CN1242421C - 导电材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电加热体，并且其目的是提供一种在加热体整体区域内显示出均匀加热效果的材料，热点和冷点极少，进一步的目的是保留了加热体的柔软性。借助一种包含均匀分散在弹性载体中的细碳粒的导电材料就能实现这些目的，相对于载体含量的碳粒含量为20～75wt.%。载体优选弹性聚合物。本发明另一方面是电加热体用混合物的制备方法，包含向含防吸附化合物的聚合物基体中搅拌添加细碳粒，相对于聚合物的含量使碳粒含量达到20wt.%～75wt.%干重，并在保持混合物比预置值低的同时，将混合物在预置的时间内高速搅拌，使碳粒研磨至预置的最后细度。

Description

导电材料

本发明涉及导电材料并且特别涉及可用于加热装置的导电材料。

很早就知道导电的材料能产生热量。这种现象已为数量众多的各种用途创造出数不胜数的加热手段。

虽然电加热体总体上来说是成功的，并且远能满足其目标用途，但是已发现很难在相对较宽的区域内达到均匀的加热效果而基本上不存在热和冷的点或区。

目前已尝试过制造片或网状的电加热体，以满足各种广泛的用途。但是，导电材料最有效的形式是混入载体或基体之内或涂布于其上的碳粒或炭黑。为了达到均匀的加热效果，采用的是密度或浓度较高的碳粒，但是它所带来的直接后果是材料的柔软性更差并且更脆，妨碍了材料在许多应用领域中的潜在用途。

本发明的第一个目的是提供一种能以各种不同的物理形式应用从而适合多种电加热体的起始原料或配料。

本发明的第二个和其它目的是将起始原料或配料转变成可用于多种不同用途的电加热体产品。

本发明的第一方面是，柔韧的半导电材料包含均匀分散于弹性聚合物中的细碳粒，相对于80％～25wt.％干重的弹性聚合物含量而言其碳粒含量为20％～75wt.％干重，该材料中还包括一种防吸附化合物。

可采用相对于80％～60wt.％干重的载体含量而言20％～40wt.％干重的碳粒含量。

按照本发明的另一个特点，半导体膜或涂层包含的是填载碳的弹性聚合物，优选相对于57％～27wt.％干重的聚合物含量而言其碳粒含量为43％～73wt.％干重，优选60wt.％～65wt.％干重。进一步优选碳粒含量为57wt.％干重。

弹性聚合物可以是溶液形式的脂肪族聚氨酯，并且在添加到聚氨酯溶液中之前碳粒最好是不经研磨就进行混合。防吸附化合物可以选自聚乙二醇和聚丙二醇。

如果特定用途中要求的话，可提供阻燃材料。

按照本发明的另一方面，柔韧性半导电加热体用混合物的制造方法包含向含有防吸附化合物的聚合物基体中搅入细碳粒，相对于80～25wt.％干重的聚合物使碳粒含量达到20wt.％～75wt.％干重，并在保持混合物比预置值低的同时，将混合物在预置的时间内高速搅拌，使碳粒研磨至预置的最终细度。该预置值不超过25℃。

相对于聚合物含量而言所需的碳粒含量可能是20％～40wt.％干重，但相对于聚合物则优选碳含量43％～73wt.％干重，并且尤其是57wt.％干重。

所得到的混合物显示触变型流变特性，而且如果需要的话，可通过添加适宜的溶剂如二甲基甲酰胺来降低混合物的粘度。

优选的炭黑粒子其粒径约为30En nm。适宜的防吸附剂可选自分子量达到要求的聚丙二醇和聚乙二醇。在该工艺结束之后，向主配料(master bach)中添加适当的聚合物溶液，比如脂肪族聚氨酯，从而聚合物与炭黑之比为1∶0.57，以干重量为计。接着在进行任何涂布工艺之前再次过滤该成品混合物。

炭黑缓慢搅拌添加的时间没有严格限制，但高速搅拌则希望限定在30min之内。

混合物制备后，取样并经200目过滤器过滤而检验之，优选辅以低压排代泵，并采用Heckman量仪检验之，以确保在混合过程中已不存在碳粒聚集的现象。如果检测到有任何的聚集现象，混合物应再次进行高速搅拌。

所制备的起始原料或配料优选处以一个最后的过滤步骤，即将混合物比如借助慢速低压正排代泵流过300目的滤布，此时滤布上不应有残留物剩余，否则就视为碳粒仍残存有一定程度的聚集现象。

在起始原料或配料以二甲基甲酰胺为溶剂而以聚乙二醇或丙二醇为聚合物基体的情况下，就组合出一种可用作涂层、基体或载体材料的理想材料。

按照本发明的另一方面，一种网或片的制造方法是，经由转移涂布法向脱膜纸上施用一定量的上述成品混合物，得到该混合物90～100g/m²干重的均匀涂层或膜，并且使网或片逐步从110℃升温至150℃，实现溶剂的可控释除并给出不含针孔的涂层或膜。

由于导电性，和因而所能达到的热效应是涂层或膜厚度的函数，重复上述工艺直至涂层或膜达到所需的厚度。

此时千万要注意避免产生成网现象，并且由于优选借助刮刀将成品混合物铺涂在脱膜纸上，同样要特别注意刮刀边缘上不要有灰尘或沙砾，从而避免划痕在涂层或膜上出现并延伸。

脱膜纸最好是无光级的并且是涂有有机硅的无纹纸。

按照本发明的再一方面，一种能用于电加热体的柔软织物的制造方法是，取一片涂有成品混合物的上述脱膜纸，在其上再铺涂一定量的所述混合物，脱膜纸放在柔软的织物载体片或网上，并使该复合体通过一个恒间隙辊而确保所述混合物受控渗透到织物片或网中，接着将片或网逐步从110℃升温至150℃，实现溶剂的可控化释除并给出不含针孔的涂层或膜。也可直接在织物载体上直接施用成品混合物的涂层。

片或网可以是任何所需的长度，以及恒间隙辊所许用的任何宽度。

借助涂层或膜的性质，填载的炭黑基本完全均匀地分布于聚合物材料中，而同时使织物和其膜或涂层完全保留柔软性，这比现今认为可行的都要优越得多。

织物可以是针织的棉料，但也可是其它任何适宜的形式，比如纬织的聚乙烯醇织物。

所述混合物的制备及其在载体上的施用方式要确保能得到一张目测光滑的涂层或膜。但涂层可保留其显示由裸露表面上碳粒形成的峰和谷的微观粗糙度的特性。接下来需要特别关心的是为涂层或膜提供一种导电接头。

按照本发明的再另一方面，一种接在含有碳粒的涂层或膜上的导电接头的制造方法，首先在涂层或膜的某一区域上喷涂一种镍化合物，并在喷涂过的区域处贴上一根涂有银填载的导电粘合剂的锡铜条。安设了导电接头之后，在基本保证导电接头处不会短路或放电，进而不会因为产生热点而造成破坏的前提下，将片或网连接在适当的电源上。

根据片或网用途的不同，通过将导电线柱固定在添载银的导电条上，导电接头可一直延伸到另一侧，从而有助于在宽范围内向涂层或膜均匀地输入能量。导电线柱最好覆以一层隔离化合物，优选比线柱宽。

本发明一个重要的方面是涂层或膜所提供的总体而言均匀的加热效果可在较低能量下实现，比如24V，并通过控制电极或线柱之间的宽度以及涂层或膜的厚度，就可实现温度恒定并维持在任何所需的数值之下，以满足特定用途的要求。

对于柔软的片或网而言，可在其表面上喷涂外绝缘层而制成防水/液型电绝缘体。适宜的材料可以是聚氨酯、有机硅或丙烯酸酯弹性体。本发明可涉及的用途很广。可封裹在需要保温的物品的外围，也可引入需要在极冷气候下穿着的衣物中，以保持穿着者的体温。

但是，该织物在医药行业中应用时则更具优势。可引入到垫子中或用作手术台或特护室病床的毯子，用以升高并维持术后患者的体温。

可在救援服务机构所用的睡袋或救护袋中使用该织物，为罹受体温过低的事故受害者提供现时的救助。

所有这些情况下只需低电压说明对使用者是完全安全的。电压以及涂层或膜的厚度决定了织物沿整个宽度和长度方向上温度的最高和恒定值。

具体的运作方式可能是，经由适当的开关步骤按需要切换电源到开和关，从而向电加热体中输送电力直至达到所需的温度并随后维持该温度。但优选以一系列时间预置的脉冲形式输送电力，在间隔期内将电源切断一段预置的时间，使温度感应器件开始动作。无论以什么形式输送电力，本发明使电能的高效利用成为可能。

除了通过控制电极间隙和涂层厚度来控制电压从而能控制最高温度以外，本发明的一个高度有利特征在于从启动电源开始在合适的时间内就能达到符合应用要求的预置最高温度，然后调节温度并维持在预置的值。这不仅在医疗行业，而且比如食品工业，尤其是所需温度要求必须尽快达到并保持的食品加工业中也是非常重要的。

除了与柔软织物配合使用以外，所述的混合物可按其它方式取得应用。比如可喷涂在制品上，从而在复合制品的整个表面上提供均匀的加热效果。所述的混合物可筛网印刷在载体表面上，或者直接涂布在制品表面上。也可由干混合物借助压延或热熔融涂布法而制得柔软的片，或者按粉末涂布法进行施用而制造出可加热型层压材料。

以下参照附图对本发明的一个实施方案进行说明，其中：

图1是含有本发明导电材料的垫子或毯子的部分截面示意图；

图2是图1垫子或毯子的平面示意图；

图3是连接在导电材料上的导电接头的上半部分及其视图；

图4是图3导电接头的局部分解视图；

图5是导电流程图，表示的是一个能在导电材料中产生加热效果并维持恒温作用的电路；而

图6和7是与图1相同的毯子的示意图，成型为制品构件或管线的外包物或封罩；

图1中，毯子或垫子1有一个由处于织物载体4上的导电材料3形成的内核2。导电材料是经由前述方法进行制造的，并施用在织物层上成为系列涂层，每个涂层在涂布下一层之前通过进出一个烘箱或多个烘箱而加热到110℃～150℃。对于医疗用途而言，涂层厚度为144μm。织物载体4上的导电材料3为电绝缘层5所覆盖，且二者都裹在耐火绝缘层6之中，该绝缘层的后侧或非工作侧7比前侧或工作侧8要厚。

整个复合体都封裹在聚氨酯质的外包层9中，且边缘完全被毯子或垫子的整个表面所密封，从而确保毯子或垫子完全能防水且可随意清洗和消毒。

导电线柱10处于导电材料3之上而电绝缘层5之下，如图2所示，在导电材料的两个边缘上沿长度方向延伸。就医药应用而言，线柱之间的间隙可以是460mm。

为导电线柱配以保险的导电接头是非常重要的，并且必须避免供电时的放电和短路现象。向毯子或垫子内的导电材料供电也是非常重要的，如图1、3和4所示，方法是在待贴附导电线柱10的导电材料的长方形区域内施涂一层镍涂层11，然后在上面粘上一条用来粘结线柱10的载银粘合带12。以隔离化合物13覆盖住线柱10，确保不会产生任何放电现象。穿过导电层中的配合孔，镍涂层和粘合带就变成延伸到焊接在导电材料3后表面上的双头螺栓座15的导电双头螺栓14，双头螺栓穿过背对顶盖16的织物，顶盖卷曲而连接在导电导线17上。图5是接头的局部分解视图。

如图2所示，符合毯子或垫子应用特定要求的热电偶或热敏电阻18(热敏电阻用于敏感的情况而热电偶则较为粗略一些)，战略性地固定在导电材料上，而导线则一直拉到接头19上。如图5所示，有一个控制单元20，它所伸出的导线21连接在导电双头螺栓14上，在连接到其中一个导电双头螺栓14的导线路径上还有一个单触发型或复位型保险丝22。

上述的毯子或垫子是医疗行业的理想之选，可用作手术室中手术台或特护室中护理床的垫子或铺布，或者是患者所躺的毯子。可采用灵敏度更高的热敏电阻来感应垫子、铺布或毯子的温度。如图5所示，将垫子、铺布或毯子连接在控制单元23上，接着连接到变压器单元24上，而后者本身就连接在电源上。这保证了输送到垫子、铺布或毯子中的是低压，优选24V。

图5以流程图的形式表示了从电源到毯子或垫子之间的电路。在变压器单元24中，有一个通往滤波器25和低压变压器26的电源输入端。这能确保向控制单元23有24V的输入。从入口端开始，电力输送到开关电路27中，然后是过温度隔离电路28，接着来到与上述垫子、铺布或毯子相连的能量输出端。同时，向带温度控制装置30以及多个连接光学报警器31、声学报警器32和开关电路27的输出端的控制模块29中输送能量。垫子、铺布或毯子上的温度感应热敏电阻(或热电偶)18连接在控制单元23上，向显示温度的温度隔离电路28发出信号。该单元上还有一个报警测试装置33，该报警测试装置连接在控制模块上，并且能模拟过温度的状况。

在手术即将开始之前，温度控制装置设置成毯子或垫子所需的温度，典型地是人的平均体温。将变压器单元、控制单元和垫子/毯子连接在电源上，并激活报警测试装置，从而确定所有的电路都处于正常状态。

开关电路的操控方式是，开始时，在预置的一段时间内，典型的是1min，向垫子或毯子输送电力，然后再关闭一段预置的时间，典型地是10s。在电源切断期间，热敏电阻18所感应的温度经由控制模块29发送到过温度隔离电路28中，并且如果所感应到的温度比预置温度低，重复开关电源并感应温度直至毯子或垫子的温度达到要求。在该状态下，切断电源直至感应到毯子或垫子的温度有所降低时为止。

当患者躺在垫子上或者裹在毯子中时，体温上的任何下降都会导致从垫子或毯子吸收热量，热敏电阻马上就能感应到，并向过温度控制电路和开关电路发送信号，于是脉冲供能重新开始直至毯子或垫子的温度恢复其预置值。

由于采用了特定的碳与聚合物含量之比的载碳材料制造方法本身，及其在载体织物上的施用形式，因此能够在整个毯子表面区域内产生了完全均匀的加热效果，从根本上完全消除了热点和冷点，从而为患者的体温提供遍及全身的呵护，确保对手术过程中和随后康复的患者而言关键的体温控制机能能得以维持。

如果在极其意外的情况下毯子或垫子产生了过热现象，那么就会激活光学和声学报警器，并且过温度隔离电路也会切换到停止向毯子或垫子进一步供电的状态。为了避免因电源暂时波动而致的过温度现象，忽略掉第一个10s断电期间所感应到的过温度现象，只有在两个连续的断电和温度感应周期之间感应到过温度现象，才激活报警器和温度隔离电路。

毯子或垫子的上述构造及其控制方式，虽然非常适用于医疗领域，但也可在不作太多改动的情况下而用于许多的其它工业用途。

如图6和7所示意，采用本质上与图1所示基本相同的近长方形结构34来封裹在待加热物品35的周围。

物品可以是家用的热水罐，如果能沿着其整个高度方向提供均匀的加热效果，那么因为其由冷致热的速度更快并且能更高效地维持罐中水的温度，所以节省了更多的能量。

物品比如可以是食品工业中的管线，其中本发明既可为液态的热食品经由其流动的管线提供一个外包绝缘层又能沿着整个管线的有效长度方向提供均匀的加热效果。这不仅在正常生产过程中意义重大，而且是因故停止生产所必需的，此时食品可能会凝固。就目前而言，油类产品在管线中凝固已成为一个大的问题。借助本发明，为外罩并进而为管线重新供热可以温和且快速地使食品再次受热，恢复其液体状态，此时又可以开始流动了。

物品也可以是极冷气候条件下的户外用品，比如阀门和泵，可用本发明的材料封裹之以保持其正常运转的温度，而无论外界温度怎么下降。

Claims (26)

1.一种用于加热装置目的的导电材料，其特征在于细碳粒均匀分散在弹性聚合物中，相对于80～25wt.％干重的弹性聚合物含量而言其碳粒含量为20wt.％～75wt.％干重，材料中还包括一种防吸附化合物。

2.权利要求1的导电材料，其特征在于采用了相对于80％～60％干重的弹性聚合物含量而言20～40wt.％干重的碳粒含量。

3.权利要求1的导电材料，其特征在于该材料是导电膜或涂层的形式并包含一种填载有碳的弹性聚合物，相对于57％～27wt.％干重的弹性聚合物含量而言其碳粒含量为43％～73wt.％干重。

4.权利要求1的导电材料，其特征在于相对于40％～35％干重的弹性聚合物含量其碳粒含量是60～65％干重。

5.权利要求1的导电材料，其特征在于碳粒含量相对于43wt.％干重的弹性聚合物含量为57％。

6.权利要求1的导电材料，其特征在于弹性聚合物是溶液形式的脂肪族聚氨酯。

7.权利要求1的导电材料，其中防吸附化合物选自聚乙二醇和聚丙二醇。

8.一种制备权利要求1中所述材料的方法，其特征在于向含防吸附化合物的弹性聚合物基体中搅拌添加细碳粒，相对于80～25wt.％干重的聚合物使碳粒含量达到20wt.％～75wt.％干重，并在保持混合物低于25℃的同时，将混合物高速搅拌，以研磨碳粒，成品材料在使用之前再过滤一次。

9.权利要求8的方法，其特征在于通过添加二甲基甲酰胺形式的溶剂来改变混合物的粘度。

10.权利要求8的方法，其特征在于碳粒的粒径为30nM。

11.权利要求8的方法，其特征在于防吸附化合物选自分子量符合要求的聚丙二醇、聚乙二醇。

12.权利要求8的方法，其特征在于脂肪族聚氨酯形式的聚合物溶液加入到材料中。

13.权利要求8的方法，其特征在于第一次向聚合物基体中搅拌细碳粒时要缓慢搅拌，并且高速搅拌的时间限定在不超过30min。

14.一种利用权利要求1的导电材料的电加热体，其特征在于经由转移涂布法向脱膜纸上施用一定量的所述材料，得到该材料90～100g/m²干重的均匀涂层或膜，将脱膜纸施用到一个网或片上并且使网或片逐步从110℃升温至150℃，实现溶剂的可控化释除并给出不含针孔的涂层或膜。

15.权利要求14的电加热体，其特征在于向脱膜纸上施用了多层涂层。

16.权利要求14的电加热体，其特征在于脱膜纸是无光级的并且是涂有有机硅的无纹纸。

17.一种利用权利要求1的导电材料的电加热体，其特征在于一片涂有所述材料的脱膜纸，在其上再铺涂一定量的所述材料，脱膜纸放在柔软的织物载体片或网上，并使脱模纸和载体片通过一个恒间隙辊而确保所述材料受控渗透到织物片或网中，接着将片或网逐步从110℃升温至150℃，实现溶剂的可控化释除并给出不含针孔的涂层或膜。

18.权利要求14或17的电加热体，其特征在于通过在涂层或膜的某一区域上喷涂一种镍化合物，并在喷涂过的区域处贴上一根涂有银填载的导电粘合剂的锡铜条，从而形成一个导电接头。

19.权利要求18的电加热体，其特征在于锡铜条覆盖一层隔离化合物。

20.权利要求19的电加热体，其特征在于覆盖上的隔离化合物比线柱宽。

21.权利要求14或17的加热体，其特征在于存在一个完全封裹住网或片的外绝缘和防水/液层。

22.权利要求21的电加热体，其特征在于防水/液绝缘层是聚氨酯、有机硅或丙烯酸酯弹性体。

23.一种可用作权利要求17所定义的电加热体的织物，其特征在于织物是针织的棉料。

24.一种可用作权利要求17所定义的电加热体的织物，其特征在于织物是纬织的聚乙烯醇织物。

25.由权利要求1的材料形成的电加热体的操作方法，其特征在于经由变压器和控制单元连接在电源上，以一系列持续时间预置的脉冲的形式提供电力，在间隔期内将电源切断一段预置的时间，在电源闭合的期间内，经由温度感应器感应加热器的温度，告之控制单元连续提供脉冲电力或者告之已达到预置温度并中断电源供应。

26.一种在制品或设备上加以电加热体的方法，其特征在于向制品或设备上喷涂、网板印刷或直接涂布权利要求1所定义的材料。

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