CN104945921A - 一种组合物、节能低电压复合发热板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于制备复合发热板的组合物，包括发热材料和木塑材料；以所述发热材料和木塑材料的总质量为基准，所述发热材料的质量百分比为26％～35％，余量为所述木塑材料。所述发热材料包括质量比为4:6的硅矿粉和含碳粉，所述木塑材料包括绝缘树脂30重量份、木塑填充物53～55重量份、绝缘树脂改性剂5重量份、稳定剂5重量份、塑化剂1.2重量份、发泡剂2重量份、发泡调节剂6重量份。本发明还提供上述组合物的制备方法，以及包括上述组合物的复合发热板及其制备方法。本发明提供的复合发热板，发热效果好，工作电压低，能耗极低，使用安全，无毒无味，绿色环保；同时其密度高于普通木塑地板和强化地板，强度高，塑性好。
Description
技术领域
本发明属于材料领域，具体涉及一种节能低电压复合发热板及其制备方法和用途。
背景技术
一般家庭冬季取暖，北方主要采用集中供暖，南方则通过空调制热或电热器加热等以家庭为单位的取暖方式。随着生活水平的提高以及环保标准的提高，对取暖方式日益提出更高效、安全和环保的要求。
在地面或墙面铺设发热板材，是目前比较常用的新兴的取暖方式。发热板材的性能决定了这种制热方式的效率、安全性和环境友好性质。
现有技术中出现了利用碳晶制备的发热板材。碳晶主要靠晶格震动的格波传热，电热转换效率高，接近1∶1。另外，碳晶还具有耐高温、不易氧化、不易损坏、使用寿命长的优点。但是现有的碳晶发热膜或碳晶地板等发热材料结构复杂，原因在于所述的发热材料通常要求在220V电压下工作，因此在碳晶发热层外侧可能与人接触的一面必须有绝缘层，以防止触电。例如，公开号CN104329716 A(公开日2015年2月4日)、名称为“一种超薄发热板材”的中国发明专利申请，公开了一种以碳晶为发热材料、包括云母石绝缘板的复合板材，碳晶发热区设置在绝缘板中部。另外，由于工作电压高，现有技术中的碳晶复合发热材料能耗较大，平均每平方米功率高达165W以上，不利于节能环保。
因此，迫切需要开发出一种结构简单、热效高、节能环保且使用安全的发热材料。
发明内容
针对上述问题，本发明的一个目的在于提供一种用于制备复合发热板的组合物以及该组合物制备的发热板。所述发热板在直流1～35V或交流1～17V的安全电压下即可将电能高效转化成热能，而且制备工艺简单，通过内腔复合工艺，一次性挤出成型。
为了实现上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种用于制备复合发热板的组合物，包括发热材料和木塑材料；以所述发热材料和木塑材料的总质量为基准，所述发热材料的质量百分比为26％～35％，余量为所述木塑材料。
优选的，以所述发热材料和木塑材料的总质量为基准，所述发热材料的质量百分比为28％～30％，余量为所述木塑材料。
所述发热材料包括质量比为4:6的硅矿粉和含碳粉。
优选的，所述硅矿粉及含碳粉的粒径为100～1000目。
优选的，所述硅矿粉包含80％～99％以上的二氧化硅。
更优选的，所述硅矿粉包含97％～99％的二氧化硅。
优选的，所述含碳粉包含90％以上的碳。
更优选的，所述含碳粉包含95％～99％的碳。
优选的，所述含碳粉为碳晶粉。
优选的，所述碳晶粉选自煤粉、秸秆碳粉、石墨粉或木炭粉中的一种或多种。
优选的，所述煤粉为精煤粉。
优选的，所述木塑材料包括绝缘树脂30重量份、木塑填充物53～55重量份、绝缘树脂改性剂5重量份、稳定剂5重量份、塑化剂1.2重量份、发泡剂2重量份、发泡调节剂6重量份、PE蜡2重量份。
优选的，所述绝缘树脂选自聚乙烯树脂(PE)、聚丙烯树脂(PP)和/或聚氯乙烯树脂(PVC)中的一种或多种。
更优选的，所述绝缘树脂为聚氯乙烯树脂。
进一步优选的，所述绝缘树脂为5型聚氯乙烯树脂。
优选的，所述木塑填充物选自木粉、竹粉、农作物秸秆粉、草粉和石粉中的一种或多种。
优选的，所述石粉的粒径为100～1000目，更优选为1000目。
优选的，所述绝缘树脂改性剂为钛白粉。
上述稳定剂、塑化剂、发泡剂、发泡调节剂可以是本领域通用的，但更优选的是：所述稳定剂为牌号TF-502P的稳定剂，所述塑化剂为牌号ZB60的塑化剂，所述发泡剂为AC发泡剂，所述发泡调节剂为牌号HL925的PVC加工助剂。
作为本发明的一个优选的实施方式，所述木塑材料由如下重量份的原 料构成：
5型聚氯乙烯树脂30重量份，钛白粉5重量份，木粉45重量份，石粉8.8重量份，TF-502P稳定剂5重量份，ZB60塑化剂1.2重量份，AC发泡剂2重量份，HL925发泡调节剂6重量份，PE蜡2重量份。
本发明另一个目的在于提供上述用于制备复合发热板的组合物的制备方法，包括按照上述重量份配比准备所述发热材料和所述木塑材料；然后先在120～130℃、2800～3200转/分钟条件下高温高速混合10～20分钟，再在40～50℃、1300～1500转/分钟条件下低温低速混合8～15分钟。
作为优选的实施方式，本发明提供一种上述用于制备复合发热板的组合物的制备方法，包括按照上述重量份配比准备所述发热材料和所述木塑材料；然后先在125℃、3000转/分钟的条件下高温高速混合15分钟，再在45℃、1400转/分钟的条件下低温低速混合10分钟。
本发明还有一个目的在于提供一种复合发热板，所述复合发热板包括上述的组合物和包裹在所述组合物中的一根或多根导电金属条或导电金属线、或一个或多个导电金属片或导电金属板。
优选的，所述复合发热板包括上述的组合物和包裹在所述组合物中的一根或多根导电金属条或导电金属线。
优选的，所述导电金属选自常见固体导电金属，优选铁、铜或铝，更优选为铁。
优选的，所述导电金属条可以是厚0.2mm、宽7～20mm的铁条。
优选的，所述复合发热板的工作电压为1～110V，工作时输入功率为5～48W/m2。
更优选的，所述复合加热板的工作电压为直流1～35V或交流1～17V。
本发明的另一个目的在于提供上述复合发热板的制备方法，包括如下步骤：
将上述用于制备复合发热板的组合物与所述导电金属线或导电金属条经挤出机共挤成型。
优选的，所述导电金属线或导电金属条牵引至立式共济镶块模具入口中与所述组合物汇合，再进入挤出机。
优选的，所述挤出机的机筒温度设置为：
机筒一区：180℃～200℃，机筒二区：175℃～195℃，机筒三区：170℃～190℃，机筒四区：165℃～185℃。
更优选的，所述挤出机的机筒温度设置为：
机筒一区：185℃，机筒二区：185℃，机筒三区：180℃，机筒四区：175℃。
作为一个优选的实施方式，本发明提供一种上述复合发热板的制备方法，具体步骤为：
I.按所述质量配比准备所述发热材料和所述木塑材料，混合，输入高速混料机，125℃和3000转/分钟条件下混合15分钟，然后移入低速混料机中，冷却至45℃，1400转/分钟条件下混合10分钟，得到用于制备发热板的组合物；
II.将步骤I得到的所述组合物输送到挤出机，同时将所述导电金属线或导电金属条牵引至立式共济镶块模具入口中与上述组合物汇合，通过高压挤出；挤出机机筒温度设置为：机筒一区：180℃～200℃，机筒二区：175℃～195℃，机筒三区：170℃～190℃，机筒四区：165℃～185℃。
作为一个更优选的实施方式，本发明提供一种上述复合发热板的制备方法，具体步骤为：
I.按所述质量配比准备所述发热材料和所述木塑材料，混合，输入高速混料机，125℃和3000转/分钟条件下混合15分钟，然后移入低速混料机中，冷却至45℃，1400转/分钟条件下混合10分钟，得到用于制备发热板的组合物；
II.将步骤I得到的所述组合物输送到挤出机，同时将所述导电金属线或导电金属条牵引至立式共济镶块模具入口中与上述组合物汇合，通过高压挤出；挤出机机筒温度设置为：机筒一区：185℃，机筒二区：185℃，机筒三区：180℃，机筒四区：175℃。
本发明提供的所述复合发热板根据用途可以采取任意方式与电源连接。
本发明所述的立式共济镶块模具的结构和工作原理，已经在专利号为201420154666.8(授权公告日2014年9月10日)、名称为“立式共挤镶块模具”的中国实用新型专利说明书中公开。
本发明是在发明人在先的研究基础上完成的。在申请号为PCT/CN2014/085486、名称为“复合发热材料及其制备方法和用途”的专利申请中，已经详细公开了本发明所述的发热材料及其制备方法。
但是前述发明提供的是一种结构较为疏松的材料，难以直接制作成型 且缺乏物理强度，不适于作为发热板材铺设于地面或墙面。因此有必要对现有技术中的所述复合发热材料进行改进，以期获得理想的物理性能，同时满足发热的需要。
本发明通过优化的原料组成和制备工艺条件，使复合发热板在挤出成型时没有堵料、焦料等情况的出现，材料塑化理想，结构稳定，挤出的复合发热板表面平整度好、强度高，抗弯曲、含水量、温度变化率、表面耐磨、常温落球冲击、绝缘性能等检测指标均达到或优于国家标准(Q/GJK02-2011《木塑复合板材》和GB/T24508-2009《木塑地板》)。更重要的是，本发明提供的复合发热板具有适宜的阻抗(电阻)和良好的发热效果。经测定阻抗(电阻)值为10～15欧姆/㎡，符合设计要求。加载电压24V～35V时，15分钟所述复合发热板表面温度可达到45～50℃，每平方米功率为5～48W，具有节能环保、热效高的特点。
总之，本发明提供的复合发热板，发热效果好，工作电压低，能耗极低，使用安全，无毒无味，绿色环保；同时密度高于普通木塑地板和强化地板，强度高，塑性好。
具体实施方式
以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的药材原料、试剂材料等，如无特殊说明，均为市售购买产品。
各实施例和对比例所用的硅矿粉，SiO2含量为97％，粒径100～1000目；含碳粉为100～1000目含碳量99％的碳晶粉，选自煤粉、精煤粉、秸秆碳粉、石墨粉和木炭粉中的一种或几种。
PVC：四川宜宾天原集团海丰和锐有限公司出品，PVC-5G5型PVC；
稳定剂：浙江传化华洋化工有限公司出品，牌号TF-502P；
塑化剂：山东日科化学股份有限公司出品，牌号ZB60；
发泡剂：山东日科化学股份有限公司出品的AC发泡剂；
发泡调节剂：山东日科化学股份有限公司出品的PVC加工助剂，牌号HL925；
PE蜡：牌号W1101F；
钛白粉：湖南永利化工有限公司出品，牌号TYR232型。
实施例1～5 一种用于制备复合发热板的组合物及其制备的复合发热板
各实施例所述组合物的原料组成见表1。
各实施例的复合发热板分别由上述组合物和数根金属条或金属丝构成，其中所述金属条或金属丝包裹在所述组合物中。各实施例的复合发热板通过如下方法制备：
I.按照表1的配方准备各原料，混合；
II.将步骤I得到的混合原料输入高速混料机，125℃和3000转/分钟条件下混合15分钟，然后移入低速混料机中，冷却至45℃，1400转/分钟条件下混合10分钟，得到所述用于制备复合发热板的组合物；
III.将步骤II得到的所述用于制备发热板的组合物输送到双螺杆挤出机，同时将所述金属条牵引至立式共济镶块模具入口中与上诉混合物汇合，通过高压挤出；挤出机机筒温度设置为：机筒一区：185℃，机筒二区：185℃，机筒三区：180℃，机筒四区：175℃。
各实施例制备的复合发热板的规格是：244×20×1.5cm，每块板有0.2×15mm的3根所述金属条或金属丝。
对比例1～6 一种用于制备复合发热板的组合物及其制备的复合发热板
各对比例的组合物的原料组成，见表1。
各对比例的所述复合发热板以上述组合物为原料，通过如下方法制备：
I.按照表1的配方准备各原料，混合；
II.将步骤I得到的混合原料输入高速混料机，125℃和3000转/分钟条件下混合15分钟，然后移入低速混料机中，冷却至45℃，1400转/分钟条件下混合10分钟，得到所述用于制备复合发热板的组合物；
III.将步骤II得到的所述用于制备复合发热板的组合物输送到双螺杆挤出机，通过高压挤出；挤出机机筒温度设置见表1。
对比例1～3，因为组合物配方以及制备工艺条件(双螺杆挤出机挤出筒温度)不够优化，导致制备困难，得到的复合板表面不平整、板材中间出现气泡而致结构不稳定。对比例4和5调整了原料配方和制备工艺后，解决了上述问题。
表1 实施例1～5和对比例1～6配方、工艺参数及成品质量情况
试验例1 实施例1～5和对比例4～5制备的复合发热板性能指标测试
1.在环境温度5℃～8℃及35V电压下，测定实施例1～5以及对比例4～5制备的复合发热板的发热效果(包括通电15min后板表面温度、阻抗(电阻)及功率)，结果见表2。
表2 实施例1～5以及对比例4～5的复合发热板发热效果测试结果
| 复合发热板 | 15min后表面平均温度(℃) | 阻抗(Ω/块) | 功率(W/cm2) |
| 实施例1 | 45 | 10～12 | 5～15 |
| 实施例2 | 50 | 10～12 | 7～22 |
| 实施例3 | 48 | 10～12 | 6～17 |
| 实施例4 | 47 | 10～12 | 6～17 |
| 实施例5 | 50 | 10～12 | 7～21 |
| 对比例4 | 5 | 620 | - |
| 对比例5 | 7 | 45 | - |
| 对比例6 | 10 | 12～15 | - |
从表2可以看出，实施例1～5的发热快、效率高，而对比例4～6的发热效率低下。在测试中观察到：接通1～35V直流或1～17V交流电源后，对比例4的复合板不发热，原因可能是PVC树脂本身是绝缘材料，导致板材的阻抗(电阻)过大(620Ω/块)。对比例5的复合板，组合物原料中增加了导电钛白粉，并调整了木粉的质量配比；但是阻抗(电阻)仍然较大(45Ω/块)，加载电压后，升温非常缓慢。对比例6的复合板，相较对比例5，组合物原料中导电钛白粉用量增加，同时木粉的用量减少。经过这样的调整，复合板的阻抗(电阻)明显减小(12～15Ω/块)，达到设计预期值。对比例6的复合板发热效果虽然有一定程度的改善，但是仍然达不到要求，具体表现为：工作电压升高至35V，板表面温度升至35℃仍需要耗时1～2小时，而且此后温度不再上升。
2.实施例1～5的复合发热板板材性能测定
分别测定了实施例1～5制备的复合发热板的静曲强度(横向和纵向)、抗弯曲、含水量、温度变化率、表面耐磨性、常温落球冲击，结果见表3。
表3 实施例1～5的板材性能测试结果
表3的数据显示，实施例1～5制备的复合发热板的各项指标都达到或优于国家标准。
3.测试结论：
1)实施例1～5制备的复合发热板发热效果好、阻抗(电阻)适宜、能耗低。
2)实施例1～5制备的复合发热板表面平整度好，强度高，综合性能优异，其抗弯曲、含水量、温度变化率、表面耐磨、常温落球冲击、绝缘性能等检测指标均达到或优于国家标准。
对比例7～10 一种用于制备复合发热板的组合物及其制备的复合发热板
各对比例的组合物的原料组成，见表4。
各对比例的所述复合发热板以上述组合物为原料，通过如下方法制备：
I.按照表4的配方准备各原料，混合；
II.将步骤I得到的混合原料输入高速混料机，125℃和3000转/分钟条件下混合15分钟，然后移入低速混料机中，冷却至45℃，1400转/分钟条件下混合10分钟，得到所述用于制备复合发热板的组合物；
III.将步骤II得到的所述用于制备复合发热板的组合物输送到双螺杆挤出机，同时将所述金属条牵引至立式共济镶块模具入口中与上诉混合物汇合，通过高压挤出；挤出机机筒温度设置为：机筒一区：185℃，机筒二区：185℃，机筒三区：180℃，机筒四区：175℃。
记录上述对比例制备得到的复合发热板的成型情况，再测定阻抗(电阻)，结果见表4(对于成型情况明显不理想的，如出现断裂等，则不再测定其阻抗。)
表4 对比例7～10配方、工艺参数及成品质量情况
上述对比例7和8，发热材料在组合物中的质量占比＜26％(分别为25％和25.5％)，复合板的成型情况良好，但是板材的阻抗(电阻)过大，势必导致发热效率低下。对比例9和10，发热材料在组合物中的质量占比大于35％，相应的木塑材料在组合物中的质量占比小于65％(分别为63％和60％)，复合板出现了塑化不足，导致板材质脆易断裂。
以上对本发明具体实施方式的描述并不限制本发明，本领域技术人员可 以根据本发明做出各种改变或变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求的范围。
Claims (10)
1.一种用于制备复合发热板的组合物，包括发热材料和木塑材料；以所述发热材料和木塑材料的总质量为基准，所述发热材料的质量百分比为26％～35％，余量为所述木塑材料；
优选的，以所述发热材料和木塑材料的总质量为基准，所述发热材料的质量百分比为28％～30％，余量为所述木塑材料。
2.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述发热材料包括质量比为4:6的硅矿粉和含碳粉；
优选的，所述硅矿粉及含碳粉的粒径为100～1000目；
优选的，所述硅矿粉包含80％～99％以上的二氧化硅；更优选的，所述硅矿粉包含97％～99％的二氧化硅；
优选的，所述含碳粉包含90％以上的碳；更优选的，所述含碳粉包含95％～99％的碳。
3.根据权利要求2所述的组合物，其特征在于，所述含碳粉为碳晶粉；
优选的，所述碳晶粉选自煤粉、秸秆碳粉、石墨粉或木炭粉中的一种或多种；
优选的，所述煤粉为精煤粉。
4.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述木塑材料包括绝缘树脂30重量份、木塑填充物53～55重量份、绝缘树脂改性剂5重量份、稳定剂5重量份、塑化剂1.2重量份、发泡剂2重量份、发泡调节剂6重量份、PE蜡2重量份；其中所述稳定剂、塑化剂、发泡剂、发泡调节剂是本领域通用的；
优选的，所述绝缘树脂选自聚乙烯树脂、聚丙烯树脂和聚氯乙烯树脂中的一种或多种；更优选的，所述绝缘树脂为聚氯乙烯树脂；进一步优选的，所述绝缘树脂为5型聚氯乙烯树脂；
优选的，所述木塑填充物选自木粉、竹粉、农作物秸秆粉、草粉和石粉中的一种或多种；更优选的，所述石粉的粒径为100～1000目，更优选为1000目；
优选的，所述绝缘树脂改性剂为钛白粉；
优选的，所述稳定剂为牌号TF-502P的稳定剂，所述塑化剂为牌号 ZB60的塑化剂，所述发泡剂为AC发泡剂，所述发泡调节剂为牌号HL925的PVC加工助剂。
5.根据权利要求4所述的组合物，其特征在于，所述木塑材料由如下重量份的原料构成：
5型聚氯乙烯树脂30重量份，钛白粉5重量份，木粉45重量份，石粉8.8重量份，TF-502P稳定剂5重量份，ZB60塑化剂1.2重量份，AC发泡剂2重量份，HL925发泡调节剂6重量份，PE蜡2重量份。
6.权利要求1至5中任一项所述的用于制备复合发热板的组合物的制备方法，包括：按照上述重量份配比准备所述发热材料和所述木塑材料；然后先在120～130℃、2800～3200转/分钟的条件下高温高速混合10～20分钟，再在40～50℃、1300～1500转/分钟的条件下低温低速混合8～15分钟；
优选的，所述制备方法包括：按照上述重量份配比准备所述发热材料和所述木塑材料；然后先在125℃、3000转/分钟的条件下高温高速混合15分钟，再在45℃、1400转/分钟的条件下低温低速混合10分钟。
7.一种复合发热板，所述复合发热板包括权利要求1至5中任一项所述的用于制备复合发热板的组合物和包裹在所述组合物中的一根或多根导电金属条或导电金属线、或一个或多个导电金属片或导电金属板；
优选的，所述复合发热板包括所述用于制备复合发热板的组合物和包裹在所述组合物中的一根或多根所述导电金属条或所述导电金属线；
优选的，所述导电金属选自常见固体导电金属，优选铁、铜或铝，更优选为铁；
优选的，所述导电金属条可以是厚0.2mm、宽7～20mm的铁条。
8.根据权利要求7所述的复合发热板，其特征在于，所述复合发热板的工作电压为1～110V，工作时输入功率为5～48W/m2；
优选的，所述复合加热板的工作电压为直流1～35V或交流1～17V。
9.权利要求7或8所述的复合发热板的制备方法，包括如下步骤：
将权利要求1至5中任一项所述的用于制备复合发热板的组合物或者按照权利要求6所述的制备方法制备得到的组合物与所述导电金属线或导电金属条经挤出机共挤成型；
优选的，所述导电金属线或导电金属条牵引至立式共济镶块模具入口中与所述组合物汇合，再进入挤出机；
还优选的，所述挤出机的机筒温度设置为：
机筒一区：180℃～200℃，机筒二区：175℃～195℃，机筒三区：170℃～190℃，机筒四区：165℃～185℃；
更优选的，所述挤出机的机筒温度设置为：
机筒一区：185℃，机筒二区：185℃，机筒三区：180℃，机筒四区：175℃。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
I.按所述质量配比准备所述发热材料和所述木塑材料，混合，输入高速混料机，125℃和3000转/分钟条件下混合15分钟，然后移入低速混料机中，冷却至45℃，1400转/分钟条件下混合10分钟，得到用于制备发热板的组合物；
II.将步骤I得到的组合物输送到挤出机，同时将所述导电金属线或导电金属条牵引至立式共济镶块模具入口中与上诉混合物汇合，通过高压挤出；挤出机机筒温度设置为：机筒一区：180℃～200℃，机筒二区：175℃～195℃，机筒三区：170℃～190℃，机筒四区：165℃～185℃。
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