CN113387676B - 一种无机纤维-碳纳米管远红外发热膜及其制备方法 - Google Patents

一种无机纤维-碳纳米管远红外发热膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于远红外加热技术领域，具体涉及一种无机纤维‑碳纳米管远红外发热膜及其制备方法。本发明的无机纤维‑碳纳米管远红外发热膜主要由碳纳米管‑无机纤维杂化材料组成；碳纳米管‑无机纤维杂化材料中，无机纤维与碳纳米管的质量比为(0.2～0.3)：1；碳纳米管为长度为1～15μm的晶须碳纳米管；所述无机纤维为玻璃纤维、氧化铝纤维、岩棉、石棉中的至少一种。本发明的远红外发热材料中将无机纤维与碳纳米管杂化在一起，具有较好的耐高温性能与热转换效率。

Description

一种无机纤维-碳纳米管远红外发热膜及其制备方法
技术领域
本发明属于远红外加热技术领域，具体涉及一种无机纤维-碳纳米管远红外发热膜及其制备方法。
背景技术
目前，远红外发热材料因其特殊的性能被广泛应用于建筑、农业以及日常生活保健等诸多领域。由于现有的远红外发热材料的热稳定性差、柔性低、抗拉伸强度低，若单独使用则不能满足装修装饰、建筑取暖等领域的需求。现有技术中常将远红外辐射材料与其他材料结合，制备多功能的远红外发热复合材料。如公布号为CN109183513A的中国专利申请文件将远红外辐射材料碳纳米管与有机纤维聚酰亚胺纤维复合制备了一种聚酰亚胺纤维远红外发射纸。在使用温度为400～600℃的环境中，由于有机纤维的耐高温性能较差，使得上述聚酰亚胺纤维远红外发射纸容易粉化，不适于长期使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无机纤维-碳纳米管远红外发热膜及其制备方法，该无机纤维-碳纳米管远红外发热膜具有较好的耐高温性能。
为实现上述目的，本发明的无机纤维-碳纳米管远红外发热膜采用的技术方案为：
一种无机纤维-碳纳米管远红外发热膜，主要由碳纳米管-无机纤维杂化材料组成；碳纳米管-无机纤维杂化材料中，无机纤维与碳纳米管的质量比为(0.2～0.3)：1；碳纳米管为长度为1～15μm的晶须碳纳米管；所述无机纤维为玻璃纤维、氧化铝纤维、石棉、岩棉中的至少一种。
无机纤维具有较强的耐热性、抗腐蚀性和机械强度等优点；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，具有较宽的远红外辐射波范围，是较好的远红外发射源。
本发明的无机纤维-碳纳米管远红外发热材料中无机纤维与碳纳米管通过缠绕、交叠的方式相互吸附、杂化在一起，二者之间具有结合程度较高，使得本发明的无机纤维-碳纳米管远红外发热材料在具有较好的耐高温性能的同时不会影响碳纳米管的远红外辐射性能。本发明的无机纤维-碳纳米管远红外发热材料能够承受600～700℃的高温，有效提高了远红外发热材料的安全性能以及使用稳定性。本发明的无机纤维-碳纳米管远红外发热材料为电热转换材料，通过调整无机纤维与碳纳米管的质量比来降低无机纤维对导电性能的影响。因此无机纤维与碳纳米管的质量比为(0.2～0.3)：1，能够使本发明的远红外发热材料具有耐高温性能的同时具有较好的电热辐射转换效率。
为提高无机纤维与碳纳米管的匹配性，所述无机纤维的长度为0.5～6mm。
为降低碳纳米管的团聚对远红外发热材料性能的影响，优选的，所述无机纤维-碳纳米管远红外发热材料中还包括分散剂，所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮和/或十二烷基磺酸钠。进一步优选的，所述分散剂的质量与碳纳米管的质量比为(0.008～0.01):1。
上述无机纤维-碳纳米管远红外发热膜的制备方法采用的技术方案为：
一种上述无机纤维-碳纳米管远红外发热膜的制备方法，包括以下步骤：
将含无机纤维与碳纳米管的混合浆料进行研磨，得杂化浆料；所述杂化浆料的细度在25μm以下；然后将杂化浆料制成膜。
在研磨过程中无机纤维与碳纳米管在外力的作用下进行缠绕、交叠，最终相互吸附在一起。混合浆料中所用溶剂为水或乙醇。
制成膜时包括以下步骤：将杂化浆料涂覆在滤布上，辊压成膜，然后剥离滤布，干燥即得。
滤布可以滤去溶剂。为避免碳纳米管的损失，优选的所用滤布的孔径大小为100～150目。剥离基底后自然晾干即得形式为膜的远红外发热材料。本发明的制备方法，通过辊压的工艺使材料成型，工艺简单。进一步优选的，所述辊压的压力为20～22MPa。
优选的，所述研磨的时间为2～3h。
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。
以下实施例中所用玻璃纤维购自山东泰山玻璃纤维有限公司，型号为G75Y1/Y2；所用氧化铝纤维购自山东宇邦节能技术有限公司。所用滤布购自河南预晓滤材有限公司，型号为758小化。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、无机纤维-碳纳米管远红外发热膜的实施例
实施例1
本实施例的无机纤维-碳纳米管远红外发热膜，由无机纤维-碳纳米管杂化材料与分散剂组成。其中无机纤维为长度为1～3mm的玻璃纤维，碳纳米管的长度为1～15μm，玻璃纤维和碳纳米管的质量比为0.28：1。分散剂为十二烷基磺酸钠，分散剂与碳纳米管的质量比为0.01：1。
实施例2
本实施例的无机纤维-碳纳米管远红外发热膜，由无机纤维-碳纳米管杂化材料与分散剂组成。其中无机纤维为长度为1～3mm的玻璃纤维，碳纳米管的长度为1～15μm，玻璃纤维和碳纳米管的质量比为0.2：1。分散剂为聚乙烯吡咯烷酮，分散剂与碳纳米管的质量比为0.01：1。
实施例3
本实施例的无机纤维-碳纳米管远红外发热膜，由无机纤维-碳纳米管杂化材料与分散剂组成。其中无机纤维为长度为0.5～1.5mm的氧化铝纤维，碳纳米管的长度为1～15μm，氧化铝纤维和碳纳米管的质量比为0.3：1。分散剂为十二烷基磺酸钠，分散剂与碳纳米管的质量比为0.01：1。
实施例4
本实施例的无机纤维-碳纳米管远红外发热膜基本与实施例1中的发热膜相同，区别仅在于：无机纤维为长度为1～5mm的石棉纤维，分散剂与碳纳米管的质量比为0.008:1。
实施例5
本实施例的无机纤维-碳纳米管远红外发热膜基本与实施例4中的发热膜相同，区别仅在于：无机纤维为长度为3～6mm的岩棉纤维。
二、无机纤维-碳纳米管远红外发热材料的制备方法的实施例
实施例6
本实施例为实施例1中的无机纤维-碳纳米管远红外发热膜的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将0.42g长度为1～3mm的玻璃纤维在50mL水溶液中超声分散40min，得到玻璃纤维的分散液，放入搅拌釜中，然后加入1.5g碳纳米管，继续搅拌30min，得混合浆料；
(2)将混合浆料用研钵反复研磨2h，使其呈现黑灰色糊状混合物，浆料细度控制在25μm以下，得到玻璃纤维和碳纳米管相互吸附的杂化浆料；
(3)向杂化浆料中加入0.015g十二烷基磺酸钠，充分搅拌，得稳定均匀的复合浆料；然后将浆料均匀涂在滤布(孔径大小为150目)上，滤去水，采用辊压机辊压成膜(辊压时压力为20MPa)；最后剥离滤布，将膜自然晾干。
实施例7
本实施例为实施例2中的无机纤维-碳纳米管远红外发热膜的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将0.3g长度为1～3mm的玻璃纤维放入搅拌釜中，加入50mL无水乙醇，然后加入1.5g碳纳米管搅拌混合均匀，得混合浆料；
(2)将混合浆料用研钵反复研磨2.5h，使其呈现黑灰色糊状混合物，浆料细度控制在25μm以下，得玻璃纤维和碳纳米管相互吸附的杂化浆料；
(3)向杂化浆料中加入0.015g聚乙烯吡咯烷酮，充分搅拌，得稳定的分散浆料；然后将分散浆料均匀涂在滤布(孔径大小为150目)上，滤去乙醇溶剂，然后采用辊压机辊压成膜(辊压时压力为21MPa)，最后剥离掉滤布，将膜自然晾干。
实施例8
本实施例为实施例3中的无机纤维-碳纳米管远红外发热膜的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将0.45g长度为0.5～1.5mm的氧化铝纤维放入搅拌釜中，加入50mL水，然后加入1.5g碳纳米管搅拌混合均匀，得混合浆料；
(2)将混合浆料用研钵反复研磨3h，使其呈现黑灰色糊状混合物，浆料细度控制在25μm以下，得玻璃纤维和碳纳米管相互吸附的杂化浆料；
(3)向杂化浆料中加入0.015g十二烷基磺酸钠，充分搅拌，得稳定的分散浆料；然后将分散浆料均匀涂在滤布(孔径大小为150目)上，滤去水，然后采用辊压机辊压成膜(辊压时压力为22MPa)；最后剥离掉滤布，将膜自然晾干。
实施例9
本实施例为实施例4的无机纤维-碳纳米管远红外发热膜的制备方法，具体包括以下步骤：
(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，然后加入1.5g碳纳米管，进行搅拌，制得石棉和碳纳米管的混合浆料；
(2)将此混合浆料加入砂磨机中进行研磨，砂磨机的转速控制在1000±10r/min，研磨时间为50min，使其呈现黑灰色糊状混合物，浆料细度控制在20μm以下，制得碳纳米管和石棉纤维相互吸附的杂化浆料；
(3)加入0.012g十二烷基磺酸钠充分搅拌，得到稳定的分散浆料，把分散浆料均匀涂在滤布(孔径大小为150目)上，滤去水分，然后采用辊压机辊压成膜，辊压的压力为20MPa；辊压后去除滤布，晾干后即得到均匀的发热膜。
实施例10
本实施例为实施例5的无机纤维-碳纳米管远红外发热膜的制备方法，具体过程与实施例9相同，区别仅在于：将石棉替换为岩棉，并撕裂搅碎至3～6mm。
试验例
对实施例1～5中的远红外发热材料进行性能测试，测试结果如表1所示。
性能测试方法：
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 BDA0002409505040000051
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膜的转换效率，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1 680 108％ 82％
实施例2 660 106％ 85％
实施例3 770 117％ 78％
实施例4 673 112％ 80％
实施例5 665 107％ 76％
由表1可知，本发明的远红外发热材料具有较好的耐高温性，其承受温度能够达到700℃。由于所用无机纤维具有一定的绝缘性能，使得本发明的远红外发热材料的电阻较高，因此电能一部分用来克服电阻作功，对电能辐射转换效率造成了影响，但是本发明的远红外发热材料的电能辐射效率仍能达到75％以上。

Claims (5)

1.一种无机纤维-碳纳米管远红外发热膜，其特征在于，由碳纳米管-无机纤维杂化材料和分散剂组成；碳纳米管-无机纤维杂化材料中，无机纤维与碳纳米管的质量比为（0.2~0.3）：1；碳纳米管为长度为1~15μm的晶须碳纳米管；所述无机纤维为玻璃纤维、氧化铝纤维、岩棉、石棉中的一种；
所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮和/或十二烷基磺酸钠；
所述的无机纤维-碳纳米管远红外发热膜的制备方法包括以下步骤：将含无机纤维与碳纳米管的混合浆料进行研磨，得杂化浆料；所述杂化浆料的细度在25μm以下；在杂化浆料中加入分散剂；然后将杂化浆料制成膜；
所述无机纤维的长度为0.5~6mm。
2.根据权利要求1所述的无机纤维-碳纳米管远红外发热膜，其特征在于，所述分散剂的质量与碳纳米管的质量比为（0.008~0.01）:1。
3.根据权利要求1所述的无机纤维-碳纳米管远红外发热膜，其特征在于，制成膜时包括以下步骤：将杂化浆料涂覆在滤布上，辊压成膜，然后剥离滤布，干燥即得。
4.根据权利要求3所述的无机纤维-碳纳米管远红外发热膜，其特征在于，所述辊压的压力为20~22MPa。
5.根据权利要求1所述的无机纤维-碳纳米管远红外发热膜，其特征在于，所述研磨的时间为2~3h。
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