CN113387675B - 一种体型远红外发热制品及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于远红外加热技术领域，具体涉及一种体型远红外发热制品及其制备方法。本发明的体型远红外发热制品具有三维体型结构，通体由远红外发热材料制成，所述远红外发热材料由矿物纤维‑碳纳米管杂化材料组成，所述矿物纤维‑碳纳米管杂化材料中矿物纤维与碳纳米管的质量比为(0.2～0.3):1；所述矿物纤维为石棉和/或岩棉纤维，长度为1～6mm；所述碳纳米管为长度为1～15μm的晶须碳纳米管。本发明的体型远红外发热制品具有较好的耐高温性能以及转换效率。

Description

一种体型远红外发热制品及其制备方法
技术领域
本发明属于远红外加热技术领域，具体涉及一种体型远红外发热制品及其制备方法。
背景技术
远红外加热技术利用热物体源所发射出来的远红外线照射被加热物料，使物料吸收远红外线后内部分子和原子“共振”产生热能，以达到加热的目的。远红外线又称为长波红外线，其波长范围从5.6微米至1000微米。碳纳米管由于其尖端具有纳米尺度的曲率，在相对较低的电压下变能够呈现出良好的场致发射特性，是较好的远红外发射源，去能够与其他物质混合制备成可发热材料用于各行各业。
如公布号为CN108824086A的中国发明专利申请中公开了一种碳纳米管-芳纶远红外纸及其制备方法，其中利用芳纶纤维和碳纳米管制成碳纳米管-芳纶远红外纸，能够作为远红外线理疗鞋鞋底内衬使用，其不仅能够发射远红外线，而且兼具理疗、保暖和提高免疫的功能。但是上述远红外纸，耐高温性能差，不能满足较高温度的工作环境的需求。
现有的远红外发热材料多为发热膜等面型制品，其使用场景有限，且发热功率较低，不能满足大功率发热的使用要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐高温性能较好的体型远红外发热制品及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方法为：
一种体型远红外发热制品，具有三维体型结构，通体由远红外发热材料制成，所述远红外发热材料由矿物纤维-碳纳米管杂化材料组成，所述矿物纤维-碳纳米管杂化材料中矿物纤维与碳纳米管的质量比为(0.2～0.3):1；所述矿物纤维为石棉和/或岩棉纤维，长度为1～6mm；所述碳纳米管为长度为1～15μm的晶须碳纳米管。
具有三维体型结构的制品其截面积较大，而且通体制成的体型制品整体上的电阻率低，导电性能优异，因而可以提高发热功率。同时，矿物纤维-碳纳米管杂化材料中所用矿物纤维具有强度高、耐高温的特点，并且来源广泛、价格便宜。将矿物纤维与碳纳米管杂化后得到的杂化材料既具有较好的远红外特性同时具有较好的耐高温性能。因此采用矿物纤维-碳纳米管杂化材料制成的远红外发热制品具有较好的耐高温性能，较高的转换效率。其能够承受的温度高达680℃左右，并且其热转换效率能够达到75％以上。
优选的，所述三维体型结构为棒状结构。进一步优选的，所述棒状结构的横截面为圆形或方形。
一种上述体型远红外发热制品的制备方法，包括以下步骤：
(1)将矿物纤维以及碳纳米管分散至溶剂中，得混合浆料；
(2)对混合浆料进行砂磨得矿物纤维-碳纳米管杂化浆料，向所述矿物纤维-碳纳米管杂化浆料中加入分散剂，得分散浆料；
(3)然后将分散浆料的溶剂去除后制成三维体型结构。
砂磨是为了使矿物纤维和碳纳米管在外力的作用下进行缠绕、交叠，以形成均一稳定的杂化浆料。优选的，步骤(2)中所述砂磨的转速为900～1100r/min，时间为40～60min。经过砂磨后得到的矿物纤维-碳纳米管杂化浆料的细度在20μm以下。
所述溶剂为水或乙醇，分散剂的加入有效提高了矿物纤维以及碳纳米管在溶剂中的分散性。优选的，所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮和/或十二烷基磺酸钠，所述分散剂的用量为每50mL溶剂对应0.01～0.015g分散剂。
进一步优选的，当溶剂为水时，使用十二烷基磺酸钠作为分散剂，所述分散剂的用量为：每50mL溶剂对应0.012g的分散剂。当溶剂为乙醇时，使用聚乙烯吡咯烷酮作为分散剂，所述分散剂的用量为：每50mL溶剂加入0.01g分散剂。
步骤(3)中分散浆料中的溶剂由以下方法去除：将分散浆料涂覆在滤布上去除溶剂，所述滤布的孔径大小为100～150目。
步骤(3)中制成三维体型结构具体为：将分散浆料中的溶剂去除后所得的浆料固体置于模具中，然后在140～160℃、18～22MPa的条件下挤压成型。所用模具的尺寸根据对体型远红外发热制品的尺寸要求进行调整。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
所用石棉和岩棉均购自灵寿县矿产品有限公司。所用碳纳米管为河南克莱威纳米碳材料有限公司生产的电热转换晶须碳纳米管。
一、体型远红外发热制品的制备方法的实施例
实施例1
本实施例的体型远红外发热制品的制备方法，包括以下步骤：
1)将0.42g石棉撕裂搅碎至长度为1～5mm，放入搅拌釜中，加入50mL水，加入1.5g晶须碳纳米管，进行搅拌，得石棉纤维和碳纳米管的混合浆料；
2)将上述混合浆料加入砂磨机中砂磨，砂磨机的转速控制在1000±10r/min，砂磨时间为50min，使其呈现黑灰色糊状混合物，浆料细度控制在20μm以下，得碳纳米管和石棉纤维相互吸附的杂化浆料；
3)向杂化浆料中加入0.012g十二烷基磺酸钠充分搅拌，得到稳定的分散浆料，将分散浆料均匀涂在滤布(孔径大小为100目)上，滤去水分，得浆料固体；然后将浆料固体装入包胶缸筒模具中，经过振动摇实后，用活塞加压，在150℃、20MPa的条件下挤压浆料固体，使其形成棒状结构，然后从模具中取出，即得。
实施例2
本实施例的体型远红外发热制品的制备方法，包括以下步骤：
1)将0.32g石棉撕裂搅碎至长度为1～5mm，放入搅拌釜中，加入50mL乙醇，加入1.5g晶须碳纳米管，进行搅拌，得石棉纤维和碳纳米管的混合浆料；
2)将上述混合浆料加入砂磨机中砂磨，砂磨机的转速控制在1000±10r/min，砂磨时间为40min，使其呈现黑灰色糊状混合物，浆料细度控制在20μm以下，得碳纳米管和石棉纤维相互吸附的杂化浆料，
3)向杂化浆料中加入0.01g聚乙烯吡咯烷酮充分搅拌，得到稳定的分散浆料，将分散浆料均匀涂在滤布(孔径大小为100目)上，滤去乙醇，得浆料固体；然后将浆料固体装入包胶缸筒模具中，经过振动摇实后，用活塞加压，在150℃、20MPa的条件下挤压浆料固体，使其形成棒状结构，然后从模具中取出，即得。
实施例3
本实施例的体型远红外发热制品的制备方法，包括以下步骤：
1)将0.42g岩棉撕裂搅碎至长度为3～6mm，放入搅拌釜中，加入50mL水，加入1.5g碳纳米管，进行搅拌，得岩棉纤维和碳纳米管的混合浆料；
2)将上述混合浆料加入砂磨机中砂磨，砂磨机的转速控制在1000±10r/min，砂磨时间为50min，使其呈现黑灰色糊状混合物，浆料细度控制在20μm以下，制得碳纳米管和岩棉纤维相互吸附的杂化浆料；
3)向杂化浆料中加入0.012g十二烷基磺酸钠充分搅拌，得到稳定的分散浆料，将分散浆料均匀涂在滤布(孔径大小为150目)上，滤去水分，得浆料固体；然后将浆料固体装入包胶缸筒模具中，经过振动摇实后，用活塞加压，在150℃、20MPa的条件下挤压浆料固体，使其形成棒状结构，然后从模具中取出，即得。
实施例4
本实施例的体型远红外发热制品的制备方法，包括以下步骤：
1)将0.45g岩棉撕裂搅碎至长度为3～6mm，放入搅拌釜中，加入50mL乙醇，加入1.5g碳纳米管，进行搅拌，得岩棉纤维和碳纳米管的混合浆料；
2)将上述混合浆料加入砂磨机中砂磨，砂磨机的转速控制在1000±10r/min，砂磨时间为60min，使其呈现黑灰色糊状混合物，浆料细度控制在20μm以下，得碳纳米管和岩棉纤维相互吸附的杂化浆料；
3)向杂化浆料中加入0.01g聚乙烯吡咯烷酮充分搅拌，得到稳定的分散浆料，将分散浆料均匀涂在滤布(孔径大小为100目)上，滤去乙醇，得浆料固体；然后将浆料固体装入包胶缸筒模具中，经过振动摇实后，用活塞加压，在150℃、20MPa的条件下挤压浆料固体，使其形成棒状结构，然后从模具中取出，即得。
二、体型远红外发热制品的实施例
实施例5
本实施例的体型远红外发热制品为截面积为圆形的棒状材料，通体由远红外发热材料制成，所述远红外发热材料由矿物纤维-碳纳米管杂化材料组成，所述矿物纤维-碳纳米管杂化材料中矿物纤维与碳纳米管的质量比为0.28:1；所述矿物纤维为石棉纤维，长度为1～5mm；所述碳纳米管为长度1～15μm的晶须碳纳米管。本实施例的体型远红外发热制品可由实施例1中的制备方法制得。
实施例6
本实施例的体型远红外发热制品为截面积为圆形的棒状材料，通体由远红外发热材料制成，所述远红外发热材料由矿物纤维-碳纳米管杂化材料组成，所述矿物纤维-碳纳米管杂化材料中矿物纤维与碳纳米管的质量比为0.21:1；所述矿物纤维为石棉纤维，长度为1～5mm；所述碳纳米管为长度1～15μm的晶须碳纳米管。本实施例的体型远红外发热制品可由实施例2中的制备方法制得。
实施例7
本实施例的体型远红外发热制品为截面积为方形的棒状材料，通体由远红外发热材料制成，所述远红外发热材料由矿物纤维-碳纳米管杂化材料组成，所述矿物纤维-碳纳米管杂化材料中矿物纤维与碳纳米管的质量比为0.28:1；所述矿物纤维为岩棉纤维，长度为3～6mm；所述碳纳米管为长度1～15μm的晶须碳纳米管。本实施例的体型远红外发热制品可由实施例3中的制备方法制得。
实施例8
本实施例的体型远红外发热制品为截面积为圆形的棒状材料，通体由远红外发热材料制成，所述远红外发热材料由矿物纤维-碳纳米管杂化材料组成，所述矿物纤维-碳纳米管杂化材料中矿物纤维与碳纳米管的质量比为0.3:1；所述矿物纤维为岩棉纤维，长度为3～6mm；所述碳纳米管为长度1～15μm的晶须碳纳米管。本实施例的体型远红外发热制品可由实施例4中的制备方法制得。
试验例部分
对实施例5～8中的体型远红外发热制品进行性能测试。
具体性能测试方法为：
1.最高承受温度
采用热重分析仪，在氮气氛围内进行测试。结果示于表1。
2.延展性
常温下，对远红外发热材料做拉伸试验，记录拉伸前后材料的长度变化，测试其延展性。结果示于表1。
Figure BDA0002409502750000051
3.转换效率
根据GB7287.7-87电-热辐射转换效率测量方法测量本发明的远红外发热棒的转换效率，结果如表1所示
表1性能测试结果
样品 最高承受温度/℃ 延展性 转换效率
实施例5 650 105％ 80％
实施例6 682 102％ 84％
实施例7 637 108％ 75％
实施例8 672 109％ 83％
性能测试结果证明，本发明的远红外发热棒具有较好的耐高温性能，其能够承受的温度在600℃以上；同时本发明的远红外发热棒具有较高的转换效率，最高能够达到84％左右，可以广泛应用于热交换器、蜂窝加热、保健理疗等方面。

Claims (8)

1.一种体型远红外发热制品，其特征在于，所述体型远红外发热制品具有三维体型结构，通体由远红外发热材料制成，所述远红外发热材料由矿物纤维-碳纳米管杂化材料构成，所述矿物纤维-碳纳米管杂化材料中矿物纤维与碳纳米管的质量比为（0.2~0.3）:1；所述矿物纤维为石棉和/或岩棉纤维，长度为1~6mm；所述碳纳米管为长度为1~15μm的晶须碳纳米管；所述体型远红外发热制品是由以下步骤的制备方法制成：
（1）将矿物纤维以及碳纳米管分散至溶剂中，得混合浆料；
（2）对混合浆料进行砂磨得矿物纤维-碳纳米管杂化浆料，向所述矿物纤维-碳纳米管杂化浆料中加入分散剂，得分散浆料；
（3）然后将分散浆料中的溶剂去除后所得的浆料固体置于模具中，然后在140~160℃、18~22MPa的条件下挤压成型，制成三维体型结构。
2.根据权利要求1所述的体型远红外发热制品，其特征在于，所述三维体型结构为棒状结构。
3.根据权利要求2所述的体型远红外发热制品，其特征在于，所述棒状结构的横截面为圆形或方形。
4.一种如权利要求1~3任一项所述的体型远红外发热制品的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将矿物纤维以及碳纳米管分散至溶剂中，得混合浆料；
（2）对混合浆料进行砂磨得矿物纤维-碳纳米管杂化浆料，向所述矿物纤维-碳纳米管杂化浆料中加入分散剂，得分散浆料；
（3）然后将分散浆料中的溶剂去除后制成三维体型结构。
5.根据权利要求4所述的体型远红外发热制品的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述砂磨的转速为900~1100r/min，时间为40~60min。
6.根据权利要求4所述的体型远红外发热制品的制备方法，其特征在于，所述矿物纤维-碳纳米管杂化浆料的细度在20μm以下。
7.根据权利要求4所述的体型远红外发热制品的制备方法，其特征在于，所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮和/或十二烷基磺酸钠，所述分散剂的用量为每50mL溶剂对应0.01~0.015g分散剂。
8.根据权利要求4所述的体型远红外发热制品的制备方法，其特征在于，步骤（3）中分散浆料中的溶剂由以下方法去除：将分散浆料涂覆在滤布上去除溶剂，所述滤布的孔径大小为100~150目。
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