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11. 发明专利

TWI325902B 奈米碳素晶體材料及利用其製備電熱板的方法有权
简体标题：奈米碳素晶体材料及利用其制备电热板的方法
公开(公告)号：TWI325902B
公开(公告)日：2010-06-11
申请号：TW096140193
申请日：2007-10-26
申请人：潘欽陵 , 吳永順
发明人：潘欽陵 , 吳永順
IPC分类号： D01F , H05B
摘要：本發明提供一種奈米碳素晶體材料及利用其製備電熱板的方法，係為一種晶體材料及利用其製造面狀發熱體的方法；用以解決現有碳纖維電熱板表面升溫散熱不均勻、碳纖維與導電帶接觸不良、電絕緣性能差及工作壽命短的問題。而奈米碳素晶體材料是由占總重70~80%的丙烯腈基碳纖維、占總重1~5%的奈米碳纖維和占總重15~29%的碳素晶體所組成；且利用奈米碳素晶體材料與紙漿混合後，並添加粘性助劑，在加壓的條件下製備得到具有發熱性能均勻穩定、升溫快、電絕緣性能優良、工作壽命長的電熱板；再者，此製備電熱板的方法，工藝簡單、便於操作，可適於大規模生產來滿足生產和生活的需要。【創作特點】本發明的主要目的，係為了解決現有碳纖維電熱板表面升溫散熱不均勻、碳纖維與導電帶接觸不良、電絕緣性能差及工作壽命短的問題，而提供一種奈米碳素晶體材料及其製備電熱板的方法。
然而，先在此對碳素晶體進行簡單之說明；碳素在一定的條件下是一種優異的半導體材料，從理論上說無論其被切割成多小的顆粒，每一單體均應有正負電極，但實際上多數的碳素顆粒並不具備這些特點；當用特殊的工藝方法(在高溫、高壓環境中，經過球磨、軟化、提純、萃取等多道工序)由改性的碳素類材料，可提煉出純淨的大目數碳素晶體，而大量的碳素晶體在電場作用下做布朗運動(Brownian motion)，能夠相互摩擦、震盪，並產生大量的熱量，進而實現“電能→熱能”的轉換。
本發明的奈米碳素晶體材料是由占總重70~80%的丙烯腈基(Acrylonitrile)碳纖維、占總重1~5%的奈米碳纖維(carbon nanofibers)和占總重15~29%的碳素晶體所組成；其中，所述丙烯腈基碳纖維是由K數(每股含單纖數，K表1000)為10~15K、直徑為1~5 μm、長度分別為2~4mm和4.5~6mm的丙烯腈基碳纖維，按0.5~2：1的重量比予以組成；所述奈米碳纖維直徑為50~200nm；所述碳素晶體目數為400~1000目。
接著，利用前述奈米碳素晶體材料製備電熱板的方法，其步驟如下：一、奈米碳素晶體發熱紙的製備：a.按奈米碳素晶體材料與造紙用紙漿重量比為1：9~19的配比，將奈米碳素晶體材料摻到造紙用紙漿中，然後加入到分散劑的水溶液中形成碳纖維混合漿粕，其分散劑的用量為奈米碳素晶體材料重量的0.5~5%；b.將碳纖維混合漿粕加入裝有水溶性粘合劑溶液的高速均質機中，以800~2000rpm的速度打漿1~2小時，使漿粕的叩解度(打漿度)在35°~55°SR之間；c.將打漿處理後的碳纖維混合漿粕，使用具有50目抄紙網的造紙機，控制抄紙車速在10~15m/min，上毛布擠壓再上熱烘筒乾燥成型；二、玻璃纖維布浸膠片的製備：將混合塗料敷刷於25×16以上經緯的玻璃絲纖維布面之上，混合塗料為按1~5：4~8：1的重量比的酚醛樹脂、環氧樹脂與丙酮混合物，得到厚度為0.1~0.3mm玻璃纖維布浸膠片；三、奈米碳素晶體電熱板的製備：d.在鐵托板上先鋪設六層50克厚的牛皮紙，再舖上厚度為1~3mm的平整鐵板，然後在鐵板上塗抹脫模劑；e.在鐵板上鋪一層0.01~0.05mm厚的耐高壓聚乙烯膜，再在耐高壓聚乙烯膜上鋪裝飾紙；f.在裝飾紙上鋪設三~五層纖維布浸膠片，再鋪設奈米碳素晶體紙，然後在兩邊分別放置一塊用錫箔紙包裹的銅皮作導電電極；所述銅皮的寬為10~15mm、厚為0.6mm，然後用滾花機在兩邊壓出網紋；g.在奈米碳素晶體紙上再鋪設三~五層纖維布浸膠片；h.在纖維布浸膠片上鋪設一層0.01~0.05mm厚的耐高壓聚乙烯膜，塗抹脫模劑，然後在耐高壓聚乙烯膜上鋪蓋1~3mm厚平整鐵板，再在鐵板上鋪六層50克厚牛皮紙；i.將扁型銅網編織導線與銅電極焊接牢固，作為正負導電電極平行從玻璃纖維布浸膠片背面引出；j.放置在熱壓機上，預熱達80℃，開啟熱壓機，加壓到200噸，並將溫度升至100℃時，恆溫保壓8~9分鐘，然後升溫到120℃，恆溫恆壓8~9分鐘，再升溫至140℃，保壓恆溫8~9分鐘，然後保壓降溫至55℃，再減壓，降溫至室溫後開模，得到奈米碳素晶體電熱板。
此外，所述分散劑是海藻酸鈉、甲基纖維素、聚丙烯酰胺中的一種或幾種的組合；所述造纸用紙漿為木漿纖維素漿粕；所述水溶性粘合劑為聚苯胺、聚乙烯醇、水溶性酚醛樹脂中的一種或幾種的組合；所述脫模劑為聚氨酯脫模劑。
然而，碳素晶體做晶格震動發熱，以不同長徑比的丙烯腈基碳纖維原料形成連接晶格的搭接線，加入奈米碳纖維，一方面減少靜電消散和火花的產生，同時保證了相互接觸或只分開個原子直徑距離的晶格點陣的搭接傳熱，所構成的奈米碳素晶體材料是點、線、面三維縱橫交錯網絡，載流子沿著這些網絡朝電勢低的方向移動，微觀上局部無序，宏觀上整體有序，能形成均勻的面狀發熱面；因此，奈米碳素晶體材料電熱板表面升溫散熱均勻。
於是，本發明利用奈米碳素晶體材料所製備之電熱板，是整張板面狀散熱，其導體是三維網絡，局部無序，整體有序的不同長度短切碳纖維所形成的面狀發熱面，能產生8~10 μm的遠紅外線，長期使用能起到保健強身的作用，還具有堅固安全、絕緣性能好，擊穿電壓10000V、使用壽命長，連續使用三萬小時不斷裂、不脫落、防潮、防水，而適用於家庭取暖、浴池加溫、衣物烘乾及辦公室、會議室、賓館等。
再者，本發明所製備之電熱板，具有發熱性能均勻穩定、升溫快、電絕緣性能優良、工作壽命長的優點，適於大規模生產來滿足生產和生活的需要，而製備方法工藝簡單、便於操作。
简体摘要：本发明提供一种奈米碳素晶体材料及利用其制备电热板的方法，系为一种晶体材料及利用其制造面状发热体的方法；用以解决现有碳纤维电热板表面升温散热不均匀、碳纤维与导电带接触不良、电绝缘性能差及工作寿命短的问题。而奈米碳素晶体材料是由占总重70~80%的丙烯腈基碳纤维、占总重1~5%的奈米碳纤维和占总重15~29%的碳素晶体所组成；且利用奈米碳素晶体材料与纸浆混合后，并添加粘性助剂，在加压的条件下制备得到具有发热性能均匀稳定、升温快、电绝缘性能优良、工作寿命长的电热板；再者，此制备电热板的方法，工艺简单、便于操作，可适于大规模生产来满足生产和生活的需要。【创作特点】本发明的主要目的，系为了解决现有碳纤维电热板表面升温散热不均匀、碳纤维与导电带接触不良、电绝缘性能差及工作寿命短的问题，而提供一种奈米碳素晶体材料及其制备电热板的方法。然而，先在此对碳素晶体进行简单之说明；碳素在一定的条件下是一种优异的半导体材料，从理论上说无论其被切割成多小的颗粒，每一单体均应有正负电极，但实际上多数的碳素颗粒并不具备这些特点；当用特殊的工艺方法(在高温、高压环境中，经过球磨、软化、提纯、萃取等多道工序)由改性的碳素类材料，可提炼出纯净的大目数碳素晶体，而大量的碳素晶体在电场作用下做布朗运动(Brownian motion)，能够相互摩擦、震荡，并产生大量的热量，进而实现“电能→热能”的转换。本发明的奈米碳素晶体材料是由占总重70~80%的丙烯腈基(Acrylonitrile)碳纤维、占总重1~5%的奈米碳纤维(carbon nanofibers)和占总重15~29%的碳素晶体所组成；其中，所述丙烯腈基碳纤维是由K数(每股含单纤数，K表1000)为10~15K、直径为1~5 μm、长度分别为2~4mm和4.5~6mm的丙烯腈基碳纤维，按0.5~2：1的重量比予以组成；所述奈米碳纤维直径为50~200nm；所述碳素晶体目数为400~1000目。接着，利用前述奈米碳素晶体材料制备电热板的方法，其步骤如下：一、奈米碳素晶体发热纸的制备：a.按奈米碳素晶体材料与造纸用纸浆重量比为1：9~19的配比，将奈米碳素晶体材料掺到造纸用纸浆中，然后加入到分散剂的水溶液中形成碳纤维混合浆粕，其分散剂的用量为奈米碳素晶体材料重量的0.5~5%；b.将碳纤维混合浆粕加入装有水溶性粘合剂溶液的高速均质机中，以800~2000rpm的速度打浆1~2小时，使浆粕的叩解度(打浆度)在35°~55°SR之间；c.将打浆处理后的碳纤维混合浆粕，使用具有50目抄纸网的造纸机，控制抄纸车速在10~15m/min，上毛布挤压再上热烘筒干燥成型；二、玻璃钢布浸胶片的制备：将混合涂料敷刷于25×16以上经纬的玻璃丝纤维布面之上，混合涂料为按1~5：4~8：1的重量比的酚醛树脂、环氧树脂与丙酮混合物，得到厚度为0.1~0.3mm玻璃钢布浸胶片；三、奈米碳素晶体电热板的制备：d.在铁托板上先铺设六层50克厚的牛皮纸，再铺上厚度为1~3mm的平整铁板，然后在铁板上涂抹脱模剂；e.在铁板上铺一层0.01~0.05mm厚的耐高压聚乙烯膜，再在耐高压聚乙烯膜上铺装饰纸；f.在装饰纸上铺设三~五层纤维布浸胶片，再铺设奈米碳素晶体纸，然后在两边分别放置一块用锡箔纸包裹的铜皮作导电电极；所述铜皮的宽为10~15mm、厚为0.6mm，然后用滚花机在两边压出网纹；g.在奈米碳素晶体纸上再铺设三~五层纤维布浸胶片；h.在纤维布浸胶片上铺设一层0.01~0.05mm厚的耐高压聚乙烯膜，涂抹脱模剂，然后在耐高压聚乙烯膜上铺盖1~3mm厚平整铁板，再在铁板上铺六层50克厚牛皮纸；i.将扁型铜网编织导线与铜电极焊接牢固，作为正负导电电极平行从玻璃钢布浸胶片背面引出；j.放置在热压机上，预热达80℃，打开热压机，加压到200吨，并将温度升至100℃时，恒温保压8~9分钟，然后升温到120℃，恒温恒压8~9分钟，再升温至140℃，保压恒温8~9分钟，然后保压降温至55℃，再减压，降温至室温后开模，得到奈米碳素晶体电热板。此外，所述分散剂是海藻酸钠、甲基纤维素、聚丙烯酰胺中的一种或几种的组合；所述造纸用纸浆为木浆纤维素浆粕；所述水溶性粘合剂为聚苯胺、聚乙烯醇、水溶性酚醛树脂中的一种或几种的组合；所述脱模剂为聚氨酯脱模剂。然而，碳素晶体做晶格震动发热，以不同长径比的丙烯腈基碳纤维原料形成连接晶格的搭接线，加入奈米碳纤维，一方面减少静电消散和火花的产生，同时保证了相互接触或只分开个原子直径距离的晶格点阵的搭接传热，所构成的奈米碳素晶体材料是点、线、面三维纵横交错网络，载流子沿着这些网络朝电势低的方向移动，微观上局部无序，宏观上整体有序，能形成均匀的面状发热面；因此，奈米碳素晶体材料电热板表面升温散热均匀。于是，本发明利用奈米碳素晶体材料所制备之电热板，是整张板面状散热，其导体是三维网络，局部无序，整体有序的不同长度短切碳纤维所形成的面状发热面，能产生8~10 μm的远红外线，长期使用能起到保健强身的作用，还具有坚固安全、绝缘性能好，击穿电压10000V、使用寿命长，连续使用三万小时不断裂、不脱落、防潮、防水，而适用于家庭取暖、浴池加温、衣物烘干及办公室、会议室、宾馆等。再者，本发明所制备之电热板，具有发热性能均匀稳定、升温快、电绝缘性能优良、工作寿命长的优点，适于大规模生产来满足生产和生活的需要，而制备方法工艺简单、便于操作。

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