實驗室用新型碳纖維遠(yuǎn)紅外加熱器的初步研究

黎林玉 張維 賴寒

摘 要：目前實驗室加熱器一般為酒精燈、微波加熱器和以電阻絲為熱源的加熱器等。這些加熱器盡管操作簡單且造價便宜，但普遍存在的問題是電熱轉(zhuǎn)換率低、能源浪費、安全系數(shù)小、壽命較短。本文對實驗室現(xiàn)有各類加熱器的優(yōu)缺點進(jìn)行比較，探討了以碳纖維做為加熱元件的遠(yuǎn)紅外加熱器以克服現(xiàn)有各類實驗室加熱器的不足，并對于其工作原理和應(yīng)用價值進(jìn)行了初步的探究。

關(guān)鍵詞：實驗室；碳纖維；加熱器

目前實驗室常見的加熱器有酒精燈、酒精噴燈、煤氣燈、電爐、電熱套、微波爐等。區(qū)別于普通民用加熱器，通常實驗室需要加熱的試劑體積較少且對加熱要求嚴(yán)格，需要加熱均勻、控溫嚴(yán)格，并要能滿足安全、環(huán)保的特殊要求。但目前上述的各類實驗室加熱器都存在控溫效果不好、加熱效果欠佳、易出現(xiàn)漏電和火災(zāi)等意外事故等問題與不足。下面對實驗室各類加熱器的工作原理與優(yōu)缺點進(jìn)行逐一論述：

1 酒精燈的工作原理及其優(yōu)缺點

酒精燈是現(xiàn)階段實驗室最常用傳統(tǒng)熱源，一般熱源選用燃燒95%酒精或者工業(yè)酒精，酒精燈燃燒時溫度為400-500℃，酒精噴燈燃燒時溫度為800-1000℃。

1.1 酒精燈的主要優(yōu)點

實驗室酒精燈的主要優(yōu)點是制造和使用原理較簡單，成本較低，可以在大多實驗室使用。

1.2 酒精燈的主要缺點

由于酒精燃燒的特性造成其火焰的溫度總是局限于非常窄的區(qū)間內(nèi)，溫控操作比較繁瑣；酒精燈加熱火焰分為外焰、內(nèi)焰、焰心、火焰等幾部分，各部分的溫度高低不同，加熱時易造成受熱不均勻，出現(xiàn)爆沸現(xiàn)象，引發(fā)安全隱患；酒精燈加熱效果易受到空氣流動的影響，特別是外焰受到較強(qiáng)側(cè)風(fēng)時，一旦外焰進(jìn)入燈內(nèi)，將會爆炸，給實驗室人身安全造成威脅；另外酒精燃燒產(chǎn)生溫室氣體排放。

2 電爐的工作原理及其優(yōu)缺點

實驗室電爐主要是以電阻絲為加熱元件，根據(jù)電流流過電阻產(chǎn)生焦耳熱原理，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，從而對物體進(jìn)行加熱。

2.1 電爐的主要優(yōu)點

使用電爐加熱相比酒精燈加熱升溫更快、加熱效果更加均勻，控溫便捷；加上電爐的構(gòu)造成本較低，從而也在實驗室得到了普及和推廣。

2.2 傳統(tǒng)電爐的缺點

電爐因電阻絲和固定裝置的膨脹系數(shù)不同，反復(fù)加熱、冷卻和長期氧化，導(dǎo)致接觸間隙增大，加快熔斷速度，使用壽命普遍較短[1]；電爐大多是敞口設(shè)計，加熱過程中會散失掉很大一部分能量，造成能源浪費；電爐達(dá)到預(yù)設(shè)溫度時，雖然電爐會停止對電阻絲供電，但由于電阻絲的發(fā)熱慣性，爐溫實際還會上升一定的溫度后才會下降，同樣當(dāng)爐溫低于設(shè)定溫度開始供電時，爐溫也還要下降一定溫度后才會上升，這樣在實驗需要恒溫時，電爐的爐溫的波動較大，溫控效果不理想；每次的通斷電造成的震動會影響溫控表，如果交流接觸器頻繁通電斷電也會導(dǎo)致其使用壽命縮短[2]。

3 微波加熱器的工作原理及其優(yōu)缺點

微波加熱器是利用被加熱物質(zhì)的極性分子在微波電磁場中快速轉(zhuǎn)向及定向排列，讓眾多極性分子因頻繁摩擦而發(fā)熱，從而實現(xiàn)將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能，對被加熱物體進(jìn)行加熱[3]。

3.1 微波加熱器的主要優(yōu)點

微波由于直接作用于被加熱物質(zhì)分子本身，因而微波升溫速度快，可快速達(dá)到預(yù)定溫度；被加熱物體中的極性分子在微波電磁場作用下高速運轉(zhuǎn)，使其內(nèi)外分子同時得到加熱，高速運轉(zhuǎn)使分子之間的接觸幾率大大增加，接觸界面不斷更新，加熱效果均勻，不會出現(xiàn)局部過熱、部分碳化、結(jié)塊等現(xiàn)象，易于實現(xiàn)加熱自動化，提高實驗效率；微波穿透力強(qiáng)能穿透容器壁直接作用于被加熱物質(zhì)分子，避免了容器造成的熱損失，因此微波加熱熱效率高，熱損失低，能源浪費少。

3.2 微波加熱器的主要缺點

微波對被加熱物質(zhì)物理和化學(xué)性質(zhì)有嚴(yán)格的限定，使用范圍受到極大的限制。如不能加熱處于密封體系的強(qiáng)酸和強(qiáng)氧化劑等液體，這些物質(zhì)在微波的作用下迅速分解產(chǎn)生的大量氣體，導(dǎo)致裝置發(fā)生爆炸和腐蝕；微波不能對有金屬參與的反應(yīng)裝置進(jìn)行加熱，金屬在會反射微波并產(chǎn)生電火花，容易造成事故。微波加熱器易出現(xiàn)電磁泄露，會產(chǎn)生一定的電磁輻射，長時間近距離接觸會破壞生物電的自然平衡，導(dǎo)致生物電傳遞的信息受到干擾，長時間近距離接觸易出現(xiàn)頭暈、頭疼、記憶力衰退等不適反應(yīng)，嚴(yán)重時會危害心血管系統(tǒng)、血液系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)等。

4 碳纖維遠(yuǎn)紅外加熱器提供的解決問題思路

為解決實驗室普遍加熱器存在控溫不準(zhǔn)確、電熱轉(zhuǎn)換率低、能源浪費、安全系數(shù)小等問題。近年來，隨著各種新型材料在電熱領(lǐng)域內(nèi)的廣泛應(yīng)用，為碳纖維取代傳統(tǒng)金屬發(fā)熱體提供了可能。

4.1 碳纖維制作方法及其加熱原理

目前用于制造碳纖維的原料有多種，其中最常見的是聚丙烯腈基碳纖維和瀝青基碳纖維，這其中用聚丙烯腈纖維生產(chǎn)的碳纖維，經(jīng)過了預(yù)氧化、低溫及高溫碳化、水洗干燥和上漿特殊處理后，具有耐高溫、耐腐蝕、抗氧化的優(yōu)異性能。加上聚丙烯腈纖維作為原料制取碳纖維生產(chǎn)工藝相對成熟、產(chǎn)量相對較高，已經(jīng)成為現(xiàn)階段最常見的生產(chǎn)碳纖維的方式。

將石英玻璃管預(yù)先抽真空后再充以惰性氣體，將用聚丙烯腈纖維制得的碳纖維燒制封閉在其中，得到碳纖維遠(yuǎn)紅外加熱管。再將它與電源、控制電路相結(jié)合即可制得簡易的碳纖維遠(yuǎn)紅外加熱器。

4.2 碳纖維遠(yuǎn)紅外加熱器的主要優(yōu)點

碳纖維遠(yuǎn)紅外加熱器相對于傳統(tǒng)實驗室加熱器主要具有以下的顯著特征：1）制造簡單，穩(wěn)定可靠：碳纖維膨脹系數(shù)幾乎為零，耐冷熱驟變性強(qiáng)，能有效減少電路斷路等問題。實際測試中發(fā)現(xiàn)即便出現(xiàn)碳纖維加熱絲局部有損害只會在受損區(qū)域加熱功能消失，不會造成整個電路的損壞[4]；2）電熱轉(zhuǎn)換效率高：碳纖維導(dǎo)電性能優(yōu)異，熱轉(zhuǎn)換率可以保持在97%以上，節(jié)能效果顯著，長期大范圍使用可以有效降低實驗成本；3）升溫快，控溫準(zhǔn)：碳纖維發(fā)熱管是一種純黑體材料，高溫狀態(tài)下能抗氧化，加熱功率穩(wěn)定；碳纖維不產(chǎn)生電磁場，可以避免瞬間電流的沖擊造成發(fā)熱功率的不穩(wěn)定，加熱前無需提前預(yù)熱，數(shù)秒內(nèi)即可達(dá)到額定的功率工作且能保持平穩(wěn)、準(zhǔn)確的溫度控制。4）維護(hù)成本便宜：碳纖維耐高溫、耐腐蝕、抗氧化的特性能夠有效抵抗實驗室中各類酸堿物質(zhì)的腐蝕，不存在因發(fā)熱單元氧化造成電熱功率衰退的弊端，使用生命周期長，能有效節(jié)省實驗室的經(jīng)費。5）安全環(huán)保：碳纖維遠(yuǎn)紅外所釋放的紅外波長在10μm左右，不會對實驗者的身體機(jī)能造成損傷，也不會形成光污染，可以長期使用。

4.3 碳纖維遠(yuǎn)紅外加熱器的不足

目前制造碳纖維的技術(shù)主要掌握在日本和美國的少數(shù)幾家公司手里，國內(nèi)碳纖維的制造還處于探索摸索階段。從國外進(jìn)口昂貴的碳纖維造成我國開展碳纖維各種技術(shù)應(yīng)用的瓶頸[5]，這需要廣大科研工作者和生產(chǎn)廠家不斷實踐新的工藝與技術(shù)，不斷降低碳纖維的生產(chǎn)成本，盡快為碳纖維的大量應(yīng)用鋪平道路。

5 結(jié)語

碳纖維遠(yuǎn)紅外加熱器具有的電熱轉(zhuǎn)換率高、溫控效果好、安全節(jié)能等優(yōu)異性能，將會成為目前實驗室加熱器理想的替代品。隨著我國科技的不斷創(chuàng)新與進(jìn)步，以碳纖維為代表的各類新型加熱器將廣泛運用于更廣泛的領(lǐng)域，為生活、工作、科技等帶來創(chuàng)新與突破。

參考文獻(xiàn)

[1]周煜剛.電爐加熱器易損壞原因探究[J].自貢師范高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2002，17（2）.

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[3]葉瑋瑋.微波加熱技術(shù)與微波爐[J].技術(shù)物理教學(xué)，2007，15（4）：48.

[4]錢存東.碳纖維電加熱管在節(jié)能燈生產(chǎn)企業(yè)的應(yīng)用[E].揚州市節(jié)能技術(shù)服務(wù)中心，2012.

[5]王國剛.國產(chǎn)碳纖維自制設(shè)備低溫爐加熱器的選擇[E].威海光威精密機(jī)械有限公司，2010.

通訊作者

賴寒，男，四川內(nèi)江人，重慶第二師范學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院，副教授。