實驗室用新型碳纖維遠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換率低、能源浪費、安全系數小、壽命較短。本文對實驗室現有各類加熱器的優缺點進行比較，探討了以碳纖維做為加熱元件的遠紅外加熱器以克服現有各類實驗室加熱器的不足，并對于其工作原理和應用價值進行了初步的探究。

關鍵詞：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格，需要加熱均勻、控溫嚴格，并要能滿足安全、環保的特殊要求。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、易出現漏電和火災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缺點進行逐一論述：

1 酒精燈的工作原理及其優缺點

酒精燈是現階段實驗室最常用傳統熱源，一般熱源選用燃燒95%酒精或者工業酒精，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 酒精燈的主要優點

實驗室酒精燈的主要優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間內，溫控操作比較繁瑣；酒精燈加熱火焰分為外焰、內焰、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，出現爆沸現象，引發安全隱患；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側風時，一旦外焰進入燈內，將會爆炸，給實驗室人身安全造成威脅；另外酒精燃燒產生溫室氣體排放。

2 電爐的工作原理及其優缺點

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

2.1 電爐的主要優點

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；加上電爐的構造成本較低，從而也在實驗室得到了普及和推廣。

2.2 傳統電爐的缺點

電爐因電阻絲和固定裝置的膨脹系數不同，反復加熱、冷卻和長期氧化，導致接觸間隙增大，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；電爐達到預設溫度時，雖然電爐會停止對電阻絲供電，但由于電阻絲的發熱慣性，爐溫實際還會上升一定的溫度后才會下降，同樣當爐溫低于設定溫度開始供電時，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致其使用壽命縮短[2]。

3 微波加熱器的工作原理及其優缺點

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

3.1 微波加熱器的主要優點

微波由于直接作用于被加熱物質分子本身，因而微波升溫速度快，可快速達到預定溫度；被加熱物體中的極性分子在微波電磁場作用下高速運轉，使其內外分子同時得到加熱，高速運轉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，不會出現局部過熱、部分碳化、結塊等現象，易于實現加熱自動化，提高實驗效率；微波穿透力強能穿透容器壁直接作用于被加熱物質分子，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

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

4 碳纖維遠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確、電熱轉換率低、能源浪費、安全系數小等問題。近年來，隨著各種新型材料在電熱領域內的廣泛應用，為碳纖維取代傳統金屬發熱體提供了可能。

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的碳纖維，經過了預氧化、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、抗氧化的優異性能。加上聚丙烯腈纖維作為原料制取碳纖維生產工藝相對成熟、產量相對較高，已經成為現階段最常見的生產碳纖維的方式。

將石英玻璃管預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，得到碳纖維遠紅外加熱管。再將它與電源、控制電路相結合即可制得簡易的碳纖維遠紅外加熱器。

4.2 碳纖維遠紅外加熱器的主要優點

碳纖維遠紅外加熱器相對于傳統實驗室加熱器主要具有以下的顯著特征：1）制造簡單，穩定可靠：碳纖維膨脹系數幾乎為零，耐冷熱驟變性強，能有效減少電路斷路等問題。實際測試中發現即便出現碳纖維加熱絲局部有損害只會在受損區域加熱功能消失，不會造成整個電路的損壞[4]；2）電熱轉換效率高：碳纖維導電性能優異，熱轉換率可以保持在97%以上，節能效果顯著，長期大范圍使用可以有效降低實驗成本；3）升溫快，控溫準：碳纖維發熱管是一種純黑體材料，高溫狀態下能抗氧化，加熱功率穩定；碳纖維不產生電磁場，可以避免瞬間電流的沖擊造成發熱功率的不穩定，加熱前無需提前預熱，數秒內即可達到額定的功率工作且能保持平穩、準確的溫度控制。4）維護成本便宜：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的腐蝕，不存在因發熱單元氧化造成電熱功率衰退的弊端，使用生命周期長，能有效節省實驗室的經費。5）安全環保：碳纖維遠紅外所釋放的紅外波長在10μm左右，不會對實驗者的身體機能造成損傷，也不會形成光污染，可以長期使用。

4.3 碳纖維遠紅外加熱器的不足

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

5 結語

碳纖維遠紅外加熱器具有的電熱轉換率高、溫控效果好、安全節能等優異性能，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新與進步，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域，為生活、工作、科技等帶來創新與突破。

參考文獻

[1]周煜剛.電爐加熱器易損壞原因探究[J].自貢師范高等專科學校學報，2002，17（2）.

[2]鄭毅然.實驗室電爐的改進[J].實驗室研究與探索，2006，25（4）：431-453.

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

[4]錢存東.碳纖維電加熱管在節能燈生產企業的應用[E].揚州市節能技術服務中心，2012.

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

通訊作者

賴寒，男，四川內江人，重慶第二師范學院生物與化學工程學院，副教授。