CN109454751A - 一体压胚、整体烧结成型复合碳丝电热功能陶板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种一体压胚、整体烧结成型复合碳丝电热功能陶板的制造方法，包括如下步骤：步骤一、在胚体模具底层铺设一层微孔隔热基底层陶泥/粉，形成微孔隔热基底层；步骤二、将复合碳丝束直接铺设在微孔隔热基底层陶泥/粉上，并用胚体粉料均匀覆盖，平整后压胚，形成复合碳丝发热层；步骤三、将上述胚体在胚体模具中进行压胚或定型，经一次压胚或定型后出模、干燥得半成品；步骤四、把釉面胚体粉料平铺或涂层在压胚或定型后的半成品最上层，最后经窑炉一次性烧结得一体压胚、整体烧结成型复合碳丝电热功能陶板。本发明整体结构简单，设计合理，使用安全，智能方便，取暖效果好。
Description
技术领域
本发明涉及一种电热陶板及其制造方法，具体涉及一种一体压胚、整体烧结成型复合碳丝电热功能陶板及其制造方法。
背景技术
随着现代材料科学技术的发展，家庭理疗与保健取暖、现代工业产品的热加工成形及热处理条件的要求日趋严格，加热方式及新型加热材料的开发与研究在材料科学和能源开发领域内的地位越来越重要。普通电热陶瓷材料由于其绝缘性好、耐腐蚀、耐高温和经久耐用等优点，特别是采暖方面得到了广泛的应用。
目前在传统的个体家庭采暖***主要有三种：暖气片式水暖，空调或外置电热丝(片)，地暖。然而缺点也非常明显：水暖终端散热方式以外置散热片为主，不仅影响房屋装修结构而且预埋墙体的热水循环管存在老化腐蚀、渗漏等风险，具有安全隐患；空调预热时间长，且能耗较高，其出热点位于1.5米以上，舒适度差，头热脚冷，导致空调病；电热丝式(俗称小太阳)取暖为点式电阻丝制热，其明火式的发热管不能覆盖，容易造成烫伤及火灾，安全隐患极为突出；另外还有一种就是目前市场上使用比较广泛的地暖式采暖。传统的地暖式采暖中，发热线基本都是有金属电阻丝或碳纤维组成，且通常是在地板下面埋设发热线，发热线通电发热并将热量通过地表散发到室内中对室内进行供暖保温，其存在的问题是：(1)电热利用率不高，金属电热丝电热转化效率一般只有60～80％；(2)金属电热丝导电也产生大量对人体有害的电磁辐射，不利于健康保健；(3)施工复杂，由于发热线预埋深度达20～60mm，发热线周边的热量高但传递到地面出来的热量低；(4)室内供暖的热量散发不均匀且效率低下，经常出现“自家不热乎，楼下热出汗”式的尴尬情况。
基于上述采暖***的弊端，本发明涉及的复合碳丝电热功能陶板可作为一种新型发热陶板或地砖，其发热复合碳丝距离表面小于5mm，具有热传导效率高，热损耗低，其陶瓷本身导热不导电，自身限温，防火，并且碳丝发热过程中由于采用非金属发热体，所以不产生对人体有害的电磁辐射波，同时碳丝束发热产生远红外线，长时间照射下，有利于人体健康，具有一定的保健功能，有着健康舒适，安装便捷，经久耐用，智能控温，环保节能及安全可靠等优点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，即传统电热采暖***供暖效率低下，安全隐患突出等缺陷，从而提供了一种压胚、整体烧结成型复合碳丝电热功能陶板及其制造方法。
本发明是这样实现的：
一种一体压胚、整体烧结成型复合碳丝电热功能陶板的制造方法，包括如下步骤：
步骤一、在胚体模具底层铺设一层微孔隔热基底层陶泥/粉，其厚度为胚体模具总厚度的1/2～1/3，形成微孔隔热基底层；
步骤二、将复合碳丝束直接铺设在微孔隔热基底层陶泥/粉上，并用胚体粉料均匀覆盖，胚体粉料的施料厚度为胚体模具总厚度的1/2～2/3，平整后压胚，形成复合碳丝发热层；
步骤三、将上述胚体在胚体模具中进行压胚或定型，经一次压胚或定型后出模、干燥得半成品；
步骤四、把釉面胚体粉料平铺或涂层在压胚或定型后的半成品最上层，粉料或涂层厚度为1～3mm，最后经窑炉一次性整体烧结得成型复合碳丝电热功能陶板。
更进一步的方案是：
所述的微孔隔热基底层陶泥/粉包括重量百分比如下的组分：主料成分为55-70％的SiO2，15～25％的Al2O3，2～10％的TiO2，配料成分为0.1～2％的三聚磷酸钠，5～10％复合硅酸盐；所述复合碳丝电热层胚体陶泥/粉料包括如下重量百分比的组分：51～70％的SiO2，21～40％的Al2O3，1～2％的Fe2O3，2～5％的TiO2，1～2％的CaO及MgO。
更进一步的方案是：
所述的复合碳丝束是通过如下方法制备得到的：
方法一、先将碳丝表面进行抗氧化及定型防护涂层处理，该涂层以固化树脂胶或硅酮胶和聚氨酯胶为基体，在有机溶剂条件下按5～30％重量百分比的比例添加抗氧化剂成分。再将处理后的碳丝束拉引牵伸，保持60℃下干燥1～2小时；
方法二、所述的复合碳丝束是由聚丙烯晴纤维、棉纱纤维或黏胶丝纤维等原纤前体材料经高温预氧化处理而成的碳化纤维，具体为：先将上述原纤材料放入氧化炉中进行1～4小时的低温预氧化处理；再在密闭且惰性气体保护条件下，将经过预氧化处理后的纤维在800～2000℃下碳化而成。
更进一步的方案是：
所述复合碳丝束要根据模具需要以M或S形绕线方式或多条碳丝线编织，并以环形绕线方式进行固化、定型。
更进一步的方案是：
在复合碳丝电热层中预留可安装独立温度传感器的孔腔，所述孔腔为细长圆柱形，内径尺寸2～3mm，长度10～200mm；所述预留孔腔距离表面绝缘层2～4mm；并在复合碳丝电热层两侧侧面设计导线槽及碳丝电极端子孔，导线槽深3～5mm，电极端子孔径1～2mm。
更进一步的方案是：
粉料胚体压胚条件为压强不低于30MPa。
其中，釉面胚体粉料为常规的陶板釉面材料，此处不详述。
本发明具有如下的有益效果：
1、本发明采用了复合碳丝束作为发热导线，具有韧性好、铺设工艺简单、电——热转换率高、其电-热转化效率高达98％以上，较传统以烧油烧电为辅助热源的供暖方式节能20～50％；且压胚-烧结工艺整体一次性完成、经久耐用且无污染；
2、本发明采用了复合碳丝束作为发热导线，其发热过程中由于采用非金属发热体，所以不产生对人体有害的电磁辐射波，同时复合碳丝发热产生远红外线，长时间照射下，有利于人体健康，具有一定的保健功能；
3、本发明中复合碳丝发热层的纵向铺设可以锯齿状或波纹状排列，不仅可增加发热导线的接触面积，也提高了热传导效率；
4、本发明由于在复合碳丝发热层下面设置了微孔隔热基底层所以有效的阻隔了热量向地面层的扩散，使陶瓷砖体向表面的热传导更加迅速、均匀，而且减少了热量在传递过程中的损失，提高了采暖效率，降低了能耗；
5、本发明由于可以采用安全电源(电压低于36V)及智能化模块控制，不仅节能而且保障安全；
6、本发明由于采用了分层布料，一次压胚、一次性整体烧结工艺，整个制造流程工艺简单且一体完成，易于产业化生产，而且安装铺设简单，便于市场普及。
附图说明
图1为本发明复合碳丝电热功能陶板纵向剖面结构示意图；
图2为本发明复合碳丝电热功能陶板内部复合碳丝束的两种典型平面排布示意图；
图3为本发明复合碳丝电热功能陶板温度传感器孔腔、导线槽和电极端子示意图；
图4为本发明实施例制备得到的碳丝电热功能陶瓷的表面红外热像图(从左到右通电时间依次为30～45秒；80～100秒；120～180秒)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
一种一体压胚、整体烧结成型复合碳丝电热功能陶板的制造方法，包括如下步骤：
步骤一、在胚体模具底层铺设一层微孔隔热基底层陶泥/粉，其厚度为胚体模具总厚度的1/2～1/3，形成微孔隔热基底层3；
其中，微孔隔热基底层陶泥/粉包括重量百分比如下的组分：主料成分为55-70％的SiO2，15～25％的Al2O3，2～10％的TiO2，配料成分为0.1～2％的三聚磷酸钠，5～10％复合硅酸盐；
优选的，复合硅酸盐成分为硅酸铝或复合硅酸镁或海泡石绒中的一种或几种的混合；
优选的，微孔隔热基底层的微孔孔径大小为100～2000μm；孔隙率在10％～30％。
步骤二、将复合碳丝束5直接铺设在微孔隔热基底层陶泥/粉上，并用胚体粉料均匀覆盖，胚体粉料的施料厚度为胚体模具总厚度的1/2～2/3，平整后压胚，形成复合碳丝发热层2；
其中，胚体粉料包括如下重量百分比的组分：51～70％的SiO2，21～40％的Al2O3，1～2％的Fe2O3，2～5％的TiO2，1～2％的CaO及MgO。
步骤三、将上述胚体在胚体模具中进行压胚或定型，经一次压胚或定型后出模、干燥得半成品；其中，粉料胚体压胚条件为压强不低于30MPa；
步骤四、把釉面胚体粉料平铺或涂层在压胚或定型后的半成品最上层，粉料或涂层厚度为1～3mm，形成表面层1，最后经窑炉一次性烧结得一体压胚、烧结成型复合碳丝电热功能陶板，烧结温度为1000～1400℃，烧结时间为1～3h。
其中，复合碳丝束是通过如下方法制备得到的：
方法一、先将碳丝束表面进行抗氧化及定型防护涂层预处理，该涂层以定型胶为基体，以体积比1:1～1:10比例溶解于有机溶剂，并再按5～30％比例添加抗氧化剂成分，再将处理后的碳丝束拉引牵伸，保持40～60℃下干燥1～2小时；
优选的，有机溶剂为甲醇，乙醇，乙二醇，二甲基亚砜，N,N二甲基甲酰胺，丙酮，乙酸乙酯中的一种或几种；
优选的，复合碳丝束基体定型胶为固化树脂胶或硅酮胶或聚氨酯胶中的一种或几种的混合物；
优选的，抗氧化剂成份为纳米活性碳粉或硼酸钠或石墨烯碳粉或铁粉中的一种或几种。
方法二、所述的复合碳丝束是由聚丙烯晴纤维、棉纱纤维或黏胶丝纤维等原纤前体材料经高温预氧化处理而成的碳化纤维，具体为：先将原纤前体材料放入氧化炉中以200～400℃下进行1～4小时的预氧化处理，优选的原纤前体材料为聚丙烯晴纤维，棉纱纤维，黏胶丝纤维中的一种或几种混合；再在密闭且惰性气体保护条件下，将经过预氧化处理后的纤维在800～2000℃下碳化而成，优选的惰性气体为氩气、二氧化碳、氮气。
如附图3所示，所述复合碳丝束要根据模具需要以M或S形绕线方式或多条碳丝线编织，并以环形绕线方式盘绕在微孔隔热基底层平面上，进行固化、定型。
另外，可以将复合碳丝束的纵向铺设为锯齿状或波纹状，以此增加复合碳丝束的接触面积，提高导热效率，复合碳丝束发热线端和铜丝(铜片)最后以正负两极分开端合在导线槽电极端子6上；
如附图4所示，在复合碳丝电热层中预留可安装独立温度传感器的孔腔4，所述孔腔为细长圆柱形，内径尺寸2～3mm，长度10～200mm；所述预留孔腔距离表面绝缘层2～4mm；并在复合碳丝电热层的两侧侧面设计导线槽7及碳丝电极端子孔8，导线槽深3～5mm，电极端子孔径1～2mm。针孔状温度传感器置于孔腔内部，碳丝束电热线的两端预埋至电极端子孔位置，并由外接铜丝导线沿导线槽连接至智能数据控制装置。
当然，本领域技术人员可以理解，本申请的一体压胚、整体烧结成型复合碳丝电热功能陶板，其外型不局限于平面板式或地砖式，也可为一体成型的具有相同电热功能的波纹状、碗状等经简单外观更改的非平面陶瓷结构。
本发明中，可以设定额定工作电压不高于36V，从而保证使用安全。
下面以烧制一种粉体胚料陶瓷板样品为例，制备一系列含5种规格的复合碳丝电热功能陶板小样品，具体如下：
胚体粉料制备：根据各胚层功能及原料成分，按其粉体成分组成(质量分数％)配比如下
将规格3*3k或3*6k，直径为0.5或1.0mm的碳丝原纤，经表面抗氧化剂及定型防护涂层预处理后，埋设至复合碳丝发热层中，并按照本专利前文所述步骤将配比好的各层陶粉原料覆盖后平整，一体压胚，干燥，最后经1160℃一次整体烧结而成。
发热性能参数检测：根据预先设计的胚体模具，制得5种规格的陶瓷板小样品，其厚度为8-10mm，面积为30mm*20mm至50mm*40mm。经检测，烧结成陶瓷板后碳丝发热导线的电阻为5.0～15.0Ω之间，复合实验预期。
使用FLIR one红外相机与稳压电源对所制得的材料电热转换性能进行了表征。将烧制形成的陶瓷板碳丝束两端接上7.5～12v的恒定电源(电流0.5～1.5A)，并使用红外热成像相机对材料表面的温度进行实时测量。如附图4所示，由实验结果可知，陶瓷板的表面温度随着通电时间的增加而增加，热量由碳丝束的中心向两侧扩散，样品在通电30～45秒之后表面温度可以达到45℃，在持续通电80～100秒后，样品的表面温度达到了85.8℃，而2～3分钟后样品的表面温度达到了106.5℃。
实验结果表明：所制备的复合碳丝电热功能陶板不仅升温迅速，而且效率高，具有优良的电热转换性能。
本发明整体结构简单，设计合理，使用安全，智能方便，取暖效果好；一体化压模，整体烧结，模块化设计，铺装简单；使用碳丝束加热技术，寿命长，无需售后服务，节能环保；安全地暖，绝缘性好，智能温控，可以较好的满足采暖使用需求。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。
Claims (9)
1.一种一体压胚、整体烧结成型复合碳丝电热功能陶板的制造方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、在胚体模具底层铺设一层微孔隔热基底层陶泥/粉，其厚度为胚体模具总厚度的1/2 ~ 1/3，形成微孔隔热基底层；
步骤二、将复合碳丝束直接铺设在微孔隔热基底层陶泥/粉上，并用胚体粉料均匀覆盖，胚体粉料的施料厚度为胚体模具总厚度的1/2 ~ 2/3，平整后压胚，形成复合碳丝发热层；
步骤三、将上述胚体在胚体模具中进行压胚或定型，经一次压胚或定型后出模、干燥得半成品；
步骤四、把釉面胚体粉料平铺或涂层在压胚或定型后的半成品最上层，粉料或涂层厚度为1-3mm，最后经窑炉一次性烧结得一体压胚、烧结成型复合碳丝电热功能陶板。
2.根据权利要求1所述一体压胚、整体烧结成型复合碳丝电热功能陶板的制造方法，其特征在于：
所述的微孔隔热基底层陶泥/粉包括重量百分比如下的组分：主料成分为55-70%的SiO2，15～25%的Al2O3，2～10%的TiO2，配料成分为0.1～2%的三聚磷酸钠，5～10%复合硅酸盐。
3.根据权利要求2所述一体压胚、整体烧结成型复合碳丝电热功能陶板的制造方法，其特征在于：
所述复合硅酸盐成分为硅酸铝或复合硅酸镁或海泡石绒中的一种或几种的混合。
4.根据权利要求1所述一体压胚、烧结成型复合碳丝电热功能陶板的制造方法，其特征在于：
所述复合碳丝电热层胚体粉料包括如下重量百分比的组分：51～70%的SiO2，21～40%的Al2O3，1～2%的Fe2O3，2～5%的TiO2，1～2%的CaO及MgO。
5.根据权利要求1所述一体压胚、整体烧结成型复合碳丝电热功能陶板的制造方法，其特征在于：
所述的复合碳丝束是通过如下方法制备得到的：
方法一、先将碳丝束表面进行抗氧化及定型防护涂层预处理，该涂层以定型胶为基体，以体积比1:1~1:10比例溶解于有机溶剂，并再按5～30%比例添加抗氧化剂成分，再将处理后的碳丝束拉引牵伸，保持40～60℃下干燥1～2小时；
方法二、所述的复合碳丝束是由聚丙烯晴纤维、棉纱纤维或黏胶丝纤维的原纤前体材料经高温预氧化处理而成的碳化纤维，具体为：先将上述原纤材料放入氧化炉中进行1～4小时的低温预氧化处理；再在密闭且惰性气体保护条件下，将经过预氧化处理后的纤维在800～2000℃下碳化而成。
6.根据权利要求5所述一体压胚、整体烧结成型复合碳丝电热功能陶板的制造方法，其特征在于：
所述有机溶剂为甲醇，乙醇，乙二醇，二甲基亚砜，N,N二甲基甲酰胺，丙酮，乙酸乙酯中的一种或几种；
所述定型胶为固化树脂胶或硅酮胶或聚氨酯胶中的一种或几种的混合物；
所述抗氧化剂成份为纳米活性碳粉或硼酸钠或石墨烯碳粉或铁粉中的一种或几种。
7.根据权利要求1或5或6所述一体压胚、整体烧结成型复合碳丝电热功能陶板的制造方法，其特征在于：
所述复合碳丝束要根据模具需要以M或S形绕线方式或多条碳丝线编织，并以环形绕线方式进行固化、定型。
8.根据权利要求1所述一体压胚、整体烧结成型复合碳丝电热功能陶板的制造方法，其特征在于：
在复合碳丝电热层中预留可安装独立温度传感器的孔腔，所述孔腔为细长圆柱形，内径尺寸2～3mm，长度10～200mm；所述预留孔腔距离表面绝缘层2～4mm；并在复合碳丝电热层两侧侧面设计导线槽及碳丝电极端子孔，导线槽深3～5mm，电极端子孔径1～2mm。
9.根据权利要求1所述一体压胚、整体烧结成型复合碳丝电热功能陶板的制造方法，其特征在于：
粉料胚体压胚条件为压强不低于30MPa。
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