CN112004273A - 一种用于供暖与理疗的热绝缘封装中红外发射屏及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于供暖与理疗的热绝缘封装中红外发射屏(简称TIMEP，即Thermally‑Insulated Mid‑Infrared‑EmittingPanel)及其制备方法，所述中红外发射屏包括依次叠层设置的顶面覆盖层、第一气体热绝缘层、第一透中红外塑料热绝缘层、第二气体热绝缘层、第二透中红外塑料热绝缘层、第三气体热绝缘层、第一电绝缘层、电转中红外发射膜层、第二电绝缘层、及底面覆盖层；所述顶面覆盖层与热绝缘层的中红外透射度≥90％，所述底面覆盖层热绝缘且中红外发射率≤10％；所述电转中红外发射膜层的材料包括低成本煤基纳米碳塑料复合物。TIMEP的创新性源于这些可量化属性的不寻常结合，既以高度热绝缘克服热空气对流供暖的高能耗弊端又可将电转中红外高效传递给使用者，提供给使用者舒适的暖感和中红外理疗的效果。

Description

一种用于供暖与理疗的热绝缘封装中红外发射屏及其制备 方法

技术领域

本发明涉及中红外光学工程、热绝缘工程、室内供暖与节能绿色工程、红外理疗、纳米工程和智能制造技术，具体涉及一种用于供暖与理疗的热绝缘封装中红外发射屏及其制备方法。

技术背景

人类文明在不断进步，但当前的发展模式是不可持续的，因为全球能源消耗速度已远远超过了全球能源储备补充速度并因此衍生能源殆尽危机。由于建筑的室内能源消耗占全球能源消耗的近40％，因此降低室内能源消耗的颠覆性创新显得尤为重要和紧迫[1-5]。室内供暖科技基于物体通过固体热传导、热对流和红外辐射传递热能，其中最普遍是通过热空气对流来实现室内供暖。以旧式农舍20kW供暖燃料炉炉内温度高于600℃而开放式铸铁炉壳表面温度低于200℃为例，炉门开口可发射总辐射强度达33kW/m²的电磁波，辐射包括峰值在3.3μm的红外波和强度弱而仍可见的红光，如炉门开口面积为0.1m²，辐射功率约3kW；同时，开放式炉壳面发射总辐射强度约2kW/m²的中红外电磁波,峰值长于6μm,如炉壳面积1m²,炉壳辐射功率约2kW。这分析说明这种20kW供暖炉总辐射功率只有5kW,供暖炉主靠加热空气对流和加热循环回流水管供暖。新式家用“中央”供暖炉以提高炉内温度来增效，而现代建筑热绝缘较好，一个额定功率为10kW的“中央”供暖器炉子已足够用于100m²的室内空间供暖，近乎密封的供暖器的炉芯通常都在>1000℃的炽热温度下运行,主要依靠直接吹送加热的对流空气到室内空间的各个角落，或间接输送加热的水或油到室内空间各个角落的散热板再以热空气对流供暖，辐射供暖的作用很低。除此之外，缺少中央供暖设施的室内空间也普遍采用分布式较小型的供暖器，供暖原理仍主要靠热对流和辅加红外辐射。所有这些供暖器都有引起火灾和因为接触炉体高温部件所造成烧伤的风险。此外，热能的传递都是无选择性地让空间中几乎所有的物体都接收和消耗能量。除了浪费能源外，这种供暖方式还导致了一个常见的问题，即室内相对湿度极低，从而导致各种健康问题。尽管补充水蒸气可以提高室内湿度，但由于水蒸发所需的热量很高，因此这种方法消耗的能量很大。简而言之，一种在调降建筑能源消耗的情况下仍可维持人体足够的温暖舒适性的创新方法是重要且紧迫的。

既然依靠热对流供暖并不节能，本发明提倡按照辐射传递能量的颠覆性创新。根据普朗克定律，所有暖物体都发出光谱辐射，辐射强度(I)与辐射波长(λ)随温度(T)的函数关系的定量描述如下[6]:

理想的辐射发射器(称为黑体)在整个辐射光谱中没有任何自吸收而按上述光谱分布发射电磁波，其发射率在理论上被设置为100％。如今，黑体已经过专业生产和校准，并广泛用作发射率的检测参考标准。例如，图1所示为温度为310K(37℃、人体温度)时黑体的发射光谱。在3μm波长以下的辐射的总光谱强度仅为其整个光谱的约0.02％，50μm以上的总光谱强度仅为2％，总辐射的98％位于3μm-50μm的波长范围内。因为人体不能长期暴露在高于320K和低于290K的温度下，因此图1中还包括了这两个温度下的黑体光谱，以进一步确认与人体健康相关的热辐射实际上只是在3μm-50μm波长范围内的红外区域。

实际上，3μm-50μm波长范围内的红外辐射对人类健康的重要性已经得到了充分的证实和评估[7-10]。总而言之，人体被3μm-50μm波长范围内的红外辐射可提高血液循环和免疫力[11-14]，增强伤口愈合能力[15]，减轻疼痛[16-17]，减轻抑郁压力[18]，改善睡眠质量[19]，并延缓记忆力衰退[20]。将红外辐射的这些知识与个人热管理的新兴领域协同整合[21-22]，出现了新的科学研究领域并制造出新的产品。但是，当前实践中的波长跨度具有一定的随意性，这种随意性阻碍了这一新兴行业的发展和市场的可持续接受能力。例如，仅参考文献11-20中的示例性作品就在红外中显示出以下从窄到宽的波长跨度的极大不同的光谱带：“5μm-12μm”[11]，“3μm-14μm”[14]，“3μm-15μm”[18]，“4μm-16μm”[16,17,19]，“5μm-20μm”[20]，“4μm-20μm”[13]和“5.6μm-25μm”[15]。显然，此行业中的光谱带的范围必须得到规范和标准化。

尽管波长跨度为3μm-50μm波长范围内的红外光谱辐射具有如此重要的意义，并促成了不少堪称典范的著作[7-22]，但令人惊讶的是，甚至连波长跨度的命名也被写成相当随意的形式。根据国际光谱标准ISO20473[23]，将3μm-50μm的波长范围明确定义为中红外，其中0.78μm-3μm的波长范围为近红外，50μm-1000μm的波长范围为远红外。但是，许多商业产品[24]和参考文献10-18中的大多数文献都随意使用了“远红外”一词来描述3μm-50μm波长范围内的辐射。其中一些文献错误地引用了国际照明委员会对红外辐射的定义，以证明他们随意使用“远红外”来描述波长在3μm-50μm范围内的辐射是合理的。为明确起见，国际照明委员会网站(WWW.CIE.CO.AT)公开公布的确切定义如下:

红外辐射：波长比可见光更长的光辐射，波长为780nm至1mm。

注1：对于红外辐射，通常分为780nm至1mm的范围：IR-A：780nm至1400nm，或0.78μm至1.4μm；IR-B1.4μm至3.0μm；IR-C：3μm至1mm。

注2：无法定义“可见”和“红外”之间的精确边界，因为波长大于780nm的视觉感受是由于波长较长的非常明亮的光源引起的。

注3：在某些应用中，红外光谱也分为“近”，“中”和“远”红外。但是，边界必然随应用领域不同(例如，气象学，光化学，光学设计，热物理等)而变化。

该澄清说明了一个结论，即国际照明委员会仅承认某些光谱应用将红外分区为“近”，“中”和“远”红外，但未对应如何设置这些分区提出意见。相比之下，ISO20473[23]将0.78μm-1.4μm的IR-A波段和1.4μm-3.0μm的IR-B波段明确组合为0.78μm-3.0μm的“近红外”波段，并将宽范围的IR-C波段明确为3.0μm-1000.0μm，其中“中红外”波段为3.0μm-50.0μm，“远红外”波段为50.0μm-1000.0μm。简而言之，本发明提倡严格执行将3μm-50μm的光谱带标记为中红外，以符合ISO20473的要求。

通过采用ISO20473标准来纠正行业中的错误，并正确地将3μm-50μm波长范围的光谱带称为中红外，本发明还要求所有对中红外产品研究、制造和销售的人员对这些产品的中红外性能进行定量说明。特别地，本发明提倡使用通用的基准黑体来校准热辐射发射器的光谱辐射强度和发射率，该光谱辐射强度和发射率在特定温度下(特别是在人体可承受的情况下)作为发射器的辐射波长的函数。温度范围为25℃-50℃。如前所述，在这样的温度下，物体的辐射强度的98％是在3μm-50μm波长范围的中红外光谱带中发射的，因此根据ISO20473，所有此类热辐射发射器都可被归类为中红外发射器。以具有100％发射率的黑体为基准，将中红外发射器的波长通过发射率作为特定温度下发射器波长的函数进行校准。在没有明确规定的情况下，发射率是指用黑体校准的特定光谱带中的平均发射率。在实践中，可以使用高端红外光谱仪测量作为辐射波长的函数的辐射强度，该高端红外光谱仪可以覆盖3μm-50μm的中红外波段。另外，也可以用通常覆盖0.78μm-25μm的光谱范围的普通红外光谱仪容易地测量作为辐射波长的函数的辐射强度。因此，通过这种方法可以容易地测量在3μm-50μm的中红外范围内的3-25μm的部分光谱带中的相对发射率。尽管此测量方法仅覆盖3-25μm的光谱带，而不覆盖3μm-50μm的整个中红外范围,但因为黑体的温度范围在25℃-50℃时，整个3μm-50μm的中红外带在3μm-25μm的这个光谱带中发射出其总热辐射的85％,所以所测得的发射率数据已很好地表示了被测对象的发射率特性。因此，本发明采用并提倡这种测量方法来确定所有中红外发射器的辐射光谱特性和发射率特性。这种标准化的做法克服了在设计、制备方法和应用与人体相关热辐射产品的光谱规格方面的不专业性。

通过这项背景调查，本发明揭示了一种用于供暖与理疗的热绝缘封装中红外发射屏(简称TIMEP，即Thermally Insulated Mid-infrared Emitting Panel)的兼顾美学和功能设计、制备方法、验证和应用。这种创新的TIMEP的发明解决了一个关键问题，即当人类正面临着一场严峻的能源危机时，目前的室内供暖行业仍然普遍存在着浪费行为，例如无差别地加热环境中与人类的温暖舒适感无关的物体，以及对中红外科学和工程的不专业性[1-5]。除了以最小的能耗产生最佳的温暖舒适感外，本发明还为室内采暖增加了已被科学论证的中红外理疗益处。

由于本发明TIMEP的创新关键在于其定义明确的辐射区间和发射率区间，特别是其顶底相反功能的发射结构，因此有必要对中红外发射率的检测和优化进行阐述。用于检测中红外辐射率的主要工具有两个：(a)通过简单的辐射发射率测量仪测得的非波长色散发射率，以及(b)通过装有黑体的红外光谱仪测得的波长色散发射率。一篇最近出版的文献[25]描述，校准并验证了一种工业用辐射发射率测量仪。该辐射发射率测量仪配备有一个内部黑体发射器，该内部黑体发射器的温度为100℃，可辐照测试样品，并通过类黑体辐射吸收器的温度变化来检测和计量测试样品的发射率。该辐射发射率测量仪覆盖了0.5％-98％的发射率范围，光谱范围为2.5μm-40μm。由于普朗克定律规定，在100℃时，黑体在2.5μm-3μm中仅发射其总辐射的0.14％，因此该发射率测量仪的实际开始测量波长约为3μm-40μm。虽然，这种发射率测量仪设计对于快速测量中红外发射率是有效的，但是，该设计仅提供了整个中红外光谱范围的平均发射率，而没有特定波长发射率的信息。这种缺陷只能通过使用配备有黑体的红外光谱仪来克服。总而言之，本公开的TIMEP可以用辐射计或红外光谱仪进行测试和验证，两者都可以在市场上容易地获得。

本发明TIMEP的核心功能是向用户传递中红外辐射。由于用户对TIMEP还可能有美学要求，因此通常以可见的颜色来装饰TIMEP。在这种情况下，外行，甚至是具有行业常规技能的科学家/工程师，都可能错误地将可见光发射率等同于中红外发射率，因为人类的眼睛只能看到可见的颜色，而并不能看到中红外光。因此，这样人们可能会觉得，因为用黑色装饰的TIMEP不会发出可见光，所以也不会发出中红外光。同样，外行人也可能会觉得具有不同可见颜色的TIMEP在中红外发射方面一定存在很大差异。本发明再次通过坚持对科学严谨的态度和基于证据的规范来纠正这种错误的认识。例如，在本发明的一个实施例中，测试了一种黑色聚酯耐磨布的波长色散发射率，如图2黑色聚酯织物所代表的曲线所示，这种黑色聚酯的光谱曲线与基准黑体的光谱曲线非常接近，在3μm-33μm的测量光谱范围内，总发射率为96％。一个不懂中红外相关知识的外行人可能会认为，将黑色染料换成白色染料会大大降低发射率，然而本发明表明通过选择合适的白色染料可以保留近乎完美的光谱轮廓和高发射率，如图2白色聚酯织物所代表的曲线所示。相比之下，现有技术[26]对黑色和白色聚乙烯薄片的产品性能和光谱特性的研究表明，白色薄片的性能比黑色薄片差，这是因为其在3μm-7μm的谱带发射率下降到83％。从图2的对比中可以看出，通过测量产品的波长色散发射率可以更精确地跟踪产品的中红外性能。

为了设计和验证TIMEP在将电能转换为热能并将相关的中红外光传递给用户方面的性能，对沿从辐射源到用户的路径中的辐射吸收进行彻底的光谱分析非常重要。业界缺乏此类分析和此类产品性能检测认证。例如，石墨烯地板供暖器被积极地推向市场，声称石墨烯辐射红外线容易被人体吸收。实际上，石墨烯地板供暖器的加热元件中那怕包含石墨烯，但实际加热元件都被一层对中红外辐射不透明的木质或陶瓷地板覆盖。因此，加热元件产生的中红外辐射不会透过地板材料。取而代之的是，地板通过吸收来自供暖器的辐射并通过正常的导热率从供暖器吸收热能来加热,再以空气对流与辐射散热。显然，地板仍会发出中红外辐射，但光谱特征取决于地板表面材料的性质，而不是加热元件或地板的主体。类似地，其他铺盖式供暖器也可能以塑料或布料为面料,供暖器的中红外辐射由其顶部面材的光学性质决定，而不是由供暖器内部的电热加热元件决定。例如，所有以石墨烯为电热元件、以最常见的彩棉面料包裹的穿戴式电热供暖器和地毡电热供暖器，其辐射都具有彩棉的中红外特征，而不具有石墨烯的中红外特征。由于已知棉料的中红外发射率范围为68％-88％[32-33]，因此未经表面工程处理以提高其中红外发射率的棉料对于生产电热产品而言并不是理想的选择。在另一个例子中，尽管Yue等人[34]发明了一种具顶底相反功能结构的薄膜，该薄膜也可作为电热供暖器使用，但其顶底相反功能结构中的加热面包含低发射率的纳米铜，而另一面则具有高发射率。显然，这种顶底相反功能结构设计不利于实现电转中红外供暖器的高性能。

相关文献报导在理疗方面[7-20，24]、个人热管理方面[21-24；US7642489；US10457424；US2018/0320067]和军事应用方面[US7313909]介绍了这些应用所需的发射和操作红外辐射的设备，都出现波段范围和辐射率不符合中红外规范的问题，发射器工作时发射表面温度高于46℃会导致人体皮肤可能被灼伤的风险；其中有的现有技术采用传统的红外发射器[US8975604；US9249492]，具有较大的体积与重量等缺点，不符中红外发射屏式节能供暖与中红外理疗的市场需求。

本发明全面地解决了行业中的所有这些缺陷，阐明了发射和吸收的科学定义，并且提出了壁挂式或吊顶式TIMEP的最优整体设计方案和低成本制备方法方式。

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发明内容

室内供暖的能耗是全球总能耗的重要组分，故此改善目前室内供暖的高能耗缺陷是当务之急。本发明在背景章节中已综述过目前室内供暖主要靠对流供暖的高能耗特征，简言之，在这种室内采暖方式下，仅有部分的能量用来为人体提供温暖舒适感，其余的能量则被用于加热许多与舒适性完全无关的物体而浪费掉。更糟糕的是，这种无差别性的加热也会导致室内湿度严重下降甚至达到有害水平。此外，传统的室内供暖依赖于功率密度和工作温度高的热源，对人体不安全。本发明的颠覆性创新点在于它协同性融汇以下几个非正统的概念去设计以产生、传输和吸收中红外辐射为核心供暖工作原理的新型供暖器来排除以上所述目前室内供暖的缺陷与不足，特别是遏制不节能的对流供暖，而中红外辐射的理疗效益更进一步开拓这新型的供暖器的应用范围并提升其市场价值：

·本发明创新地提出热绝缘封装的中红外发射屏(简称TIMEP，即Thermally-Insulated Mid-Infrared-Emitting Panel)既可用于供暖又具有理疗效果。

·本发明创新地提出TIMEP的设计与制备应符合发射波长为3μm-50μm的中红外波段和发射率与透射率要以用黑体校对过的中红外检测仪量化。这标准规定的重要性在于人体与人的常用衣物和床上布料都极高效地吸收中红外，而有科学证据显示人体吸收中红外有理疗效益，故量化TIMEP的中红外辐射参数和TIMEP用户及其周围物件的中红外光学参数有利于准确地以TIMEP用户温暖舒适感和理疗需求预设TIMEP铺装和运作安排，达到既节能又舒适健康的效果。

·在一般意义上，供暖器与接收供暖者之间并不应是热绝缘的。然而，似乎违背了这一常识，本发明的TIMEP是一种热绝缘封装的供暖器。TIMEP通过高效热绝缘封装来堵截不节能的对流供暖，而又能发挥高效供暖功能是本发明的核心创新点之一。

·本发明公开的TIMEP的热绝缘封装也是创新的技术。TIMEP的热绝缘封装包括了两种迥异的热绝缘封装方法将一块电绝缘膜包裹的电转中红外发射膜封装成TIMEP。首先，TIMEP采用一种具有三层夹空气绝热的透中红外塑料层结构的热绝缘封装技术，该结构具有层间滞留空气，以不流动的空气的极低导热性阻隔TIMEP里的热源对所有周围物体的热媒传热。与传统寒带地区房屋用三层玻璃窗减少房屋内热能外漏不同，TIMEP的窗状热绝缘结构不采用吸收中红外辐射的玻璃材料，而采用具有接近100％的中红外透射率和接近100％的中红外发射率的塑料做窗状热绝缘结构，尽量将TIMEP里的电转中红外辐射往TIMEP用户的方向输出。假设TIMEP采用玻璃或其他吸收中红外辐射的材料做窗状热绝缘结构，面向TIMEP用户的TIMEP顶面便会因吸收TIMEP里的中红外辐射而升温并以空气对流散热，这效果违背了本发明要遏制不节能的对流供暖的目的。除此之外，本发明介绍TIMEP的热绝缘封装的另一创新点是TIMEP远离TIMEP用户的底面覆盖层的热绝缘结构与功能迴异于面向用户的顶面覆盖层的热绝缘结构和功能，底面覆盖层的热绝缘结构采用包括泡沫塑料等简单热绝缘塑料层，防止因固体传热而产生的能源损耗，还再配加中红外发射率≤10％的如铝等金属涂层，以防止因红外辐射产生的能源损耗。本发明的核心创新性之一是协同地采用这两种结构与功能都迴异的热绝缘封装技术制备TIMEP顶面与底面覆盖层。

·相反于以红外透射率低的材料制备窗户来减少太阳红外辐射通过窗户进入房屋的工作原理，本发明的TIMEP的窗户状三层夹空气绝热的塑料层结构以中红外透射率近100％的塑料制备，可使TIMEP里的中红外辐射可高效送给TIMEP用户。

·本发明的TIMEP的窗户状结构的塑料同时具有接近100％的中红外透射率和接近100％的中红外发射率也是创新的。高光谱透射率和高光谱发射率的结合是不寻常的。在这种非正统的组合下，窗户状三层夹空气绝热的塑料层结构不仅将TIMEP里的电转中红外发射膜辐射的中红外传输给TIMEP用户，而且还通过自身近100％的中红外发射率有效地释放自身的热能。来自窗户状三层夹空气绝热的塑料层的自身中红外辐射进一步增强了TIMEP

用户接收到的中红外辐射功率密度。

·本发明还创新地设计TIMEP可同时令其用户有暖感和理疗效益之外还有美感享受。外行人，甚至是一个在室内取暖器行业有着普通技能的人可能会感觉到黑色物体不发光，而彩色物体(如彩色TIMEP)会因装饰了不同的颜色而有损TIMEP中红外发射功能。与这种看法相反，本发明揭示了其创造性现象，即尽管本发明的TIMEP使用包括黑色、白色、红色、黄色、蓝色、绿色等无铅/铬颜色及其组合来呈现其装饰性美学效果，只要遵照本发明公开的方法，无铅/铬颜料仍能具接近100％的中红外透射率，而彩色TIMEP仍能发挥其高效供暖和理疗效果。

·针对传统的室内供暖依赖于功率密度和工作温度都高的热源对人体的不安全性，本发明公开的TIMEP的中红外发射元件是一种低功率密度和低工作温度的电转中红外发射膜，特别是TIMEP工作电压不超36V,确保人体接触TIMEP也无漏电危险,TIMEP工作表面温度远低于46℃,保证不会对皮肤造成灼伤。此外,本发明公开以低成本(<US$700-1000/吨)低电阻率(<1Ω-cm)煤基纳米碳制备具有小于50Ω/□的低方块电阻的中红外发射膜能在具实际成本效益条件下满足这创新的安全要求,并以大概500W/m²的低功率密度及总功率为1000W左右的TIMEP铺设和室内设计合适使用不吸收或反射中红外的家具与饰物,应付20m²室内空间的供暖要求,提供节能一半的优秀效果。在这设计考虑中，本发明按空气的热导率(0.027W/m·K)判断，TIMEP以三个层间气隙为1.2mm的窗状三层夾空气绝热的塑料层结构，当TIMEP以500W/m²的功率密度运作时,从电转中红外发射膜到面向用户TIMEP顶面覆盖层的理论隔热温差为67℃。在此条件下，电转中红外发射膜温度为90℃时，TIMEP面向TIMEP用户的顶面温度为23℃，哪怕TIMEP的窗状热绝缘结构的塑料层的中红外透射率只有90％而导致其吸收中红外升温和热绝缘效果下降，TIMEP面向TIMEP用户的顶面温度无论如何都远低于46℃的安全上限。换言之，本发明的TIMEP即使电转中红外发射膜在90℃时，TIMEP的表面温度对TIMEP用户来说是绝对安全的。根据普朗克定律[1]，当中红外发射率为99％的中红外发射膜在90℃工作时中红外功率密度约为95mW/cm²，那怕这中红外发射率与TIMEP窗状热绝缘结构的中红外透射率不理想而使TIMEP只能发射95mW/cm²的80％，TIMEP用户仍会因吸收中红外而感觉TIMEP以70℃供暖，而TIMEP顶与底面的温度却难以置信地保持在23℃左右，由此TIMEP设计的说明，可见本发明的创新性和节能效果。此外，由于在中红外理疗行业中，大多数已知的理疗方法只使用10-20mW/cm²的中红外辐射功率密度，因此本发明的TIMEP除了提供温暖舒适外，还提供足够高的中红外辐射强度，向其用户提供已有科学确证的中红外理疗益处。又本发明公开的TIMEP可采用[PCT/CN2018/104910]的以煤或焦炭制备的低成本而有石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维和其他导电纳米碳，实施本发明的低成本制备TIMEP的方法。

跟已公开的知识产权相比，尽管文献中已有使用红外透明封装的报导[US6038065；US9951446；US9989679，US10502879]，但它们未有明确覆盖3μm-50μm的中红外波段，并且所述红外透明封装都与热绝缘和装饰等功能无关。

此外，尽管文献中已有报导不透可见光但透红外或反射红外的材料[US9951446；US9989679；US10502879]，这些报导的概念和方法与本发明中的概念和方法无关或相反。简单地说，US9951446和参考文献21-22披露了在服装中加入染料，以便于人体热量的散失和环境红外线的反射，防止红外线反射回人体；因此，它们是人体降温的方法，而与本发明揭示的人类温暖舒适是截然相反的。US9989679揭示了在制作红外反射薄膜的红外透明材料中加入颜料的方法，目的是制作识别装置。因此，US9989679是一种红外反射方法，其概念与本发明相反。US10502879揭示了具有彩色红外透明层的系统，但此发明涉及近红外而非中红外，其中公开的彩色红外透明层用作近红外相机或其他近红外设备的封装材料,与供暖和中红外理疗无关。此外，US10502879揭示了使用等离子颗粒的在透红外基体中着色方法,但此发明的等离子体粒子成本非常高，不能实际作装饰供暖器之用。参考文献30揭示了铅基和铬基颜料用于美化低红外辐射涂料,但铅与铬的相关应用现已被禁,其公开的方法与本发明构思技术路线方向相反。参考文献31描述了彩色，近红外反射，超疏水聚合物薄膜的制备，以保持建筑物对太阳加热的冷却。所述概念和方法是与本发明的概念和方法相反。

总言之，以上发明内容可归纳为本发明提供了一种用于供暖与理疗的热绝缘封装中红外发射屏(简称TIMEP，即Thermally-Insulated Mid-Infrared-Emitting Panel)，所述TIMEP包括依次叠层设置的顶面覆盖层、第一气体热绝缘层、第一透中红外塑料热绝缘层、第二气体热绝缘层、第二透中红外塑料热绝缘层、第三气体热绝缘层、第一电绝缘层、电转中红外发射膜层、第二电绝缘层、及底面覆盖层；其中，所述顶面覆盖层面向待供暖对象，所述底面覆盖层相对于所述顶面覆盖层远离所述待供暖对象；所述顶面覆盖层与第一透中红外塑料热绝缘层、第二透中红外塑料热绝缘层的中红外透射率≥90％，所述底面覆盖层热绝缘且中红外发射率≤10％；所述电转中红外发射膜层的材料包括低成本煤基纳米碳塑料复合物；所述电转中红外发射膜层的中红外发射率≥90％；所述中红外发射屏还包括热绝缘框架、温度传感器和用于控制所述中红外发射屏的电力管理装置。

可选的是，在所述顶面覆盖层上还设置有美观的图案。

可选的是，所述第一气体热绝缘层、第二气体热绝缘层和第三气体热绝缘层的厚度≥1mm，所述第一气体热绝缘层、第二气体热绝缘层和第三气体热绝缘层中的气体包括空气。

可选的是，所述中红外的光谱波长范围为3μm-50μm波段。

可选的是，所述电转中红外发射膜层的方块电阻≤50Ω/□，膜层厚度≤200μm，中红外发射率接近100％。

可选的是，所述复合物包括纳米碳，所述纳米碳包括从煤或焦炭中获得的包括石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维中的其中一种或几种的多形貌导电纳米碳。

可选的是，所述纳米碳的生产成本≤1000美元/吨。

可选的是，所述塑料复合物，所述塑料包括热塑性聚氨酯、热塑性聚苯乙烯、热塑性聚酯、碳基橡胶、硅基橡胶、聚丙烯、聚乙烯、聚乙烯醇、聚对亚苯基对苯二甲酰胺中的其中一种或多种；所述复合材料的中红外发射率≥90％,优选中红外发射率≥95％。

可选的是，所述顶面覆盖层的结构材料包括聚乙烯、聚丙烯、阻燃聚合物其中的一种或多种，所述顶面覆盖层厚度≤100μm，中红外发射率≥90％。

可选的是，所述顶面覆盖层的结构材料还包括添加剂。

可选的是，所述第一透中红外塑料热绝缘层和第二透中红外塑料热绝缘层的材料包括聚乙烯、聚丙烯、或其组合，所述第一透中红外塑料热绝缘层和第二透中红外塑料热绝缘层的中红外透射率≥95％。

可选的是，所述顶面覆盖层包括中红外透射率≥95％的聚乙烯、聚丙烯、或其组合，所述顶面覆盖层还包括中红外透射率≥90％的颜料。

可选的是，所述颜料包括无铅和无铬颜色，所述无铅和无铬颜色具体包括铝颗粒、涂层铝颗粒、二氧化钛颗粒、涂层二氧化钛颗粒、纳米碳黑、苝红、醌酞黄，铋黄、靛蓝、酞菁蓝、钴蓝、铜酞菁绿、氧化铁橙、氧化铁棕或无铅黄83及其组合。

可选的是，所述底面覆盖层包括中红外发射率≤10％的铝涂层和热绝缘温差>50℃的塑料层。

可选的是，所述中红外发射屏用于室内供暖、中红外理疗或功能性室内设计及其组合。

本发明还提供将上述任一种所述的中红外发射屏用于室内供暖、中红外理疗或功能性室内设计及其组合的用途。

本发明还提供一种用于制备上述任一种所述的中红外发射屏的方法，所述方法包括如下步骤：

(1)采用纳米碳塑料复合物制备电转中红外发射膜层：将所述复合物中的碳塑分散在有机溶剂中形成第一混合液，再将所述复合物中的纳米碳分散在上述第一混合溶液中形成第二混合液；采用标准液浆成膜工艺制备所述电转中红外发射膜层；

(2)在所述电转中红外发射膜层的上下两面分别叠置第一电绝缘层和第二电绝缘层以得到依次为第一电绝缘层、电转中红外发射膜层和第二电绝缘层的层叠结构，其中，所述电转中红外发射膜层被第一电绝缘层和第二电绝缘层包裹；

(3)在所述依次为第一电绝缘层、电转中红外发射膜层和第二电绝缘层的层叠结构的上下两面分别添加叠层，构成依次包括顶面覆盖层、第一气体热绝缘层、第一透中红外塑料热绝缘层、第二气体热绝缘层、第二透中红外塑料热绝缘层、第三气体热绝缘层、第一电绝缘层、电转中红外发射膜层、第二电绝缘层、及底面覆盖层的叠置结构，并采用框架将上述叠置结构固定即制成所述中红外发射屏。

简而言之，本发明所公开的新型TIMEP填补了技术上的空缺，参考了低成本、高性能的TIMEP的市场需求，以安全、有效和节能的方式产生温暖、舒适和中红外理疗效益，而且本发明所公开的新型彩色TIMEP还在保证这些功能性的前提下呈现悦目的美感。此外，本发明遵循在设计新颖的TIMEP的过程中强调科学清晰性和基于证据的规范的方法。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为不同温度下标准黑体的红外辐射能量密度分布图

图2为不同材料的红外辐射能量密度分布图

图3为本发明的用于供暖与理疗的热绝缘封装中红外发射屏(TIMEP)的结构示意图

图4为本发明的包括温控与电控的用于供暖与理疗的热绝缘封装中红外发射屏(TIMEP)的结构示意图

图5为本发明的用于供暖与理疗的热绝缘封装中红外发射屏(TIMEP)的第一实施例的结构示意图及实施效果数据表

图6为本发明的用于供暖与理疗的热绝缘封装中红外发射屏(TIMEP)的第一实施例的实物示意图和实物中红外发射效果摄像

图7为本发明的用于供暖与理疗的热绝缘封装中红外发射屏(TIMEP)的第二实施例的结构示意图及实施效果数据表

图8为本发明的用于供暖与理疗的热绝缘封装中红外发射屏(TIMEP)的第三实施例的结构示意图及实施效果数据表

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对背景章节指出的现有技术中的各种问题和市场需求，本发明所公开的新型TIMEP填补了技术上的空缺，参考了低成本、高性能的TIMEP的市场需求，以安全、有效和节能的方式产生温暖、舒适和中红外理疗效益。此外，本发明遵循在设计新颖的TIMEP的过程中强调科学清晰性和基于证据的规范的方法。本章节按发明内容章节的创新内容公开术发明的具体实施明细。

首先，图3显示在本发明的典型实施例中，本发明的用于供暖与理疗的热绝缘封装中红外发射屏(TIMEP)的基本结构包括从TIMEP面向用户的顶面开始的以下多层，如图3所示包括：

(a)三层中红外透明层311、312和313安装在热绝缘框架中，相邻两层中红外透明层之间的夹层间填空气，即在中红外透明层311和312之间的夹层以及在中红外透明层312和313的夹层分别填空气；在一些具体的实施例中，在中红外透明层313和电绝缘层32之间的夹层中同样填充有空气。在中红外透明层311中和/或之上可具有中红外透明的无铅/铬可见色彩；

(b)电绝缘层32；

(c)以煤基纳米碳为填料，中红外发射率接近100％的高导电性电热塑料复合电转中红外发射膜33；

(d)电绝缘层34；

(e)超薄闪亮金属层35，中红外发射率接近0；

(f)热绝缘聚合物泡沫层36。

在本发明的一些实施例中，热绝缘框架包括类似画框的两端均开口的框架，所述框架用来安装和固定中红外透明层311、312和313。在一个具体的实施例中，所述框架还用来安装和固定电绝缘层32、电转中红外发射膜33、电绝缘层34、超薄闪亮金属层35和热绝缘泡沫塑料层36。在一些具体的实施例中，所述框架还用来隐藏、安装和固定温控器37、电控器38、电极和供电线。

在本发明的一些实施例中，图3中的三个中红外透明层311-313中的每一个都包括聚乙烯、聚丙烯或其他对中红外透明的聚合物，以及它们的组合。其中，中红外透明层311面向待供暖对象，而热绝缘泡沫塑料层36相对于中红外透明层311远离所述待供暖对象。

在本发明的一些实施例中，中红外透明层311可作为顶面覆盖层，所述中红外透明层311可由聚乙烯、聚丙烯或其他对中红外透明的聚合物制成。在所述中红外透明层311面对待供暖对象的表面上还可以包括中红外透明的无铅/铬可见颜色，所述无铅/铬可见颜色包括无铅和无铬颜色，其中，所述无铅和无铬颜色包括铝颗粒、涂层铝颗粒、二氧化钛颗粒、涂层二氧化钛颗粒、纳米碳黑、苝红、醌酞黄，铋黄、靛蓝、酞菁蓝、钴蓝、铜酞菁绿、氧化铁橙、氧化铁棕或无铅黄83及其组合。

在本发明的一些实施例中，如图3所示，电绝缘层32和34包括热塑性聚氨酯，热塑性聚酯，碳基橡胶，硅酮基橡胶或聚丙烯及其组合。

在本发明的一些实施例中，如图3所示，高导电性聚合物复合电转中红外发射膜34中的聚合物包括热塑性聚氨酯、热塑性聚苯乙烯、热塑性聚酯、碳基橡胶、硅基橡胶、聚丙烯、聚乙烯醇、聚对亚苯基对苯二甲酰胺及其组合。电转中红外发射膜34的方块电阻≤50Ω/□，膜层厚度≤200μm，中红外发射率接近100％。在一个具体的实施例中，电转中红外发射膜34的中红外发射率≥90％，优选≥95％。所述复合材料中的纳米碳包括从煤或焦炭中获得的包括石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维中的其中一种或几种的多形貌导电纳米碳。在一个具体的实施例中，纳米碳由电阻率低于1cm的煤基纳米碳组成，其生产成本至少比石墨烯低50倍；具体地，其优选生产成本≤1000美元/吨，更优选生产成本≤700美元/吨。WO2020051755中公开的方法适合于生产本发明中的煤基纳米碳。在一些实施例中，炭黑被进一步石墨化至电阻率低于1cm，并用于制造本发明中的TIMEP。

在本发明的一些实施例中，如图3所示，具有接近0的中红外发射率的超薄闪亮金属层35包括铝、铝合金、铜、铜合金、铬、锆合金的富金属氧碳氮化物及其组合。

在本发明的一些实施例中，如图3所示，热绝缘层36包括热塑性聚氨酯，热塑性聚酯，碳基橡胶，硅酮基橡胶或聚丙烯及其组合的泡沫片。

图4为本发明的用于供暖与理疗的TIMEP的结构示意图；图3与图4的TIMEP的结构示意图唯一不同的是所述TIMEP还增加了温度传感器37和包括控制电路和电源在内的电力管理组件38，以制备功能性和可操作的TIMEP，所有部分都用热绝缘框架封装。其余部件与第一实施例相同，在此不予赘述。

图5为本发明的用于供暖与理疗的TIMEP的第一实施例的结构示意图；图5与图4唯一不同的是图5的TIMEP的既热绝缘又透中红外的311，312和313层都实际采用红外透射率约95％的聚乙烯。图5还列出第三实施例的效果数据表。

图6为本发明的用于供暖与理疗的TIMEP的第一实施例的实物示意图和实物中红外发射效果摄像。

图7为本发明的用于供暖与理疗的TIMEP的第二实施例的结构示意图及实施效果数据表；图8为本发明的用于供暖与理疗的TIMEP的第三实施例的结构示意图及实施效果数据表。其中，第二与第三实施例的整体结构均与第一实施例相同，唯一不同的仅在于三个中红外透明层311-313的材料不同。具体地，在第一实施例中，三个中红外透明层311-313的材料包括聚乙烯；在第二实施例中，三个中红外透明层311-313的材料包括聚丙烯；在第三实施例中，三个中红外透明层311-313的材料包括聚氯乙烯。

在本发明的一些实施例中，本发明所述的TIMEP的制备方法包括：

(1)采用纳米碳塑料复合物制备电转中红外发射膜层：将所述复合物中的塑料分散在有机溶剂中形成第一混合液，再将所述复合物中的纳米碳分散在上述第一混合溶液中形成第二混合液；采用标准液浆成膜工艺制备所述电转中红外发射膜层；

(2)在所述电转中红外发射膜层的上下两面分别叠置第一电绝缘层和第二电绝缘层以得到依次为第一电绝缘层、电转中红外发射膜层和第二电绝缘层的层叠结构，其中，所述电转中红外发射膜层被第一电绝缘层和第二电绝缘层包裹；

(3)在所述依次为第一电绝缘层、电转中红外发射膜层和第二电绝缘层的层叠结构的上下两面分别添加叠层,构成包括顶面覆盖层、第一气体热绝缘层、第一透中红外塑料热绝缘层、第二气体热绝缘层、第二透中红外塑料热绝缘层、第三气体热绝缘层、第一电绝缘层、电转中红外发射膜层、第二电绝缘层、及底面覆盖层的TIMEP叠置结构。

按以上在本发明的一些实施例中描述的TIMEP设计与制备方法制成的TIMEP，在一些具体使用实施例中的功能如下：

1.TIMEP的核心元件是一种包含低成本纳米碳塑料复合物的电转中红外发射膜，该膜具有小于50Ω/□的低方块电阻，适合TIMEP发挥其优秀功能,保障人体接触TIMEP也无漏电危险。

2.TIMEP在安全的电压低于36V供电条件下运作，以大概500W/m²的低功率密度及总功率为1000W左右的TIMEP铺设和室内设计合适使用不吸收或反射中红外的家具与装饰物,一个20m²室内空间会因中红外辐射有TIMEP的供应和被室内物件反射而均匀分布于室内，室内空气温度可保持在18℃以下，TIMEP用户仍因吸收中红外辐射而产生暖感，获得类似室内空气温度为25℃的舒适暖感，而室内众多物件因中红外辐射吸收率低而保持在18℃左右。相比一般巿场上供暖器的规格每20m²室内空间的供暖要2000W，本发明公开的TIMEP可提供节能约为50％的优秀效果。在这设计考虑中，本发明估算和实际测出TIMEP在500W/m²的低功率密度工作条件下，室内空气温度为18℃时电转中红外发射膜实际温度确可维持在90℃以上，在这状态下，TIMEP电控器可按TIMEP用户实际供暖要求把这温度下调低于90℃。按空气的热导率为0.027W/m·K来估算判断，TIMEP以三个层间气隙为1.2mm的窗状三层夾空气绝热的塑料层结构，当TIMEP以500W/m²的功率密度运作时,从电转中红外发射膜到面向用户包围层的窗表面的理论隔热温差从以下公式(500W/m²/0.027W/m·K)*((3*1.2mm)*1m/1000mm)确定为67℃。在此条件下，当电转中红外发射膜温度为90℃时，TIMEP面向TIMEP用户的顶面温度为23℃，那怕TIMEP的窗状热绝缘结构的塑料层的中红外透射率只有90％而导致其吸收中红外升温和热绝缘效果下降，TIMEP面向TIMEP用户的顶面温度无论如何都远低于46℃的安全上限。换言之，本发明的TIMEP即使电转中红外发射膜在90℃时，TIMEP的表面温度对TIMEP用户来说是绝对安全的。

3.根据普朗克定律[1]，当中红外发射率为99％的中红外发射膜在90℃工作时中红外功率密度约为95mW/cm²，那怕这中红外发射率与TIMEP窗状热绝缘结构的中红外透射率不理想而使TIMEP只能发射95mW/cm²的80％，即76mW/cm²,折合黑体温度为70℃,故TIMEP用户仍会因吸收中红外而感觉TIMEP以70℃供暖，而TIMEP顶与底面的温度却奇异地保持所23℃，由此TIMEP设计的说明，可见本发明的创新性和节能效果。

4.此外，由于在中红外理疗行业中，大多数已知的理疗方法只使用10-20mW/cm²的中红外辐射功率密度，因此本发明的TIMEP除了提供温暖舒适外，还提供足够高的中红外辐射强度，向其用户提供已有科学确证的中红外理疗益处。

5.又本发明公开的TIMEP可采用[PCT/CN2018/104910]的以煤或焦炭制备的低成本而有石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维和其他导电纳米碳，估算成本低于US$700-1000/吨,而电阻率低于1Ω-cm,以此制成的煤基纳米碳塑料复合物中红外发射膜具有小于50Ω/□的低方块电阻,适合用于制备本发明公开的TIMEP,并在具实际成本效益条件下实施本发明的创新。

总言之，本发明涉及一种用于供暖与理疗的热绝缘封装中红外发射屏(简称TIMEP)及其制备方法。本发明涉及TIMEP的创新性设计，制备方法和测试/验证，其可应用于使用户产生温暖舒适感，并且具有方便且安全的中红外理疗效果。其次，由于人体在该中红外波段中的发射类似基准黑体，因此本发明采用使用基准黑体作为光谱参照标准并且使用覆盖整个中红外带或至少3μm-25μm的普通红外光谱仪来测试和验证本发明TIMEP的光谱特性。在这种情况下，3μm-25μm波段的测量结果非常接近整个中红外波段的测量结果，因为在TIMEP典型的工作温度在普通室内温度至TIMEP工作温度上限的90℃范围内，来自3μm-25μm波段黑体的总辐射已经达到整个中红外波段的85％。为了测试和验证TIMEP，本发明揭示了使用普通红外光谱仪测量TIMEP发射的中红外波长色散强度的实用方法，以及用普通中红外发射仪测量TIMEP发射的中红外积分强度的实用方法，两种方法均以基准黑体作为中红外辐射参考。

实施例

下面详细阐述一些具体的实施例。需要说明的是，以下内容只是在本发明原则的适用情况的例证或说明。在不背离现有原则和范围的前提下，我们可以做很多修改，用其他成分、方法和系统进行代替。附加要求包含了这些修改和方案。因此，尽管在上文中已详细描述了本发明，但是下面的示例提供了目前被认为是最可行方案的进一步细节。

第一实施例

窗状三层聚乙烯结构TIMEP的制备方法与性能验证

在本发明的这个优选实施例中，生产出了高性能的TIMEP。首先，以导电性高的煤基纳米碳为油墨，采用标准的薄膜浇铸工艺，制备了纳米碳复合物中红外发射膜。所得薄膜的方块电阻为26±2Ω/□且厚度为80±2μm，并制备了电阻为8Ω、尺寸为250cm²的电热薄膜。在35V的外加电压下，TIMEP的额定功率分别为150W和0.60W/cm²。窗状三层中红外透明层结构由三层聚乙烯组成，这些层与电转中红外发射膜的附属层之间的气隙为1.2mm。面向用户的顶层由彩色聚乙烯组成，中红外透射率接近100％，中红外发射率接近100％。TIMEP的结构如图5所示。

在实际于135W下操作时，本实施例中的TIMEP具有90℃的电转中红外发射膜温度，并且暴露于18℃室内环境中的TIMEP面向供暖的表面的温度为26℃。如图5的实施效果数据表所示，以校准的热电偶在电转中红外发射膜测得的温度为90℃，以校准的热电偶在顶覆盖层表面测得的温度是26℃，以校准的中红外辐射强度检测仪在离顶覆盖层50厘米处正对TIMEP条件下测定TIMEP中红外辐射强度的黑体温度当量是74℃。在TIMEP外接收到的中红外辐射温度当量(74℃)比实际电转中红外发射膜温度(90℃)低的原因是电绝缘封装的电转中红外发射膜红外发射率与三层夹空气绝热的透中红外塑料层结构的中红外透射率都并非100％，估算实际的中红外辐射传输效率为83％。在本实施例中，TIMEP里的电绝缘封装的电转中红外发射膜顶面发射率约为99％，三层夹空气绝热的透中红外塑料层结构的中红外透射率约为95％，三层结构的顶覆盖层聚乙烯涂颜料后中红外透射率降为约93％。在本实施例中，以校准的热电偶在TIMEP的底覆盖层表面测得的温度是23℃，以校准的中红外辐射强度检测仪在离底覆盖层50厘米处正对TIMEP条件下测定TIMEP底覆盖中红外发射率为10％。

图6显示本实施例中TIMEP实物照片和中红外摄像，实物中红外发射面积250cm²(长100cm,阔25cm),在130W供电下中红外摄像仪显示平均黑体温度当量为74℃。图5的实施效果数据表显示，以校准的热电偶在电转中红外发射膜测得的温度为90℃，以校准的热电偶在顶覆盖层表面测得的温度是26℃，室内温度为18℃。结果证明本实施例中TIMEP既美观又节能的效果下能放射充够辐射强度的中红外电磁波，提供中红外供暖和中红外理疗功能。

第二实施例

窗状三层聚丙烯层结构TIMEP的制备方法与性能验证

在本发明的这个优选实施例中，产生了较高性能的TIMEP。首先，以导电性高的煤基纳米碳为油墨，采用标准的薄膜浇铸工艺，制备了纳米碳复合物中红外发射膜。所得薄膜的方块电阻为26±2Ω/□且厚度为80±2μm，并制备了电阻为8Ω、尺寸为250cm²的电热薄膜。在35V的外加电压下，TIMEP的额定功率分别为150W和0.60W/cm²。窗状三层中红外透明层结构由三层聚丙烯组成，这些层与电转中红外发射膜的附属层之间的气隙为1.2mm。面向用户的顶层由彩色聚丙烯组成，实物图案如图6所示，本实施例中的TIMEP的结构如图7所示。

图7还显示在150W下操作时，本实施例中的TIMEP的实施效果数据表：以校准的热电偶在电转中红外发射膜测得的温度为90℃，以校准的热电偶在顶覆盖层表面测得的温度是29℃，以校准的中红外辐射强度检测仪在离顶覆盖层50厘米处正对TIMEP条件下测定TIMEP中红外辐射强度的黑体温度当量是42℃。在TIMEP外接收到的中红外辐射温度当量(42℃)比实际电转中红外发射膜温度(90℃)低的原因是电绝缘封装的电转中红外发射膜红外发射率与三层夹空气绝热的聚丙烯层结构的中红外透射率都并非100％，估算实际的中红外辐射传输效率为56％。在本实施例中，TIMEP里的电绝缘封装的电转中红外发射膜顶面发射率约为99％，三层夹空气绝热的聚丙烯层结构的中红外透射率约为85％，三层结构的顶覆盖层聚丙烯涂颜料后中红外透射率降为约83％。在本实施例中，以校准的热电偶在TIMEP的底覆盖层表面测得的温度是23℃，以校准的中红外辐射强度检测仪在离底覆盖层50厘米处正对TIMEP条件下测定TIMEP底覆盖中红外发射率为10％。

结果证明本实施例中TIMEP既美观又节能的效果下能放射充够辐射强度的中红外电磁波，提供中红外供暖和中红外理疗功能。因聚丙烯的中红外透射率比聚乙烯稍低，在TIMEP工作时聚丙烯吸收部份中红外发射膜的辐射而升温，三层夹空气绝热的聚丙烯层结构的热绝缘性比第一实施例差，能耗由第一实施例的135W升到150W才能维持电转中红外发射膜在90℃工作，而且实际的中红外辐射传输效率只有56％。

第三实施例

窗状三层聚氯乙烯结构TIMEP的制备方法与性能验证

首先，以导电性高的煤基纳米碳为油墨，采用标准的薄膜浇铸工艺，制备了纳米碳复合物中红外发射膜。所得薄膜的方块电阻为26±2Ω/□且厚度为80±2μm，并制备了电阻为8Ω、尺寸为250cm²的电热薄膜。在35V的外加电压下，TIMEP的额定功率分别为150W和0.60W/cm²。因在市场上最流行的电热地板垫中，通常以聚氯乙烯封装和保护电绝缘膜包覆的电热器，故本实施例中的TIMEP的窗状三层中红外透明层结构改由三层聚氯乙烯组成，其中面向用户的顶层由彩色聚氯乙烯组成，实物图案如图6所示，本实施例中的TIMEP的结构如图8所示。

图8还显示在180W下操作时，本实施例中的TIMEP的实施效果数据表：以校准的热电偶在电转中红外发射膜测得的温度为90℃，以校准的热电偶在顶覆盖层表面测得的温度是40℃，以校准的中红外辐射强度检测仪在离顶覆盖层50厘米处正对TIMEP条件下测定TIMEP中红外辐射强度的黑体温度当量是35℃。在TIMEP外接收到的中红外辐射温度当量(35℃)远低于实际发热膜温度(90℃)的原因是三层夹空气绝热的聚氯乙烯层结构基本上不透中红外辐射，聚氯乙烯吸收辐射后升温而热能又以自身红外辐射及空气对聚氯乙烯流外漏。

结果证明本实施例中TIMEP的总中红外发射效率极低，主因是聚氯乙烯中红外透射率极低，不利于电转中红外发射膜的辐射向TIMEP外传送，三层夹空气绝热的聚氯乙烯层结构的热绝缘性又阻堵其他热传输途径。在这工作状态下，TIMEP顶覆盖面的聚氯乙烯靠吸收TIMEP层中红外辐射升温到40℃后主靠空气对流散热，其黑体辐射温度当量35℃显示聚氯乙烯具吸收中红外和中红外发射率偏低特征，与实验测得红外吸收光谱特征吻合。总言之，本实施例中用聚氯乙烯封装的TIMEP既是个低效中红外发射器，也是个高耗能和低效率的供暖器。由此可推论，市场上用聚氯乙烯封装的电热地垫等电热器都既是低效中红外发射器，也是高耗能和低效率的供暖器。

无需进一步详细说明，相信本领域技术人员可以使用本文描述最大程度地利用本发明。这里所描述的实施例应被解释为说明性的，而不是以任何方式限制本发明的其余部分。虽然已经示出和描述了实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和教导的情况下对其进行许多变化和修改。因此，保护范围不受上述说明的限制，而是仅受专利要求的限制，包括专利要求主题的所有等同物。本文引用的所有专利、专利申请和出版物的发明内容在此引入作为参考，只要它们提供与本文所述内容一致和补充的程序或其他细节。

Claims (15)

1.一种用于供暖与理疗的热绝缘封装中红外发射屏，其特征在于，所述中红外发射屏包括依次叠层设置的顶面覆盖层、第一气体热绝缘层、第一透中红外塑料热绝缘层、第二气体热绝缘层、第二透中红外塑料热绝缘层、第三气体热绝缘层、第一电绝缘层、电转中红外发射膜层、第二电绝缘层、及底面覆盖层；其中，所述顶面覆盖层面向待供暖对象，所述底面覆盖层相对于所述顶面覆盖层远离所述待供暖对象；

所述顶面覆盖层与第一透中红外塑料热绝缘层、第二透中红外塑料热绝缘层的中红外透射率≥90％，所述底面覆盖层热绝缘且中红外发射率≤10％；

所述电转中红外发射膜层的材料包括低成本煤基纳米碳塑料复合物；所述电转中红外发射膜层的中红外发射率≥90％；

所述中红外发射屏还包括热绝缘框架、温度传感器和用于控制所述中红外发射屏的电力管理装置。

2.根据权利要求1所述的中红外发射屏，其特征在于，所述中红外的光谱波长范围为3-50μm波段。

3.根据权利要求1所述的中红外发射屏，其特征在于，所述顶面覆盖层的结构材料包括聚乙烯、聚丙烯、阻燃材料其中的一种或多种，所述顶面覆盖层厚度≤100μm，和所述顶面覆盖层中红外发射率≥90％。

4.根据权利要求3所述的中红外发射屏，其特征在于，所述顶面覆盖层还包括中红外透射率≥90％的颜料和添加剂。

5.根据权利要求4所述的中红外发射屏，其特征在于，所述颜料包括无铅和无铬颜色，所述无铅和无铬颜色具体包括铝颗粒、涂层铝颗粒、二氧化钛颗粒、涂层二氧化钛颗粒、纳米碳黑、苝红、醌酞黄，铋黄、靛蓝、酞菁蓝、钴蓝、铜酞菁绿、氧化铁橙、氧化铁棕或无铅黄83及其组合。

6.根据权利要求1-4任一项所述的中红外发射屏，其特征在于，所述第一气体热绝缘层、第二气体热绝缘层和第三气体热绝缘层的厚度≥1mm，所述第一气体热绝缘层、第二气体热绝缘层和第三气体热绝缘层中的气体包括空气。

7.根据权利要求1-4任一项所述的中红外发射屏，其特征在于，所述第一透中红外塑料热绝缘层和第二透中红外塑料热绝缘层的材料包括聚乙烯、聚丙烯、阻燃材料其中的一种或多种，所述第一透中红外塑料热绝缘层和第二透中红外塑料热绝缘层的中红外透射率≥95％。

8.根据权利要求1-4任一项所述的中红外发射屏，其特征在于，所述电转中红外发射膜层的方块电阻≤50Ω/□，膜层厚度≤200μm，中红外发射率接近100％。

9.根据权利要求1-4任一项所述的中红外发射屏，其特征在于，所述复合物包括纳米碳和塑料，所述纳米碳包括从煤或焦炭中获得的包括石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维中的其中一种或几种的多形貌导电纳米碳，所述塑料包括热塑性聚氨酯、热塑性聚苯乙烯、热塑性聚酯、碳基橡胶、硅基橡胶、聚丙烯、聚乙烯醇、聚对亚苯基对苯二甲酰胺中的其中一种或多种；所述复合物的中红外发射率≥90％。

10.根据权利要求9所述的中红外发射屏，其特征在于，所述复合物的中红外发射率≥95％。

11.根据权利要求9所述的中红外发射屏，其特征在于，所述纳米碳的生产成本≤1000美元/吨。

12.根据权利要求1-4任一项所述的中红外发射屏，其特征在于，所述底面覆盖层包括中红外发射率≤10％的铝涂层和热绝缘温差>50℃的塑料层。

13.根据权利要求1-4任一项所述的中红外发射屏，其特征在于，所述电转中红外发射膜层的中红外发射率≥95％。

14.根据权利要求1-4任一项所述的中红外发射屏，其特征在于，所述中红外发射屏用于室内供暖、中红外理疗或功能性室内设计及其组合。

15.一种用于制备权利要求1-14任一项所述的中红外发射屏的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)采用纳米碳塑料复合物制备电转中红外发射膜层：将所述复合物中的塑料分散在有机溶剂中形成第一混合液，再将所述复合物中的纳米碳分散在上述第一混合液中形成第二混合液；采用标准液浆成膜工艺制备所述电转中红外发射膜层；

(2)在所述电转中红外发射膜层的上下两面分别叠置第一电绝缘层和第二电绝缘层以得到依次为第一电绝缘层、电转中红外发射膜层和第二电绝缘层的层叠结构，其中，所述电转中红外发射膜层被第一电绝缘层和第二电绝缘层包裹；

(3)在所述依次为第一电绝缘层、电转中红外发射膜层和第二电绝缘层的层叠结构的上下两面分别添加叠层，构成依次包括顶面覆盖层、第一气体热绝缘层、第一透中红外塑料热绝缘层、第二气体热绝缘层、第二透中红外塑料热绝缘层、第三气体热绝缘层、第一电绝缘层、电转中红外发射膜层、第二电绝缘层、及底面覆盖层的叠置结构，并采用框架将上述叠置结构固定即制成所述中红外发射屏。

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