甘啟義
(成都高新技術創(chuàng)業(yè)服務中心,四川成都,610041)
隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展,工業(yè)及民用領域?qū)﹄娂訜峒夹g的需求日益增大,如建筑物采暖、土壤加熱、電力設備和機場跑道等設施的融雪化冰、管道和罐體保溫工程等,另外在溫度敏感元器件、智能低溫啟動、通信和汽車等方面也有廣泛需求。同時,世界各國當前對環(huán)境高度重視,各行各業(yè)對節(jié)能減排的要求也越來越高,為適應節(jié)能減排和充分滿足用戶對低成本和高安全性的要求,對電加熱或建筑物采暖技術提出了更高要求。
電采暖方式早就被業(yè)界公認為是一種舒適的供暖方式,在歐洲、北美和亞洲的許多國家早已被廣泛采用。1994年已占德國、日本和韓國采暖市場50%份額左右,但我國利用電采暖方式的鋪裝面積目前仍然較小,還擁有巨大的市場空間。目前市面上供應的碳晶電熱膜、碳晶電纜線等加熱或地暖系統(tǒng)都存在溫度疊加隱患。即加熱系統(tǒng)通電后地面溫度持續(xù)升高至預設定溫度時,若在遠離溫度傳感器的地面鋪有地毯或其他較大面積覆蓋物,被覆蓋區(qū)域就不能很好散熱,從而產(chǎn)生溫度疊加,導致局部溫度過高、燒傷地板或地板上的覆蓋物,嚴重時甚至發(fā)生火災,危及人生及財產(chǎn)安全!因此,一直制約著我國電加熱及電地暖行業(yè)大規(guī)模、高速度發(fā)展。
高分子PTC材料具有自控溫加熱功能,可以有效解決電加熱技術系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的溫度疊加現(xiàn)象,消除使用中出現(xiàn)局部過熱或系統(tǒng)溫度失控的安全隱患。它的PTC效應使其產(chǎn)品更加智能化,也更加安全、節(jié)能,同時還便于規(guī)模化生產(chǎn),為電加熱及電地暖行業(yè)大規(guī)模、高速度發(fā)展鋪平了道路。因此,高分子PTC發(fā)熱材料成為電加熱技術的最新發(fā)展方向之一,本文通過理論分析并結(jié)合大量實驗對高分子PTC電熱膜及其加工工藝技術進行相關研究。
本文所稱具有自控溫功能電熱膜,以下簡稱PTC電熱膜,即是利用高分子PTC材料制備的一種電熱膜,其核心就是該材料具備PTC效應——自控溫功能,同時滿足自控溫功能電熱膜有關機械和電氣性能指標。
高分子PTC材料有關機械和電氣性能指標與其材料組分構(gòu)成、加工工藝技術路線及參數(shù)等有關。一般作為高分子基體用得最多的是聚乙烯[1],也有用聚丙烯、氧化聚乙烯等。以往的研究成果及實驗都表明[2,3],以結(jié)晶性聚合物(如PE、PP等)為基體的復合材料有較好的PTC強度,而且結(jié)晶度越高,導電率越好,PTC強度越大;而以非結(jié)晶聚合物(如PS、PMMA等)為基體的復合材料PTC強度較小。
作為導電填料用得最多的是炭黑[2,4],石墨、金屬等也可以作為導電填料。高分子PTC材料配方時炭黑粒子組分的添加比例對其電氣和PTC性能等技術指標都會產(chǎn)生較大影響。大量實驗研究表明:高分子PTC材料要獲得優(yōu)異的電氣和PTC性能,材料配方時應該精確測算并添加炭黑粒子組分的數(shù)量。此外,材料所采用的工藝技術路線、其他輔料的添加等因素也會影響高分子PTC材料的有關性能。
炭黑作為導電填料,受其粒徑大小、粒徑分布、聚集狀態(tài)等影響形成種類繁多的炭黑型號,不同的炭黑型號與同樣的聚合物共混之后具有不同的性能指標。所以,為得到不同性能的高分子PTC材料,可采取不同組分的配方和不同的工藝技術參數(shù)。
依據(jù)以往研究成果[2-4],結(jié)合本項目實際需求和實驗研究,選用聚乙烯作為基體,炭黑作為導電填料,再添加適當?shù)妮o料以改善或調(diào)節(jié)材料的有關功能特性。
PTC電熱膜的加工工藝主要分為材料制備、熱處理、覆絕緣膜和印制電極等工藝流程。制備工藝主要是混煉和成型,熱處理主要指在一定溫度下對材料進行一段時間加熱或交聯(lián)等工序。這些工序?qū)TC材料的有關機械和電氣性能均有很大影響[5]。因此,在高分子基體和導電填料規(guī)格型號確定的條件下,研究開發(fā)符合有關技術要求的加工工藝技術十分關鍵。
高分子PTC材料的制備主要有干混法、溶劑法、混煉法等。但在實際生產(chǎn)和科學研究中主要還是采用混煉的方法進行制備[6]。在混煉工藝過程中,為確保得到高分子PTC材料優(yōu)異的均勻性、機械和電氣性能指標,應當控制好混煉的工藝技術路線和有關技術參數(shù),如混煉時間、加熱溫度曲線和加料方式等,這些因素對材料的機械、電氣性能和PTC效應都有較大影響。
研究表明,通過加長混煉時間和提升混煉溫度,使材料的混合更加均勻,可以獲得更好的材料導電性和PTC效應,但混煉時間過長和混煉溫度過高都會破壞炭黑的結(jié)構(gòu),導致材料導電性和PTC效應有關技術指標下降。同時也會加速材料的老化速度,引起材料較快老化或變性。
高分子PTC材料成型工藝主要有模壓、擠出和流延等幾種[5]。結(jié)合本文主要研究薄膜狀高分子PTC材料的實際需求,選用擠出成型工藝技術路線,既可滿足高效連續(xù)生產(chǎn),又能獲得良好的產(chǎn)品性能。
材料經(jīng)擠出成型后再選擇適當溫度進行一定時間的熱處理,以便釋放材料擠出成型時留下的殘余應力,使導電填料炭黑的結(jié)構(gòu)得到進一步完善和穩(wěn)定,從而提高材料的穩(wěn)定性以及機械和電氣性能。
經(jīng)反復實驗及分析研究,可得到PTC電熱膜關鍵技術性能指標之間,如居里溫度、加熱功率和衰減率等的相互影響關系、以及上述指標與各材料組分之間的比例關系,得到該材料的PTC效應曲線。從而通過調(diào)節(jié)或改變某一個或多個組分材料的使用比例,即可獲得滿足不同用途的高分子PTC材料。
本研究采取的高分子PTC電熱膜加工工藝技術路線如圖1所示。即將聚合物基體、導電填料和輔料等進行多相復合,再通過多模擠制成型制成不同寬度、厚度0.4-0.6mm高分子PTC電熱膜。
圖1 高分子PTC電熱膜加工工藝技術路線
高分子PTC電熱膜處于高電流啟動、低電流運行,啟動電流較大,且長時間處于加熱的工作狀態(tài),由于銀與高分子材料的附著力有限,PTC材料和電極接口不易很好吻合,容易出現(xiàn)接觸不良等安全隱患,電流過大時易引起接口打火。經(jīng)反復研究和實驗驗證,采取叉形電極印制工藝可較好地解決PTC電熱膜的電極安裝可靠性。
測試儀器設備清單見表1。
表1 測試儀器設備清單
選取4批次不同工藝參數(shù)條件下制作的高分子PTC電熱膜樣品,對其PTC效應及其他主要性能指標進行測試,本文僅介紹樣品關鍵性能PTC效應和高低溫儲存的測試方法和結(jié)果。
測試環(huán)境溫度為20-25℃,相對濕度為60%-65%,將加熱方式設計為每5分鐘溫度升高5℃,起始溫度為未加熱時儀器內(nèi)的溫度,最高溫度為120℃,對樣品進行強加熱,以測試其PTC效應有關技術指標。
測試結(jié)果如圖2和表2所示。由圖2可知,測試的4批次高分子PTC電熱膜樣品的R-T阻溫特性曲線幾乎都為一條平滑向上的相似曲線,即隨著加熱溫度的不斷升高,樣品的電阻也逐步變大,當達到其居里點溫度附近時,其電阻迅速變?yōu)闊o窮大。由此可知,通過不同材料配方或工藝技術參數(shù)生產(chǎn)的4批次高分子PTC電熱膜樣品,具有不同強度的PTC效應,即根據(jù)不同應用需求,可以利用改變材料配方或工藝參數(shù)獲得不同性能指標的電熱膜。
圖2 高分子PTC電熱膜(R-T)曲線
由于高分子PTC電熱膜具有良好的PTC效應,在實際使用過程中,隨著通電時間的增加,電熱膜溫度也隨之增高,使其電阻逐步變大,從而使其加熱功率逐步減小,當達到樣品的居里點溫度附近時,其電阻迅速變?yōu)闊o窮大,便自動停止加熱,即樣品具有良好的自控溫功能,從而可以有效防止加熱系統(tǒng)局部溫度過高或溫度失控現(xiàn)象,既可保證使用的安全性,又能更加節(jié)能環(huán)保。
由表2可知,該電熱膜樣品具有在高低溫環(huán)境下使用、運輸和儲存的能力。
表2 高低溫儲存測試方法及結(jié)果
在堅持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展,認真踐行高質(zhì)量發(fā)展新理念的今天,全社會對節(jié)能環(huán)保新產(chǎn)品的需求日益強烈。具有自控溫功能電熱膜作為一種新型電加熱材料,與傳統(tǒng)加熱材料如電阻絲、碳纖維電熱膜和碳纖維電纜等相比,在主要技術性能和應用領域等諸多方面都具有很大優(yōu)勢,特別是其自控溫功能使其具有安全、可靠又節(jié)能的獨特優(yōu)勢,受到國內(nèi)外廣大科研工作者和用戶的高度重視。由于我國在這方面的研究工作起步較晚,與美國、日本等發(fā)達國家相比,無論在高分子PTC材料的理論研究、應用領域或批量生產(chǎn)工藝等方面都還有較大差距,故應加大人力物力投入,積極開展相關理論研究與應用開發(fā)。