周兆兵 朱兆龍 薛宏 李想 張峰 曹平祥

(南京林業(yè)大學(xué)，南京，210037)

隨著節(jié)能減排、低碳環(huán)保理念深入人心，內(nèi)置式發(fā)熱木地板也迎來(lái)了良好的發(fā)展機(jī)遇。內(nèi)置式發(fā)熱木地板是近幾年響應(yīng)木材加工領(lǐng)域提值增效戰(zhàn)略而出現(xiàn)的技術(shù)含量較高的木質(zhì)產(chǎn)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(zhì)或?qū)щ娔z等導(dǎo)熱材料作為導(dǎo)熱層，與實(shí)木板、纖維板等基材采用層疊的方法進(jìn)行熱壓復(fù)合而成，通過(guò)發(fā)熱材料通電發(fā)熱，可將熱量均勻地輻射到室內(nèi)，溫?zé)峥諝狻袄浣禑嵘边M(jìn)行循環(huán)流動(dòng)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)采暖效果。與傳統(tǒng)供暖方式相比，內(nèi)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(lái)越多的人群，尤其是沒有集中供暖設(shè)施區(qū)域的人群認(rèn)同和接受。

但是研究發(fā)現(xiàn)，市場(chǎng)上現(xiàn)有產(chǎn)品存在制造工藝復(fù)雜、維修或更換成本高、熱傳導(dǎo)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(chǎng)上得到實(shí)質(zhì)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(chǎn)技術(shù)一直是地板生產(chǎn)企業(yè)及林業(yè)科研院關(guān)注的熱點(diǎn)[4-12]。

本課題組在“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題的支持下，結(jié)合研究現(xiàn)狀，根據(jù)發(fā)熱材料的不同，制備了不同結(jié)構(gòu)電熱地板；借助紅外熱成像儀，測(cè)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(duì)發(fā)熱地板電熱性能的影響，以期得出最佳發(fā)熱地板結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步研究與產(chǎn)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(gòu)自江蘇肯帝亞木業(yè)有限公司。

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

導(dǎo)熱材料：根據(jù)發(fā)熱材料的不同進(jìn)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(chǎng)采購(gòu)。

發(fā)熱材料：選取地暖行業(yè)中成熟應(yīng)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(jìn)行分析。其中，自限溫發(fā)熱帶購(gòu)自蕪湖市科華新型材料應(yīng)用有限責(zé)任公司，發(fā)熱線纜購(gòu)自河北冀暖電子科技有限公司，碳晶電熱膜購(gòu)自EXA中國(guó)有限公司，碳纖維發(fā)熱紙購(gòu)自北京碧巖特種材料有限公司。

1.2 設(shè)備

試驗(yàn)中，雙輥涂膠機(jī)、冷壓壓機(jī)等，均為實(shí)驗(yàn)室常規(guī)儀器設(shè)備。紅外輻射性能的測(cè)試采用紅外熱像儀，型號(hào)Thermo Vision A20，美國(guó)菲力爾公司生產(chǎn)。

1.3 方法

內(nèi)置式電熱實(shí)木復(fù)合地板的制備：為方便研究，簡(jiǎn)化內(nèi)置電熱實(shí)木復(fù)合地板的結(jié)構(gòu)，主要包括上基材、下基材、發(fā)熱材料、導(dǎo)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(yīng)用于地板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)該有所區(qū)別。為了研究發(fā)熱材料及基材厚度對(duì)地?zé)岬匕宓碾姛嵝阅艿挠绊懀聪率鰞煞N方案進(jìn)行地板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

①發(fā)熱材料影響效果分析。采用相同的厚度、相似的結(jié)構(gòu)以及4種不同發(fā)熱材料，分別制備內(nèi)置式發(fā)熱實(shí)木復(fù)合地板用于試驗(yàn)，發(fā)熱材料和導(dǎo)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(dǎo)熱材料(鋁薄片)；4.下基材；5.發(fā)熱電纜；6.導(dǎo)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(dǎo)熱材料，上基材厚度分別為6、8、10 mm，制備3種結(jié)構(gòu)內(nèi)置發(fā)熱實(shí)木復(fù)合地板進(jìn)行試驗(yàn)，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(shí)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(cè)試：主要通過(guò)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(lái)表征地板的電熱性能。采用紅外熱成像儀來(lái)采集試件表面溫度變化情況，借助軟件ThermaCAM Researcher Pro 2.7進(jìn)行紅外輻射數(shù)據(jù)處理分析，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成可視化溫度分布圖像。測(cè)試時(shí)，在溫度為10 ℃，相對(duì)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(shí)間間隔為5 min[13]。測(cè)試過(guò)程中，每種結(jié)構(gòu)分別測(cè)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(dǎo)熱(鋁條);7.碳晶電熱膜或碳纖維紙。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)熱材料對(duì)地?zé)岬匕逍阅艿挠绊?/h3>

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(yīng)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(shí)試件表面溫度變化情況

由圖3可知，60 min內(nèi)，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(shí)間而呈線性遞增趨勢(shì)，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(lái)看，60 min內(nèi)4種發(fā)熱材料的溫差分別為25.93、27.05、21.97和23.87 ℃，均達(dá)到20 ℃以上，且之間相差不大，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中1h內(nèi)的升溫大于8 ℃的要求[16]，說(shuō)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(shí)間內(nèi)，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(shí)間呈線性遞減趨勢(shì)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(jié)構(gòu)的地板保溫性能比其他3種發(fā)熱材料的好。

作為室內(nèi)使用的產(chǎn)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(yīng)優(yōu)選保溫效果較好的發(fā)熱材料。通過(guò)上述表面溫度變化情況分析，碳晶電熱膜可作為內(nèi)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(nèi)板面最高溫度與最低溫度之差來(lái)表示溫度不均勻度[14-15]，計(jì)算如圖5所示。自限溫發(fā)熱帶結(jié)構(gòu)地板的中心框評(píng)價(jià)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。可知，碳纖維紙結(jié)構(gòu)的電熱地板的板面溫度均勻度最差，碳晶電熱膜結(jié)構(gòu)的溫度均勻度最好。這是因?yàn)樘祭w維紙兩端的銅片是通過(guò)打孔的方式和碳纖維紙連在一起，這種連接方式存在的問(wèn)題就是銅片和碳纖維紙接觸不良，在通電過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)局部點(diǎn)溫度過(guò)高，甚至?xí)沟匕宄霈F(xiàn)燒焦現(xiàn)象[4,17]。所以，碳纖維紙結(jié)構(gòu)的電熱地板雖然成本低，但是存在安全隱患，不宜長(zhǎng)期使用。4種材料中，碳晶電熱膜制成的地?zé)岬匕灞砻鏈囟确植几鶆?，安全系?shù)較高，可以優(yōu)選作為內(nèi)置式發(fā)熱地板的發(fā)熱材料，這與上述結(jié)論相同。

圖4 自然冷卻60 min時(shí)試件表面溫度變化情況

圖5自限溫發(fā)熱帶結(jié)構(gòu)的板面溫度不均勻度計(jì)算示意圖

2.2 基材厚度對(duì)地?zé)岬匕逍阅艿挠绊?/h3>

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(guò)程?？芍?種結(jié)構(gòu)制備的地板表面溫度隨通電時(shí)間呈線性遞增趨勢(shì)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(shuō)明，上基材厚度越大，發(fā)熱材料距離地板表面就越遠(yuǎn)，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(shí)間呈線性遞減趨勢(shì)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(shuō)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(duì)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(píng)價(jià)區(qū)域中溫度不均度為5.13 ℃，為3種結(jié)構(gòu)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(shí)的時(shí)間-溫度效應(yīng)

圖7 上基材厚度不同時(shí)的板面溫度分布圖

序號(hào)上基材厚度/mm溫度不均勻度/℃165.13285.003103.87

3 結(jié)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(shí)間而呈線性遞增趨勢(shì)，降溫曲線均隨冷卻時(shí)間呈線性遞減趨勢(shì)。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(shí)間內(nèi)的溫差均高于20 ℃，且之間相差不大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的要求，說(shuō)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(lái)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(nèi)置式發(fā)熱地板的發(fā)熱材料。

上基材厚度的不同，對(duì)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(shí)間而呈線性遞增趨勢(shì)，降溫曲線均隨冷卻時(shí)間呈線性遞減趨勢(shì)。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(shuō)明，上基材厚度越大，發(fā)熱材料距離地板表面就越遠(yuǎn)，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(shuō)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(nèi)置式發(fā)熱實(shí)木復(fù)合地板的經(jīng)結(jié)構(gòu)。

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