本发明属于加热管领域，具体涉及一种金属基石墨烯耐高温远红外加热管及其制备方法、耐高温材料。
背景技术：
加热管是用电能转化成热能的一个装置。目前将电能转化为热能的方式很多，按照技术原理的不同，有远红外加热、半导体加热、ptc加热、电热膜加热、电磁加热、微波加热，还有氮化硅加热等。在现代家电产品中，特别是热水器中广泛应用的还是传统管状加热结构的加热管。
传统的加热管为金属加热管或石英加热管，管壁采用金属或石英，发热丝采用镍铬合金或铁铬铝合金，发热丝与管壁之间则以改性的氧化镁粉进行填充，发热丝在通电情况下产生的热量通过填充物传递至金属管壁，进而加热水或油等介质；传统的金属加热管虽然优点十分出众，但是在使用时避免不了结垢问题的出现，使用过程中容易带来漏电、漏水的隐患；传统的石英加热管采用水电分离的方式，能够避免结垢现象的出现，但石英管的导热性能较差，因此在加热的过程中容易造成热能的浪费，同时在极冷极热以及受机械力的情况下容易炸裂。
公布号为cn108507151a的中国专利申请公开了一种红外加热热水器，热水器包括筒体和设置于筒体内的红外加热片，红外加热片包括第一绝缘层、第二绝缘层、红外辐射发生层，绝缘层为聚对苯二甲酸乙二醇酯层、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物层、聚双烯丙基二甘醇碳酸酯层、硅橡胶层和聚酰亚胺树脂层中的一种，红外辐射发生层为炭黑层、微纳米石墨粉体层、碳纳米纤维层、碳纳米管层和石墨烯层中的一种。使用时红外加热片通电，红外加热片内的红外辐射发生层产生红外辐射并被流过红外加热片的水所吸收，使水升温。该红外加热片在通电加热后，周围的绝缘层由于热传导性能差不可避免会有一定的吸热现象，导致该加热结构的热效率仍有待进一步提高。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种金属基石墨烯耐高温远红外加热管，以解决现有加热结构的热效率较低的问题。
本发明的第二个目的在于提供一种金属基石墨烯耐高温远红外加热管的制备方法，以解决现有加热结构的热效率较低的问题。
本发明的第三个目的在于提供一种耐高温材料，以解决现有材料在加热过程中耐高温性能差的问题。
为实现上述目的，本发明的金属基石墨烯耐高温远红外加热管的技术方案是：
一种金属基石墨烯耐高温远红外加热管，包括金属管基体，所述金属管基体的外周面上由内到外依次设置有耐高温绝缘散热层和耐高温远红外电热层，耐高温绝缘散热层由质量比为(30-32):(3-16)的聚酰亚胺和白石墨烯组成，耐高温远红外电热层由质量比为(30-32):(3-21)的聚酰亚胺和石墨烯组成。
本发明提供的金属基石墨烯耐高温远红外加热管，金属管基体保证了加热管的延展性及耐机械、热冲击能力，耐高温绝缘散热层提供了良好的绝缘性和热传导能力，耐高温远红外电热层提供了良好的发热效率和发热速率；使用时，耐高温远红外电热层通电发热，热量通过热传导和红外辐射两种方式加热流经加热管内的水或油等介质，减少了因热传导不畅而引起的热量损失，提高了热效率。
从金属管基体的机械性能和传热性能、价格方面综合考虑，优选的，所述金属管基体为不锈钢或铜。
为进一步提高耐高温远红外电热层的发热效率和发热速率，提高电热层的机械性能和与耐高温绝缘散热层的结合性能，优选的，所述耐高温远红外电热层的厚度为18-26μm。
为进一步提高耐高温绝缘散热层的绝缘性和热传导能力，同时兼顾散热层的机械性能和与金属管基体、耐高温远红外电热层的结合性能，优选的，所述耐高温绝缘散热层的厚度为18-24μm。
本发明的金属基石墨烯耐高温远红外加热管的制备方法所采用的技术方案是：
一种金属基石墨烯耐高温远红外加热管的制备方法，包括以下步骤：
1)将聚酰亚胺溶液和白石墨烯混合均匀，制得耐高温绝缘散热浆料；将聚酰亚胺溶液和石墨烯混合均匀，制得耐高温远红外电热浆料；
2)在金属管基体外涂覆耐高温绝缘散热浆料，干燥，形成耐高温绝缘散热层；在耐高温绝缘散热层外涂覆耐高温远红外电热浆料，干燥，形成耐高温远红外电热层，即得。
本发明提供的金属基石墨烯耐高温远红外加热管的制备方法，制备工艺简单，所得加热管不易破碎，能够保证安装和使用时的安全性，使用寿命长；该制备方法能够在充分保证使用安全性的前提下，减少加热管的结垢，提高发热效率及热能传导效率，提高热能利用率。
为提高聚酰亚胺溶液和石墨烯或白石墨烯的混合质量，制备均匀的混合浆液，优选的，步骤1)中，所述聚酰亚胺溶液的质量分数为15-20％。为进一步提高耐高温绝缘散热浆料、耐高温远红外电热浆料的混合质量，制备良好均一性的涂覆层，优选的，步骤1)中，所述混合均匀包括依次进行搅拌混合和研磨混合，所述研磨混合的转速为200-300r/min，时间为5-20min。
干燥过程能够使溶剂挥发完全即可，可采用恒温干燥或梯度升温干燥方法，为促进聚酰亚胺溶液和白石墨烯或石墨烯固结成均匀一致性好的涂覆层结构，优选的，步骤2)中，所述干燥是在80-160℃烘干100-120min，升温至180-220℃烘干50-70min，升温至250-300℃烘干50-70min。
本发明的耐高温材料所采用的技术方案是：
一种耐高温材料，由以下重量份的组分组成：聚酰亚胺30-32份，石墨烯或白石墨烯3-21份。
本发明提供的耐高温材料，由聚酰亚胺和石墨烯或白石墨烯组成，聚酰亚胺作为高温粘结剂，能够与石墨烯或白石墨烯形成分散均匀的耐高温功能层，该耐高温功能层具有优良的高温耐受性，有利于石墨烯或白石墨烯自身特性的充分发挥，可用于制备涂层结构稳定性好的电热层或散热层。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的实施方式作进一步说明。以下实施例中，石墨烯是市售常规原料，可通过常规商业渠道购买或利用现有技术进行制备，制备石墨烯的现有技术可参考氧化还原法、cvd法、物理法等相关内容。
白石墨烯，即六方氮化硼纳米片，可通过常规商业渠道购买或利用现有技术进行制备，相关现有技术可参考六方氮化硼纳米片的制备(李军奇等，山西科技大学学报，2015年12月第33卷第6期)等相关内容。
聚酰亚胺溶液为市售常规商品，型号为paa-217，购自常州福润特塑胶新材料有限公司，其溶剂为nmp，在以下实施例中直接进行使用。
在耐高温绝缘散热层的制备过程中，聚酰亚胺起到耐高温粘结剂的作用，为进一步提高散热层的绝缘性和热传导能力，优选的，步骤1)中，所述白石墨烯相对于聚酰亚胺溶液的添加量为2-10wt％。为进一步提高电热层的发热效率和发热速率，优选的，所述石墨烯相对于聚酰亚胺溶液的添加量为2-10wt％。
耐高温绝缘散热浆料可按以下升温程序进行干燥：在78-82℃干燥25-35min，升温至115-125℃烘干40-50min，升温至155-165℃烘干25-35min，升温至175-185℃烘干25-35min，升温至195-205℃烘干15-25min，升温至215-225℃烘干15-25min，升温至245-255℃烘干25-35min。
耐高温远红外电热浆料可按以下升温程序进行干燥：在78-82℃干燥25-35min，升温至115-125℃烘干40-50min，升温至155-165℃烘干25-35min，升温至175-185℃烘干25-35min，升温至195-205℃烘干15-25min，升温至215-225℃烘干15-25min，升温至245-255℃烘干25-35min，升温至295-305℃烘干25-35min。
本发明的金属基石墨烯耐高温远红外加热管的实施例1，包括管壁厚为1mm的不锈钢管基体，不锈钢管基体的外周面上由内到外依次设置有耐高温绝缘散热层和耐高温远红外电热层，耐高温绝缘散热层的厚度为23.2μm，由质量比为31.62:15.1的聚酰亚胺和白石墨烯组成，耐高温远红外电热层的厚度为25.3μm，由质量比为31.62:20.7的聚酰亚胺和石墨烯组成。
本发明的金属基石墨烯耐高温远红外加热管的实施例2，包括管壁厚为1.5mm的不锈钢管基体，不锈钢管基体的外周面上由内到外依次设置有耐高温绝缘散热层和耐高温远红外电热层，耐高温绝缘散热层的厚度为20.9μm，由质量比为31.62:9.3的聚酰亚胺和白石墨烯组成，耐高温远红外电热层的厚度为22.0μm，由质量比为31.62:11.9的聚酰亚胺和石墨烯组成。
本发明的金属基石墨烯耐高温远红外加热管的实施例3，包括管壁厚为2mm的不锈钢管基体，不锈钢管基体的外周面上由内到外依次设置有耐高温绝缘散热层和耐高温远红外电热层，耐高温绝缘散热层的厚度为18.7μm，由质量比为31.62:3.8的聚酰亚胺和白石墨烯组成，耐高温远红外电热层的厚度为18.7μm，由质量比为31.62:3.8的聚酰亚胺和石墨烯组成。
本发明的金属基石墨烯耐高温远红外加热管的制备方法实施例1，对加热管实施例1的制备过程进行说明，具体包括以下步骤：
1)取186g固含量为17wt％的聚酰亚胺溶液加入烧杯中，将15.1g白石墨烯粉末加入聚酰亚胺溶液中，搅拌均匀，得到混合浆料；将混合浆料加入三辊研磨机中，在230r/min条件下研磨10min，即得耐高温绝缘散热浆料。
取40g耐高温绝缘散热浆料涂覆于304不锈钢管表面(管壁厚为1㎜，管径为10cm，管长为60cm)，采用辊涂方式涂覆均匀，然后放入鼓风干燥箱中，在80℃下烘干30min，升温至120℃烘干45min，升温至160℃烘干30min，升温至180℃烘干20min，升温至200℃烘干20min，升温至220℃烘干20min，升温至250℃烘干30min，然后取出加热管并自然冷却至室温，得到涂覆有耐高温绝缘散热层的加热管。
2)取186g固含量为17wt％的聚酰亚胺溶液加入烧杯中，将20.7g石墨烯粉末加入聚酰亚胺溶液中，搅拌均匀，得到混合浆料；将混合浆料加入三辊研磨机中，在300r/min条件下研磨15min，即得耐高温远红外电热浆料。
取42g耐高温远红外电热浆料涂覆于步骤1)所得加热管的耐高温绝缘散热层的表面上，采用辊涂方式涂覆均匀，然后放入鼓风干燥箱中，在80℃下烘干30min，升温至120℃烘干45min，升温至160℃烘干30min，升温至180℃烘干20min，升温至200℃烘干20min，升温至220℃烘干20min，升温至250℃烘干30min，升温至300℃烘干30min，然后取出加热管并自然冷却至室温，即在耐高温绝缘散热层的表面上形成耐高温远红外电热层。
3)将两个宽1cm，厚1.5mm的铜环通过螺丝分别紧固于发热管两端(距离端面1cm处)耐高温远红外电热层的表面上，作为接电电极，即得最终产品。
本发明的金属基石墨烯耐高温远红外加热管的制备方法实施例2，分别使用加热管实施例2涉及的耐高温绝缘散热层、耐高温远红外电热层的配方，参考加热管的制备方法实施例1的方式进行制备，区别仅在于，采用以下干燥程序对耐高温绝缘散热浆料进行干燥：在100℃下烘干80min，升温至160℃烘干30min，升温至200℃烘干40min，升温至210℃烘干20min，升温至250℃烘干30min；
采用以下干燥程序对耐高温远红外电热浆料进行干燥：在100℃下烘干80min，升温至160℃烘干30min，升温至200℃烘干40min，升温至210℃烘干20min，升温至250℃烘干30min，升温至300℃烘干30min。
本发明的金属基石墨烯耐高温远红外加热管的制备方法实施例3，分别使用加热管实施例3涉及的耐高温绝缘散热层、耐高温远红外电热层的配方，参考加热管的制备方法实施例1的方式进行制备。
本发明的耐高温材料实施例1-3，由聚酰亚胺和白石墨烯组成，两者的重量比分别与加热管实施例1-3的耐高温绝缘散热层的相应组分的重量比一致。
本发明的耐高温材料实施例4-6，由聚酰亚胺和石墨烯组成，两者的重量比分别与加热管实施例1-3的耐高温远红外电热层的相应组分的重量比一致。
试验例
本试验例检测加热管实施例1的加热能力。该加热管绝缘层的介电强度为200kv/mm；检测时，将加热管产品接入220v交流电源，电流为7.3a，在初始温度为24℃的情况下，30s耐高温远红外电热层升温至91℃，1min耐高温远红外电热层升温至165℃，1.5min耐高温远红外电热层升温至200℃，2min耐高温远红外电热层升温至250℃，并在250℃下稳定工作，其升温速率为70-148℃/min，加热管内介质(空气)的检测温度为240℃。加热管实施例2-3的加热特性与加热管实施例1相当。
在发明的耐高温远红外加热管的其他实施例中，金属管基体可以为铜或其他导热能力好的金属材质；聚酰亚胺溶液的质量分数、石墨烯或白石墨烯的用量、研磨条件、干燥条件均可在本发明限定的范围内进行适应性调整，其均可获得与实施例相当的较优的实施效果。