专利名称：红外线发热纸及其生产方法
技术领域：
本发明属于导电发热用材料的制备技术领域，具体地说是一种利用聚丙烯腈增强碳纤维作为导电材料而生产的红外线发热纸及其生产方法。
电加热元件的研究在近年来有了很多新的发展，特别是在电阻丝、电热管及印刷板加热之后，又研究出金属导电镀膜以及长碳纤维导电束，短碳纤维导电纸等新的电热元件。尤其是短碳纤维导电纸，是以纸浆为基体，混入碳纤维作为导电相制成的一种面状导电体，具有加热均匀、无污染、使用方便体积小等特点。但目前资料上所公开的短碳纤维导电发热纸只是将碳纤维直接分散于纸浆中，其红外辐射只是自身碳纤维的，红外波段8-15μm，而辐射热不能提高，其原因是它没有波段调整，不存在远红外地集波功能和加热功能，且耐老化程度差，寿命不超过1万小时。原因是它只具备碳纤维的自身功能耐温、抗老化，但当树脂老化以后碳纤维即灰化，变为灰份逐年降低、逐渐失去发热功能。其发热原理仍是靠碳纤维电阻发热，因此节能效果不明显，仅优越于电阻丝的集中热源和低温辐射。
本发明的目的是提供一种利用聚丙烯腈增强碳纤维作为发热材料而生产红外线发热纸及其生产方法，将碳纤维进行了红外处理后再加入纸浆，制成新型的碳纤维红外发热纸，它既具有热效率高、起动电流小、无污染、无噪音的优点，又具有节约能源、抗老化性能好、寿命长的优点，还具备了通过碳纤维的红外热辐射，来促进人体血液循环、增强细胞活力，提高人体保健功能的作用。
本发明的目的是这样实现的其技术方案是(1)、先将所选用的纸浆、棉纸浆、纤维纸浆、麻浆或木浆块进行打浆、并加入重量在1‰左右的隅氮二异丁腈发泡剂；通入蒸汽在130℃、压力0．8Mpa下进行气孔化，时间为1-2小时，制成空芯纸浆备用；(2)、取聚丙烯腈增强短碳纤维于反应釜中进行碱法蒸煮即取氢氧化钠和碳酸钠以重量份数1．0∶5．0-10的比例混合，再加入70％重量的水于反应釜中混匀，然后加入聚丙烯腈增强短碳纤维，在温度为103-140℃、时间为1-2小时下进行碱法蒸煮；(3)、对聚丙烯腈增强短碳纤维进行钝化处理将碱溶液放掉，然后加入适量的水、及一定量的远红外辐射剂、远红外稳定剂、防腐剂、隔离剂、阻燃剂、波段调整剂和适量的5-6％浓度的稀硫酸，在常温下搅拌90分钟，然后再将温度控制在80-145℃下搅拌60分钟，使上述物质吸附在短碳纤维上面，形成一层薄膜而成为红外化碳纤维；(4)、钝化处理后的短碳纤维经水洗、分散后加入上述备用的空芯纸浆，空芯纸浆与红外化碳纤维的重量份数比为1∶0．2-1．0，打浆6小时左右，然后在造纸机上，按常规造纸加工成成品红外线发热纸；上述的聚丙烯腈增强短碳纤维是指其长度为2mm、4mm、6mm、8mm各占25％左右的短碳纤维；红外化碳纤维的组份及重量份数比为聚丙烯腈增强短碳纤维1．0、远红外辐射剂0．15-0．4、远红外稳定剂0．04-0．1、防腐剂0．02-0．04、隔离剂0．02-0．04、阻燃剂0．02-0．04、波段调整剂0．002-0．005。
本发明的远红外辐射剂的组份及重量份数比为碳化硼1．0、碳化硅1．5-3．0、氧化亚铜0．8-1．5、氧化铂1．6-3．0、五氧化二矾1．2-2．0。
本发明的远红外稳定剂的组份及重量份数比为硫酸钾铝1．0、丙烯酸胺1．0-1．5、聚乙烯醇1．0-1．5、液体钡镉锌复合稳定剂1．0-1．5。
本发明的防腐剂为五氯联苯、五氯酚钠或苯骈咪唑氨基甲酸甲酯；本发明的隔离剂为松香树脂、2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮或2-(2’-羟基-3’，5’-二叔丁基苯基)-5-氯代苯并三唑；本发明的阻燃剂为三氧化二锑、磷酸三丁酯、双酚A、防老剂甲、四溴邻苯二甲酸酐、氯化石蜡、氢氧化铝、三氯乙基磷酸酯或十溴联苯醚；本发明的波段调整剂的组份及重量份数比为碳化硼1．0、氧化铂0．1-0．5。于
本发明还包括在上述波段调整剂的基础上加入微量的氧化锆或／和碳化硅。
本发明的原理与优点是
1、聚丙烯腈增强碳纤维是由聚丙烯腈经低温至高温逐步失水后的纯碳化产物，其纯度含碳量均大于99．99％，密度1．07g＼cm3，碳纤维直径φ6．6-8μm，拉伸强度≥2．0Gpa，伸长率6‰；碳化温度从150-300℃、350-450℃、450-600℃、650-800℃、800-1000℃至1100-1450℃。以碳纤维作骨架网路，空芯纤维纸浆为载体，形成导电纸浆，当电子由外部进入后，在不规则排列的碳纤维上，电子间相互撞击和磨擦产生集波功能，故使发热量提高，因此它体积小、此质轻、安全，并且节约用电量。
2、本发明在纸浆中除加入聚丙烯腈增强碳纤维外还加入了远红外辐射材料。远红外线是介于可见光和微波之间，0．72-1000μm之间包括近红外和远红外，波长在大于4μm的电磁波称为远红外线，在碳纤维发热纸中的远红外辐射材料随温度的提高而增加红外线的辐射能量，而远红外线易于物体的吸收物质分子吸收一定波长的红外线能量产生共振，引起分子或原子的共振和转动，从而使物体发热，特别是有机物、高分子物质、水份等，它们吸收远红外线的能力很强，能产生激烈的共振现象。从以上可见，加入远红外线材料后，可以明显提高发热程度，可以引起人体细胞的活动，从而起到保健作用。用来取暖、杀菌、健身都是极其有效的。
3、红外线是一种光波，它与可见光的区别是波长不同，而在电场的作用下的红外线传播则是一种热电磁波辐射，不同波段的热磁辐射强度与辐射体性质及其表面的状况有关。而被加热物体能够吸收的波长与红外辐射的波长相等时，就可以大量吸收红外线，并且使内部分子能级产生变换共振，从而升温。对于高分子在机物质，要使其能级改变，需满足一定的条件，本发明在设计中对各种因素做了精细设计，效果显著。
4、波段调整剂之所以节能，其原因如下众所周知，白光通过棱镜后能分出七色，因为可见光是复合频谱组成的混波，同理，宏观电热材料产生热辐射波也是一种复合频谱组成的混波，其中有一些波长的烘干波、加热波、生物理疗波杀菌波及无用波等，集波功能的概念正是改变原有波段采取有效作用的波段即集波。众所周知能量的守恒，若能使电热辐射波都变成加热目的的波段，其效率会大幅度提高，而本发明的电热纸的发热材料正是通过材料的配方变化及介质的变化。几何图形的设定达到电热辐射波集波目的，准确撑握电热手段，实现工艺的内在规律，并通过技术手段实现对材料追求最大电热效率是关键。这种远红外电热材料才能遵循焦尔楞次电热转换规律。碰撞磨擦生火生热，即热辐射波小于0．76μm，可见频谱产生取决于运动物体的平均运动速度，即可实现价值功能；和无明火作功提高热利用率，无疑热辐射强度与距离比的二次方成反比，若能将电热辐射的距离缩短到原距离的1／2时，理论上的电耗可降低到原来耗电的1／4，故热源无明火的特性，波段调整改变部分辐射的集波转换为加热环境与加热产品提高热加工产品率，多功能多品种赋予了节电能力，集波功能的特性为提供节电提出了理论依据。
5、本发明由于将纸浆先加工成车空芯纸浆，因此相对增低成本均匀分地散到纸浆内部；同时增大透气率，降低水份。而且通过空芯纸浆所加工成的纸制品在同等条件下其抗张指数、耐破指数、撕裂指数均比普通纸浆高出三倍左右，因此本发明的红外线发热纸永远也不起层或起毛边，各种物理、化学性能稳定，其表面温度均匀、恒定。
6、本发明的样品经过产品质量检验机构的全面检测，性能优良，其中热效率达到99．99％，节电8．38％，使用寿命在3-5万小时，时间可达30年。
下面将通过实例对本发明作进一步说明例1
(1)、先将所选用的木纸浆块进行打浆、并加入重量在0．1‰左右的隅氮二异丁腈发泡剂；通入蒸汽在130℃、压力0．8Mpa下进行气孔化，时间为1-2小时，从而制成了空芯透气的浆体纤维的空芯纸浆(技术指标见表1)备用；
(2)、取聚丙烯腈增强短碳纤维于反应釜中进行碱法蒸煮即取氢氧化钠20千克、碳酸钠130千克混合，再加入350千克的水于反应釜中混匀，然后加入聚丙烯腈增强短碳纤维400千克，该短碳纤维是指其长度为2mm、4mm、6mm、8mm各占25％左右的短碳纤维，在加热温度为115-130℃、时间为1．5小时下进行碱法蒸煮；
(3)、对聚丙烯腈增强短碳纤维进行钝化(红外化)处理将碱溶液放掉，然后加入适量的水、及远红外辐射剂90千克、远红外稳定剂20千克、五氯联苯15千克作为防腐剂、松香树脂15千克作为隔离剂、磷酸三丁酯12千克作为阻燃剂、波段调整剂1千克和适量的5-6％浓度的稀硫酸(固化剂)，在常温下搅拌90分钟，然后再将温度控制在80-145℃下搅拌60分钟，使上述物质吸附在短碳纤维上面，形成一层红外保护薄膜的红外化碳纤维，此时红外化短碳纤维的重量在412-420千克范围内；
(4)、钝化处理后的红外化短碳纤维经水洗、分散后加入上述备用的空芯纸浆，空芯纸浆与红外化碳纤维的重量分别为1800千克和412-420千克范围内，打浆6小时左右，然后在造纸机上，按常规造纸加工成成品红外线发热纸约2212-2220千克，该红外线发热纸的技术指标详见表2。
上述的远红外辐射剂90千克分别由碳化硼12千克、碳化硅24千克、氧化亚铜12千克、氧化铂24千克及五氧化二矾18千克，在常温常压下经充分混合后制成的；
上述的远红外稳定剂20千克分别由硫酸钾铝4．5千克、丙烯酸胺5．5千克、聚乙烯醇5．5千克、液体钡镉锌复合稳定剂4．5千克，在常温常压下经充分混合后制成的；
上述的波段调整剂1千克分别由碳化硼0．78千克、氧化铂0．2千克及微量的氧化锆0．02千克，在常温常压下经充分混合后制成的。
空 芯 纸 浆 技 术 指 标
表1 执行标准QB1674-93
聚丙烯腈增强纤维远红外发热纸物理性能技术指标
表2 执行标准Q／LFD、S(X)02、08-2000
例2
(1)、空芯纸浆的生产方法同于例1，只是选用纤维纸浆为原料；
(2)、碱法蒸煮的生产工艺也同于例1；
(3)、对聚丙烯腈增强短碳纤维进行钝化(红外化)处理将碱溶液放掉，然后加入适量的水、及远红外辐射剂120千克、远红外稳定剂18千克、骈咪唑氨基甲酸甲酯10千克作为防腐剂、2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮12千克作为隔离剂、四溴邻苯二甲酸酐13千克作为阻燃剂、波段调整剂1．3千克和适量的5-6％浓度的稀硫酸，在常温下搅拌90分钟，然后再将温度控制在110-140℃下搅拌60分钟，使上述物质吸附在短碳纤维上面，形成一层红外保护薄膜的红外化碳纤维，此时红外化短碳纤维的重量也在412-420千克范围内；
(4)、钝化处理后的红外化短碳纤维经水洗、分散后加入上述备用的空芯纸浆，空芯纸浆与红外化碳纤维的重量分别为1200千克和412-420千克范围内，打浆6小时左右，然后在造纸机上，按常规造纸加工成成品红外线发热纸约1612-1620千克，该红外线发热纸的技术指标与例1基本相同。
上述的远红外辐射剂120千克分别由碳化硼22千克、碳化硅28千克、氧化亚铜15千克、氧化铂30千克及五氧化二矾25千克，在常温常压下经充分混合后制成的；
上述的远红外稳定剂18千克分别由硫酸钾铝4．5千克、丙烯酸胺4．5千克、聚乙烯醇4．5千克、液体钡镉锌复合稳定剂4．5千克，在常温常压下经充分混合后制成的；
上述的波段调整剂1．3千克分别由碳化硼0．88千克、氧化铂0．4千克及碳化硅0．02千克，在常温常压下经充分混合后制成的。
本发明的红外线发热纸经5DS傅立叶变换红外光谱仪(美国NICOLET公司)及其光谱比辐射率测量附件，光谱范围4600cm-1-400cm-1，波度精度0．01cm-1，分辨率4cm-1，噪声＜0．7％，附件噪声＜3％及JD-黑体炉进行测试，其测试结果在8-15μm远红外波段法向发射率为79以上。
下面将本发明的红外线发热纸与在同等条件下，利用普通未经空芯加工的纸浆和聚丙烯腈增强短碳纤维生产的碳纤维复合发热纸进行下列对比实验(表3-表11)。
表3低温实验
结论平均温度-22℃、实验时间5．5个月，本发明优良，复合发热纸不合格。
表4高温交叉连续实验
结论平均温度121-141℃、实验时间7个月，本发明通电加热优良，复合发热纸产生微热，不合格。
表5 冲击实验
表6冲击碰撞实验
表7振动实验
表8温度实验条件
表9阳光辐射实验
表10霉菌实验
表11腐蚀实验
通过上述的所有实验结果表明，在同等条件下各项指标综合对比，在使用寿命上本发明的红外线发热纸比碳纤维复合发热纸热效率高3．5倍。
权利要求
1、一种利用聚丙烯腈增强碳纤维作为红外热源的红外线发热纸，其特征是以空芯纸浆为基体，再填加红外化碳纤维充分混匀后制成，空芯纸浆与红外化碳纤维的重量份数比为1∶0．2-1．0；红外化碳纤维的组份及重量份数比为聚丙烯腈增强短碳纤维1．0、远红外辐射剂0．15-0．4、远红外稳定剂0．04-0．1、防腐剂0．02-0．04、隔离剂0．02-0．04、阻燃剂0．02-0．04、波段调整剂0．002-0．005。
2、根据权利要求1所述的红外线发热纸，其特征在于空芯纸浆是将所选用的纸浆、棉纸浆、纤维纸浆、麻浆、木浆块进行打浆、并加入重量在0．1‰左右的隅氮二异丁腈发泡剂；通入蒸汽在130℃、压力0．8Mpa下进行气孔化，时间为1-2小时。
3、根据权利要求1所述的红外线发热纸，其特征在于聚丙烯腈增强短碳纤维的长度为2mm、4mm、6mm、8mm各占25％左右。
4、一种利用聚丙烯腈增强碳纤维作为红外热源的红外线发热纸生产方法，其特征是(1)、先将所选用的纸浆、棉纸浆、纤维纸浆、麻浆或木浆块进行打浆、并加入重量在0．1‰左右的隅氮二异丁腈发泡剂；通入蒸汽在130℃、压力0．8Mpa下进行气孔化，时间为1-2小时，制成空芯纸浆备用；(2)、取聚丙烯腈增强短碳纤维于反应釜中进行碱法蒸煮即取氢氧化钠和碳酸钠以重量份数1．0∶5．0-10的比例混合，再加入70％重量的水于反应釜中混匀，然后加入聚丙烯腈增强短碳纤维，在温度为103-140℃、时间为1-2小时下进行碱法蒸煮；(3)、对聚丙烯腈增强短碳纤维进行钝化处理将碱溶液放掉，然后加入适量的水、及一定量的远红外辐射剂、远红外稳定剂、防腐剂、隔离剂、阻燃剂、波段调整剂和适量的5-6％浓度的稀硫酸，在常温下搅拌90分钟，然后再将温度控制在80-145℃下搅拌60分钟，使上述物质吸附在短碳纤维上面，形成一层薄膜而成为红外化碳纤维；(4)、钝化处理后的短碳纤维经水洗、分散后加入上述备用的空芯纸浆，空芯纸浆与红外化碳纤维的重量份数比为1∶0．2-1．0，打浆6小时左右，然后在造纸机上，按常规造纸加工成成品红外线发热纸；上述的聚丙烯腈增强短碳纤维是指其长度为2mm、4mm、6mm、8mm各占25％左右的短碳纤维；红外化碳纤维的组份及重量份数比为聚丙烯腈增强短碳纤维1．0、远红外辐射剂0．15-0．4、远红外稳定剂0．04-0．1、防腐剂0．02-0．04、隔离剂0．02-0．04、阻燃剂0．02-0．04、波段调整剂0．002-0．005。
5、根据权利要求1或4所述的红外线发热纸和红外线发热纸的生产方法；其特征在于远红外辐射剂的组份及重量份数比为碳化硼1．0、碳化硅1．5-3．0、氧化亚铜0．8-1．5、氧化铂1．6-3．0、五氧化二矾1．2-2．0。
6、根据权利要求1或4所述的红外线发热纸和红外线发热纸的生产方法；其特征在于远红外稳定剂的组份及重量份数比为硫酸钾铝1．0、丙烯酸胺1．0-1．5、聚乙烯醇1．0-1．5、液体钡镉锌复合稳定剂1．0-1．5。
7、根据权利要求1或4所述的红外线发热纸和红外线发热纸的生产方法；其特征在于防腐剂为五氯联苯、五氯酚钠或苯骈咪唑氨基甲酸甲酯。
8、根据权利要求1或4所述的红外线发热纸和红外线发热纸的生产方法；其特征在于隔离剂为松香树脂、2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮或2-(2’-羟基-3’，5’-二叔丁基苯基)-5-氯代苯并三唑。
9、根据权利要求10所述的红外线发热纸和红外线发热纸的生产方法；其特征在于阻燃剂为三氧化二锑、磷酸三丁酯、双酚A、防老剂甲、四溴邻苯二甲酸酐、氯化石蜡、氢氧化铝、三氯乙基磷酸酯或十溴联苯醚。
10、根据权利要求1或4所述的红外线发热纸和红外线发热纸的生产方法，其特征在于波段调整剂的组份及重量份数比为碳化硼1．0、氧化铂0．1-0．5。
11、根据权利要求10所述的红外线发热纸和红外线发热纸的生产方法，其特征在于波段调整剂中还可加入微量的氧化锆或／和碳化硅。
全文摘要
一种利用聚丙烯腈增强碳纤维作为红外热源的红外线发热纸,其特征是以空芯纸浆为基体,再加入一定量的并带有红外化保护膜的短碳纤维充分混匀后制成,红外化保护膜是由一定量的远红外辐射剂、远红外稳定剂、防腐剂、隔离剂、阻燃剂、波段调整剂经加工而成的。本发明由于将碳纤维进行了红外处理后再加入纸浆,制成新型的碳纤维红外发热纸,它既具有热效率高、起动电流小、无污染、无噪音的优点,又具有节约能源、抗老化性能好、寿命长的优点,还具备了通过碳纤维的红外热辐射,来促进人体血液循环、增强细胞活力,提高人体保健功能的作用。
文档编号H05B3/10GK1295152SQ00123359
公开日2001年5月16日 申请日期2000年12月5日 优先权日2000年12月5日
发明者刘磊, 刘玉珍, 韩玉龙, 刘立志, 高敏 申请人:刘磊