专利名称：复合碳素晶体电热材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及电热材料技术，特别涉及一种复合碳素晶体电热材料及其制备方法。
背景技术：
长期以来，用于加热取暖的电热体材料有多种多样，主要可归结为金属丝材料、PTC陶瓷或塑料材料、碳化硅、碳纤维等。其中碳纤维材料，因具有可大面积均匀发热、散热、电热转换效率高、远红外辐射力强以及显著的节能效果等优越性能，而成为目前极为推崇的加热取暖电热体材料。该碳纤维作为电热材料被广泛地用航空航天、尖端科学研究以及其它工农业领域的加热取暖装置中。近些年来，碳纤维材料在民用采暖设备中也已有开发应用。但是，实践证明，单一成份的碳纤维作为电热体材料还存在着一定的不足之处，如在长时间的高温工作状态中，电阻值不够稳定，导致工作寿命不长；产品生产、使用过程中功率又较难控制等。因而，一定程度上影响了碳纤维电热材料更深层次的推广应用。
发明内容
本发明针对上述存在的不足之外，提出了一种复合碳素晶体电热材料，目的在于通过在碳纤维中加入其它有效成份，实现对单纯碳纤维进行理化改性，以提高其用作于加热取暖电热材料的品质。
本发明的技术解决方案本发明的复合碳素晶体材料所含组分为碳纤维、树脂、增塑剂、石墨和添加剂。所述的碳纤维为短切碳纤维，所述的树脂主要为聚酰胺树脂及丙烯腈乙二烯与聚乙烯、聚碳酸脂的混合脂；所述的增塑剂为磷酸、亚磷酸脂类；所述的石墨为粉末状石墨；所述的添加剂为由锆和二氧化钛各按50％重量比的混合的远红外发射剂、由三氧化钨、氧化硅和氧化铝按1∶2∶1重量比的混合物波段调整剂、由成分为2-羟基-4-正辛氧基二苯酮(CYASORB UV-531)的波段稳定剂的混合剂。以上组分的重量百分比依次为20-30∶30-40∶10-15∶30-40∶10-20。又上述短切碳纤维是包括沥青基碳纤维，聚丙烯腈基碳纤维、粘胶基碳纤维中的一种，其中以符合抗张强度400-900kg/cm2的高弹性碳纤维为好。上述树脂可选聚酰胺树脂(尼龙66、尼龙610、尼龙1010)、ABS/PVC、ABS/PC混合脂，聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PPE)、聚丙烯(PP)、丙烯腈乙二烯(ABS)、聚苯乙烯树脂(PS)、酚醛树脂(PF)、、聚氟乙烯(PVF)、聚四氟乙烯树脂(PTFE)、聚矾(PSU)、聚苯醚(PPO)树脂，聚碳酸酯(PC)、环氧丙烯酸树脂、氯化聚酯丙烯酸树脂中的3-5种；所述的添加剂远红外发射剂占总重量的65％，其余两种之和为35％。
本发明材料的制备方法步骤为(一)对短切碳纤维原料进行预处理，使碳纤维包括过400-500目筛者和纤维长度5-12mm之间者，并选其中2-3种不同长度者进行均匀混合使用，再进行热处理和破碎处理，热处理温度为1000-1500℃，待等碳纤维成絮团状，再进行破碎处理；(二)按所述重量比例向上述预处理后的碳纤维中添加3-5种混合树脂和增塑剂、石墨粉、添加剂，并充分混合；(三)挤压以上混合物达到0.7-1.0g/cm3的体积密度，并通过铸模挤压成各种所需要形状；(四)在干燥的惰性气体或真空环境中以500-2500℃分段高温烧结，其升温速度为常温-1000℃之间为20-150℃/h、最佳为30-60℃/h，1000-2000℃之间为80-250℃/h，最佳为120-220℃/h，2000-2500℃/h之间为90-250℃/h，最佳为150-220℃/h，并保持焙烧时间5-15小时，最佳为10小时，便制得成品的复合碳素晶体电热材料。
本发明的有益效果(一)本发明采用短切碳纤维、树脂、增塑剂、石墨粉末等复合成碳素晶体，还添加了远红外辐射材料，故能在外界一定的激励条件下，引起分子和原子的共振，加剧发热材料电子的布朗运动，与单一成份的碳纤维材料相比，明显提高了发热量，使电热交换率更高，节能效果也更好；(二)本发明使用树脂作介质、使碳纤维具有良好的分散性，并可构成坚固的网络结构，以致机械强度高，刚性更好；而且电阻值稳定均匀，温度上升恒定均衡，工作寿命长温跨范围也较大，可满足中、高温不同场合的使用要求；其产品功率在批量生产中易于控制。
(三)本发明由于配置具有柔性的树脂和增塑剂成分、故易于压制成圆杆状、复杂片状、线状形态或者是各种异型的复合碳素晶体发热元件，使之具有使用上的灵活性。
(四)本发明方法的碳纤维经过热处理和挤压成形物的高温烧结，使复合碳素晶体作为发热体时，其发热时的电阻值与室温时的电阻值变化率几乎为零，故能保证复合碳素晶体在长时间的高温工作状态中，电阻稳定、功率稳定、寿命长。
(五)本发明由于使用波段调整剂、波段稳定剂，使复合碳素晶体发热元件能发出光波集中在6-15um区间、对人体有益的远红外线，使之具有理疗功能。
具体实施例方式
实施例1(一)取沥青基碳纤维，将碳纤维过400目筛者和纤维长度为5、12mm者进行均匀混合，重量为20公斤，然后对该原料进行热处理，温度控制在1200℃，待等碳纤维成絮团状，再进行破碎处理，使碳纤维体积密度为0.01-0.03g/cm3，纤维长度为30-130um，纤维粗度大部分在0.6um以下；(二)在上述碳纤维中加入30公斤的聚酰胺树脂及丙烯腈乙二烯与聚乙烯、聚碳酸脂的混合脂，10公斤的磷酸脂增塑剂、石墨粉末30公斤、远红外发射剂6.5公斤，波段调整剂、波段稳定剂共3.5公斤，采用亨氏混合器充分混和；(三)将上述混合物置于石墨坩埚内进行压缩，使体积密度为0.7g/cm3，并盖以石墨压板进行压缩，再以改变挤压成形设备的挤压部分的铸模挤压制成圆杆状、片状、线状或其它各种形状的制品；(四)将已压制成形的复合碳素晶体制品在氮气环境中高温焙烧，在常温-500度℃之间以50℃/h逐步升温，500-1000℃之间以60℃/h逐步升温，1000-2000℃之间以150℃/h逐步升温，2000-2500℃之间以180℃/h逐步升温，并保持焙烧时间11小时，便获得本发明产品复合碳素晶体电热材料。
实施例2(一)取聚丙烯腈基碳纤维，将碳纤维过450目筛者和纤维长度为6、8mm者进行均匀混合，重量为30公斤，然后对该原料进行热处理，温度控制在1500℃，待等碳纤维成絮团状，再进行破碎处理，使碳纤维测得体积密度为0.01-0.03g/cm3，纤维长度为30-130um，纤维粗度大部分在0.6um以下；(二)在上述碳纤维中加入40公斤的聚酰胺树脂及聚四氟乙烯树脂(PTFE)、聚苯醚(PPO)树脂的混合脂，15公斤的亚磷酸脂增塑剂、石墨粉末40公斤、远红外发射剂10公斤，波段调整剂、波段稳定剂共5公斤，采用亨氏混合器充分混和；(三)将上述混合物置于石墨坩埚内进行压缩，使体积密度为0.85g/cm3，并盖以石墨压板进行压缩，再以改变挤压成形设备的挤压部分的铸模挤压制成圆杆状、片状、线状或其它各种形状的制品；(四)将已压制成形的复合碳素晶体制品在氮气环境中高温焙烧，在常温-500度℃之间以60℃/h逐步升温，500-1000℃之间以150℃/h逐步升温，1000-2000℃之间以200℃/h逐步升温，在2000-2500℃之间以220℃/h逐步升温，在2000-2500℃之间以220℃/h逐步升温，并保持焙烧时间12小时便获得本发明产品复合碳素晶体电热材料。
实施例3(一)取粘胶基碳纤维，将碳纤维过500目筛者和纤维长度为5、12mm者进行均匀混合、重量为25公斤，然后对该原料进行热处理，温度控制在1300℃，待等碳纤维成絮团状，再进行破碎处理，使碳纤维测得体积密度为0.01-0.03g/cm3，纤维长度为30-130um，纤维粗度大部分在0.6um以下(二)在上述碳纤维中加入35公斤的聚酰胺树脂及酚醛树脂(PF)、聚氟乙烯(PVF)的混合脂，12公斤的磷酸脂增塑剂、石墨粉末35公斤、远红外发射剂13公斤，波段调整剂、波段稳定剂共7公斤，采用亨氏混合器充分混和；(三)将上述混合物置于石墨坩埚内进行压缩，使体积密度为1.0g/cm3，并盖以石墨压板进行压缩，再以改变挤压成形设备的挤压部分的铸模挤压制成圆杆状、片状、线状或其它各种形状的制品；(四)将已压制成形的复合碳素晶体制品在真空环境中高温焙烧，在常温-500度℃之间以70℃/h逐步升温，500-1000℃之间以150℃/h逐步升温，1000-2000℃之间以170℃/h逐步升温，在2000-2500℃之间以250℃/h逐步升温，，并保持焙烧时间10小时，便获得本发明产品复合碳素晶体电热材料。
本发明如选择所述范围内不同短切碳纤维进行预处理，加之石墨粉组分及不同的树脂组合，不同的增塑剂和添加剂，各组分以所述范围内的重量比混和，压制成形，并以所述条件的不同升温速率和升温时间，则可从多个实施例获得本发明产品。
权利要求
1.一种复合碳素晶体电热材料，其特征在于它由碳纤维、树脂、增塑剂、石墨和主要成分为远红外发射剂的添加剂组成，各组分的重量百分比依次为20-30∶30-40∶10-15∶30-40∶10-20。
2.根据权利要求1所述的复合碳素晶体电热材料，其特征在于所述的碳纤维为短切碳纤维，可以是包括沥青基碳纤维，聚丙烯腈基碳纤维、粘胶基碳纤维中的一种，其中以符合抗张强度400-900kg/cm2的高弹性碳纤维为好。
3.根据权利要求1所述的复合碳素晶体电热材料，其特征在于所述的树脂可以是聚酰胺树脂-尼龙66、尼龙610、尼龙1010、ABS/PVC、ABS/PC混合脂、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PPE)、聚丙烯(PP)、丙烯腈乙二烯(ABS)、聚苯乙烯树脂(PS)、酚醛树脂(PF)、、聚氟乙烯(PVF)、聚四氟乙烯树脂(PTFE)、聚矾(PSU)、聚苯醚(PPO)树脂，聚碳酸酯(PC)、环氧丙烯酸树脂、氯化聚酯丙烯酸树脂中的3-5种；
4.根据权利要求1所述的复合碳素晶体电热材料，其特征在于所述的增塑剂为磷酸、亚磷酸脂类；所述的石墨为粉末状石墨；所述的添加剂为远红外发射剂、波段调整剂、波段稳定剂的混合物，其中，远红外发射剂由锆和二氧化钛各按50％重量比混合而成、波段调整剂为三氧化钨、氧化硅和氧化铝按1∶2∶1重量比的混合物、波段稳定剂为2-羟基-4-正辛氧基二苯酮。
5.根据权利要求1或4所述的复合碳素晶体电热材料，其特征在于；所述的远红外发射剂占添加剂总量的65％，其余两者之和为35％。
6.根据权利要求1所述的复合碳素晶体电热材料，其特征在于所述短切碳纤维包括过400-500目筛者和纤维长度5-12mm之间者，并选其中2-3种不同长度者。
7.一种制备如权利要求1所述的复合碳素晶体电热材料的方法，其特征在于它的方法步骤为(一)对碳纤维原料进行短切预处理、热处理和破碎处理；(二)按所述重量比向上述预处理后的碳纤维中添加3-5种混合树脂和增塑剂、石墨粉、添加剂，并充分混合；(三)挤压以上混合物达到一定的体积密度，并通过铸模挤压成各种所需要形状；(四)在干燥的惰性气体或真空环境中分段高温烧结，保持焙烧时间，便制得成品的复合碳素晶体电热材料。
8.根据权利要求7所述的一种制备复合碳素晶体电热材料的方法，其特征在于所述步骤(一)的热处理温度为1000-1500℃；所述破碎处理需等待碳纤维热处理成絮团状再进行，使测得体积密度为0.01-0.03g/cm3，纤维长度为30-130um，纤维粗度大部分在0.6um以下；所述步骤(三)挤压以上的混合物达到的体积密度为0.7-1.0g/cm3；所述步骤(四)在干燥的惰性气体或真空环境中是以常温-2500℃之间分段高温烧结，其分段升温的速度为常温-1000℃之间为20-150℃/h，1000-2000℃之间为80-250℃/h，2000-2500℃/h之间为90-250℃/h，并保持焙烧时间5-15小时，便制得成品的复合碳素晶体电热材料。
9.根据权利要求7或8所述的一种制备复合碳素晶体电热材料的方法，其特征在于所述的分段高温烧结，其分段升温的速度为常温-1000℃之间、最佳为30-60℃/h，1000-2000℃之间、最佳为120-220℃/h，2000-2500℃/h之间、最佳为150-220℃/h，并保持焙烧时间最佳为10小时。
全文摘要
本发明提供了一种复合碳素晶体电热材料及其制备方法。该复合碳素晶体材料主要由碳纤维、树脂、增塑剂、石墨和添加剂组成。各组分的重量百分比依次为20－30∶30－40∶10－15∶30－40∶10－20。本发明方法步骤首先对短切碳纤维原料进行纤维长度预处理，再进行热处理和破碎处理，再按所述重量比例将所有组分充分混合，并挤压以上混合物成各种所需要形状，在干燥的惰性气体或真空环境中，保持一定的升温速度、升温时间、高温焙烧，便制得发热量、电热交换率高，节能效果好，机械强度大，工作寿命长的高品质复合碳素晶体电热材料。其温跨范围大，并可制成形态各异的复合碳素晶体发热元件，供各类加热取暖装置灵活应用。
文档编号H05B3/14GK101083851SQ20071002478
公开日2007年12月5日 申请日期2007年7月2日 优先权日2007年7月2日
发明者方灿榆 申请人:江苏贝莱尔电气有限公司