专利名称：导电发热无纺布及其制造方法
技术领域：
本发明是关于导电发热材料的制备技术，尤其是关于碳纤维导电发热无纺布及其制造方法。
众所周知，市场上的工业和民用的通电发热电暖器、加热器或保温器，其所采用的导电发热体，一般为红外灯管、金属电阻丝等导电发热体。这些导电发热体由于其电功率密度大、发热集中，因此，安全性欠佳。为了使红外灯管或金属电阻丝的导电发热遍及于所要求的面积范围内，往往需要在取暖或加热设施中多配置红外灯管或呈蛇形状的金属电阻丝，这不仅加大了设施的重量，增加成本，而且在使用中存在不安全因素。因而红外灯管和金属电阻丝这类的导电发热体在加热均匀性、热效率和安全性方面有明显的不足之处。
近年来，随着高功能碳纤维的不断开发和应用，市场上出现了克服上述导电发热体缺点的纸质碳纤维导电发热材料。这种纸质碳纤维导电发热材料的现有技术，1996年6月19日公开的中国专利CN 1124907 A披露。中国公开专利CN 1124907 A的导电发热用的碳纤维复合纸是由碳纤维为导电相，以纤维素浆粕为基体，碳纤维用分散剂水相分散，再与分散均匀的纤维混合，按常规的造纸工艺制备而成。但是，这种纸质碳纤维导电发热材料毕竟具有纸的一般属性，即其机械强度较低，尤其是耐热性较差，从而影响了其使用性能，特别是在使用期间电压向上波动较大的时候，其使用安全性方面尤为不足。
针对上述纸质碳纤维导电发热材料所存在的缺点，本发明提供一种电性能稳定、耐温等级较高、机械强度好的导电发热碳纤维无纺布材料。本发明的导电发热无纺布材料，是由合成纤维、导电相碳纤维和起粘合增强作用的纤维状粘合剂，采用湿法无纺布成型工艺技术制造而成。
在本发明中，所选用的一种合成纤维，可从聚酯纤维、聚酰胺纤维、丙纶纤维和维纶纤维等合成纤维中任选一种，其切短长度，一般为2mm～25mm，最好为5mm～15mm。
在本发明中，所选用的导电相碳纤维，可从聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶丝基碳纤维中任选一种。其切短长度一般为1mm～25mm，最好为3mm～12mm，其电阻率一般为3×10-3Ω·cm～9×10-3Ω·cm。碳含量≥95％。
在本发明中，由于合成纤维和碳纤维不仅其切短纤维长度较长，而且均为疏水性纤维原料，具有高度化学稳定性，因此这两种纤维原料在水中不易分散。本发明选用了既能分散合成纤维又能分散碳纤维的一种高分子聚合物分散剂，使得上述纤维原料在本发明的高分子聚合物分散剂水相中均匀分散不絮聚，从而获得利于成型的均匀分散的纤维混合物浆料。本发明所选用的高分子聚合物分散剂，是一种阴离子型聚丙烯酰胺分散剂，其加入量一般为2％～15％(重量计)，最好为5％～10％(重量计)。
在本发明中，采用湿法无纺布成型工艺技术，成型无纺布中的纤维间结合强度产生的原理与传统的植物纤维造纸有所不同，其不同之处在于上述纤维间的结合强度不是通过打浆处理获得，而是通过配加一种粘合剂以其粘结增强作用使纤维间具有良好的结合强度。本发明选用了纤维状粘合剂，如聚乙烯醇纤维、乙纶-丙纶纤维和低融点聚酯纤维等。其切短长度为2mm～8mm，其加入量为8％～20％范围(重量计)，最好在10％～15％范围(重量计)。
本发明的导电发热无纺布制造方法，包括选料、配料、混合、疏解分散、稀释、成形、压榨、干燥、卷取工序。本发明导电发热无纺布的制造方法如工艺流程图。
按照本发明的制造方法，先把选用的上述长度的一种合成纤维和纤维状粘合剂送入疏解机中并放入分散剂于水相中进行疏解与分散处理，而后再放入上述长度的碳纤维进行分散处理，配制成均匀分散混合物浆料，然后在普通的圆网纸机或长网纸机成型器上湿法成型无纺布，经吸风-压榨后，进入扬克式烘缸干燥、卷取，从而制得本发明导电发热无纺布，其定量一般为20g/m2～150g/m2，最好为40g/m2～100g/m2。碳纤维含量占无纺布重量的2％～50％，最好为10％～30％。
按照本发明制造方法所制得的导电发热无纺布，其表面平整，质地柔韧挺括，并具有良好机械强度性能和耐热性，用它作为导电发热体材料用时，由于材料整个面形成了导电通路，功率密度小，热效率高，热辐射好，不危害人体，安全可靠，因此用本发明碳纤维无纺布作导电发热体材料具有高热效率、发热均匀和使用安全方便的优点，特别是本发明的导电发热无纺布具有较纸质导电发热材料更高的耐热性和机械强度性能，这就允许作为导电发热体材料用的本发明碳纤维导电发热无纺布在电压超高波动条件下来使用，即该材料可耐受较大的功率密度。具体地说，纸质导电发热材料的功率密度必须控制在0.139w/cm2以下，而本发明的无纺布导电发热材料则可为0.16w/cm2～0.18w/cm2，甚至更高些，在这种功率密度下的本发明导电发热无纺布仍保持良好的导电发热性能，而且使用安全可靠。
将本发明的碳纤维导电发热无纺布加工制成外形尺寸为1080mm×770mm的壁画式电暖板，在电压220V下，在室温20℃条件下通电加热，电暖板表面温度升至80℃。
本发明的碳纤维导电发热无纺布，其应用范围广泛，并不断扩大。例如，作为导电发热体材料，广泛应用于工农业生产中的诸如电烤箱、电烘房的加热保温设备上，以及用于诸如厂房、剧场、居室、临建等各种场合的取暖设施，还可应用于医疗保健制品中。此外，通过对碳纤维在无纺布中含量的调整，还可制成电磁波屏蔽材料和抗静电材料。
实施例以下面实施例和对比例来说明本发明。
制备含量25％(重量计)沥青基碳纤维导电发热维纶纤维无纺布。
先将切短长度分别为6mm和4mm的维纶纤维和粘合剂型聚乙烯醇纤维一起投进含有占纤维重量的8％阴离子型聚丙烯酰胺分散剂的疏解机中，在水相中进行混合、疏解和分散处理，然后，再投入6mm长的沥青基碳纤维并进行疏解与分散处理，与维纶纤维和聚乙烯醇纤维粘合剂均匀混合成稳定的分散液，送进传统的圆网纸机或长网纸机网部，湿法成型无纺布，经吸风压榨后，进入扬克式烘缸进行干燥、卷取，从而制得定量为51g/m2，厚度为0.17mm的本发明导电发热无纺布。
对比例除了由叩解度为30°SR木浆来代替实施例中的合成纤维以及不配加纤维状粘合剂以外，其它的制备工序如同实施例，按照常规的抄纸方法来抄制出同实施例中的碳纤维含量的导电发热纸。
对本发明实施例导电发热无纺布和对比例导电发热纸的性能分别进行测定，其测定结果对比列于表1。
表1
从表1中看出，本发明湿法成型的导电发热无纺布比同碳纤维含量的导电发热纸具有更高的机械强度和更好的耐热性。获得如此良好效果的原因在于本发明选用了化学稳定性高、耐热较好的合成纤维作主体纤维，导电相为碳纤维并配加纤维状粘合剂，在烘缸干燥过程中，由于湿度与温度的共同作用使聚乙烯醇纤维状粘合剂融溶，致使无纺布中的组成纤维互相粘结，进而使纤维间产生了结合强度。
权利要求
1.作为导电发热体材料用的碳纤维导电发热材料，由作为导电相的碳纤维和纤维素纸浆为原料，碳纤维用分散剂在水相中分散，而后与纤维素纸浆混合，采用常规的抄纸技术而制成的一种碳纤维导电发热纸材料，本发明的特征在于碳纤维导电发热材料是由合成纤维、作为导电相的碳纤维和纤维状粘合剂为原料，在含有高分子聚合物分散剂的水相中混合、分散，采用湿法无纺布成型方法制成的一种碳纤维导电发热无纺布材料，导电相碳纤维占成型无纺布重量的百分比，一般为2％～50％，最好为10％～30％，成型的无纺布定量，一般为20g/m2～150g/m2，最好为40g/m2～100g/m2。
2.按照权利要求1所述的碳纤维导电发热材料，其特征在于作为原料用的合成纤维，导电相碳纤维和纤维状粘合剂，分别为，(1)合成纤维，这类合成纤维为聚酯纤维，聚酰胺纤维，丙纶纤维和维纶纤维等，可从中任选一种，其切短长度一般为2mm～25mm，最好为5mm～15mm，(2)作为导电相的碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维，沥青基碳纤维和粘胶丝基碳纤维，可从中任选一种，其切短长度一般为1mm～25mm，最好为3mm～12mm，其电阻率为3×10-3Ω·cm～9×10-3Ω·cm，碳含量≥95％，(3)纤维状粘合剂，这类粘合剂为聚乙烯醇纤维，乙纶-丙纶纤维和低融点聚酯纤维粘合剂，可从中任选一种，其切短纤维长度为2mm～8mm范围内。其加入量为8％～20％范围(重量计)，最好在10％～15％范围(重量计)。
3.按照权利要求1和2所述的碳纤维导电发热材料，其中合成纤维是一种维纶纤维，作为导电相碳纤维是一种沥青基碳纤维，纤维状粘合剂是一种聚乙烯醇纤维粘合剂。
4.按照权利要求1、2和3所述的碳纤维导电发热材料，其特征在于所选用的高分子聚合物分散剂是一种阴离子型聚丙烯酰胺，其加入量一般为2％～15％(重量计)，最好为5％～10％(重量计)。
5.一种制造权利要求1所述碳纤维导电发热材料的方法，包括选料，配料，混合，疏解分散，稀释，成型等工序，其特征在于在选料中，选用一种合成纤维，导电相碳纤维并配加纤维状粘合剂，在混合、疏解分散工序中，先将不经打浆处理的合成纤维和纤维状粘合剂于含分散剂的水相中进行混合和疏解分散处理，而后加入碳纤维，经疏解，混合分散而调成均匀的浆料，在常规圆网纸机或长网纸机上成型，通过吸风压榨、烘缸干燥工序而制成具有良好机械强度性能和耐热性的无纺布。
6.按照权利要求1至5的碳纤维导电发热无纺布材料，适于作为工业或民用的取暖，保温和加热设施上的面状导电发热体材料用，并可广泛应用在医疗保健用品上，以及作抗静电材料用。
全文摘要
本发明是关于碳纤维导电发热无纺布材料及其制造方法。该无纺布是由合成纤维、作为导电相碳纤维和纤维状粘合剂,经高分子聚合物分散剂水相分散、疏解和混合,采用湿法无纺布成型工艺制造而成。本发明的导电发热无纺布具有轻质、发热均匀、安全可靠和热效率高的特点,尤其较纸质导电发热材料强度高,且柔软、透气、耐温性好。可用于工业或家庭中的取暖、加热保温和保健的设施上。
文档编号H05B3/14GK1201358SQ97104369
公开日1998年12月9日 申请日期1997年5月29日 优先权日1997年5月29日
发明者张维茹, 韩明书, 丁文玉, 张晖 申请人:天津市轻工业造纸技术研究所