一体成型芦苇秸秆基碳纤维智能电热陶瓷板的制备方法与流程

本发明涉及电热陶瓷板的制造方法，具体涉及一体成型芦苇秸秆基碳纤维智能电热陶瓷板的制备方法。
背景技术：
：目前，冬天的取暖主要采用暖气供暖、空调取暖和地暖等。暖气供暖的成本较高，需要对暖气管道进行保养；空调取暖需要消耗大量的电费，运行成本高；地暖取暖的缺点是地暖的保养维修十分困难。鉴于现有的供暖设备的局限性，一些新型的供暖设备诞生了，其中，电热陶瓷板是一种先进的供暖设备。电热陶瓷板的发展比较迅速，但是，其也有很多不完善的地方，大多数电热陶瓷板的加热元件安装在瓷砖底部的安装槽内，加热元件与瓷砖之间存有空气，两者之间没有无缝对接，空气的导热系数非常小，从而，传热效率低，热损失大。中国专利申请号201611002581.8公布了碳素纤维发热片瓷砖及其生产方法，该瓷砖由墙砖本体、碳纤维发热片和发热管、聚氨酯泡沫层组成，碳纤维发热片安装在发热管中，发热管中存有空气，导致传热效率低下；中国专利申请号201720123171.x公布了一种碳纤维发热瓷砖，其是将碳纤维发热丝置于发热层的凹槽内。这种将发热体置于发热管或置于发热层凹槽内的方式对于热的传递是不利的，因为这种排布方式导致在发热体的周围存有大量的空气，空气的传热效率非常差，从而，严重影响了传热的速率和质量。在电热陶瓷板的制备中，发热材料(元件)的选择是关键，发热材料的优劣决定着电热陶瓷板的好坏。芦苇是一种生命力很强的可再生植物，芦苇秸秆的主要成分含有纤维素48～54％、木质素18～20％、戊聚糖12～15％、半纤维素5～8％和灰分2～4％等。芦苇的生长周期短，生命力非常旺盛，其含有大量含碳元素的生物质资源。生物质资源制备为碳纤维的研究有较多报道，如：木质素等，而芦苇秸秆制备为碳纤维的研究鲜有报道，其开发和利用具有广阔的前景。技术实现要素：本发明的目的是克服以往技术的不足，提供一体成型芦苇秸秆基碳纤维智能电热陶瓷板的制备方法，所述的陶瓷板由表面层s1、芦苇秸秆基碳纤维发热层s2、微孔隔热基底层s3组成，如附图1所示。本发明制备的智能电热陶瓷板采用一体压胚和烧结成型技术，将芦苇秸秆基碳纤维嵌在陶瓷里面，实现芦苇秸秆基碳纤维与陶瓷无缝接触，芦苇秸秆基碳纤维作为发热元件制备的电热陶瓷板使用方便，芦苇秸秆基碳纤维传热效率高。芦苇秸秆制备的碳纤维具有价格低廉的优势，其原材料来源广泛，在我国广泛种植，成本低廉，芦苇秸秆基碳纤维在电热陶瓷板中的成功应用必将实现变废为宝的神奇效果，具有重要的理论研究意义和市场应用价值。本发明所述的一体成型芦苇秸秆基碳纤维智能电热陶瓷板的制备方法，其特征在于，所述方法包含如下步骤：步骤一、微孔隔热基底层s3的制备：通过发泡工艺配置的微孔隔热基底层陶泥(粉)，然后平铺于胚体模具底层，其厚度为胚体模具总厚度的0.4～0.6，优选的，微孔隔热基底层陶泥(粉)料主要成分及含量为：50～70％的sio2，20～30％的tio2，5～15％的碳酸钙，4～6％的十二烷基磺酸钠；步骤二、芦苇秸秆基碳纤维发热层s2的制备：将芦苇秸秆基碳纤维直接铺设在微孔隔热基底层陶泥(粉)s3上，并用胚体粉料均匀覆盖，其施料厚度为胚体模具总厚度的0.4～0.6，平整后压胚；优选的，芦苇秸秆基碳纤维发热层s2陶泥(粉)料主要成分及含量为：40～50％的sio2，25～35％的al2o3，15～25％的炭黑，1～2％的fe2o3，2～5％的tio2，1～2％的cao及1～2％的mgo；步骤三、铺设方式与结构设计：芦苇秸秆基碳纤维的铺设方式如附图2所示，把芦苇秸秆基碳纤维以方环形绕线方式盘绕在微孔隔热基底层s3平面上；芦苇秸秆基碳纤维电热层中的温度传感器预留空腔及导线槽规格及设计如图3所示，针孔状温度传感器置于空腔内部，芦苇秸秆基碳纤维电热线的两端预埋至电极端子孔位置，并由外接铜丝导线沿导线槽连接至智能数据控制装置；步骤四、压胚与烧结成型：分层布料完成后，在模具中进行压胚或定型，其中粉料胚体压胚的压强为30～60mpa，压胚或定型完成后出模得半成品，干燥后放入窑炉烧结得到成品，其烧结温度为1000～1400℃，烧结时间为1～3h；步骤五、表面层s1的制备：称取适量陶瓷釉料的原料，其组成为：18～20％的钾长石，3～5％的烧滑石，7～9％的方解石，10～15％的氮化铝，3～5％的球土，24～26％的烧高岭土，24～26％的熔块，0.8～1.2％的烧氧化锌，0.8～1.2％的烧氧化铝，将称量好的陶瓷釉料原料放入到球磨机中进行球磨，球磨时间1～3h，然后加入占釉料质量2～4％的葡萄糖，再次球磨1～3h，得到的釉浆施加在步骤四制备的陶瓷坯体上，经干燥后在1000～1400℃下烧结获得陶瓷板，优选地，烧成制度为常温～800℃，升温时长为15min，800℃～1200℃，升温时长为5min，1200℃保温15min，最后冷却20min，制备得到电热陶瓷板；上述的一体压胚与烧结成型芦苇秸秆基碳纤维智能电热陶瓷板的制备方法，其特征在于，步骤二中所述芦苇秸秆基碳纤维的制备方法为：步骤201：将干燥的芦苇秸秆锯短，锯碎后每节长度约50～100cm；常压下，将芦苇秸秆加入含2～5g/l硅酸钠、2～10g/l亚硫酸钠和5～20g/l氢氧化钠的混合溶液，浴比为1︰30～50，煮练温度为60℃～90℃，煮练时间为90～120min；煮练结束后，用30℃～50℃的温水反复冲洗至中性；步骤202：常温下，将步骤201处理的芦苇秸秆浸泡在质量浓度为1～3g/l硫酸和1～3g/l盐酸的混合溶液中，浴比为1︰30～50，浸泡时间为20～40min；浸泡结束后，用30℃～50℃的温水反复冲洗至中性；步骤203：将步骤202处理的芦苇秸秆置于握持罗拉与喂给板之间，按照一定的速度喂入；从罗拉之间输出的芦苇秸秆经表面针刺高速穿刺、割裂和梳理，将芦苇秸秆变成芦苇秸秆纤维；将芦苇秸秆纤维经压滤机压滤处理，制备芦苇秸秆超细纤维，超细纤维的直径为10～200nm，超细纤维的长度为120nm～260mm；步骤204：将步骤203处理的纤维纺制成纱线；步骤205：将步骤204制备的芦苇秸秆基纤维纱线原丝在有氧气氛中进行预氧化，得到预氧化丝；优选地，所述原丝预氧化一般可分两阶段完成，第一氧化温度为200～240℃，氧化时间为25～50min；第二氧化温度为255～285℃，氧化时间为30～50min；步骤206：预氧化丝在无氧气氛中进行碳化，得到芦苇秸秆基碳纤维成品；优选地，所述预氧化丝的碳化一般可分为两个阶段完成，第一碳化温度为400～600℃，碳化时间为2～5min；第二碳化温度为900～1400℃，碳化时间为2～4min；步骤207：步骤206处理的纤维经过表面处理、上浆、干燥和卷绕制得芦苇秸秆基碳纤维成品。本发明具有如下显著特点：(1)本发明制备的芦苇秸秆基碳纤维电热陶瓷板在通电30～45秒之后表面温度可以达到40～41℃，在持续通电80～100秒后，样品的表面温度达到了74～75℃，而2～3分钟后样品的表面温度达到了102～103℃。本发明通过一体压胚和烧结成型技术，实现电热陶瓷板的发热元件与陶瓷之间无缝衔接，实现升温迅速，效率高，具有优良的电热转换性能。(2)本发明制备的电热陶瓷板的发热元件选用芦苇秸秆基碳纤维，碳纤维是采用芦苇秸秆为原料，通过预氧化和碳化等工艺制得；对比实施例表明：本发明制备的芦苇秸秆基碳纤维比市场采购的碳纤维的发热和传热效率略高。(3)本发明制备的电热陶瓷板的隔热基底层通过发泡工艺制得很多微孔，隔热效果好；芦苇秸秆基碳纤维发热层含有导热性能优异的炭黑，有利于热量向上传递；表面层含有氮化铝，其具有很好的导热和绝缘性能。通过在不同层内添加不同的添加剂，实现电热陶瓷板具有优异的传热性能，热损失小；(4)本发明采用了分层布料，一次压胚、一次性烧结工艺，整个制造流程工艺简单且一体完成，易于产业化生产，而且安装铺设简单，便于市场普及。附图说明图1本发明电热陶瓷板纵向剖面结构示意图(1.温度传感器空腔；2.芦苇秸秆基碳纤维；s1.表面层；s2.芦苇秸秆基碳纤维发热层；s3.微孔隔热基底层)；图2本发明电热陶瓷板内部芦苇秸秆基碳纤维束的平面排布示意图(1.电极端子；2.芦苇秸秆基碳纤维)；图3本发明电热陶瓷板的温度传感器孔腔、导线槽和电极端子规格及结构示意图(1.导线槽；2.电极端子；3.温度传感器孔腔；s1.表面层；s3.微孔隔热基底层)。具体实施方式以下所述实施例详细说明了本发明。实施例1在本实施例中，一体成型芦苇秸秆基碳纤维智能电热陶瓷板采用如下方法制备而成，包括如下步骤：步骤一、微孔隔热基底层s3的制备：通过发泡工艺配置的微孔隔热基底层陶泥(粉)，然后平铺于胚体模具底层，其厚度为胚体模具总厚度的0.5，优选的，微孔隔热基底层陶泥(粉)料主要成分及含量为：60％的sio2，25％的tio2，10％的碳酸钙，5％的十二烷基磺酸钠；步骤二、芦苇秸秆基碳纤维发热层s2的制备：将芦苇秸秆基碳纤维直接铺设在微孔隔热基底层陶泥(粉)s3上，并用胚体粉料均匀覆盖，其施料厚度为胚体模具总厚度的0.5，平整后压胚；优选的，芦苇秸秆基碳纤维发热层s2陶泥(粉)料主要成分及含量为：43％的sio2，30％的al2o3，20％的炭黑，1.5％的fe2o3，2.5％的tio2，1.5％的cao及1.5％的mgo；步骤三、铺设方式与结构设计：芦苇秸秆基碳纤维的铺设方式如附图2所示，把芦苇秸秆基碳纤维以方环形绕线方式盘绕在微孔隔热基底层s3平面上；芦苇秸秆基碳纤维电热层中的温度传感器预留空腔及导线槽规格及设计如图3所示，针孔状温度传感器置于空腔内部，芦苇秸秆基碳纤维电热线的两端预埋至电极端子孔位置，并由外接铜丝导线沿导线槽连接至智能数据控制装置；步骤四、压胚与烧结成型：分层布料完成后，在模具中进行压胚或定型，其中粉料胚体压胚的压强为45mpa，压胚或定型完成后出模得半成品，干燥后放入窑炉烧结得到成品，其烧结温度为1100～1200℃，烧结时间为2h；步骤五、表面层s1的制备：称取适量陶瓷釉料的原料，其组成为：19％的钾长石，4％的烧滑石，8％的方解石，11％的氮化铝，4％的球土，25％的烧高岭土，25％的熔块，1％的烧氧化锌，1％的烧氧化铝，将称量好的陶瓷釉料原料放入到球磨机中进行球磨，球磨时间2h，然后加入占釉料质量3％的葡萄糖，再次球磨1h，得到的釉浆施加在步骤四制备的陶瓷坯体上，经干燥后在1100～1200℃下烧结获得陶瓷板，优选地，烧成制度为常温～800℃，升温时长为15min，800℃～1200℃，升温时长为5min，1200℃保温15min，最后冷却20min，制备得到电热陶瓷板a。上述的一体压胚与烧结成型芦苇秸秆基碳纤维智能电热陶瓷板的制备方法，其特征在于，步骤二中所述芦苇秸秆基碳纤维的制备方法为：步骤201：将干燥的芦苇秸秆锯短，锯碎后每节长度约50～100cm；常压下，将芦苇秸秆加入含3g/l硅酸钠、6g/l亚硫酸钠和10g/l氢氧化钠的混合溶液，浴比为1︰40，煮练温度为70℃，煮练时间为100min；煮练结束后，用40℃的温水反复冲洗至中性；步骤202：常温下，将步骤201处理的芦苇秸秆浸泡在质量浓度为2g/l硫酸和2g/l盐酸的混合溶液中，浴比为1︰40，浸泡时间为30min；浸泡结束后，用40℃的温水反复冲洗至中性；步骤203：将步骤202处理的芦苇秸秆置于握持罗拉与喂给板之间，按照一定的速度喂入；从罗拉之间输出的芦苇秸秆经表面针刺高速穿刺、割裂和梳理，将芦苇秸秆变成芦苇秸秆纤维；将芦苇秸秆纤维经压滤机压滤处理，制备芦苇秸秆超细纤维，超细纤维的直径为50～100nm，超细纤维的长度为150nm～200mm；步骤204：将步骤203处理的纤维纺制成纱线；步骤205：将步骤204制备的芦苇秸秆基纤维纱线原丝在有氧气氛中进行预氧化，得到预氧化丝；优选地，所述原丝预氧化一般可分两阶段完成，第一氧化温度为200～240℃，氧化时间为50min；第二氧化温度为255～285℃，氧化时间为50min；步骤206：预氧化丝在无氧气氛中进行碳化，得到芦苇秸秆基碳纤维成品；优选地，所述预氧化丝的碳化一般可分为两个阶段完成，第一碳化温度为400～600℃，碳化时间为3min；第二碳化温度为900～1400℃，碳化时间为3min；步骤207：步骤206处理的纤维经过表面处理、上浆、干燥和卷绕制得芦苇秸秆基碳纤维成品。实施例2在本实施例中，一体成型芦苇秸秆基碳纤维智能电热陶瓷板采用如下方法制备而成，包括如下步骤：步骤一、微孔隔热基底层s3的制备：通过发泡工艺配置的微孔隔热基底层陶泥(粉)，然后平铺于胚体模具底层，其厚度为胚体模具总厚度的0.4，优选的，微孔隔热基底层陶泥(粉)料主要成分及含量为：50％的sio2，30％的tio2，15％的碳酸钙，5％的十二烷基磺酸钠；步骤二、芦苇秸秆基碳纤维发热层s2的制备：将芦苇秸秆基碳纤维直接铺设在微孔隔热基底层陶泥(粉)s3上，并用胚体粉料均匀覆盖，其施料厚度为胚体模具总厚度的0.6，平整后压胚；优选的，芦苇秸秆基碳纤维发热层s2陶泥(粉)料主要成分及含量为：40％的sio2，25％的al2o3，25％的炭黑，1.5％的fe2o3，4.5％的tio2，2％的cao及2％的mgo；步骤三、铺设方式与结构设计：芦苇秸秆基碳纤维的铺设方式如附图2所示，把芦苇秸秆基碳纤维以方环形绕线方式盘绕在微孔隔热基底层s3平面上；芦苇秸秆基碳纤维电热层中的温度传感器预留空腔及导线槽规格及设计如图3所示，针孔状温度传感器置于空腔内部，芦苇秸秆基碳纤维电热线的两端预埋至电极端子孔位置，并由外接铜丝导线沿导线槽连接至智能数据控制装置；步骤四、压胚与烧结成型：分层布料完成后，在模具中进行压胚或定型，其中粉料胚体压胚的压强为60mpa，压胚或定型完成后出模得半成品，干燥后放入窑炉烧结得到成品，其烧结温度为1300～1400℃，烧结时间为3h；步骤五、表面层s1的制备：称取适量陶瓷釉料的原料，其组成为：20％的钾长石，5％的烧滑石，7％的方解石，12％的氮化铝，3％的球土，25％的烧高岭土，26％的熔块，0.8％的烧氧化锌，1.2％的烧氧化铝，将称量好的陶瓷釉料原料放入到球磨机中进行球磨，球磨时间1h，然后加入占釉料质量2％的葡萄糖，再次球磨1h，得到的釉浆施加在步骤四制备的陶瓷坯体上，经干燥后在1300～1400℃下烧结获得陶瓷板，优选地，烧成制度为常温～800℃，升温时长为15min，800℃～1200℃，升温时长为5min，1200℃保温15min，最后冷却20min，制备得到电热陶瓷板b；上述的一体压胚与烧结成型芦苇秸秆基碳纤维智能电热陶瓷板的制备方法，其特征在于，步骤二中所述芦苇秸秆基碳纤维的制备方法为：步骤201：将干燥的芦苇秸秆锯短，锯碎后每节长度约60～90cm；常压下，将芦苇秸秆加入含4g/l硅酸钠、10g/l亚硫酸钠和5g/l氢氧化钠的混合溶液，浴比为1︰50，煮练温度为90℃，煮练时间为120min；煮练结束后，用50℃的温水反复冲洗至中性；步骤202：常温下，将步骤201处理的芦苇秸秆浸泡在质量浓度为1g/l硫酸和1g/l盐酸的混合溶液中，浴比为1︰30，浸泡时间为20min；浸泡结束后，用30℃的温水反复冲洗至中性；步骤203：将步骤202处理的芦苇秸秆置于握持罗拉与喂给板之间，按照一定的速度喂入；从罗拉之间输出的芦苇秸秆经表面针刺高速穿刺、割裂和梳理，将芦苇秸秆变成芦苇秸秆纤维；将芦苇秸秆纤维经压滤机压滤处理，制备芦苇秸秆超细纤维，超细纤维的直径为60～100nm，超细纤维的长度为150nm～250mm；步骤204：将步骤203处理的纤维纺制成纱线；步骤205：将步骤204制备的芦苇秸秆基纤维纱线原丝在有氧气氛中进行预氧化，得到预氧化丝；优选地，所述原丝预氧化一般可分两阶段完成，第一氧化温度为200～240℃，氧化时间为30min；第二氧化温度为255～285℃，氧化时间为50min；步骤206：预氧化丝在无氧气氛中进行碳化，得到芦苇秸秆基碳纤维成品；优选地，所述预氧化丝的碳化一般可分为两个阶段完成，第一碳化温度为400～600℃，碳化时间为5min；第二碳化温度为900～1400℃，碳化时间为4min；步骤207：步骤206处理的纤维经过表面处理、上浆、干燥和卷绕制得芦苇秸秆基碳纤维成品。实施例3本实施例为对比实施例，采用市场采购的碳纤维作为发热元件，采购的碳纤维的用量与芦苇秸秆基碳纤维的用量相同，采用实施例2的方法制备电热陶瓷板，具体步骤如下：步骤一、微孔隔热基底层s3的制备：通过发泡工艺配置的微孔隔热基底层陶泥(粉)，然后平铺于胚体模具底层，其厚度为胚体模具总厚度的0.4，优选的，微孔隔热基底层陶泥(粉)料主要成分及含量为：50％的sio2，30％的tio2，15％的碳酸钙，5％的十二烷基磺酸钠；步骤二、碳纤维发热层s2的制备：将采购的碳纤维直接铺设在微孔隔热基底层陶泥(粉)s3上，并用胚体粉料均匀覆盖，其施料厚度为胚体模具总厚度的0.6，平整后压胚；优选的，碳纤维发热层s2陶泥(粉)料主要成分及含量为：40％的sio2，25％的al2o3，25％的炭黑，1.5％的fe2o3，4.5％的tio2，2％的cao及2％的mgo；步骤三、铺设方式与结构设计：碳纤维的铺设方式如附图2所示，把芦苇秸秆基碳纤维以方环形绕线方式盘绕在微孔隔热基底层s3平面上；芦苇秸秆基碳纤维电热层中的温度传感器预留空腔及导线槽规格及设计如图3所示，针孔状温度传感器置于空腔内部，碳丝束电热线的两端预埋至电极端子孔位置，并由外接铜丝导线沿导线槽连接至智能数据控制装置；步骤四、压胚与烧结成型：分层布料完成后，在模具中进行压胚或定型，其中粉料胚体压胚的压强为60mpa，压胚或定型完成后出模得半成品，干燥后放入窑炉烧结得到成品，其烧结温度为1300～1400℃，烧结时间为3h；步骤五、表面层s1的制备：称取适量陶瓷釉料的原料，其组成为：20％的钾长石，5％的烧滑石，7％的方解石，12％的氮化铝，3％的球土，25％的烧高岭土，26％的熔块，0.8％的烧氧化锌，1.2％的烧氧化铝，将称量好的陶瓷釉料原料放入到球磨机中进行球磨，球磨时间1h，然后加入占釉料质量2％的葡萄糖，再次球磨1h，得到的釉浆施加在步骤四制备的陶瓷坯体上，经干燥后在1300～1400℃下烧结获得陶瓷板，优选地，烧成制度为常温～800℃，升温时长为15min，800℃～1200℃，升温时长为5min，1200℃保温15min，最后冷却20min，制备得到电热陶瓷板c；性能评价实施例：发热性能参数检测：根据预先设计的胚体模具，实施例1～3制得3种规格的陶瓷板小样品，分别为电热陶瓷板a、b和c，其厚度为8～10mm，面积为50mm*40mm。经检测，烧结成陶瓷板后碳丝发热导线的电阻为5.0～40.0ω之间，复合实验预期。测试电热陶瓷板a、b和c的发热性能。使用flirone红外相机与稳压电源对所制得的材料电热转换性能进行了表征。将烧制形成的陶瓷板碳丝束两端接上7.5～12v的恒定电源(电流0.5～1.5a)，并使用红外热成像相机对材料表面的温度进行实时测量，测试结果如表1所示：表1实施例1～3制备的电热陶瓷板a、b和c在不同的通电时间的表面温度通电时间电热陶瓷板a电热陶瓷板b电热陶瓷板c30～45秒40.6℃41.4℃38.1℃80～100秒75.3℃74.9℃71.8℃2～3分钟102.6℃103.8℃100.7℃由表1可知，陶瓷板的表面温度随着通电时间的增加而增加，热量由碳丝束的中心向两侧扩散，其中，电热陶瓷板a在通电30～45秒之后表面温度可以达到40.6℃，在持续通电80～100秒后，样品的表面温度达到了75.3℃，而2～3分钟后样品的表面温度达到了102.6℃。电热陶瓷板b和电热陶瓷板a在相同的通电时间时，其表面温度与电热陶瓷板a的表面温度十分接近。电热陶瓷板c的表面温度在相同的通电时间时略低于电热陶瓷板a和b，这表明，本发明制备的芦苇秸秆基碳纤维的发热与传热效率略高于市场采购的碳纤维。当前第1页12