一種柔性與發(fā)射率均可調(diào)的碳纖維發(fā)熱體及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種碳纖維發(fā)熱體及其制備技術(shù)，具體涉及一種柔性與發(fā)射率均可調(diào)的碳纖維發(fā)熱體及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電加熱是目前工業(yè)或民用加熱應(yīng)用最為廣泛的加熱形式，而電熱元件是電加熱設(shè)備的主要工作部件。目前應(yīng)用在電加熱元件中的發(fā)熱體因加熱溫度的要求不同，可分為低溫、中溫和高溫三個(gè)等級(jí)，而采用的加熱原理也分為熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種。目前應(yīng)用在工業(yè)和民用加熱領(lǐng)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(fā)熱體通常為金屬材質(zhì)和陶瓷材質(zhì)，相對(duì)而言，由于陶瓷材質(zhì)的表面發(fā)射率較高因此其熱輻射效果相對(duì)較好。但是陶瓷發(fā)熱體硬度和脆性較大，加工通常采用燒結(jié)的方式相對(duì)較為困難，此外輻射加熱設(shè)備成型過程中也存在設(shè)計(jì)和裝配的難度。
[0003]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(zhì)的表面法向總發(fā)射率可達(dá)到0.9以上，接近絕對(duì)黑體，其電熱輻射轉(zhuǎn)換效率和熱輻射加熱效率都非常高。同時(shí)，碳纖維還是一種柔性材料，具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、高溫環(huán)境雜質(zhì)釋放量少等優(yōu)異特性，用碳纖維作為輻射發(fā)熱體進(jìn)行電熱輻射設(shè)備的制造，特別適合工業(yè)加熱、民用取暖、低溫烘烤設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域。
[0004]目前采用碳纖維作為發(fā)熱體的熱輻射加熱設(shè)備的通用性較強(qiáng)，而不同受熱材質(zhì)的熱輻射機(jī)理存在多樣性和特殊性，陶瓷材質(zhì)主要靠晶格振動(dòng)實(shí)現(xiàn)熱輻射能量傳遞，金屬材質(zhì)靠電子運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)能量傳遞，這就需要制備不同結(jié)構(gòu)的碳纖維來調(diào)整其晶格振動(dòng)最強(qiáng)輻射區(qū)，以適應(yīng)不同材質(zhì)的輻射熱交換特性。而目前根據(jù)輻射機(jī)理進(jìn)行的匹配性加熱體制備仍無成熟產(chǎn)品，要達(dá)到不同材質(zhì)針對(duì)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(shè)備是達(dá)不到的，不同材質(zhì)的結(jié)構(gòu)不同，受熱特性不同，因此一種發(fā)熱體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的熱輻射無法適應(yīng)各種各樣的受熱物質(zhì)結(jié)構(gòu)。要實(shí)現(xiàn)匹配式加熱，就需要根據(jù)不同物質(zhì)的熱輻射機(jī)理，通過分析不同受熱體的原子或分子共振特性，設(shè)計(jì)特定結(jié)構(gòu)的碳纖維發(fā)熱體，以達(dá)到最理想的加熱效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)熱輻射加熱的匹配性要求，以達(dá)到最佳加熱效果，本發(fā)明提供了一種柔性與發(fā)射率均可調(diào)的碳纖維發(fā)熱體及其制備方法，該方法制備的發(fā)熱體能夠滿足不同異形輻射加熱設(shè)備的需要。該碳纖維發(fā)熱體可柔性彎曲并且具有一定彈性和韌性，針對(duì)不同加熱對(duì)象可以在發(fā)熱體加工過程中通過特種定型膠的涂覆實(shí)現(xiàn)特定波段的法向光譜發(fā)射率和法向總發(fā)射率調(diào)節(jié)。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0007]—種柔性與發(fā)射率均可調(diào)的碳纖維發(fā)熱體的制備方法，步驟如下:
[0008](1)根據(jù)所需的加熱功率計(jì)算碳纖維長絲用量(具體計(jì)算過程:首先根據(jù)發(fā)熱功率，通過歐姆定律計(jì)算發(fā)熱體的電阻，之后根據(jù)碳纖維單位長度的電阻值確定所需碳纖維發(fā)熱體的長度，其中單位長度碳纖維的電阻值根據(jù)不同的編織工藝而定)；
[0009](2)將步驟(1)中的纖維長絲進(jìn)行編織處理；
[0010](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(shí)通電的方式，通電時(shí)間控制在1-5秒)；
[0011](4)在步驟(3)處理后的編織纖維表面涂覆定型膠，烘干后，對(duì)編織纖維進(jìn)行炭晶化處理即形成柔性與發(fā)射率均可調(diào)的碳纖維發(fā)熱體。
[0012]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(jìn)行繩狀編織時(shí)對(duì)碳纖維長絲進(jìn)行加捻處理，捻度根據(jù)發(fā)熱體的電阻要求和加熱設(shè)備的外型要求靈活調(diào)節(jié)，加捻后的碳纖維長絲進(jìn)行合股處理，合股數(shù)根據(jù)電阻要求可調(diào)；繩狀編織時(shí)碳纖維選用T300、T700、T800中的任意一種。優(yōu)點(diǎn):編織狀碳纖維長絲具有一定的韌性和彈性，并且可以根據(jù)受熱對(duì)象的外型要求靈活調(diào)節(jié)長度和編織結(jié)構(gòu)形式。
[0013]所述步驟(3)中采用瞬時(shí)通電方式除去上漿劑，選用可控硅調(diào)壓器進(jìn)行除膠通電的電壓調(diào)節(jié)，具體電壓值根據(jù)發(fā)熱體的電阻值靈活調(diào)節(jié)，瞬時(shí)通電時(shí)間在1-5，優(yōu)選3-5秒。如圖2。優(yōu)點(diǎn):該方式能夠徹底去除成品纖維絲束涂覆的上漿劑。
[0014]所述步驟(4)中定型膠為熱固性樹脂為基材，配入納米級(jí)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(yōu)點(diǎn):納米填料可均勻滲透至纖維絲束內(nèi)部，形成均勻高效輻射體。
[0015]所述熱固性樹脂為環(huán)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。
[0016]所述步驟(4)中的烘干溫度在50-70°C進(jìn)行，時(shí)間為5-10min。優(yōu)點(diǎn):保證快速烘干的同時(shí)，不破壞編織纖維。
[0017]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(jù)受熱體的雜質(zhì)揮發(fā)量要求而定，在1300-2350°C之間可調(diào)，處理時(shí)間在5-30min之間可調(diào)。優(yōu)點(diǎn):整個(gè)過程在真空環(huán)境中進(jìn)行，熱處理溫度較高可有效降低碳纖維發(fā)熱體在高溫發(fā)熱過程中的雜質(zhì)揮發(fā)量，保證加熱環(huán)境的潔凈度和無塵化。
[0018]上述方法制備的發(fā)熱體，所述發(fā)熱體在電加熱設(shè)備中的應(yīng)用。
[0019]本發(fā)明的有益效果是:
[0020]本發(fā)明方法通過各步驟之間的協(xié)同配合作用，制備的發(fā)熱體具有柔性和發(fā)射率均可調(diào)的特點(diǎn)，同時(shí)步驟簡單，易于操作。
[0021]本發(fā)明制備的碳纖維柔性發(fā)熱體，采用繩狀或帶狀結(jié)構(gòu)，編織狀碳纖維長絲具有一定的韌性和彈性，并且可以根據(jù)受熱對(duì)象的外型要求靈活調(diào)節(jié)長度和編織結(jié)構(gòu)形式。
[0022]本發(fā)明采用輻射定型膠對(duì)碳纖維編織絲進(jìn)行涂覆處理，通過定型膠實(shí)現(xiàn)發(fā)射率可調(diào)，達(dá)到對(duì)不同受熱對(duì)象的匹配式加熱效果，整個(gè)涂覆及烘干過程可連續(xù)進(jìn)行，生產(chǎn)效率較尚ο
[0023]本發(fā)明采用高真空炭晶化高溫處理，整個(gè)過程在真空環(huán)境中進(jìn)行，熱處理溫度較高可有效降低碳纖維發(fā)熱體在高溫發(fā)熱過程中的雜質(zhì)揮發(fā)量，保證加熱環(huán)境的潔凈度和無塵化。
【附圖說明】
[0024]圖1是碳纖維編織處理后的示意圖，其中包括繩狀編織結(jié)構(gòu)(a