CN112452369B - 一种磁控的热可塑形状记忆聚合物包裹式加热平台及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁控的热可塑形状记忆聚合物包裹式加热平台及方法，包括加热壳体、热源、电磁铁。加热壳体为磁控的热可塑形状记忆聚合物材料制备而成，初始形状时顶部为窄U形开口。加热壳体的外侧面涂有隔热涂层，内表面涂有导热涂层。电磁铁通过支架设置在加热壳体周侧，电磁铁相对加热壳体的位置通过支架进行调整，加热壳体的临时状态时用于从顶部放入待加热物体。通过加热后由电磁铁引导的壳体形成临时形状，可将待加热物体放入壳体中；接着打开热源使壳体恢复初始形状，达到紧密包裹加热物体的效果，与水浴加热等方式相比，该方法加热过程中干燥无水、可远程无接触操控、可达温度更高。

Description

一种磁控的热可塑形状记忆聚合物包裹式加热平台及方法
技术领域
本发明涉及一种磁控的热可塑形状记忆聚合物包裹式加热平台及方法。
背景技术
在很多加热场合下，人们追求均匀的、加热速度快的、能量利用率高的加热方式。水浴法能很好地完成加热均匀的任务，但速度慢、效率不高。封闭机器加热法的速度可以达到很快、效率也可以很高，但是其腔体形状固定，若被加热物体形状不均匀，则加热效果不均匀，另外设备的成本可能也比较高昂。
水浴法能很好地完成加热均匀的任务，但是由于水的比热容c＝4.2*10^3J/(kg℃)很大，导致加热速度慢、能耗高。虽然封闭仪器加热法也可以很好地完成加热均匀的任务，但是仪器的腔体的形状固定，若是被加热物体尺寸较小，则仪器需要首先加热大量空气，加热速度慢、效率不高，另外仪器成本一般比较高昂。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种磁控的热可塑形状记忆聚合物包裹式加热平台及方法，克服传统加热法中可能出现的加热速度过慢，加热效率不高，加热效果不均匀的技术问题。
技术方案：一种磁控的热可塑形状记忆聚合物包裹式加热平台，包括加热壳体、热源、电磁铁；所述加热壳体为磁控的热可塑形状记忆聚合物材料制备而成，初始形状时顶部为窄U形开口；所述加热壳体的外侧面涂有隔热涂层，所述加热壳体的内表面涂有导热涂层；所述热源设置在所述加热壳体的下方；所述电磁铁通过支架设置在所述加热壳体周侧，所述电磁铁相对所述加热壳体的位置通过所述支架进行调整，所述加热壳体的临时状态时用于从顶部放入待加热物体。
进一步的，所述磁控的热可塑形状记忆聚合物材料由响应磁场部分和热可塑形状记忆聚合物组成，所述响应磁场部分由粒径不同的磁性微粒和导热微粒混合组成。
进一步的，所述导热微粒为碳化硅或氮化硼，所述热可塑形状记忆聚合物为热塑性聚氨酯聚合物。
进一步的，所述加热壳体的制备方法包括如下步骤：
步骤1：室温下，用磁力搅拌器将磁性微粒和导热微粒混合制成响应磁场部分，再用磁力搅拌器将热塑性聚氨酯聚合物溶解于5ml四氢呋喃中，然后与响应磁场部分按比例混合，得到含有7wt％的复合样品；
步骤2：将混合物超声处理6小时，得到稳定、均匀的悬浮液；
步骤3：将悬浮液倒入制成的PTFE模具中，并放在150Oe的水平磁场中的电磁体的磁极之间超过5小时；
步骤4：浇铸后获得加热壳体。
一种磁控的热可塑形状记忆聚合物包裹式加热方法，采用所述加热平台，包括如下步骤：
步骤1：打开热源对所述加热壳体进行加热，加热温度80°-90°，加热时间为10-15s，使加热壳体变软；
步骤2：通过所述支架对电磁铁的位置进行调整，通过所述电磁铁引导加热壳体，电磁铁作用时间为10-15s，使得加热壳体的窄U形开口扩大变形为打开状，然后关闭热源和电磁铁，使加热壳体固定为临时形状；
步骤3：放入待加热物体；
步骤4：打开热源对所述加热壳体进行加热，触发加热壳体向所述初始形状恢复，由于待加热物体的存在阻碍了壳体的恢复，从而使加热壳体与待加热物体紧密地贴合，对待加热物体形成包裹；
步骤5：通过热源对所述加热壳体持续加热来达到对所述待加热物体进行加热的效果。
有益效果：本发明的加热平台，采用全新的全包裹式固体传热方式，选取磁控的热可塑形状记忆聚合物材料作为加热壳体的主材料，加热壳体在零磁场情况下的永久形状是，初始形状时顶部为窄U形开口，加热后磁控的热可塑形状记忆聚合物材料的形状在磁驱动的控制下改变，可形成一个打开式临时形状，方便放入待加热物体，撤掉磁场并再次加热后，由磁控的热可塑形状记忆聚合物材料性质决定，加热壳体能够向初始形状恢复，因此可以更好的贴合包裹待加热物体，实现均匀快速的包裹式加热。
进一步的，在加热壳体的形状记忆聚合物材料中加入导热填料提高材料导热系数，导热填料氮化硼的导热系数为30-80W/(m·K)，碳化硅的导热系数为83.6W/(m·K)，液态水的导热系数为0.59W/(m·K)，即本发明在全包裹式加热的前提下可以达到更高的加热效率。同时，一般有机物的比热容为2000-3000J/(kg·K)远低于常见的液体、固体材料的比热容，其中水的比热容为4184J/(kg·K)，即形状记忆聚合物的能量转化率更高。综上所述，本发明可以在提高加热效率的同时减小功耗，具有极大优势。
综上，本发明具有远超于传统水浴加热的加热效率，同时大大降低功耗的优点。同时可以达到加热过程中干燥无水、远程无接触操控、能量传递速度更快、加热更均匀更充分等指标。
附图说明
图1为本发明加热平台中加热壳体处于临时状态的示意图；
图2为待加热圆底烧瓶被加热壳体紧密地贴合的示意图；
图3为待加热锥形瓶被加热壳体紧密地贴合的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
一种磁控的热可塑形状记忆聚合物包裹式加热平台，包括加热壳体1、热源2、电磁铁3。加热壳体1为磁控的热可塑形状记忆聚合物材料制备而成，初始形状时顶部为窄U形开口。加热壳体1的外侧面涂有隔热涂层4，加热壳体1的内表面涂有导热涂层5。热源2设置在加热壳体1的下方。电磁铁3通过支架设置在加热壳体1周侧，电磁铁3相对加热壳体1的位置通过支架进行调整，加热壳体1的临时状态时用于从顶部放入待加热物体。
其中，磁控的热可塑形状记忆聚合物材料由响应磁场部分和热可塑形状记忆聚合物组成，响应磁场部分由粒径不同的磁性微粒和导热微粒混合组成。具体的，导热微粒为碳化硅或氮化硼，热可塑形状记忆聚合物为热塑性聚氨酯聚合物。
加热壳体1的制备方法包括如下步骤：
步骤1：室温下，用磁力搅拌器将磁性微粒和导热微粒混合制成响应磁场部分，再用磁力搅拌器将热塑性聚氨酯聚合物溶解于5ml四氢呋喃中，然后与响应磁场部分按比例混合，得到含有7wt％的复合样品；其中，热塑性聚氨酯聚合物的具体型号可以为德国亨斯迈IROGRAN TPU PS455-203 Huntsman或DiAPLEX SMP Technologies MM5520；
步骤2：将混合物超声处理6小时，得到稳定、均匀的悬浮液；
步骤3：将悬浮液倒入制成的PTFE模具中，并放在150Oe的水平磁场中的电磁体的磁极之间超过5小时；
步骤4：浇铸后获得加热壳体。
由磁控的热可塑形状记忆聚合物材料制备而成的加热壳体，首先制备成具有初始形状的本体，当材料被加热至其转变温度以上时，材料将由刚性转变为柔性，此时可在磁场作用下进行弯曲等形变，在变形状态下冷却，撤去磁场后，材料保持该临时形状；当该材料的温度升高并高于其转变温度，且没有外力影响时，该种材料变为柔性并可自行恢复到初始形状，温度再次降低并低于转变温度时，该材料恢复刚性并保持初始的形状。由于加热壳体的材料特性，其临时形状由电磁铁远程设置，操作不需接触加热壳体，与传统加热器相比，具有更多的应用方向与可能性。
利用上述加热平台的一种磁控的热可塑形状记忆聚合物包裹式加热方法，包括如下步骤：
步骤1：打开热源2对加热壳体1进行加热，加热温度80°-90°，加热时间为10-15s，使加热壳体1变软；其中，热源2可采用电加热、紫外光照驱动、交变磁场驱动或微波驱动等多种方式对加热壳体1进行加热；本实施例中，采用电加热的方式对加热壳体1进行加热；
步骤2：通过支架对电磁铁3的位置进行调整，通过电磁铁3引导加热壳体1，电磁铁3作用时间为10-15s，加热壳体1中的磁性微粒在电磁铁产生的磁场作用下被电磁铁向外侧吸引，使得加热壳体1的窄U形开口扩大变形为打开状，然后关闭热源2和电磁铁3，使加热壳体1固定为临时形状，如图1所示；
步骤3：放入待加热物体；
步骤4：打开热源2对加热壳体1进行加热，由磁控的热可塑形状记忆聚合物材料性质决定，触发加热壳体1向初始形状恢复，由于待加热物体的存在阻碍了壳体的恢复，从而使加热壳体1与待加热物体紧密地贴合，对待加热物体形成包裹；待加热物体可以为圆底烧瓶、锥形瓶等容器，加热壳体1均可达到紧密包裹的效果，如图2、图3所示；
步骤5：确定所需加热的功率和加热时间，通过热源2对加热壳体1持续加热来达到对待加热物体进行加热的效果；
步骤6：达到加热时间时，通过再次施加磁场，使得加热壳体1的窄U形开口再次打开后取出物体。
本磁控的热可塑形状记忆聚合物包裹式加热平台，热源2通过加热壳体1底部隔热涂层4未覆盖区域来对壳体进行加热，用途有三：一为对加热壳体1加热以设置其临时形状；二为对加热壳体1加热使其恢复初始形状，以包裹待加热物体；三为提供正式加热物体过程所需热量。加热壳体1外表面涂有隔热涂层4，该隔热涂层4可根据加热壳体1的形状变化进行拉伸形变，且具有隔热性良好的特征，防止加热时热量散失。加热壳体1内表面涂有导热涂层5，该导热涂层5可根据加热壳体1的形状变化进行拉伸形变，且具有导热性能良好的特征，将热量均匀快速的传递给加热壳体1内部需要加热的物体。其中，该隔热涂层4可采用玻璃纤维涂层，导热涂层5可采用碳化硅材料喷涂得到。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种磁控的热可塑形状记忆聚合物包裹式加热平台，其特征在于，包括加热壳体(1)、热源(2)、电磁铁(3)；所述加热壳体(1)为磁控的热可塑形状记忆聚合物材料制备而成，初始形状时顶部为窄U形开口；所述加热壳体(1)的外侧面涂有隔热涂层(4)，所述加热壳体(1)的内表面涂有导热涂层(5)；所述热源(2)设置在所述加热壳体(1)的下方；所述电磁铁(3)通过支架设置在所述加热壳体(1)周侧，所述电磁铁(3)相对所述加热壳体(1)的位置通过所述支架进行调整，所述加热壳体(1)的临时状态时用于从顶部放入待加热物体。
2.根据权利要求1所述的加热平台，其特征在于，所述磁控的热可塑形状记忆聚合物材料由响应磁场部分和热可塑形状记忆聚合物组成，所述响应磁场部分由粒径不同的磁性微粒和导热微粒混合组成。
3.根据权利要求2所述的加热平台，其特征在于，所述导热微粒为碳化硅或氮化硼，所述热可塑形状记忆聚合物为热塑性聚氨酯聚合物。
4.根据权利要求3所述的加热平台，其特征在于，所述加热壳体(1)的制备方法包括如下步骤：
步骤1：室温下，用磁力搅拌器将磁性微粒和导热微粒混合制成响应磁场部分，再用磁力搅拌器将热塑性聚氨酯聚合物溶解于5ml四氢呋喃中，然后与响应磁场部分按比例混合，得到含有响应磁场部分为7wt％的复合样品；
步骤2：将混合物超声处理6小时，得到稳定、均匀的悬浮液；
步骤3：将悬浮液倒入制成的PTFE模具中，并放在150奥斯特的水平磁场中的电磁体的磁极之间超过5小时；
步骤4：浇铸后获得加热壳体。
5.一种磁控的热可塑形状记忆聚合物包裹式加热方法，其特征在于，采用如权利要求1-4任一所述的加热平台，包括如下步骤：
步骤1：打开热源(2)对所述加热壳体(1)进行加热，加热温度80℃-90℃，加热时间为10-15s，使加热壳体(1)变软；
步骤2：通过所述支架对电磁铁(3)的位置进行调整，通过所述电磁铁(3)引导加热壳体(1)，电磁铁(3)作用时间为10-15s，使得加热壳体(1)的窄U形开口扩大变形为打开状，然后关闭热源(2)和电磁铁(3)，使加热壳体(1)固定为临时形状；
步骤3：放入待加热物体；
步骤4：打开热源(2)对所述加热壳体(1)进行加热，触发加热壳体(1)向所述初始形状恢复，由于待加热物体的存在阻碍了壳体的恢复，从而使加热壳体(1)与待加热物体紧密地贴合，对待加热物体形成包裹；
步骤5：通过热源(2)对所述加热壳体(1)持续加热来达到对所述待加热物体进行加热的效果。
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