甘啟義

(成都高新技術(shù)創(chuàng)業(yè)服務(wù)中心，四川成都，610041)

1 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，工業(yè)及民用領(lǐng)域?qū)﹄娂訜峒夹g(shù)的需求日益增大，如建筑物采暖、土壤加熱、電力設(shè)備和機(jī)場(chǎng)跑道等設(shè)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(dòng)、通信和汽車(chē)等方面也有廣泛需求。同時(shí)，世界各國(guó)當(dāng)前對(duì)環(huán)境高度重視，各行各業(yè)對(duì)節(jié)能減排的要求也越來(lái)越高，為適應(yīng)節(jié)能減排和充分滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)低成本和高安全性的要求，對(duì)電加熱或建筑物采暖技術(shù)提出了更高要求。

電采暖方式早就被業(yè)界公認(rèn)為是一種舒適的供暖方式，在歐洲、北美和亞洲的許多國(guó)家早已被廣泛采用。1994年已占德國(guó)、日本和韓國(guó)采暖市場(chǎng)50%份額左右，但我國(guó)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(chǎng)空間。目前市面上供應(yīng)的碳晶電熱膜、碳晶電纜線(xiàn)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(yù)設(shè)定溫度時(shí)，若在遠(yuǎn)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(dǎo)致局部溫度過(guò)高、燒傷地板或地板上的覆蓋物，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生火災(zāi)，危及人生及財(cái)產(chǎn)安全！因此，一直制約著我國(guó)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(shù)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(guò)熱或系統(tǒng)溫度失控的安全隱患。它的PTC效應(yīng)使其產(chǎn)品更加智能化，也更加安全、節(jié)能，同時(shí)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(shù)的最新發(fā)展方向之一，本文通過(guò)理論分析并結(jié)合大量實(shí)驗(yàn)對(duì)高分子PTC電熱膜及其加工工藝技術(shù)進(jìn)行相關(guān)研究。

2 具有自控溫功能電熱膜的研究

本文所稱(chēng)具有自控溫功能電熱膜，以下簡(jiǎn)稱(chēng)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(yīng)——自控溫功能，同時(shí)滿(mǎn)足自控溫功能電熱膜有關(guān)機(jī)械和電氣性能指標(biāo)。

高分子PTC材料有關(guān)機(jī)械和電氣性能指標(biāo)與其材料組分構(gòu)成、加工工藝技術(shù)路線(xiàn)及參數(shù)等有關(guān)。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(shí)驗(yàn)都表明[2,3]，以結(jié)晶性聚合物(如PE、PP等)為基體的復(fù)合材料有較好的PTC強(qiáng)度，而且結(jié)晶度越高，導(dǎo)電率越好，PTC強(qiáng)度越大；而以非結(jié)晶聚合物(如PS、PMMA等)為基體的復(fù)合材料PTC強(qiáng)度較小。

作為導(dǎo)電填料用得最多的是炭黑[2,4]，石墨、金屬等也可以作為導(dǎo)電填料。高分子PTC材料配方時(shí)炭黑粒子組分的添加比例對(duì)其電氣和PTC性能等技術(shù)指標(biāo)都會(huì)產(chǎn)生較大影響。大量實(shí)驗(yàn)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(shí)應(yīng)該精確測(cè)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(shù)路線(xiàn)、其他輔料的添加等因素也會(huì)影響高分子PTC材料的有關(guān)性能。

炭黑作為導(dǎo)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(lèi)繁多的炭黑型號(hào)，不同的炭黑型號(hào)與同樣的聚合物共混之后具有不同的性能指標(biāo)。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(shù)參數(shù)。

依據(jù)以往研究成果[2-4]，結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際需求和實(shí)驗(yàn)研究，選用聚乙烯作為基體，炭黑作為導(dǎo)電填料，再添加適當(dāng)?shù)妮o料以改善或調(diào)節(jié)材料的有關(guān)功能特性。

3 具有自控溫功能電熱膜加工工藝的研究

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(duì)材料進(jìn)行一段時(shí)間加熱或交聯(lián)等工序。這些工序?qū)TC材料的有關(guān)機(jī)械和電氣性能均有很大影響[5]。因此，在高分子基體和導(dǎo)電填料規(guī)格型號(hào)確定的條件下，研究開(kāi)發(fā)符合有關(guān)技術(shù)要求的加工工藝技術(shù)十分關(guān)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(shí)際生產(chǎn)和科學(xué)研究中主要還是采用混煉的方法進(jìn)行制備[6]。在混煉工藝過(guò)程中，為確保得到高分子PTC材料優(yōu)異的均勻性、機(jī)械和電氣性能指標(biāo)，應(yīng)當(dāng)控制好混煉的工藝技術(shù)路線(xiàn)和有關(guān)技術(shù)參數(shù)，如混煉時(shí)間、加熱溫度曲線(xiàn)和加料方式等，這些因素對(duì)材料的機(jī)械、電氣性能和PTC效應(yīng)都有較大影響。

研究表明，通過(guò)加長(zhǎng)混煉時(shí)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(dǎo)電性和PTC效應(yīng)，但混煉時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和混煉溫度過(guò)高都會(huì)破壞炭黑的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致材料導(dǎo)電性和PTC效應(yīng)有關(guān)技術(shù)指標(biāo)下降。同時(shí)也會(huì)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(shí)際需求，選用擠出成型工藝技術(shù)路線(xiàn)，既可滿(mǎn)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(dāng)溫度進(jìn)行一定時(shí)間的熱處理，以便釋放材料擠出成型時(shí)留下的殘余應(yīng)力，使導(dǎo)電填料炭黑的結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步完善和穩(wěn)定，從而提高材料的穩(wěn)定性以及機(jī)械和電氣性能。

經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)及分析研究，可得到PTC電熱膜關(guān)鍵技術(shù)性能指標(biāo)之間，如居里溫度、加熱功率和衰減率等的相互影響關(guān)系、以及上述指標(biāo)與各材料組分之間的比例關(guān)系，得到該材料的PTC效應(yīng)曲線(xiàn)。從而通過(guò)調(diào)節(jié)或改變某一個(gè)或多個(gè)組分材料的使用比例，即可獲得滿(mǎn)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(shù)路線(xiàn)如圖1所示。即將聚合物基體、導(dǎo)電填料和輔料等進(jìn)行多相復(fù)合，再通過(guò)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(shù)路線(xiàn)

高分子PTC電熱膜處于高電流啟動(dòng)、低電流運(yùn)行，啟動(dòng)電流較大，且長(zhǎng)時(shí)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(guò)大時(shí)易引起接口打火。經(jīng)反復(fù)研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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。

4 樣品測(cè)試及測(cè)試結(jié)果分析

4.1 測(cè)試儀器設(shè)備清單

測(cè)試儀器設(shè)備清單見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試儀器設(shè)備清單

4.2 測(cè)試方法和項(xiàng)目

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(duì)其PTC效應(yīng)及其他主要性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，本文僅介紹樣品關(guān)鍵性能PTC效應(yīng)和高低溫儲(chǔ)存的測(cè)試方法和結(jié)果。

測(cè)試環(huán)境溫度為20-25℃，相對(duì)濕度為60%-65%，將加熱方式設(shè)計(jì)為每5分鐘溫度升高5℃，起始溫度為未加熱時(shí)儀器內(nèi)的溫度，最高溫度為120℃，對(duì)樣品進(jìn)行強(qiáng)加熱，以測(cè)試其PTC效應(yīng)有關(guān)技術(shù)指標(biāo)。

4.3 測(cè)試結(jié)果及分析

測(cè)試結(jié)果如圖2和表2所示。由圖2可知，測(cè)試的4批次高分子PTC電熱膜樣品的R-T阻溫特性曲線(xiàn)幾乎都為一條平滑向上的相似曲線(xiàn)，即隨著加熱溫度的不斷升高，樣品的電阻也逐步變大，當(dāng)達(dá)到其居里點(diǎn)溫度附近時(shí)，其電阻迅速變?yōu)闊o(wú)窮大。由此可知，通過(guò)不同材料配方或工藝技術(shù)參數(shù)生產(chǎn)的4批次高分子PTC電熱膜樣品，具有不同強(qiáng)度的PTC效應(yīng)，即根據(jù)不同應(yīng)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(biāo)的電熱膜。

圖2 高分子PTC電熱膜(R-T)曲線(xiàn)

由于高分子PTC電熱膜具有良好的PTC效應(yīng)，在實(shí)際使用過(guò)程中，隨著通電時(shí)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(dāng)達(dá)到樣品的居里點(diǎn)溫度附近時(shí)，其電阻迅速變?yōu)闊o(wú)窮大，便自動(dòng)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(guò)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(yùn)輸和儲(chǔ)存的能力。

表2 高低溫儲(chǔ)存測(cè)試方法及結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

在堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展，認(rèn)真踐行高質(zhì)量發(fā)展新理念的今天，全社會(huì)對(duì)節(jié)能環(huán)保新產(chǎn)品的需求日益強(qiáng)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(shù)性能和應(yīng)用領(lǐng)域等諸多方面都具有很大優(yōu)勢(shì)，特別是其自控溫功能使其具有安全、可靠又節(jié)能的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，受到國(guó)內(nèi)外廣大科研工作者和用戶(hù)的高度重視。由于我國(guó)在這方面的研究工作起步較晚，與美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，無(wú)論在高分子PTC材料的理論研究、應(yīng)用領(lǐng)域或批量生產(chǎn)工藝等方面都還有較大差距，故應(yīng)加大人力物力投入，積極開(kāi)展相關(guān)理論研究與應(yīng)用開(kāi)發(fā)。