一种碳纤维柔性电热体及其制备方法与流程

1.本发明涉及碳纤维电热体的制备技术领域，特别是涉及一种碳纤维柔性电热体及其制备方法。


背景技术：

2.目前市场上的发热体分为金属和非金属两大类，前者的主要材料有紫铜、不锈钢等，后者材料有石英、玻璃、陶瓷等。紫铜具有优良的延展性，导热性能好，制成的无缝铜管能有效防止漏水，但紫铜价格高，紫铜电热体成本高。不锈钢发热体则成本低廉，可实现快速制热，但极易附结水垢。市场上的非金属发热体通常在外壁附着一层发热材料，存在导热性能差、热效率低等缺点。管体硬度大，但韧性小，承压能力有限，采用外壁加热时，内外温度差过大，产生较大扭曲应力，容易导致管体炸裂，缩短使用寿命。碳纤维发热材料是本世纪最具有竞争力的高科技材料，许多经济发达国家纷纷研制生产和使用碳纤维发热材料，以取代传统的金属、ptc等发热材料。
3.碳纤维及其复合材料具有优异的热辐射性能，并且有强度大、耐高温、耐腐蚀、抗摩擦、化学稳定性好、导电性能优异等优点，是理想的发热材料，以其作为辐射源的碳纤维电热元件波长匹配性良好，电热转换率达95％以上，属于节能材料。碳纤维发热体是以碳纤维为基本发热材料制得的管状发热体，利用反射面散热，发热产生765.9w/m的远红外线辐射，可被人体、衣物等直接吸收，在热传递过程中损失热量少。碳纤维发热体的主要原理是利用碳纤维自身半导体的特性和通电远红外发射率较高的特性，可以在短时间内迅速加热，5s钟表面温度可达200-500℃，具有迅速升温的功效，被广泛用于加热系统，并且其具有低辐射、使用寿命长、耐冷热骤变性强、耐酸、耐腐蚀性强等优点，因此具有广阔的市场前景。
4.但现有技术中的碳纤维电热体仍然存在缺陷，碳纤维发热体以红外线的方式向四周辐射能量，这种散热方式电热转化率不高，耐高温效果差，而且防水效果也不好，表面的水渍渗入电热体内部后会形成短路，从而产生漏电现象，容易引发危险，增加了安全隐患。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提出一种耐高温、防水、抗冲击的碳纤维柔性电热体及其制备方法，可应用于工业加热领域。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.技术方案之一：一种碳纤维柔性电热体，由内到外依次为：碳纤维发热体、特氟龙耐热层(硅胶层)、交联聚乙烯绝缘层、聚氯乙烯(pvc)防水抗冲击层、钢丝铠装编织层，通过以上四层对碳纤维发热体的环形包裹，有效提高了碳纤维柔性电热体的耐高温性能及防水性能；
8.所述特氟龙耐热层环型包裹所述碳纤维发热体，所述特氟龙耐热层包括特氟龙套管、偶联剂层和硅胶层，所述特氟龙套管的外侧壁上涂覆有偶联剂层，所述偶联剂层的外侧
壁上固定有硅胶层；偶联剂可选用硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、双金属偶联剂、磷酸酯偶联剂或硼酸酯偶联剂中的任意一种，且不局限于以上几种；
9.所述交联聚乙烯绝缘层环型包裹所述特氟龙耐热层，本发明的交联聚乙烯绝缘层可采用辐射交联聚乙烯层，辐射交联聚乙烯是聚乙烯在高能射线：如γ射线、α射线、电子射线等作用下，使其大分子之间生成交联，硅烷交联聚乙烯以聚乙烯为基础树脂，由硅烷为桥键材料，在聚合物大分子链间形成化学共价键以取代原先的范德华力，使分子构成三维立体网络，过氧化物交联为高密度聚乙烯与过氧化物交联剂在一定条件下混合熔融后，过氧化物分解产生自由基，高密度聚乙烯分子通过自由基形成大量的碳碳键，形成三维网状结构；
10.所述聚氯乙烯防水抗冲击层环形包裹所述聚乙烯绝缘层；
11.所述钢丝铠装编织层环形包裹所述聚氯乙烯防水抗冲击层。
12.进一步地，所述碳纤维发热体为编织处理后的纤维长丝制备而成。首先根据加热功率计算碳纤维长丝用量，碳纤维选用t300、t700、t800中的任意一种。碳纤维丝长度(单位：cm)＝额定电压(单位：v)
×
额定电压(单位：v)/额定功率(单位：w)/碳纤维单位长度电阻(单位：ω/cm)。
13.进一步地，所述特氟龙耐热层厚度为0.2-0.5mm，所述交联聚乙烯绝缘层的厚度为0.1-0.3mm，所述聚氯乙烯防水抗冲击层的厚度为0.2-0.4mm，所述钢丝铠装编织层厚度为0.8-3mm。
14.进一步地，所述钢丝铠装编织层材料为镀锌钢丝或不锈钢中的一种，铠装形式为圆金属丝或扁金属丝，编织形式采用由多根钢丝螺旋缠绕而成网套网格型的编织结构。
15.进一步地，所述钢丝直径选用0.8-2.5mm中的任意一种，优选0.8mm、1.25mm、1.6mm、2.0mm、2.5mm中的任意一种。
16.技术方案之二：一种所述碳纤维柔性电热体的制备方法，包括如下步骤：
17.(1)制备碳纤维发热体：对纤维长丝进行编织处理，编织为绳状或带状编织，除去编织纤维表面上浆剂，涂覆定型胶，进行烘干处理，进行炭晶化处理；
18.(2)将所述特氟龙耐热层环形包裹所述碳纤维发热体；
19.(3)将所述交联聚乙烯绝缘层环形包裹所述特氟龙耐热层；
20.(4)将所述聚氯乙烯防水抗冲击层环形包裹所述聚乙烯绝缘层；
21.(5)将所述钢丝铠装编织层环形包裹所述聚氯乙烯防水抗冲击层。
22.进一步地，所述步骤(1)中绳状编织时对碳纤维长丝进行加捻处理，加捻后的碳纤维长丝进行合股处理；
23.采用可控硅调压器瞬时通电方式除去编织纤维表面上浆剂，具体电压值根据发热体的电阻值灵活调节，通电时间1-5s；
24.所述定型胶以热固性树脂为基材，配入纳米级碳化硅高辐射填料；
25.所述纳米级碳化硅高辐射填料粒径为10-50nm，加入的重量比例为10-50％，涂覆定型胶后编织状碳纤维长丝的含胶量的重量比为10-40％。
26.进一步地，所述热固性树脂包括环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、热固性聚氨酯中的任意一种或多种，且不限于以上几种。
27.进一步地，所述烘干温度为50-70℃，烘干时间为5-10min；采用真空高温石墨炉进
行炭晶化处理，所述炭晶化处理温度为1300-2350℃，处理时间为5-30min。
28.进一步地，所述步骤(5)钢丝铠装由钢丝单层左向或双层钢丝内层右向、外层左向绕包在聚氯乙烯防水抗冲击层上，并且钢丝之间间隙的总和应不超过一根钢丝的直径。
29.进一步地，钢丝缠绕角度在20
°‑
40
°
之间，提供轴向拉力的同时保证管道柔顺性。
30.本发明公开了以下技术效果：
31.(1)采用多层结构设计组合，有效提高碳纤维电热体绝缘性、耐热性、抗腐蚀性、防水性及抗冲击性等；
32.(2)pvc防水抗冲击层，具有阻燃、防水、耐候性、抗酸性、抗变形、拉伸强度高和延伸率大的性能，钢丝铠装编织层主要承受外压荷载，提供轴向拉力的同时保证电热体柔顺性；
33.(3)采用交联聚乙烯绝缘层，使得电热体绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好和机械强度高；
34.(4)本发明碳纤维发热体为编织处理后的纤维长丝制备而成，具有升温迅速、电热转换效率高、抗拉强度高、化学性能稳定等优点。特氟龙耐热层中特氟龙是一种氟取代聚乙烯中所有氢原子的人工合成高分子材料，具有耐高温的特点。本发明各层直接接触包裹，保持碳纤维柔性电热体的柔软特性。交联聚乙烯通过交联改性耐热性、力学性能、耐化学药品腐蚀性能、抗蠕变性等都得到大幅提高，电热体长期工作温度可达到90℃，能承受的瞬时温度可达到170-250℃。
附图说明
35.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
36.图1为本发明碳纤维柔性电热体的碳纤维长丝绳状编织结构示意图；
37.图2为本发明碳纤维柔性电热体的碳纤维长丝带状编织结构示意图；
38.图3为本发明碳纤维柔性电热体的整体结构示意图；
39.图4为本发明碳纤维柔性电热体的剖切面结构示意图；
40.图3和图4中，碳纤维发热体-1、特氟龙耐热层2、交联聚乙烯绝缘层-3、聚氯乙烯防水抗冲击层-4、钢丝铠装编织层-5。
具体实施方式
41.现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
42.应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
43.除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
44.在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
45.关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
46.本发明交联聚乙烯绝缘层购自深圳通睿电子有限公司，特氟龙耐热层购自北京特昊新材料科技有限公司，pvc防水抗冲击层购自山东盛世鹏凯防水材料有限公司。
47.本发明的碳纤维柔性电热体，由内到外依次由碳纤维发热体1、特氟龙耐热层2(硅胶层)、交联聚乙烯绝缘层3、聚氯乙烯防水抗冲击层4、钢丝铠装编织层5五部分呈圆环形包裹组成。
48.本发明碳纤维柔性电热体的碳纤维长丝绳状编织结构示意图见图1；本发明碳纤维柔性电热体的碳纤维长丝带状编织结构示意图见图2；本发明碳纤维柔性电热体的整体结构示意图见图3；本发明碳纤维柔性电热体的剖切面结构示意图见图4，图3和图4中，碳纤维发热体-1、特氟龙耐热层2(硅胶层)、交联聚乙烯绝缘层-3、聚氯乙烯防水抗冲击层-4、钢丝铠装编织层-5。
49.实施例1
50.根据加热体电阻要求，采用3k碳纤维t700长丝进行绳状编织处理，捻度为4捻/cm，合股数为6股，电热体所用碳纤维长度根据如下公式计算：碳纤维丝长度(单位：cm)＝额定电压(单位：v)
×
额定电压(单位：v)/额定功率(单位：w)/碳纤维单位长度电阻(单位：ω/cm)，本实施例计算出碳纤维的长度为：220
×
220/1000/1.7＝28.47cm。将制成的绳状碳纤维进行表面瞬时通电除胶处理，电压为85v，通电时间为2s。除胶后的碳纤维绳进行表面辐射定型胶的涂覆，含胶量为25wt％，其中定型胶选用酚醛树脂为基材，填料选用纳米级碳化硅高辐射填料，填料粒径为20nm，填料占定型胶比例为35wt％，涂覆后的碳纤维绳进行50℃烘干处理，处理时间为7min。最后将烘干后的浸胶碳纤维绳在1500℃进行15min的炭晶化处理。特氟龙套管外侧涂覆硅烷偶联剂，硅烷偶联剂外侧壁固定硅胶层，特氟龙耐热层厚度为0.5mm。交联聚乙烯绝缘层的厚度为0.2mm。pvc防水抗冲击层厚度为0.4mm。钢丝铠装材料选用扁镀锌钢丝，钢丝直径选用0.8mm，钢丝缠绕角度为24
°
单层左向缠绕在pvc层外侧，厚度为0.8mm，制备成碳纤维柔性电热体，依据qb/t 2163-2012标准检测，电热体长期工作温度为90℃，能承受的瞬时温度为250℃。
51.实施例2
52.根据加热体电阻要求，采用3k碳纤维t800长丝进行绳状编织处理，捻度为3捻/cm，合股数为4股，电热体所用碳纤维长度根据如下公式计算：碳纤维丝长度(单位：cm)＝额定电压(单位：v)
×
额定电压(单位：v)/额定功率(单位：w)/碳纤维单位长度电阻(单位：ω/cm)，本实施例计算出碳纤维的长度为：220
×
220/1500/1.7＝18.98cm将制成的绳状碳纤维
进行表面瞬时通电除胶处理，电压为80v，通电时间为2s。除胶后的碳纤维绳进行表面辐射定型胶的涂覆，含胶量为20wt％，其中定型胶选用不饱和聚酯树脂为基材，填料选用纳米级碳化硅高辐射填料，粉体粒径为25nm，填料占定型胶比例为30wt％，涂覆后的碳纤维绳进行50℃烘干处理，处理时间为7min。最后将烘干后的浸胶碳纤维绳在1500℃进行15min的炭晶化处理。特氟龙套管外侧涂覆钛酸偶联剂，钛酸酯偶联剂外侧壁固定硅胶层，特氟龙耐热层厚度为0.4mm。交联聚乙烯绝缘层的厚度为0.3mm。pvc防水抗冲击层厚度为0.4mm。钢丝铠装材料选用扁镀锌钢丝，钢丝直径选用1.25mm，钢丝缠绕角度为30
°
单层左向缠绕在pvc层外侧，厚度为1.25mm，制备成碳纤维柔性电热体，依据qb/t 2163-2012标准检测，电热体长期工作温度为88℃，能承受的瞬时温度为190℃。
53.实施例3
54.根据加热体电阻要求，采用3k碳纤维t300长丝进行带状编织处理，编织带单束纤维总数为12股，电热体所用碳纤维长度根据如下公式计算：碳纤维丝长度(单位：cm)＝额定电压(单位：v)
×
额定电压(单位：v)/额定功率(单位：w)/碳纤维单位长度电阻(单位：ω/cm)，本实施例计算出碳纤维的长度为：220
×
220/1200/1.7＝23.73cm。制成的带状碳纤维进行表面瞬时通电除胶处理，电压为80v，通电时间为2s。除胶后的碳纤维绳进行表面辐射定型胶的涂覆，含胶量为30wt％，其中定型胶选用热固性聚氨酯为基材，填料选用纳米级碳化硅高辐射填料，粉体粒径为20nm，填料占定型胶比例为30wt％，涂覆后的碳纤维绳进行50℃烘干处理，处理时间为7min。最后将烘干后的浸胶碳纤维绳在2000℃进行10min的炭晶化处理。特氟龙套管外侧涂覆钛酸酯偶联剂，钛酸酯偶联剂外侧壁固定硅胶层，特氟龙耐热层厚度为0.2mm。交联聚乙烯绝缘层的厚度为0.2mm。pvc防水抗冲击层厚度为0.4mm。钢丝铠装材料选用圆镀锌钢丝，钢丝直径选用1.6mm，钢丝缠绕角度为30
°
单层左向缠绕在pvc层外侧，厚度为1.6mm，制备成碳纤维柔性电热体，依据qb/t 2163-2012标准检测，电热体长期工作温度为90℃，能承受的瞬时温度为210℃。
55.实施例4
56.根据加热体电阻要求，采用3k碳纤维t700长丝进行带状编织处理，编织带单束纤维总数为20股，电热体所用碳纤维长度根据如下公式计算：碳纤维丝长度(单位：cm)＝额定电压(单位：v)
×
额定电压(单位：v)/额定功率(单位：w)/碳纤维单位长度电阻(单位：ω/cm)，本实施例计算出碳纤维的长度为：220
×
220/1100/1.7＝25.88cm。制成的带状碳纤维进行表面瞬时通电除胶处理，电压为90v，通电时间为2s。除胶后的碳纤维绳进行表面辐射定型胶的涂覆，含胶量为25wt％，其中定型胶选用环氧树脂为基材，填料选用纳米级碳化硅高辐射填料，粉体粒径为20nm，填料占定型胶比例为23wt％，涂覆后的碳纤维绳进行65℃烘干处理，处理时间为4min。最后将烘干后的浸胶碳纤维绳在2200℃进行8min的炭晶化处理。特氟龙套管外侧涂覆偶联剂，钛酸酯偶联剂外侧壁固定硅胶层，特氟龙耐热层厚度为0.5mm。交联聚乙烯绝缘层的厚度为0.3mm。pvc防水抗冲击层厚度为0.4mm。钢丝铠装材料选用圆镀锌钢丝，钢丝直径选用1.6mm，钢丝缠绕角度为30
°
单层左向缠绕在pvc层外侧，厚度为1.6mm，制备成碳纤维柔性电热体，依据qb/t 2163-2012标准检测，电热体长期工作温度为85℃，能承受的瞬时温度为230℃。
57.实施例5
58.根据加热体电阻要求，采用3k碳纤维t700长丝进行带状编织处理，编织带单束纤
维总数为20股，电热体所用碳纤维长度根据如下公式计算：碳纤维丝长度(单位：cm)＝额定电压(单位：v)
×
额定电压(单位：v)/额定功率(单位：w)/碳纤维单位长度电阻(单位：ω/cm)，本实施例计算出碳纤维的长度为：220
×
220/2000/1.7＝14.24cm。制成的带状碳纤维进行表面瞬时通电除胶处理，电压为90v，通电时间为5s。除胶后的碳纤维绳进行表面辐射定型胶的涂覆，含胶量为10wt％，其中定型胶选用环氧树脂为基材，填料选用纳米级碳化硅高辐射填料，填料粉体粒径为50nm，填料占定型胶比例为10wt％，涂覆后的碳纤维绳进行70℃烘干处理，处理时间为4min。最后将烘干后的浸胶碳纤维绳在2200℃进行8min的炭晶化处理。特氟龙套管外侧涂覆偶联剂，磷酸酯偶联剂外侧壁固定硅胶层，特氟龙耐热层厚度为0.5mm。交联聚乙烯绝缘层的厚度为0.3mm。pvc防水抗冲击层厚度为0.4mm。钢丝铠装材料选用圆镀锌钢丝，钢丝直径选用1.6mm，钢丝缠绕角度为20
°
单层左向缠绕在pvc层外侧，厚度为1.6mm，制备成碳纤维柔性电热体，依据qb/t 2163-2012标准检测，电热体长期工作温度为87℃，能承受的瞬时温度为220℃。
59.实施例6
60.根据加热体电阻要求，采用3k碳纤维t700长丝进行带状编织处理，编织带单束纤维总数为20股，电热体所用碳纤维长度根据如下公式计算：碳纤维丝长度(单位：cm)＝额定电压(单位：v)
×
额定电压(单位：v)/额定功率(单位：w)/碳纤维单位长度电阻(单位：ω/cm)，本实施例计算出碳纤维的长度为：220
×
220/1600/1.7＝17.79cm制成的带状碳纤维进行表面瞬时通电除胶处理，电压为90v，通电时间为2s。除胶后的碳纤维绳进行表面辐射定型胶的涂覆，含胶量为25wt％，其中定型胶选用环氧树脂为基材，填料选用纳米级碳化硅高辐射填料，粉体粒径为20nm，填料占定型胶比例为23wt％，涂覆后的碳纤维绳进行65℃烘干处理，处理时间为4min。最后将烘干后的浸胶碳纤维绳在2200℃进行8min的炭晶化处理。特氟龙套管外侧涂覆偶联剂，铝酸酯偶联剂外侧壁固定硅胶层，特氟龙耐热层厚度为0.5mm。交联聚乙烯绝缘层的厚度为0.1mm。pvc防水抗冲击层厚度为0.2mm。钢丝铠装材料选用圆镀锌钢丝，钢丝直径选用2.5mm，钢丝缠绕角度为40
°
单层左向缠绕在pvc层外侧，厚度为0.8mm，制备成碳纤维柔性电热体，依据qb/t 2163-2012标准检测，电热体长期工作温度为93℃，能承受的瞬时温度为210℃。
61.实施例7
62.根据加热体电阻要求，采用3k碳纤维t700长丝进行带状编织处理，编织带单束纤维总数为20股，电热体所用碳纤维长度根据如下公式计算：碳纤维丝长度(单位：cm)＝额定电压(单位：v)
×
额定电压(单位：v)/额定功率(单位：w)/碳纤维单位长度电阻(单位：ω/cm)，本实施例计算出碳纤维的长度为：220
×
220/1800/1.7＝15.82cm制成的带状碳纤维进行表面瞬时通电除胶处理，电压为90v，通电时间为2s。除胶后的碳纤维绳进行表面辐射定型胶的涂覆，含胶量为30wt％，其中定型胶热固性聚氨酯为基材，填料选用纳米级碳化硅高辐射填料，粉体粒径为20nm，填料占定型胶比例为40wt％，涂覆后的碳纤维绳进行70℃烘干处理，处理时间为4min。最后将烘干后的浸胶碳纤维绳在2350℃进行8min的炭晶化处理。特氟龙套管外侧涂覆偶联剂，硼酸酯偶联剂外侧壁固定硅胶层，特氟龙耐热层厚度为0.5mm。交联聚乙烯绝缘层的厚度为0.2mm。pvc防水抗冲击层厚度为0.4mm。钢丝铠装材料选用圆镀锌钢丝，钢丝直径选用2.0mm，钢丝缠绕角度为35
°
单层左向缠绕在pvc层外侧，厚度为1.6mm，制备成碳纤维柔性电热体，依据qb/t 2163-2012标准检测，电热体长期工作温度为
90℃，能承受的瞬时温度为190℃。
63.对比例1
64.同实施例4，不同之处仅在于未包裹钢丝铠装编织层。
65.对比例2
66.同实施例4，不同之处仅在于未包裹交联聚乙烯绝缘层。
67.对比例3
68.同实施例4，不同之处仅在于未包裹pvc防水抗冲击层。
69.根据gb 4706.8-2008和qb/t 2163-2012等柔性电热线测试标准测定实施例1-7及对比例1-3制备的碳纤维柔性电热体的性能，结果见表1。
70.表1
71.[0072][0073]
注：水解条件为在85℃、85％rh下保持28天。
[0074]
从表1可知柔性碳纤维电热体具有稳定的拉伸力学性能的电性能，耐环境和阻燃特性优异。
[0075]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所
示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0076]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。