功率范围为48W到192W。
变频直流可控模块含温度监测功能，根据温度值自动调节输出电压，设24V档位对应温度为50度，12V档位对应温度为30度，则通过电压调节可使得表面温度在30度到50度之间变化；基于墙体加热由于具备较宽的安装面积，可采用较低功率进行，即适当降低表面温度的方式达到室内取暖的目的。
实施例三、设供电电压为12V直流，碳纤维复合薄膜2.1由碳纤维、玻璃纤维、二氧化钛和色料混合纺织形成，密度为1.85g/方米，采用打孔设计，孔直径为4mm, 孔与孔之间的孔距为1.5cm。
设厚度为3mm, 单位面积电阻为4.5欧姆，实际靠垫占用面积为0.45平方，则等效电阻为4.5/0.45=10欧姆。在12V直流供电模式下，发热功率为：12*12/10=14.4W。
采用双层结构，额定发热功率为28.8W。
本实施例采用的打孔设计，一方面增加柔和度，另一方面加强透气性能。其28.8W的功率能满足人体背部加热需求, 重点起到理疗效果。实际应用中，根据功率需求和有效面积，可通过单位面积电阻和供电电压计算功率，并可根据多层结构自主调整，或采用不同厚度的碳纤维垫，以满足需求。
实施例四、设供电电压为24V交流，碳纤维复合薄膜2.1由碳纳米粉、纺织纤维、聚酯纤维和添加材料混合而成，该混合材料经滚筒涂覆在外层绝缘层内侧，并与导电铜带一起，挤压在上下两层绝缘涂层内部，打孔直径为1mm，孔距为4mm。
这里的纺织纤维采用长度为5mm的芳纶切割料，添加材料为钛系催化剂。
与其他实施例不同在于，本实施例中的上下外绝缘涂层为薄膜状（本实例的绝缘涂层设为乙烯醋酸乙烯酯共聚物（EVA）材料薄膜），在内侧分别将已经调制混合而成的碳纤维材料进行涂抹。这里为了涂抹方便，绝缘涂层薄膜内侧可以是添加粘合剂的一体化薄膜，也可以在生产过程中进行涂抹胶浆料，这里不对具体的涂抹过程做具体描述。
在该结构下，第一绝缘涂层和第二绝缘涂层起到密封和保护内部碳纤维复合料基的作用。
第一绝缘涂层的料基可以是一种材料，也可以是不同的材料。内部的调制碳纤维复合料尽管没有精密混纺料一致性高，但通过机械化的涂抹，依旧可以实现较均匀的分布。当然在该实施例中，碳纤维复合料不限于本实施例中的碳纳米粉、纺织纤维、聚酯纤维和添加材料，还适用于本专利所述的高功率和低功率任意一种组合，或组合之间的元素再次混合。本实施例的优点在于，可以进一步降低生产成本，并且可以灵活调整碳纤维涂层的厚度，适应不同功率，不同电压的应用环境。
实施例五：应用与工作台快速加热控制
工作环境中存在需要快速加热，但持续时间不长，中途又需要停止加热和频繁启动的场合，如某些工作台，当产品通过传送带进行加热考核时，可能仅需要1分钟加热，但加热面积为宽度为1米，长度为10米的工作台，需要加热均匀，且上下同步加热。加热完成后，2分钟后下一批产品传送过来再行加热，这2分钟的间隔无需供电持续加热，如采取传统的方式，加热密度偏低，加热速度跟不上，可能影响产品生产质量和生产效率。碳纤维为轻质材料，可灵活布置在桌面和桌面上方的平面挂件上，由于本专利的碳纤维柔性垫加热迅速，可在数十秒快速达到预定温度，且能实现与广泛的固体物进行热交换，不直接对空气加热，在环境湿度无明显变化时，达到产品短时加热目的。碳纤维材料可频繁加热和断电，有较高的可靠性，基本上无需考虑传统变压器调压或感应加热条件下的冲击电流与冲击脉冲对设备的损伤问题。该实施例可在2分钟间隔内降低电压，让其保持最低电压，在加热时迅速提升电压值，达到迅速升温效果。设本方案供电电压为逆变器供电，可通过配置传感器或控制信号的方式实现自动快速的电压控制。在供电效率方面，本方案可节省10分钟间隙的时间，设加热功率为10kW,每天加热48次，则每天间隔时间（除去加热1分钟时间）约为430分钟，单台设备可节省电能10kW*7.16=71.6度电能。
综上，本发明采用多层碳纤维复合薄膜形成立体式，碳纤维加热复合层，并在层间布置导电电极对，利用有效的发热面积实现更大功率的加热，并且，一个导电电极对能够同时对相邻两层的碳纤维复合薄膜进行通电加热，节省了导电电极对的数量，节约了成本；通过碳纤维复合薄膜上设置有多个通孔的方式，能够便于安装辅料的填充和整个碳纤维加热垫的安装，使得整个碳纤维加热垫可以安装到墙体或地毯中。
最后需要说明的是，以上所述是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应该看作是对其他实施例的排除，而可用于其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种碳纤维复合薄膜，其特征在于：由高功率碳纤维材料或低功率碳纤维材料复合而成。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合薄膜，其特征在于：所述的高功率碳纤维材料采用如下任一种组合：
A、碳纤维、玻璃纤维、二氧化钛和色料；
B、碳纤维、尼龙和色料；
C、碳纤维、聚酯、植物纤维和催化剂；
D、纳米碳纤维、催化剂和芳纶；
上述高功率碳纤维材料的任一种组合中，碳纤维的重量占比大于80%。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合薄膜，其特征在于：所述低功率碳纤维材料复合材料采用如下任一种组合：
A、碳纳米粉、纺织纤维、陶瓷粉和调和剂；
B、碳纳米粉、纺织纤维、聚酯纤维和添加材料；
C、碳纳米粉、聚酯、植物纤维和添加材料；
D、碳纳米粉、聚酯、植物纤维、矿物粉和添加材料；
上述低功率碳纤维材料的任一种组合中，碳纤维的重量占比为30%~80%。
4.根据权利要求3所述的一种碳纤维复合薄膜，其特征在于：所述添加材料为调和剂、添加剂和粘合剂中的任意一种。
5.如权利要求1~4中任意一项所述的一种碳纤维复合薄膜所构成的碳纤维加热垫，其特征在于：包括碳纤维加热复合层（2）；所述碳纤维加热复合层（2）包含多层所述的碳纤维复合薄膜（2.1），任意两层相邻的碳纤维复合薄膜（2.1）之间均设置有导电电极对（2.2）；每一层所述的碳纤维复合薄膜（2.1）上均设置有多个通孔（2.3）。
6.根据权利要求5所述的一种复合碳纤维加热垫，其特征在于：各层所述碳纤维复合薄膜（2.1）上的通孔（2.3）上下对齐。
7.根据权利要求6所述的一种复合碳纤维加热垫，其特征在于：所述通孔（2.3）为圆形通孔或方形通孔。
8.根据权利要求3所述的一种复合碳纤维加热垫，其特征在于：所述碳纤维加热复合层（2）的上表面还设置有第一绝缘涂层（1），所述碳纤维加热复合层（2）的下表面还设置有第二绝缘涂层（3）。
9.根据权利要求8所述的一种复合碳纤维加热垫，其特征在于：所述第一绝缘涂层（1）和第二绝缘涂层（3）为喷涂形成的绝缘层或成型薄膜。
10.根据权利要求8所述的一种复合碳纤维加热垫，其特征在于：所述第一绝缘涂层（1）和第二绝缘涂层（3）采用树脂材料、芳纶、聚酯PET、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚乙烯、乙烯醋酸乙烯酯共聚物中的一种或多种复合而成。
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