本發明專利技術公開了一種柔性與發射率均可調的碳纖維發熱體及其制備方法，制備方法為將碳纖維長絲進行編織處理加工成繩狀或帶狀形式，利用碳纖維的導電性通過瞬時通電除去纖維表面的上漿劑，之后在編織后的碳纖維繩或帶表面涂覆紅外輻射定型膠，在均勻涂覆定型膠之后進行快速烘干處理，最后對碳纖維繩或帶進行炭晶化處理形成柔性輻射發熱體。所制備的發熱體可柔性彎曲并且具有一定彈性和韌性，針對不同加熱對象可以在發熱體加工過程中通過特種定型膠的涂覆實現特定波段的法向光譜發射率和法向總發射率調節。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種碳纖維發熱體及其制備技術，具體涉及。
技術介紹
電加熱是目前工業或民用加熱應用最為廣泛的加熱形式，而電熱元件是電加熱設備的主要工作部件。目前應用在電加熱元件中的發熱體因加熱溫度的要求不同，可分為低溫、中溫和高溫三個等級，而采用的加熱原理也分為熱傳導、熱對流和熱輻射三種。目前應用在工業和民用加熱領域的主要是熱輻射加熱，這種加熱形式的熱效率高、受熱深度較大，加熱效果較為均勻。目前熱輻射加熱所用的發熱體通常為金屬材質和陶瓷材質，相對而言，由于陶瓷材質的表面發射率較高因此其熱輻射效果相對較好。但是陶瓷發熱體硬度和脆性較大，加工通常采用燒結的方式相對較為困難，此外輻射加熱設備成型過程中也存在設計和裝配的難度。碳纖維是一種含碳量在93%以上的纖維狀碳材料，該纖維材質的表面法向總發射率可達到0.9以上，接近絕對黑體，其電熱輻射轉換效率和熱輻射加熱效率都非常高。同時，碳纖維還是一種柔性材料，具有高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、高溫環境雜質釋放量少等優異特性，用碳纖維作為輻射發熱體進行電熱輻射設備的制造，特別適合工業加熱、民用取暖、低溫烘烤設備等多個領域。目前采用碳纖維作為發熱體的熱輻射加熱設備的通用性較強，而不同受熱材質的熱輻射機理存在多樣性和特殊性，陶瓷材質主要靠晶格振動實現熱輻射能量傳遞，金屬材質靠電子運動實現能量傳遞，這就需要制備不同結構的碳纖維來調整其晶格振動最強輻射區，以適應不同材質的輻射熱交換特性。而目前根據輻射機理進行的匹配性加熱體制備仍無成熟產品，要達到不同材質針對性加熱的目的，僅靠通用性的黑體特性或灰體特性的加熱設備是達不到的，不同材質的結構不同，受熱特性不同，因此一種發熱體的物質結構所產生的熱輻射無法適應各種各樣的受熱物質結構。要實現匹配式加熱，就需要根據不同物質的熱輻射機理，通過分析不同受熱體的原子或分子共振特性，設計特定結構的碳纖維發熱體，以達到最理想的加熱效果。
技術實現思路
針對熱輻射加熱的匹配性要求，以達到最佳加熱效果，本專利技術提供了，該方法制備的發熱體能夠滿足不同異形輻射加熱設備的需要。該碳纖維發熱體可柔性彎曲并且具有一定彈性和韌性，針對不同加熱對象可以在發熱體加工過程中通過特種定型膠的涂覆實現特定波段的法向光譜發射率和法向總發射率調節。為了實現上述目的，本專利技術采用如下技術方案:—種柔性與發射率均可調的碳纖維發熱體的制備方法，步驟如下:(1)根據所需的加熱功率計算碳纖維長絲用量(具體計算過程:首先根據發熱功率，通過歐姆定律計算發熱體的電阻，之后根據碳纖維單位長度的電阻值確定所需碳纖維發熱體的長度，其中單位長度碳纖維的電阻值根據不同的編織工藝而定)；(2)將步驟(1)中的纖維長絲進行編織處理；(3)除去步驟(2)中編織纖維表面的上漿劑(去除方式:通過瞬時通電的方式，通電時間控制在1-5秒)；(4)在步驟(3)處理后的編織纖維表面涂覆定型膠，烘干后，對編織纖維進行炭晶化處理即形成柔性與發射率均可調的碳纖維發熱體。所述步驟⑵中的編織為繩狀如圖1 (a)或帶狀編織如圖1 (b)。其中進行繩狀編織時對碳纖維長絲進行加捻處理，捻度根據發熱體的電阻要求和加熱設備的外型要求靈活調節，加捻后的碳纖維長絲進行合股處理，合股數根據電阻要求可調；繩狀編織時碳纖維選用T300、T700、T800中的任意一種。優點:編織狀碳纖維長絲具有一定的韌性和彈性，并且可以根據受熱對象的外型要求靈活調節長度和編織結構形式。所述步驟(3)中采用瞬時通電方式除去上漿劑，選用可控硅調壓器進行除膠通電的電壓調節，具體電壓值根據發熱體的電阻值靈活調節，瞬時通電時間在1-5，優選3-5秒。如圖2。優點:該方式能夠徹底去除成品纖維絲束涂覆的上漿劑。所述步驟(4)中定型膠為熱固性樹脂為基材，配入納米級碳化硅高輻射填料，納米填料粒徑在10-50nm之間，填料加入量10-50% (重量比例)，涂覆后編織狀碳纖維長絲的含膠量在10-40% (重量比例)。優點:納米填料可均勻滲透至纖維絲束內部，形成均勻高效輻射體。所述熱固性樹脂為環氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂、熱固性聚氨酯中的一種或多種。所述步驟(4)中的烘干溫度在50-70°C進行，時間為5-10min。優點:保證快速烘干的同時，不破壞編織纖維。所述步驟(4)中的炭晶化處理，采用真空高溫石墨爐，處理溫度根據受熱體的雜質揮發量要求而定，在1300-2350°C之間可調，處理時間在5-30min之間可調。優點:整個過程在真空環境中進行，熱處理溫度較高可有效降低碳纖維發熱體在高溫發熱過程中的雜質揮發量，保證加熱環境的潔凈度和無塵化。上述方法制備的發熱體，所述發熱體在電加熱設備中的應用。本專利技術的有益效果是:本專利技術方法通過各步驟之間的協同配合作用，制備的發熱體具有柔性和發射率均可調的特點，同時步驟簡單，易于操作。本專利技術制備的碳纖維柔性發熱體，采用繩狀或帶狀結構，編織狀碳纖維長絲具有一定的韌性和彈性，并且可以根據受熱對象的外型要求靈活調節長度和編織結構形式。本專利技術采用輻射定型膠對碳纖維編織絲進行涂覆處理，通過定型膠實現發射率可調，達到對不同受熱對象的匹配式加熱效果，整個涂覆及烘干過程可連續進行，生產效率較尚ο本專利技術采用高真空炭晶化高溫處理，整個過程在真空環境中進行，熱處理溫度較高可有效降低碳纖維發熱體在高溫發熱過程中的雜質揮發量，保證加熱環境的潔凈度和無塵化。【附圖說明】圖1是碳纖維編織處理后的示意圖，其中包括繩狀編織結構(a當前第1頁1 2 本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種柔性與發射率均可調的碳纖維發熱體的制備方法，其特征是：步驟如下：(1)根據所需的加熱功率計算碳纖維長絲用量；(2)將步驟(1)中的纖維長絲進行編織處理；(3)除去步驟(2)中編織纖維表面的上漿劑；(4)在步驟(3)處理后的編織纖維表面涂覆定型膠，烘干后，對編織纖維進行炭晶化處理即形成柔性與發射率均可調的碳纖維發熱體。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：朱波，曹偉偉，蔡珣，王永偉，喬琨，高學平，趙圣堯，
申請(專利權)人：山東大學，
類型：發明
國別省市：山東;37
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