利用碳纤维编织物边角料制备电致热加热片的方法

1.本发明涉及一种碳纤维编织物边角料的重新再利用，具体的说，涉及了一种利用碳纤维编织物边角料制备电致热加热片的方法。


背景技术：

2.传统的电致热材料普遍存在耗能较大的问题，在使用过程中有很大的局限性，因此寻找高效节能的电致热材料已成为目前材料领域研究的热点。碳纤维因其低电阻率、高热传导率等特点，在复合材料电致热装置的应用领域中有广阔的前景。
3.碳纤维具有较高的比强度和比模量，还具有密度低、无蠕变，热膨胀系数小，导电性能良好、电磁屏蔽性能优异，耐腐蚀，对人畜无害等优点，被广泛用于复合材料的增强体。
4.但作为工程应用中的碳纤维增强复合材料中的碳纤维成本较高，且价格在逐年上涨，严重影响了碳纤维增强复合材料的推广和使用。
5.碳纤维编织物边角料是对碳纤维丝束进行编织时或在模具中铺放时裁剪产生的边角料，这种边角料并没有经过树脂的浸润，不是回收的碳纤维，因此其性能未受酸碱回收溶液或者高温的影响，它的再利用是先进复合材料可持续应用的重要举措，符合国民经济发展对“绿色”的意愿。
6.但是，碳纤维编织物边角料的再利用存在许多问题，例如较难实现短切碳纤维的均匀分散，导致碳纤维增强复合材料的电磁屏蔽性能和导电性能离散性较大，因此，解决碳纤维的均匀分散问题是碳纤维编织物边角料再利用的关键。
7.另外，随着现代科技的进步，人们对电子设备高速运行的需求使电子元器件正向轻量化、微型化、集成化方向发展。不同电子设备在运行过程中产生的电磁干扰（emi,electromagneticinterference）会对电子系统性能产生不利影响，长时间暴露在电磁辐射下也会对人体健康造成危害。因此，抑制或减缓不良电磁干扰已经成为材料科学领域的重要研究方向。民用电子器件的辐射频率通常小于15ghz，军用电磁辐射频率常处于8ghz~18ghz之间。若从吸收电磁波角度看，反射率小于-5db时，可用于普通民用建筑物的电磁屏蔽；反射率小于-7db时，可用于军事设施的电磁屏蔽；反射率小于-10db时，就属于很好地吸波材料了。因此，电磁屏蔽性能也是碳纤维编织物边角料的再利用时需要考虑的主要问题。
8.为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。


技术实现要素：

9.本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种导电性能优异、电磁屏蔽性能好、对碳纤维编织物边角料利用率高的方法利用碳纤维编织物边角料制备电致热加热片。
10.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种利用碳纤维编织物边角料制备电致热加热片的方法，包括以下步骤：步骤1）整理：将团状无序的碳纤维编织物边角料进行裁剪，控制裁剪长度在5mm~
10mm，形成短切碳纤维；步骤2）静置：将短切碳纤维放在盛有丙酮的烧杯中，在通风环境下静置10h~14h；步骤3）清洗烘干：将静置后的短切碳纤维用丙酮和去离子水分别反复清洗后，放入烘箱中进行干燥；步骤4）配置分散液：用两个容器分别取去离子水和无水乙醇，再取羧甲基纤维素钠粉末分散在无水乙醇中，去离子水和无水乙醇的配比为8~10:1，羧甲基纤维素钠粉末与无水乙醇的配比为每10ml~13ml的无水乙醇中分散1g羧甲基纤维素钠，将分散有羧甲基纤维素钠的无水乙醇与去离子水充分混合，形成分散液；步骤5）配置短切碳纤维分散液：取1g~2g的短切碳纤维加入到分散液中充分搅拌，使短切碳纤维在分散液中充分分散，形成短切碳纤维分散液；步骤6）形成短切碳纤维薄片：将短切碳纤维分散液导入带有双层金属滤网的布氏漏斗中，充分搅拌后静置10min，打开真空抽滤装置进行抽滤，得到短切碳纤维薄片，克重可控在10 g/m2~80g/m2之间；步骤7）烘干：将带有短切碳纤维薄片的上层金属滤网取下，放入烘箱进行干燥，得到圆形短切碳纤维毡，对其进行裁剪；步骤8）制作电极：在裁剪后的短切碳纤维毡的两端粘结电极，将导电银胶均匀涂抹在电极上，然后进入烘箱烘干；步骤9）制备tpu薄片：将tpu粒料放入烘箱中去除水分，然后用真空压膜机制备成tpu薄片，厚度可控0.1mm~2mm；步骤10）产品成型：将两层tpu薄片中间加入一层贴有电极的短切碳纤维毡，用真空压膜机进行塑封，制成产品。
11.基上所述，步骤2）中，静置时间至少为10h。
12.基上所述，步骤3）中，烘干的温度为60℃，烘干时间为1h。
13.基上所述，步骤4）中，去离子水的量为420ml~460ml，无水乙醇为42ml~50ml，羧甲基纤维素钠粉末的量为3g~5g，将羧甲基纤维素钠、去离子水、无水乙醇的混合液采用机械搅拌的方法溶解，转速300rpm，搅拌时间3h，得到羧甲基纤维素钠完全溶解的分散液。
14.基上所述，步骤5）中，短切碳纤维加入到分散液中采用机械搅拌装置搅拌，转速300rpm，搅拌时间1h。
15.基上所述，步骤7）中，烘箱温度为60℃，干燥3h，得到直径为90mm的圆形短切碳纤维毡，将其裁剪成50
×
50mm尺寸的毡片。
16.基上所述，步骤8）中，电极采用紫铜电极，烘箱温度为60℃，烘干时间30min。
17.基上所述，步骤9）中，tpu材料的烘干温度为60℃，烘干时间为10h，真空压膜机的工作温度为210℃，工作压力为4mpa。
18.本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明将碳纤维织物的边角料进行裁切，形成长度相对均匀的短切碳纤维，一方面使其具有良好的电磁屏蔽基础，另一方面能够解决碳纤维分散过程中成团难以分散的问题；然后进行清洗，主要目的是去除碳纤维表面的浆料，使碳纤维充分暴露出来，加强短切碳纤维之间的连接，再配置分散液，将碳纤维进行分散；然后进行干燥、裁剪，在两端增加电极，并用tpu薄片进行塑封，完成电致热加热片的制备。
附图说明
19.图1是本发明中利用碳纤维编织物边角料制备电致热加热片的方法的工艺流程图。
20.图2是本发明中碳纤维编织物边角料进行裁剪、浸泡、烘干、成片过程的样品对比图。
21.图3是本发明中电致热加热片的结构示意图。
22.图4是发明中电致热加热片的电磁屏蔽效率示意图。
23.图5是本发明中电致热加热片的发热分布图。
24.图6是本发明中电致热加热片在不同电压下的温度随时间变化的曲线图。
具体实施方式
25.下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
26.如图1所示，一种利用碳纤维编织物边角料制备电致热加热片的方法，包括以下步骤：步骤1）整理：将团状无序的碳纤维编织物边角料进行裁剪，控制裁剪长度在5mm~10mm，形成短切碳纤维，其目的主要有两点，其一是方便碳纤维后续的分散过程，避免成团碳纤维无法处理的问题，其二是提高碳纤维的电磁屏蔽性能，短切碳纤维在长度在合理范围内时，具备优异的电磁屏蔽性能。图2中，左上是团状无序的碳纤维编织物边角料的示意图。
27.步骤2）静置：将短切碳纤维放在盛有丙酮的烧杯中，在通风环境下静置10h~14h，如图2中右上所示的状态。
28.步骤3）清洗烘干：将静置后的短切碳纤维用用丙酮和去离子水先后反复清洗后，放入烘箱中进行干燥，烘干的温度为60℃，烘干时间为1h，该步骤主要是清洗掉碳纤维表面的浆料。
29.步骤4）配置分散液：用两个容器分别取去离子水和无水乙醇，再取羧甲基纤维素钠粉末分散在无水乙醇中，去离子水和无水乙醇的配比为8~10:1，羧甲基纤维素钠粉末与无水乙醇的配比为每10ml~13ml的无水乙醇中分散1g羧甲基纤维素钠，防止羧甲基纤维素钠在加入去离子水中时絮凝，不易溶解，具体的，去离子水的量为420ml~460ml，无水乙醇为42ml~50ml，羧甲基纤维素钠粉末的量为3g~5g，将分散有羧甲基纤维素钠的无水乙醇与去离子水充分混合，采用机械搅拌的方法溶解，转速300rpm，搅拌时间3h，得到羧甲基纤维素钠完全溶解的分散液。
30.步骤5）配置短切碳纤维分散液：取1g~2g的短切碳纤维加入到分散液中，用机械搅拌装置充分搅拌，转速300rpm，搅拌时间1h，使短切碳纤维在分散液中充分分散，形成短切碳纤维分散液，如图2中左下所示。
31.步骤6）形成短切碳纤维薄片：将短切碳纤维分散液导入带有双层金属滤网的布氏漏斗中，充分搅拌后静置10min，打开真空抽滤装置进行抽滤，得到短切碳纤维薄片，克重可控在10g/m2~80g/m2之间，如图2中的右下所示。
32.步骤7）烘干：将带有短切碳纤维薄片的上层金属滤网取下，放入烘箱进行干燥，烘箱温度为60℃，干燥3h，得到直径为90mm的圆形短切碳纤维毡，将其裁剪成(50
×
50)mm尺寸
的毡片。
33.步骤8）制作电极：电极采用紫铜电极，在裁剪后的短切碳纤维毡的两端粘结电极，将导电银胶均匀涂抹在电极上，然后进入烘箱烘干；尺寸为(80
×5×
0.02)mm。将导电银胶均匀涂抹在电极上，贴在短切碳纤维毡两端，并放入60℃烘箱中烘干30min，使导电银胶完全干燥，从而保证电极与短切碳纤维毡粘合更牢固。
34.步骤9）制备tpu薄片：将tpu（热塑性聚氨酯，1185a，聚醚型）粒料放入60℃烘箱中10h以完全除去tpu中含有的水分，厚度可控0.1mm~2mm。将烘干的tpu粒料用真空压膜机以210℃的温度，4mpa的压力，制备出尺寸为(60
×
60
×
0.5)mm的薄片，备用。
35.步骤10）产品成型：将两层tpu薄片中间加入一层贴有电极的短切碳纤维毡，用真空压膜机进行塑封，制成产品，如图3所示，1指电极，2指短切碳纤维毡片，3指tpu薄片。
36.如图4所示，为产品进行电磁屏蔽效率实验的数据图。
37.如图5所示，为产品通电加热后，分别在3v、4v、5v和6v下的热量分布图。
38.如图6所示，为产品通电加热后，分别在3v、4v、5v和6v下温度随时间变化的图。
39.最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。