实验室用新型碳纤维远红外加热器的初步研究

黎林玉 张维 赖寒

摘 要：目前实验室加热器一般为酒精灯、微波加热器和以电阻丝为热源的加热器等。这些加热器尽管操作简单且造价便宜，但普遍存在的问题是电热转换率低、能源浪费、安全系数小、寿命较短。本文对实验室现有各类加热器的优缺点进行比较，探讨了以碳纤维做为加热元件的远红外加热器以克服现有各类实验室加热器的不足，并对于其工作原理和应用价值进行了初步的探究。

关键词：实验室；碳纤维；加热器

目前实验室常见的加热器有酒精灯、酒精喷灯、煤气灯、电炉、电热套、微波炉等。区别于普通民用加热器，通常实验室需要加热的试剂体积较少且对加热要求严格，需要加热均匀、控温严格，并要能满足安全、环保的特殊要求。但目前上述的各类实验室加热器都存在控温效果不好、加热效果欠佳、易出现漏电和火灾等意外事故等问题与不足。下面对实验室各类加热器的工作原理与优缺点进行逐一论述：

1 酒精灯的工作原理及其优缺点

酒精灯是现阶段实验室最常用传统热源，一般热源选用燃烧95%酒精或者工业酒精，酒精灯燃烧时温度为400-500℃，酒精喷灯燃烧时温度为800-1000℃。

1.1 酒精灯的主要优点

实验室酒精灯的主要优点是制造和使用原理较简单，成本较低，可以在大多实验室使用。

1.2 酒精灯的主要缺点

由于酒精燃烧的特性造成其火焰的温度总是局限于非常窄的区间内，温控操作比较繁琐；酒精灯加热火焰分为外焰、内焰、焰心、火焰等几部分，各部分的温度高低不同，加热时易造成受热不均匀，出现爆沸现象，引发安全隐患；酒精灯加热效果易受到空气流动的影响，特别是外焰受到较强侧风时，一旦外焰进入灯内，将会爆炸，给实验室人身安全造成威胁；另外酒精燃烧产生温室气体排放。

2 电炉的工作原理及其优缺点

实验室电炉主要是以电阻丝为加热元件，根据电流流过电阻产生焦耳热原理，将电能转化为热能，从而对物体进行加热。

2.1 电炉的主要优点

使用电炉加热相比酒精灯加热升温更快、加热效果更加均匀，控温便捷；加上电炉的构造成本较低，从而也在实验室得到了普及和推广。

2.2 传统电炉的缺点

电炉因电阻丝和固定装置的膨胀系数不同，反复加热、冷却和长期氧化，导致接触间隙增大，加快熔断速度，使用寿命普遍较短[1]；电炉大多是敞口设计，加热过程中会散失掉很大一部分能量，造成能源浪费；电炉达到预设温度时，虽然电炉会停止对电阻丝供电，但由于电阻丝的发热惯性，炉温实际还会上升一定的温度后才会下降，同样当炉温低于设定温度开始供电时，炉温也还要下降一定温度后才会上升，这样在实验需要恒温时，电炉的炉温的波动较大，温控效果不理想；每次的通断电造成的震动会影响温控表，如果交流接触器频繁通电断电也会导致其使用寿命缩短[2]。

3 微波加热器的工作原理及其优缺点

微波加热器是利用被加热物质的极性分子在微波电磁场中快速转向及定向排列，让众多极性分子因频繁摩擦而发热，从而实现将电磁能转化为热能，对被加热物体进行加热[3]。

3.1 微波加热器的主要优点

微波由于直接作用于被加热物质分子本身，因而微波升温速度快，可快速达到预定温度；被加热物体中的极性分子在微波电磁场作用下高速运转，使其內外分子同时得到加热，高速运转使分子之间的接触几率大大增加，接触界面不断更新，加热效果均匀，不会出现局部过热、部分碳化、结块等现象，易于实现加热自动化，提高实验效率；微波穿透力强能穿透容器壁直接作用于被加热物质分子，避免了容器造成的热损失，因此微波加热热效率高，热损失低，能源浪费少。

3.2 微波加热器的主要缺点

微波对被加热物质物理和化学性质有严格的限定，使用范围受到极大的限制。如不能加热处于密封体系的强酸和强氧化剂等液体，这些物质在微波的作用下迅速分解产生的大量气体，导致装置发生爆炸和腐蚀；微波不能对有金属参与的反应装置进行加热，金属在会反射微波并产生电火花，容易造成事故。微波加热器易出现电磁泄露，会产生一定的电磁辐射，长时间近距离接触会破坏生物电的自然平衡，导致生物电传递的信息受到干扰，长时间近距离接触易出现头晕、头疼、记忆力衰退等不适反应，严重时会危害心血管系统、血液系统、内分泌系统、生殖系统等。

4 碳纤维远红外加热器提供的解决问题思路

为解决实验室普遍加热器存在控温不准确、电热转换率低、能源浪费、安全系数小等问题。近年来，随着各种新型材料在电热领域内的广泛应用，为碳纤维取代传统金属发热体提供了可能。

4.1 碳纤维制作方法及其加热原理

目前用于制造碳纤维的原料有多种，其中最常见的是聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维，这其中用聚丙烯腈纤维生产的碳纤维，经过了预氧化、低温及高温碳化、水洗干燥和上浆特殊处理后，具有耐高温、耐腐蚀、抗氧化的优异性能。加上聚丙烯腈纤维作为原料制取碳纤维生产工艺相对成熟、产量相对较高，已经成为现阶段最常见的生产碳纤维的方式。

将石英玻璃管预先抽真空后再充以惰性气体，将用聚丙烯腈纤维制得的碳纤维烧制封闭在其中，得到碳纤维远红外加热管。再将它与电源、控制电路相结合即可制得简易的碳纤维远红外加热器。

4.2 碳纤维远红外加热器的主要优点

碳纤维远红外加热器相对于传统实验室加热器主要具有以下的显著特征：1）制造简单，稳定可靠：碳纤维膨胀系数几乎为零，耐冷热骤变性强，能有效减少电路断路等问题。实际测试中发现即便出现碳纤维加热丝局部有损害只会在受损区域加热功能消失，不会造成整个电路的损坏[4]；2）电热转换效率高：碳纤维导电性能优异，热转换率可以保持在97%以上，节能效果显著，长期大范围使用可以有效降低实验成本；3）升温快，控温准：碳纤维发热管是一种纯黑体材料，高温状态下能抗氧化，加热功率稳定；碳纤维不产生电磁场，可以避免瞬间电流的冲击造成发热功率的不稳定，加热前无需提前预热，数秒内即可达到额定的功率工作且能保持平稳、准确的温度控制。4）维护成本便宜：碳纤维耐高温、耐腐蚀、抗氧化的特性能够有效抵抗实验室中各类酸碱物质的腐蚀，不存在因发热单元氧化造成电热功率衰退的弊端，使用生命周期长，能有效节省实验室的经费。5）安全环保：碳纤维远红外所释放的红外波长在10μm左右，不会对实验者的身体机能造成损伤，也不会形成光污染，可以长期使用。

4.3 碳纤维远红外加热器的不足

目前制造碳纤维的技术主要掌握在日本和美国的少数几家公司手里，国内碳纤维的制造还处于探索摸索阶段。从国外进口昂贵的碳纤维造成我国开展碳纤维各种技术应用的瓶颈[5]，这需要广大科研工作者和生产厂家不断实践新的工艺与技术，不断降低碳纤维的生产成本，尽快为碳纤维的大量应用铺平道路。

5 结语

碳纤维远红外加热器具有的电热转换率高、温控效果好、安全节能等优异性能，将会成为目前实验室加热器理想的替代品。随着我国科技的不断创新与进步，以碳纤维为代表的各类新型加热器将广泛运用于更广泛的领域，为生活、工作、科技等带来创新与突破。

参考文献

[1]周煜刚.电炉加热器易损坏原因探究[J].自贡师范高等专科学校学报，2002，17（2）.

[2]郑毅然.实验室电炉的改进[J].实验室研究与探索，2006，25（4）：431-453.

[3]叶玮玮.微波加热技术与微波炉[J].技术物理教学，2007，15（4）：48.

[4]钱存东.碳纤维电加热管在节能灯生产企业的应用[E].扬州市节能技术服务中心，2012.

[5]王国刚.国产碳纤维自制设备低温炉加热器的选择[E].威海光威精密机械有限公司，2010.

通讯作者

赖寒，男，四川内江人，重庆第二师范学院生物与化学工程学院，副教授。