內置式發(fā)熱實木復合地板的電熱性能1)

周兆兵 朱兆龍 薛宏 李想 張峰 曹平祥

(南京林業(yè)大學，南京，210037)

隨著節(jié)能減排、低碳環(huán)保理念深入人心，內置式發(fā)熱木地板也迎來了良好的發(fā)展機遇。內置式發(fā)熱木地板是近幾年響應木材加工領域提值增效戰(zhàn)略而出現(xiàn)的技術含量較高的木質產品之一。它采用發(fā)熱電纜、碳纖維、石墨烯等電熱材料作為電熱層，金屬介質或導電膠等導熱材料作為導熱層，與實木板、纖維板等基材采用層疊的方法進行熱壓復合而成，通過發(fā)熱材料通電發(fā)熱，可將熱量均勻地輻射到室內，溫熱空氣“冷降熱升”進行循環(huán)流動實現(xiàn)室內采暖效果。與傳統(tǒng)供暖方式相比，內置式發(fā)熱木地板取暖方式升溫速度快且溫度分布均勻，易于居室布置，腳熱感性好[1-4]，正在被越來越多的人群，尤其是沒有集中供暖設施區(qū)域的人群認同和接受。

但是研究發(fā)現(xiàn)，市場上現(xiàn)有產品存在制造工藝復雜、維修或更換成本高、熱傳導效率不高、局部易發(fā)黑燒焦等諸多不足[5-6]。因此，發(fā)熱木地板并沒有在市場上得到實質性推廣，依然處于探索與研究階段。如何完善發(fā)熱木地板生產技術一直是地板生產企業(yè)及林業(yè)科研院關注的熱點[4-12]。

本課題組在“十二五”國家科技支撐計劃課題的支持下，結合研究現(xiàn)狀，根據(jù)發(fā)熱材料的不同，制備了不同結構電熱地板；借助紅外熱成像儀，測量地板表面溫度變化及溫度分布，研究不同發(fā)熱材料及基材厚度對發(fā)熱地板電熱性能的影響，以期得出最佳發(fā)熱地板結構，為進一步研究與產業(yè)化推廣提供思路。

1 材料與方法

1.1 材料

上、下基材：多層楊木膠合板，3種厚度為6、8和10 mm，購自江蘇肯帝亞木業(yè)有限公司。

膠黏劑：雙組份異氰酸酯(簡稱EPI膠黏劑)，主劑Prefere6101；固化劑Prefere6657，購自太爾化工(上海)有限公司產，單面涂膠量為210 g/m2。

導熱材料：根據(jù)發(fā)熱材料的不同進行選擇，主要為鋁條(截面尺寸為3 mm×9 mm)和鋁薄片(厚度為0.5 mm)，市場采購。

發(fā)熱材料：選取地暖行業(yè)中成熟應用的自限溫發(fā)熱帶、發(fā)熱電纜、碳晶電熱膜及碳纖維紙等4種典型發(fā)熱材料進行分析。其中，自限溫發(fā)熱帶購自蕪湖市科華新型材料應用有限責任公司，發(fā)熱線纜購自河北冀暖電子科技有限公司，碳晶電熱膜購自EXA中國有限公司，碳纖維發(fā)熱紙購自北京碧巖特種材料有限公司。

1.2 設備

試驗中，雙輥涂膠機、冷壓壓機等，均為實驗室常規(guī)儀器設備。紅外輻射性能的測試采用紅外熱像儀，型號Thermo Vision A20，美國菲力爾公司生產。

1.3 方法

內置式電熱實木復合地板的制備：為方便研究，簡化內置電熱實木復合地板的結構，主要包括上基材、下基材、發(fā)熱材料、導熱材料等組成。不同發(fā)熱材料具有不同工作原理與發(fā)熱效果，其應用于地板結構設計時也應該有所區(qū)別。為了研究發(fā)熱材料及基材厚度對地熱地板的電熱性能的影響，按下述兩種方案進行地板結構設計。

①發(fā)熱材料影響效果分析。采用相同的厚度、相似的結構以及4種不同發(fā)熱材料，分別制備內置式發(fā)熱實木復合地板用于試驗，發(fā)熱材料和導熱材料分別置于上下基材的接觸表面，保證兩者緊密接觸，如圖1中a、b、c所示。

1.上基材；2.自限溫發(fā)熱帶;3.導熱材料(鋁薄片)；4.下基材；5.發(fā)熱電纜；6.導熱材料(鋁條);7.碳晶電熱膜或碳纖維紙。

②基材厚度影響效果分析。以碳晶電熱膜作為發(fā)熱材料，鋁條作為導熱材料，上基材厚度分別為6、8、10 mm，制備3種結構內置發(fā)熱實木復合地板進行試驗，碳晶電熱膜置于下基材的上表面，鋁條置于上基材的下表面，兩者緊密接觸，如圖2所示。

以上地板均采用冷壓制備，壓力均為1.2 MPa，冷壓時間為50 min，施膠量為210 g/m2；上基材的下表面和下基材的上表面均施膠。

地板電熱性能的表征與測試：主要通過地板表面溫升和溫降曲線斜率[13]，以及表面溫度不均勻度[14-15]來表征地板的電熱性能。采用紅外熱成像儀來采集試件表面溫度變化情況，借助軟件ThermaCAM Researcher Pro 2.7進行紅外輻射數(shù)據(jù)處理分析，并將數(shù)據(jù)轉化成可視化溫度分布圖像。測試時，在溫度為10 ℃，相對濕度為60%的恒溫室中，地板通電60 min，記錄地板表面的溫度升高變化值；斷電自然冷卻60 min，記錄溫度降低的變化值，記錄時間間隔為5 min[13]。測試過程中，每種結構分別測試3塊地板，記錄并取平均值。

1.上基材(W=6、8、10 mm);4.下基材;6.導熱(鋁條);7.碳晶電熱膜或碳纖維紙。

2 結果與分析

2.1 發(fā)熱材料對地熱地板性能的影響

升溫曲線斜率可以表示升溫速度快慢，斜率值越大，升溫速度越快；而降溫曲線斜率可以表示降溫速度快慢，能反應地板保溫性能的好壞，斜率值越小，降溫速度越慢，保溫性能越好。4種不同發(fā)熱材料制備的地板表面溫度變化數(shù)據(jù)匯總見圖3、圖4。

圖3 通電60 min時試件表面溫度變化情況

由圖3可知，60 min內，自限溫發(fā)熱帶、發(fā)熱電纜、碳晶電熱膜及碳纖維紙等制備的地板表面溫度均隨著通電時間而呈線性遞增趨勢，升溫曲線斜率值分別為2.237 8(R2=0.991 5)、2.494 5(R2=0.964 5)、2.007 8(R2=0.996 2)和2.197 4(R2=0.970 8)。但從溫差來看，60 min內4種發(fā)熱材料的溫差分別為25.93、27.05、21.97和23.87 ℃，均達到20 ℃以上，且之間相差不大，這遠遠高于行業(yè)標準中1h內的升溫大于8 ℃的要求[16]，說明4種發(fā)熱材料均具有良好的發(fā)熱效果。

由圖4可知，60 min時間內，自限溫發(fā)熱帶、發(fā)熱電纜、碳晶電熱膜及碳纖維紙等4種發(fā)熱材料制備的地板表面溫度隨冷卻時間呈線性遞減趨勢變化，降溫曲線斜率分別為1.365 7(R2=0.961 3)、1.663 8(R2=0.962 8)、1.189 7(R2=0.979 4)和1.201 8(R2=0.989 8)。碳晶電熱膜的降溫曲線斜率值最小，降溫速度最慢，即4種發(fā)熱材料中，碳晶電熱膜結構的地板保溫性能比其他3種發(fā)熱材料的好。

作為室內使用的產品，既要能快速升溫，又要能有效保溫，在升溫效果相似的情況下，應優(yōu)選保溫效果較好的發(fā)熱材料。通過上述表面溫度變化情況分析，碳晶電熱膜可作為內置式發(fā)熱地板的發(fā)熱材料。

不同發(fā)熱材料的地板表面溫度分布有一定的差異，本研究采用同一面積內板面最高溫度與最低溫度之差來表示溫度不均勻度[14-15]，計算如圖5所示。自限溫發(fā)熱帶結構地板的中心框評價區(qū)域中溫度不均勻度為12.2 ℃。4種發(fā)熱材料制備的電熱地板的板面溫度不均勻度的平均值如表1所示?？芍?，碳纖維紙結構的電熱地板的板面溫度均勻度最差，碳晶電熱膜結構的溫度均勻度最好。這是因為碳纖維紙兩端的銅片是通過打孔的方式和碳纖維紙連在一起，這種連接方式存在的問題就是銅片和碳纖維紙接觸不良，在通電過程中會出現(xiàn)局部點溫度過高，甚至會使地板出現(xiàn)燒焦現(xiàn)象[4,17]。所以，碳纖維紙結構的電熱地板雖然成本低，但是存在安全隱患，不宜長期使用。4種材料中，碳晶電熱膜制成的地熱地板表面溫度分布更均勻，安全系數(shù)較高，可以優(yōu)選作為內置式發(fā)熱地板的發(fā)熱材料，這與上述結論相同。

圖4 自然冷卻60 min時試件表面溫度變化情況

圖5自限溫發(fā)熱帶結構的板面溫度不均勻度計算示意圖

2.2 基材厚度對地熱地板性能的影響

圖6、圖7所示為3種不同上基材厚度(6、8、10 mm)制備的地板表面升溫與降溫過程?？芍?種結構制備的地板表面溫度隨通電時間呈線性遞增趨勢變化，升溫曲線斜率分別為2.062 7(R2=0.978 5)、2.058 2(R2=0.996 9)和1.968 3(R2=0.995 9)，即3種地板中，上基材厚度為6 mm的地板的表面升溫速度最快，而10 mm的地板的表面升溫速度最慢。這說明，上基材厚度越大，發(fā)熱材料距離地板表面就越遠，板面溫升越慢。

3種不同上基材厚度的地板表面溫度隨冷卻時間呈線性遞減趨勢變化，降溫曲線斜率，分別為1.427 6(R2=0.990 5)、1.325 4(R2=0.986 9)和1.064 7(R2=0.992 6)，即3種地板中，上基材厚度為6 mm的地板表面降溫速度最快，而10 mm的地板降溫速度最慢。這說明，隨著上基材厚度的增加，地板表面的溫降速度也越慢，上基材的厚度對于地板的保溫性能有所影響，厚度提高，保溫性能有所提高。

表2為3種不同上基材厚度制備的地板表面溫度不均勻度情況。6 mm的上基材厚度地板的評價區(qū)域中溫度不均度為5.13 ℃，為3種結構中最高；8 mm的上基材厚度地板表面溫度不均勻度為5.0 ℃；10 mm的上基材厚度地板表面溫度不均勻度為3.87 ℃。由此可見，上基材的厚度越厚，板面溫升速度越慢，地板表面溫度分布不均勻度越低，溫度分布均勻性越好。

圖6 上基材厚度不同時的時間-溫度效應

圖7 上基材厚度不同時的板面溫度分布圖

序號上基材厚度/mm溫度不均勻度/℃165.13285.003103.87

3 結論

自限溫發(fā)熱帶、發(fā)熱電纜、碳晶電熱膜及碳纖維紙等4種不同發(fā)熱材料所制備的地板具有不同的表面升溫速率和降溫速率。升溫曲線均隨著通電時間而呈線性遞增趨勢，降溫曲線均隨冷卻時間呈線性遞減趨勢。其中，發(fā)熱電纜的升溫曲線速率和降溫曲線斜率值最大，分別為2.494 5(R2=0.964 5)和1.663 8(R2=0.962 8)，碳晶電熱膜的升溫曲線速率和降溫曲線斜率值最小，分別為2.007 8(R2=0.996 2)和1.189 7(R2=0.979 4)。4種發(fā)熱材料在60 min時間內的溫差均高于20 ℃，且之間相差不大，遠遠高于行業(yè)標準中的要求，說明4種發(fā)熱材料均具有良好的發(fā)熱效果。但從保溫性能上來講，碳晶電熱膜的保溫效果較好。4種發(fā)熱材料制備的地板表面溫度不均勻度也有所不同，碳晶電熱膜地板的表面不均勻度值最小，為8.6 ℃；碳纖維紙地板的表面不均勻度值最大，為14.6 ℃。綜合考慮，可優(yōu)選碳晶電熱膜作為內置式發(fā)熱地板的發(fā)熱材料。

上基材厚度的不同，對地板的電熱性能也有所影響。6、8和10 mm等3種上基材厚度制備的地板表面的升溫曲線均隨著通電時間而呈線性遞增趨勢，降溫曲線均隨冷卻時間呈線性遞減趨勢。其中，上基材厚度為6 mm的地板表面升溫曲線斜率值和降溫曲線斜率值均最大，分別為2.062 7(R2=0.978 5)和1.427 6(R2=0.990 5)；而10 mm的地板表面的升溫曲線斜率值和降溫曲線斜率值最小，分別為1.968 3(R2=0.995 9)和1.064 7(R2=0.992 6)。這說明，上基材厚度越大，發(fā)熱材料距離地板表面就越遠，板面溫升越慢；但保暖效果則隨著上基材厚度的增加而有所提高。3種不同上基材厚度的地板表面溫度不均勻度有所不同。上基材厚度的增加，板面溫升速率減慢，有利于溫度傳遞均勻，使板面溫度不均勻性下降。這說明上基材厚度的增加，地板的表面溫度分布均勻性較好，可優(yōu)選上基材厚度為8 mm作為內置式發(fā)熱實木復合地板的經(jīng)結構。

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