專利名稱：紅外線發(fā)熱紙及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于導電發(fā)熱用材料的制備技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種利用聚丙烯腈增強碳纖維作為導電材料而生產(chǎn)的紅外線發(fā)熱紙及其生產(chǎn)方法。
電加熱元件的研究在近年來有了很多新的發(fā)展，特別是在電阻絲、電熱管及印刷板加熱之后，又研究出金屬導電鍍膜以及長碳纖維導電束，短碳纖維導電紙等新的電熱元件。尤其是短碳纖維導電紙，是以紙漿為基體，混入碳纖維作為導電相制成的一種面狀導電體，具有加熱均勻、無污染、使用方便體積小等特點。但目前資料上所公開的短碳纖維導電發(fā)熱紙只是將碳纖維直接分散于紙漿中，其紅外輻射只是自身碳纖維的，紅外波段8-15μm，而輻射熱不能提高，其原因是它沒有波段調(diào)整，不存在遠紅外地集波功能和加熱功能，且耐老化程度差，壽命不超過1萬小時。原因是它只具備碳纖維的自身功能耐溫、抗老化，但當樹脂老化以后碳纖維即灰化，變?yōu)榛曳葜鹉杲档汀⒅饾u失去發(fā)熱功能。其發(fā)熱原理仍是靠碳纖維電阻發(fā)熱，因此節(jié)能效果不明顯，僅優(yōu)越于電阻絲的集中熱源和低溫輻射。
本發(fā)明的目的是提供一種利用聚丙烯腈增強碳纖維作為發(fā)熱材料而生產(chǎn)紅外線發(fā)熱紙及其生產(chǎn)方法，將碳纖維進行了紅外處理后再加入紙漿，制成新型的碳纖維紅外發(fā)熱紙，它既具有熱效率高、起動電流小、無污染、無噪音的優(yōu)點，又具有節(jié)約能源、抗老化性能好、壽命長的優(yōu)點，還具備了通過碳纖維的紅外熱輻射，來促進人體血液循環(huán)、增強細胞活力，提高人體保健功能的作用。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的其技術(shù)方案是(1)、先將所選用的紙漿、棉紙漿、纖維紙漿、麻漿或木漿塊進行打漿、并加入重量在1‰左右的隅氮二異丁腈發(fā)泡劑；通入蒸汽在130℃、壓力0．8Mpa下進行氣孔化，時間為1-2小時，制成空芯紙漿備用；(2)、取聚丙烯腈增強短碳纖維于反應(yīng)釜中進行堿法蒸煮即取氫氧化鈉和碳酸鈉以重量份數(shù)1．0∶5．0-10的比例混合，再加入70％重量的水于反應(yīng)釜中混勻，然后加入聚丙烯腈增強短碳纖維，在溫度為103-140℃、時間為1-2小時下進行堿法蒸煮；(3)、對聚丙烯腈增強短碳纖維進行鈍化處理將堿溶液放掉，然后加入適量的水、及一定量的遠紅外輻射劑、遠紅外穩(wěn)定劑、防腐劑、隔離劑、阻燃劑、波段調(diào)整劑和適量的5-6％濃度的稀硫酸，在常溫下攪拌90分鐘，然后再將溫度控制在80-145℃下攪拌60分鐘，使上述物質(zhì)吸附在短碳纖維上面，形成一層薄膜而成為紅外化碳纖維；(4)、鈍化處理后的短碳纖維經(jīng)水洗、分散后加入上述備用的空芯紙漿，空芯紙漿與紅外化碳纖維的重量份數(shù)比為1∶0．2-1．0，打漿6小時左右，然后在造紙機上，按常規(guī)造紙加工成成品紅外線發(fā)熱紙；上述的聚丙烯腈增強短碳纖維是指其長度為2mm、4mm、6mm、8mm各占25％左右的短碳纖維；紅外化碳纖維的組份及重量份數(shù)比為聚丙烯腈增強短碳纖維1．0、遠紅外輻射劑0．15-0．4、遠紅外穩(wěn)定劑0．04-0．1、防腐劑0．02-0．04、隔離劑0．02-0．04、阻燃劑0．02-0．04、波段調(diào)整劑0．002-0．005。
本發(fā)明的遠紅外輻射劑的組份及重量份數(shù)比為碳化硼1．0、碳化硅1．5-3．0、氧化亞銅0．8-1．5、氧化鉑1．6-3．0、五氧化二礬1．2-2．0。
本發(fā)明的遠紅外穩(wěn)定劑的組份及重量份數(shù)比為硫酸鉀鋁1．0、丙烯酸胺1．0-1．5、聚乙烯醇1．0-1．5、液體鋇鎘鋅復合穩(wěn)定劑1．0-1．5。
本發(fā)明的防腐劑為五氯聯(lián)苯、五氯酚鈉或苯駢咪唑氨基甲酸甲酯；本發(fā)明的隔離劑為松香樹脂、2-羥基-4-正辛氧基二苯甲酮或2-(2’-羥基-3’，5’-二叔丁基苯基)-5-氯代苯并三唑；本發(fā)明的阻燃劑為三氧化二銻、磷酸三丁酯、雙酚A、防老劑甲、四溴鄰苯二甲酸酐、氯化石蠟、氫氧化鋁、三氯乙基磷酸酯或十溴聯(lián)苯醚；本發(fā)明的波段調(diào)整劑的組份及重量份數(shù)比為碳化硼1．0、氧化鉑0．1-0．5。于
本發(fā)明還包括在上述波段調(diào)整劑的基礎(chǔ)上加入微量的氧化鋯或／和碳化硅。
本發(fā)明的原理與優(yōu)點是
1、聚丙烯腈增強碳纖維是由聚丙烯腈經(jīng)低溫至高溫逐步失水后的純碳化產(chǎn)物，其純度含碳量均大于99．99％，密度1．07g＼cm3，碳纖維直徑φ6．6-8μm，拉伸強度≥2．0Gpa，伸長率6‰；碳化溫度從150-300℃、350-450℃、450-600℃、650-800℃、800-1000℃至1100-1450℃。以碳纖維作骨架網(wǎng)路，空芯纖維紙漿為載體，形成導電紙漿，當電子由外部進入后，在不規(guī)則排列的碳纖維上，電子間相互撞擊和磨擦產(chǎn)生集波功能，故使發(fā)熱量提高，因此它體積小、此質(zhì)輕、安全，并且節(jié)約用電量。
2、本發(fā)明在紙漿中除加入聚丙烯腈增強碳纖維外還加入了遠紅外輻射材料。遠紅外線是介于可見光和微波之間，0．72-1000μm之間包括近紅外和遠紅外，波長在大于4μm的電磁波稱為遠紅外線，在碳纖維發(fā)熱紙中的遠紅外輻射材料隨溫度的提高而增加紅外線的輻射能量，而遠紅外線易于物體的吸收物質(zhì)分子吸收一定波長的紅外線能量產(chǎn)生共振，引起分子或原子的共振和轉(zhuǎn)動，從而使物體發(fā)熱，特別是有機物、高分子物質(zhì)、水份等，它們吸收遠紅外線的能力很強，能產(chǎn)生激烈的共振現(xiàn)象。從以上可見，加入遠紅外線材料后，可以明顯提高發(fā)熱程度，可以引起人體細胞的活動，從而起到保健作用。用來取暖、殺菌、健身都是極其有效的。
3、紅外線是一種光波，它與可見光的區(qū)別是波長不同，而在電場的作用下的紅外線傳播則是一種熱電磁波輻射，不同波段的熱磁輻射強度與輻射體性質(zhì)及其表面的狀況有關(guān)。而被加熱物體能夠吸收的波長與紅外輻射的波長相等時，就可以大量吸收紅外線，并且使內(nèi)部分子能級產(chǎn)生變換共振，從而升溫。對于高分子在機物質(zhì)，要使其能級改變，需滿足一定的條件，本發(fā)明在設(shè)計中對各種因素做了精細設(shè)計，效果顯著。
4、波段調(diào)整劑之所以節(jié)能，其原因如下眾所周知，白光通過棱鏡后能分出七色，因為可見光是復合頻譜組成的混波，同理，宏觀電熱材料產(chǎn)生熱輻射波也是一種復合頻譜組成的混波，其中有一些波長的烘干波、加熱波、生物理療波殺菌波及無用波等，集波功能的概念正是改變原有波段采取有效作用的波段即集波。眾所周知能量的守恒，若能使電熱輻射波都變成加熱目的的波段，其效率會大幅度提高，而本發(fā)明的電熱紙的發(fā)熱材料正是通過材料的配方變化及介質(zhì)的變化。幾何圖形的設(shè)定達到電熱輻射波集波目的，準確撐握電熱手段，實現(xiàn)工藝的內(nèi)在規(guī)律，并通過技術(shù)手段實現(xiàn)對材料追求最大電熱效率是關(guān)鍵。這種遠紅外電熱材料才能遵循焦爾楞次電熱轉(zhuǎn)換規(guī)律。碰撞磨擦生火生熱，即熱輻射波小于0．76μm，可見頻譜產(chǎn)生取決于運動物體的平均運動速度，即可實現(xiàn)價值功能；和無明火作功提高熱利用率，無疑熱輻射強度與距離比的二次方成反比，若能將電熱輻射的距離縮短到原距離的1／2時，理論上的電耗可降低到原來耗電的1／4，故熱源無明火的特性，波段調(diào)整改變部分輻射的集波轉(zhuǎn)換為加熱環(huán)境與加熱產(chǎn)品提高熱加工產(chǎn)品率，多功能多品種賦予了節(jié)電能力，集波功能的特性為提供節(jié)電提出了理論依據(jù)。
5、本發(fā)明由于將紙漿先加工成車空芯紙漿，因此相對增低成本均勻分地散到紙漿內(nèi)部；同時增大透氣率，降低水份。而且通過空芯紙漿所加工成的紙制品在同等條件下其抗張指數(shù)、耐破指數(shù)、撕裂指數(shù)均比普通紙漿高出三倍左右，因此本發(fā)明的紅外線發(fā)熱紙永遠也不起層或起毛邊，各種物理、化學性能穩(wěn)定，其表面溫度均勻、恒定。
6、本發(fā)明的樣品經(jīng)過產(chǎn)品質(zhì)量檢驗機構(gòu)的全面檢測，性能優(yōu)良，其中熱效率達到99．99％，節(jié)電8．38％，使用壽命在3-5萬小時，時間可達30年。
下面將通過實例對本發(fā)明作進一步說明例1
(1)、先將所選用的木紙漿塊進行打漿、并加入重量在0．1‰左右的隅氮二異丁腈發(fā)泡劑；通入蒸汽在130℃、壓力0．8Mpa下進行氣孔化，時間為1-2小時，從而制成了空芯透氣的漿體纖維的空芯紙漿(技術(shù)指標見表1)備用；
(2)、取聚丙烯腈增強短碳纖維于反應(yīng)釜中進行堿法蒸煮即取氫氧化鈉20千克、碳酸鈉130千克混合，再加入350千克的水于反應(yīng)釜中混勻，然后加入聚丙烯腈增強短碳纖維400千克，該短碳纖維是指其長度為2mm、4mm、6mm、8mm各占25％左右的短碳纖維，在加熱溫度為115-130℃、時間為1．5小時下進行堿法蒸煮；
(3)、對聚丙烯腈增強短碳纖維進行鈍化(紅外化)處理將堿溶液放掉，然后加入適量的水、及遠紅外輻射劑90千克、遠紅外穩(wěn)定劑20千克、五氯聯(lián)苯15千克作為防腐劑、松香樹脂15千克作為隔離劑、磷酸三丁酯12千克作為阻燃劑、波段調(diào)整劑1千克和適量的5-6％濃度的稀硫酸(固化劑)，在常溫下攪拌90分鐘，然后再將溫度控制在80-145℃下攪拌60分鐘，使上述物質(zhì)吸附在短碳纖維上面，形成一層紅外保護薄膜的紅外化碳纖維，此時紅外化短碳纖維的重量在412-420千克范圍內(nèi)；
(4)、鈍化處理后的紅外化短碳纖維經(jīng)水洗、分散后加入上述備用的空芯紙漿，空芯紙漿與紅外化碳纖維的重量分別為1800千克和412-420千克范圍內(nèi)，打漿6小時左右，然后在造紙機上，按常規(guī)造紙加工成成品紅外線發(fā)熱紙約2212-2220千克，該紅外線發(fā)熱紙的技術(shù)指標詳見表2。
上述的遠紅外輻射劑90千克分別由碳化硼12千克、碳化硅24千克、氧化亞銅12千克、氧化鉑24千克及五氧化二礬18千克，在常溫常壓下經(jīng)充分混合后制成的；
上述的遠紅外穩(wěn)定劑20千克分別由硫酸鉀鋁4．5千克、丙烯酸胺5．5千克、聚乙烯醇5．5千克、液體鋇鎘鋅復合穩(wěn)定劑4．5千克，在常溫常壓下經(jīng)充分混合后制成的；
上述的波段調(diào)整劑1千克分別由碳化硼0．78千克、氧化鉑0．2千克及微量的氧化鋯0．02千克，在常溫常壓下經(jīng)充分混合后制成的。
空 芯 紙 漿 技 術(shù) 指 標
表1 執(zhí)行標準QB1674-93
聚丙烯腈增強纖維遠紅外發(fā)熱紙物理性能技術(shù)指標
表2 執(zhí)行標準Q／LFD、S(X)02、08-2000
例2
(1)、空芯紙漿的生產(chǎn)方法同于例1，只是選用纖維紙漿為原料；
(2)、堿法蒸煮的生產(chǎn)工藝也同于例1；
(3)、對聚丙烯腈增強短碳纖維進行鈍化(紅外化)處理將堿溶液放掉，然后加入適量的水、及遠紅外輻射劑120千克、遠紅外穩(wěn)定劑18千克、駢咪唑氨基甲酸甲酯10千克作為防腐劑、2-羥基-4-正辛氧基二苯甲酮12千克作為隔離劑、四溴鄰苯二甲酸酐13千克作為阻燃劑、波段調(diào)整劑1．3千克和適量的5-6％濃度的稀硫酸，在常溫下攪拌90分鐘，然后再將溫度控制在110-140℃下攪拌60分鐘，使上述物質(zhì)吸附在短碳纖維上面，形成一層紅外保護薄膜的紅外化碳纖維，此時紅外化短碳纖維的重量也在412-420千克范圍內(nèi)；
(4)、鈍化處理后的紅外化短碳纖維經(jīng)水洗、分散后加入上述備用的空芯紙漿，空芯紙漿與紅外化碳纖維的重量分別為1200千克和412-420千克范圍內(nèi)，打漿6小時左右，然后在造紙機上，按常規(guī)造紙加工成成品紅外線發(fā)熱紙約1612-1620千克，該紅外線發(fā)熱紙的技術(shù)指標與例1基本相同。
上述的遠紅外輻射劑120千克分別由碳化硼22千克、碳化硅28千克、氧化亞銅15千克、氧化鉑30千克及五氧化二礬25千克，在常溫常壓下經(jīng)充分混合后制成的；
上述的遠紅外穩(wěn)定劑18千克分別由硫酸鉀鋁4．5千克、丙烯酸胺4．5千克、聚乙烯醇4．5千克、液體鋇鎘鋅復合穩(wěn)定劑4．5千克，在常溫常壓下經(jīng)充分混合后制成的；
上述的波段調(diào)整劑1．3千克分別由碳化硼0．88千克、氧化鉑0．4千克及碳化硅0．02千克，在常溫常壓下經(jīng)充分混合后制成的。
本發(fā)明的紅外線發(fā)熱紙經(jīng)5DS傅立葉變換紅外光譜儀(美國NICOLET公司)及其光譜比輻射率測量附件，光譜范圍4600cm-1-400cm-1，波度精度0．01cm-1，分辨率4cm-1，噪聲＜0．7％，附件噪聲＜3％及JD-黑體爐進行測試，其測試結(jié)果在8-15μm遠紅外波段法向發(fā)射率為79以上。
下面將本發(fā)明的紅外線發(fā)熱紙與在同等條件下，利用普通未經(jīng)空芯加工的紙漿和聚丙烯腈增強短碳纖維生產(chǎn)的碳纖維復合發(fā)熱紙進行下列對比實驗(表3-表11)。
表3低溫實驗
結(jié)論平均溫度-22℃、實驗時間5．5個月，本發(fā)明優(yōu)良，復合發(fā)熱紙不合格。
表4高溫交叉連續(xù)實驗
結(jié)論平均溫度121-141℃、實驗時間7個月，本發(fā)明通電加熱優(yōu)良，復合發(fā)熱紙產(chǎn)生微熱，不合格。
表5 沖擊實驗
表6沖擊碰撞實驗
表7振動實驗
表8溫度實驗條件
表9陽光輻射實驗
表10霉菌實驗
表11腐蝕實驗
通過上述的所有實驗結(jié)果表明，在同等條件下各項指標綜合對比，在使用壽命上本發(fā)明的紅外線發(fā)熱紙比碳纖維復合發(fā)熱紙熱效率高3．5倍。
權(quán)利要求
1、一種利用聚丙烯腈增強碳纖維作為紅外熱源的紅外線發(fā)熱紙，其特征是以空芯紙漿為基體，再填加紅外化碳纖維充分混勻后制成，空芯紙漿與紅外化碳纖維的重量份數(shù)比為1∶0．2-1．0；紅外化碳纖維的組份及重量份數(shù)比為聚丙烯腈增強短碳纖維1．0、遠紅外輻射劑0．15-0．4、遠紅外穩(wěn)定劑0．04-0．1、防腐劑0．02-0．04、隔離劑0．02-0．04、阻燃劑0．02-0．04、波段調(diào)整劑0．002-0．005。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外線發(fā)熱紙，其特征在于空芯紙漿是將所選用的紙漿、棉紙漿、纖維紙漿、麻漿、木漿塊進行打漿、并加入重量在0．1‰左右的隅氮二異丁腈發(fā)泡劑；通入蒸汽在130℃、壓力0．8Mpa下進行氣孔化，時間為1-2小時。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外線發(fā)熱紙，其特征在于聚丙烯腈增強短碳纖維的長度為2mm、4mm、6mm、8mm各占25％左右。
4、一種利用聚丙烯腈增強碳纖維作為紅外熱源的紅外線發(fā)熱紙生產(chǎn)方法，其特征是(1)、先將所選用的紙漿、棉紙漿、纖維紙漿、麻漿或木漿塊進行打漿、并加入重量在0．1‰左右的隅氮二異丁腈發(fā)泡劑；通入蒸汽在130℃、壓力0．8Mpa下進行氣孔化，時間為1-2小時，制成空芯紙漿備用；(2)、取聚丙烯腈增強短碳纖維于反應(yīng)釜中進行堿法蒸煮即取氫氧化鈉和碳酸鈉以重量份數(shù)1．0∶5．0-10的比例混合，再加入70％重量的水于反應(yīng)釜中混勻，然后加入聚丙烯腈增強短碳纖維，在溫度為103-140℃、時間為1-2小時下進行堿法蒸煮；(3)、對聚丙烯腈增強短碳纖維進行鈍化處理將堿溶液放掉，然后加入適量的水、及一定量的遠紅外輻射劑、遠紅外穩(wěn)定劑、防腐劑、隔離劑、阻燃劑、波段調(diào)整劑和適量的5-6％濃度的稀硫酸，在常溫下攪拌90分鐘，然后再將溫度控制在80-145℃下攪拌60分鐘，使上述物質(zhì)吸附在短碳纖維上面，形成一層薄膜而成為紅外化碳纖維；(4)、鈍化處理后的短碳纖維經(jīng)水洗、分散后加入上述備用的空芯紙漿，空芯紙漿與紅外化碳纖維的重量份數(shù)比為1∶0．2-1．0，打漿6小時左右，然后在造紙機上，按常規(guī)造紙加工成成品紅外線發(fā)熱紙；上述的聚丙烯腈增強短碳纖維是指其長度為2mm、4mm、6mm、8mm各占25％左右的短碳纖維；紅外化碳纖維的組份及重量份數(shù)比為聚丙烯腈增強短碳纖維1．0、遠紅外輻射劑0．15-0．4、遠紅外穩(wěn)定劑0．04-0．1、防腐劑0．02-0．04、隔離劑0．02-0．04、阻燃劑0．02-0．04、波段調(diào)整劑0．002-0．005。
5、根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的紅外線發(fā)熱紙和紅外線發(fā)熱紙的生產(chǎn)方法；其特征在于遠紅外輻射劑的組份及重量份數(shù)比為碳化硼1．0、碳化硅1．5-3．0、氧化亞銅0．8-1．5、氧化鉑1．6-3．0、五氧化二礬1．2-2．0。
6、根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的紅外線發(fā)熱紙和紅外線發(fā)熱紙的生產(chǎn)方法；其特征在于遠紅外穩(wěn)定劑的組份及重量份數(shù)比為硫酸鉀鋁1．0、丙烯酸胺1．0-1．5、聚乙烯醇1．0-1．5、液體鋇鎘鋅復合穩(wěn)定劑1．0-1．5。
7、根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的紅外線發(fā)熱紙和紅外線發(fā)熱紙的生產(chǎn)方法；其特征在于防腐劑為五氯聯(lián)苯、五氯酚鈉或苯駢咪唑氨基甲酸甲酯。
8、根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的紅外線發(fā)熱紙和紅外線發(fā)熱紙的生產(chǎn)方法；其特征在于隔離劑為松香樹脂、2-羥基-4-正辛氧基二苯甲酮或2-(2’-羥基-3’，5’-二叔丁基苯基)-5-氯代苯并三唑。
9、根據(jù)權(quán)利要求10所述的紅外線發(fā)熱紙和紅外線發(fā)熱紙的生產(chǎn)方法；其特征在于阻燃劑為三氧化二銻、磷酸三丁酯、雙酚A、防老劑甲、四溴鄰苯二甲酸酐、氯化石蠟、氫氧化鋁、三氯乙基磷酸酯或十溴聯(lián)苯醚。
10、根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的紅外線發(fā)熱紙和紅外線發(fā)熱紙的生產(chǎn)方法，其特征在于波段調(diào)整劑的組份及重量份數(shù)比為碳化硼1．0、氧化鉑0．1-0．5。
11、根據(jù)權(quán)利要求10所述的紅外線發(fā)熱紙和紅外線發(fā)熱紙的生產(chǎn)方法，其特征在于波段調(diào)整劑中還可加入微量的氧化鋯或／和碳化硅。
全文摘要
一種利用聚丙烯腈增強碳纖維作為紅外熱源的紅外線發(fā)熱紙,其特征是以空芯紙漿為基體,再加入一定量的并帶有紅外化保護膜的短碳纖維充分混勻后制成,紅外化保護膜是由一定量的遠紅外輻射劑、遠紅外穩(wěn)定劑、防腐劑、隔離劑、阻燃劑、波段調(diào)整劑經(jīng)加工而成的。本發(fā)明由于將碳纖維進行了紅外處理后再加入紙漿,制成新型的碳纖維紅外發(fā)熱紙,它既具有熱效率高、起動電流小、無污染、無噪音的優(yōu)點,又具有節(jié)約能源、抗老化性能好、壽命長的優(yōu)點,還具備了通過碳纖維的紅外熱輻射,來促進人體血液循環(huán)、增強細胞活力,提高人體保健功能的作用。
文檔編號H05B3/10GK1295152SQ00123359
公開日2001年5月16日 申請日期2000年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月5日
發(fā)明者劉磊, 劉玉珍, 韓玉龍, 劉立志, 高敏 申請人:劉磊