专利名称：碳晶电热材料及制备方法
技术领域：
本发明涉及一种电采暖用发热产品及其制备技术，本发明尤其涉及一种高耐候性、稳定性和工作寿命的民用电采暖用的碳晶电热材料及其制备方法。
背景技术：
碳纤维具有导电、导热、抗氧化(300℃下可长期使用)，质轻，直径细(＜7μm)，电阻温度系数小，电性能稳定，远红外辐射，屏蔽或阻尼电磁波干扰等特点。其短切导电碳纤维可均匀分散在各种基体纤维中，易于工业化规模生产，已在导电发热材料中得到广泛应用。以碳纤维材料生产的面状发热体，具有大面积均匀发热和散热、电热转换效率高、远红外辐射及显著节能等特点，在CN94247476和CN01211087中均提到碳纤维取暖器的技术。然而碳纤维材料虽在民用采暖领域的开发应用已有十余年，始终未能大面积推广，其根本原因就是碳纤维材料不能在盐雾或潮湿环境中工作，最直接的表现就是在埋入混凝土中后，碳纤维材料会产生大量的泄露电流，使用时会危及生命安全。这也导致了碳纤维平面发热材料在诞生10余年以来始终无法获得进入建筑隐蔽工程施工的许可，使其失去了最为主流的市场；同时，由于其对施工环境和条件的要求十分苛刻，也使安装时很难确保其施工质量；另外，碳纤维材料温度的不确定性使其在进入隐蔽工程后对使用带来很大的风险。因此基于碳纤维材料的优点，目前需要迫切解决的问题就是研制一种新型的碳纤维材料的换代产品，不仅继承碳纤维材料的所有优点，同时也能克服碳纤维材料的致命缺陷，能够与混凝土和谐相处。
发明内容
本发明的目的是提供一种既能继承碳纤维材料优点，又能克服其致命缺陷的新型换代产品。
本发明的另一目的在于提供由该产品制备电采暖发热产品的生产方法。
为了达到上述目的，本发明人对碳纤维或者碳素原料进行球磨加工改性后得到碳素微晶体电热材料，在本发明中称为碳晶，为碳纤维的下一代产品。
碳晶粉是由碳纤维为原料制得，本发明所选用的碳纤维原料的模量指标为丙烯氰基、电阻10K模、纤维长度3～5mm或4～6mm，不含胶、易溶水。
碳晶粉的制备依次包括如下步骤a)将碳纤维原料在配好的稀料中浸泡，稀料可选用重量杯分比为35％的二甲苯、55％的丙酮溶液和10％的二丙二醇二甲醚溶液的混合液混合，以驱除杂质；b)将上述原料放入洁净容器，在80℃下烘培确保稀料完全挥发；c)用大功率电子球磨机进行深度加工，反复多次，直至产生均匀的直径在1～2μ的大目数(约1500目)的粉末体，形成碳素晶体原料。
在用上述碳晶粉制备碳晶板材时，依次包括如下步骤a)原材料的准备①、将上述碳晶粉以重量百分比为3％～11％的比例掺入普通纸浆，加入粘性助剂，用高速均质机均质；②、在小型造纸设备上制出碳晶纸，作为制造碳晶板材的原料；③、用剪裁设备配合模量检测装置在大卷的碳晶纸中挑选碳晶含量符合产品要求的原纸，并按产品的制作要求裁减成所需的形状备用；④、将5mm×0.2mm铜皮作为导入电极与碳晶纸缝合；⑤、将铜粉和树脂按重量百分比为1∶1混合制成的SNR金属溶剂，该金属溶剂作为涂覆层使用，可大幅度增加产品的表面强度；⑥、将F-44芬醛环氧树脂与上述SNR金属溶剂混合，加入25％的丙酮溶液再混合，作为制版的原料备用；⑦、厚度为0.2mm中碱或无碱玻璃纤维织布，25×16以上经纬；⑧、厚度为0.1mm聚脂薄膜；⑨、一种充满均匀细孔的可在温度和压力下让胶质均匀透过的专用透胶图案饰纸。
b)将⑦成卷导入专用的挂浆流水线，表面自动涂覆配好⑥，并根据产品所需的尺寸自动裁剪成浸胶片待用；c)将③置放在b)中间，上下最少2层，最多可置8层；d)将b)的右端2cm处用刀具开缝，将④的两个端口平行穿出背面；e)在最上端放置⑧和⑨，并检查对齐和平整；f)喷洒消泡剂；g)在多层热压机上用自动或手工将码好的每一叠材料平行放置入热压机工作台面，并在每片中间放置2mm的均热钢板；
h)在每层的上下两端放置同样大小的粗糙的牛皮纸作为减压层；i)热压机的工作温度应达到80℃时开启热压开关，压紧每层的原料半成品，并提升温度和压力；j)在120℃状态下保持180吨压力45分钟；k)在160℃状态下保持300吨压力30分钟；l)减压并回到120℃150吨30分钟；m)降温冷却至80℃完成，单位生产周期(含装卸)为150分钟；n)在剪板机上按产品要求进行裁剪，同时进行外观检测，将不合格产品剔除；o)按10％的抽样率进行指标检测，共进行功率、电极击穿、绝缘电阻、盐水等指标检测，全部通过视为合格产品；p)将板材背面的双极用砂纸轻轻磨出，用工业点焊设备将2条1cm2/15cm长红黑线分别点焊在两极上，用热熔枪在30分钟内将焊头封死(避免氧化)。并将两根线用胶布固定在板材背面。
碳素在一定的条件下是一种优异的半导体材料，从理论上说无论其被切割成多小的颗粒，每一单体均应有正负电极，但实际上多数的碳素颗粒并不具备这些特点。当我们用上述特殊的工艺方法得到基本纯净的大目数碳素颗粒(碳晶)时，即可利用其分子团之间的摩擦发热达到高能效的电热转换的结果，利用纸浆的均质和添加粘性助剂，可以将碳晶颗粒均匀的分布在粗纤维纸张的表面，而热压时的巨大压力又可以将树脂均匀地透过纸张，防止分层。当纸张两面均有大量的树脂完全包覆并通过大压力高温压制后，碳晶颗粒的机械活性被彻底抑制，极性均匀分布但绝无规律，此时在平面的两端引入电压，碳晶颗粒即以分子团的形式进行布朗运动，并随着交变电流的频率改变震动的方向，形成高效能的热量散发。由于碳晶的半导体特性，在直流工作的状态下，由于随机路径导入的弱电电流补偿作用，使摩擦越剧烈的分子团其电阻越大，而摩擦较小的得到更大的电流补偿，因此大平面上的温度也可以非常均衡。
由于碳素作为基本化学元素具有极好的稳定性，而碳晶材料的目数也十分微小，所以无论布朗运动如何剧烈，碳晶本身在长时间的摩擦下只可能变成更加微小的晶体，理论上的极限就是还原成碳素分子团(这种可能性几乎不存在)，所以从理论上来说，只有碳晶板材的辅助材料，如树脂材料、铜箔等寿命决定了碳晶板本身的寿命，我们的实验表明，在1100℃以上时，碳晶材料的理化指标开始有较大的改变。所以，在电-热(包括远红外线)转换效率上和温度的持续稳定、以及产品的寿命上碳晶发热板确有其独到的优势，是一种适应面广泛、耐候性良好的多用途发热材料。
根据上述方法制备的碳晶板是一种电为能源的平面均匀发热体，其发热面积、温度、局部温度任意可调，电源电压自1.5V～380V无级可调，交直流可调，表面温度自5℃～280℃任意可调，加热时间自30～120秒，加热时的远红外线当量自30％～70％可设计，红外辐射距离自30cm～122cm可设计，使用寿命≥100,000小时。在强腐蚀强盐雾环境下有极好的耐候性，90％浓度盐雾环境中的表面泄露电流≤0.05mA(符合海军军用恶劣环境中的使用标准)，上述环境中的击穿电压≥3750V，70％潮湿环境中表面绝缘电阻≥50MΩ，表面耐磨指标3000转，材料刚性与柔韧性可通过配比任意调整，而且具有与大多数其他材料的可复合性便于开发衍生产品的特点。
图1为本发明的碳晶板上用于检测的测试点标示示意图。
具体实施例方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。
下面将描述关于本发明的碳晶粉和碳晶发热材料的几个实施例，但本发明的内容完全不局限于此。
碳晶粉的制备实施例1选用的碳纤维原料的模量指标为丙烯氰基、电阻10K模、纤维长度3～5mm，不含胶、易溶水。
碳晶粉的制备依次包括如下步骤a)将碳纤维原料在配好的稀料中浸泡，稀料可选用重量百分比为35％的二甲苯、55％的丙酮溶液和10％的二丙二醇二甲醚溶液混合，以驱除杂质；b)将上述原料放入洁净容器，在80℃下烘培确保稀料完全挥发；c)用30000高斯以上的强磁场进行电极极性的强化；d)用大功率电子球磨机进行深度加工，反复多次，直至产生均匀的直径在1～2μ的大目数(约1500目)的粉末体，形成碳素晶体原料。
碳晶粉的制备实施例2选用的碳纤维原料的模量指标为丙烯氰基、电阻10K模、纤维长度4～6mm，不含胶、易溶水。按照上述方法制备碳晶粉，形成碳素晶体原料。
碳晶板制备实施例1
a)原材料的准备①、将上述碳晶粉以重量百分比为3％的比例掺入普通纸浆，加入重量百分比为纸浆总量3％的粘性助剂环氧树脂，用高速均质机均质；②、在小型造纸设备上制出碳晶纸，作为制造碳晶板材的原料；③、用剪裁设备配合模量检测装置在大卷的碳晶纸中挑选碳晶含量符合产品要求的原纸，并按产品的制作要求裁减成所需的形状备用；④、将5mm×0.2mm铜皮作为导入电极与碳晶纸缝合；⑤、将铜粉和酚醛树脂2124按重量百分比为1∶1混合制成的SNR金属溶剂，该金属溶剂作为涂覆层使用，可大幅度增加产品的表面强度；⑥、将F-44芬醛环氧树脂与上述SNR金属溶剂按重量百分比为37∶1混合，加入25％的丙酮溶液再混合，作为制版的原料备用；⑦、厚度为0.2mm中碱或无碱玻璃纤维织布，25×16以上经纬；⑧、厚度为0.1mm聚脂薄膜；⑨、一种充满均匀细孔的可在温度和压力下让胶质均匀透过的专用透胶图案饰纸。
b)将⑦成卷导入专用的挂浆流水线，表面自动涂覆配好⑥，并根据产品所需的尺寸自动裁剪成浸胶片待用；c)将③置放在b)中间，上下最少2层，最多可置8层；d)将b)的右端2cm处用刀具开缝，将④的两个端口平行穿出背面；e)在最上端放置⑧和⑨，并检查对齐和平整；f)喷洒消泡剂；g)在多层热压机上用自动或手工将码好的每一叠材料平行放置入热压机工作台面，并在每片中间放置2mm的均热钢板；h)在每层的上下两端放置同样大小的粗糙的牛皮纸作为减压层；i)热压机的工作温度应达到80℃时开启热压开关，压紧每层的原料半成品，并提升温度和压力；j)在120℃状态下保持180吨压力45分钟；k)在160℃状态下保持300吨压力30分钟；l)减压并回到120℃150吨30分钟；m)降温冷却至80℃完成，单位生产周期(含装卸)为150分钟；n)在剪板机上按产品要求进行裁剪，同时进行外观检测，将不合格产品剔除；
o)按10％的抽样率进行指标检测，共进行功率、电极击穿、绝缘电阻、盐水等指标检测，全部通过视为合格产品；p)将板材背面的双极用砂纸轻轻磨出，用工业点焊设备将2条1cm2/15cm长红黑线分别点焊在两极上，用热熔枪在30分钟内将焊头封死(避免氧化)。并将两根线用胶布固定在板材背面。
碳晶板制备实施例2将上述碳晶粉以重量百分比为7％的比例掺入普通纸浆，加入重量百分比为纸浆总量3％的粘性助剂环氧树脂，用高速均质机均质，然后按照碳晶板实施例1中的步骤制备碳晶板。
碳晶板制备实施例3将上述碳晶粉以重量百分比为11％的比例掺入普通纸浆，加入重量百分比为纸浆总量3％的粘性助剂环氧树脂，用高速均质机均质，然后按照碳晶板实施例1中的步骤制备碳晶板。
对通过上述方法制得的碳晶板，分别进行升温时间测试，表面温度均匀性测试和表面绝缘测试，所得结果如下测试例1碳晶板升温时间测试检测条件室温5℃，空气无对流，被测材料水平放置，材料下垫聚苯乙烯泡沫挤塑板(xps板)检测器材计时器 干球温度计 接触式温度计 红外线测温仪 交流稳压器检测要求检测三片样品的同一性质，达到对产品升温特性的分析被测产品由上述实施例制备的长900mm，宽600mm，厚0.8mm，额定功率为100w的碳晶板测试记录见附图1测试结果(表中数据的单位均为℃)A样品
B样品
C样品
测试结论碳晶板的升温在90秒左右即达到饱和，同一碳晶板板面温度均为均匀。
测试例2碳晶板表面温度均匀性测试检测条件室温7℃，空气无对流，被测材料水平放置，材料下垫聚苯乙烯泡沫挤塑板(xps板)检测器材计时器 干球温度计 接触式温度计 红外线测温仪 交流稳压器检测要求检测三片样品的同一性质，达到对产品升温特性的分析被测产品由上述实施例制备的长900mm，宽600mm，厚0.8mm，额定功率为100w的碳晶板测试记录见附图1测试结果(表中数据的单位均为℃)A样品
B样品
C样品
测试结论通电实验表明在温度达到饱和以后，其变化幅度不随时间增长而变化，达到设计自限温要求。
测试例3碳晶板表面绝缘测试检测器材兆欧表 电子绝缘测试仪检测要求要求测试产品在干态、湿态和盐水浸润三种情况下绝缘电阻被测产品由上述实施例制备的长900mm，宽600mm，厚0.8mm，额定功率为100w的碳晶板测试方法1)测量前必须将被测设备电源切断，并对地短路放电，绝不允许设备带电进行测量，以保证人身和设备的安全；2)对可能感应出高压电的设备，必须消除这种可能性后，才能进行测量；3)被测物表面要清洁，减少接触电阻，确保测量结果的正确性；4)测量前要检查兆欧表是否处于正常工作状态，主要检查其“0”和“∞”两点，即摇动手柄，使电机达到额定转速，兆欧表在短路时应指在“0”位置，开路时应指在“∞”位置；5)兆欧表使用时应放在平稳、牢固的地方，且远离大的外电流导体和外磁场；6)用兆欧表摇测碳晶板的绝缘电阻时，将“L”线端钮接被测碳晶板电极，“E”线端钮接地。“G”屏蔽端接碳晶板的绝缘部分。
测试数据(表中数据单位MΩ)
测试结论碳晶板在干态、湿态和15％盐水浸润的状态下均有良好的电气绝缘特性。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
权利要求
1.一种碳晶材料，其特征在于，该材料是由碳纤维为原料进行球磨加工改性后制得，其制备包括如下步骤a)将碳纤维原料在配好的稀料中浸泡；b)将上述原料放入洁净容器，在80℃下烘培确保稀料完全挥发；c)用大功率电子球磨机进行深度加工，反复多次，直至产生均匀的直径在1～2μ的碳晶粉。
2.根据权利要求1所述的碳晶材料，其特征在于，所选择的原料碳纤维的模量指标为丙烯氰基、电阻10K模、纤维长度3～5mm，不含胶、易溶水。
3.根据权利要求1所述的碳晶材料，其特征在于，所选择的原料碳纤维的模量指标为丙烯氰基、电阻10K模、纤维长度4～6mm，不含胶、易溶水。
4.根据权利要求1所述的碳晶材料，其特征在于，所述的稀料为重量百分比为35％的二甲苯、55％的丙酮溶液和10％的二丙二醇二甲醚溶液的混合液。
5.一种由碳晶材料制备碳晶板材的方法，其制备包括如下步骤a)原材料的准备①将上述碳晶粉以重量百分比为3％～11％的比例掺入普通纸浆，加入粘性助剂，用高速均质机均质；②在小型造纸设备上制出碳晶纸，作为制造碳晶板材的原料；③用剪裁设备配合模量检测装置在大卷的碳晶纸中挑选碳晶含量符合产品要求的原纸，并按产品的制作要求裁减成所需的形状备用；④将5mm×0.2mm铜皮作为导入电极与碳晶纸缝合；⑤将铜粉和树脂按重量百分比为1∶1混合制成的SNR金属溶剂；⑥将F-44芬醛环氧树脂与上述SNR金属溶剂混合，加入25％的丙酮溶液再混合，作为制版的原料备用；⑦厚度为0.2mm中碱或无碱玻璃纤维织布，25×16以上经纬；⑧厚度为0.1mm聚脂薄膜；⑨一种充满均匀细孔的可在温度和压力下让胶质均匀透过的专用透胶图案饰纸；b)将⑦成卷导入专用的挂浆流水线，表面自动涂覆配好⑥，并根据产品所需的尺寸自动裁剪成浸胶片待用；c)将③置放在b)中间，上下最少2层，最多可置8层；d)将b)的右端2cm处用刀具开缝，将④的两个端口平行穿出背面；e)在最上端放置⑧和⑨，并检查对齐和平整；f)喷洒消泡剂；g)在多层热压机上用自动或手工将码好的每一叠材料平行放置入热压机工作台面，并在每片中间放置2mm的均热钢板；h)在每层的上下两端放置同样大小的粗糙的牛皮纸作为减压层；i)热压机的工作温度应达到80℃时开启热压开关，压紧每层的原料半成品，并提升温度和压力；j)在120℃状态下保持180吨压力45分钟；k)在160℃状态下保持300吨压力30分钟；l)减压并回到120℃150吨30分钟；m)降温冷却至80℃完成，含装卸的单位生产周期为150分钟；n)在剪板机上按产品要求进行裁剪，同时进行外观检测，将不合格产品剔除；o)按10％的抽样率进行指标检测，共进行功率、电极击穿、绝缘电阻、盐水等指标检测，全部通过视为合格产品；p)将板材背面的双极用砂纸轻轻磨出，用工业点焊设备将2条1cm2/15cm长红黑线分别点焊在两极上，用热熔枪在30分钟内将焊头封死，并将两根线用胶布固定在板材背面。
6.根据权利要求5所述的由碳晶材料制备碳晶板材的方法，其特征在于，所述碳晶粉与纸浆混合时，碳晶粉所占的重量百分比为7％。
7.根据权利要求5所述的由碳晶材料制备碳晶板材的方法，其特征在于，所述碳晶粉与纸浆混合时，碳晶粉所占的重量百分比为11％。
8.根据权利要求5所述的由碳晶材料制备碳晶板材的方法，其特征在于，所述碳晶粉与纸浆混合后，加入的粘性助剂为环氧树脂，其用量为纸浆总量的3％。
9.根据权利要求5所述的由碳晶材料制备碳晶板材的方法，其特征在于，所述将铜粉和树脂混合制成SNR金属溶剂中，所用树脂为酚醛树脂2124。
10.根据权利要求5所述的由碳晶材料制备碳晶板材的方法，其特征在于，所述将F-44芬醛环氧树脂与上述SNR金属溶剂混合，其混合比例为重量百分比37∶1。
全文摘要
本发明公开了一种碳晶材料以及由该碳晶材料制备碳晶板材的方法。其中碳晶材料是由碳纤维为原料进行球磨加工改性后制得，碳晶板材则是由碳晶材料与纸浆混合后并添加粘性助剂等在加热加压条件下制备得到的面状发热体，该碳晶板材能够与混凝土和谐相处，可作为建筑用采暖发热产品，具有适应面广泛、耐候性良好、使用寿命长等优点。
文档编号D21H17/00GK1936434SQ20061002
公开日2007年3月28日 申请日期2006年5月12日 优先权日2006年5月12日
发明者陆上驰, 赖贤修, 朱元杰 申请人:陆上驰, 赖贤修, 朱元杰