涂覆導(dǎo)電碳黑的尼龍平紋布的電熱性能研究

徐秋紅，王 彪

（東華大學(xué)纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620）

涂覆導(dǎo)電碳黑的尼龍平紋布的電熱性能研究

徐秋紅，王 彪*

（東華大學(xué)纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620）

研究了涂覆導(dǎo)電碳黑尼龍平紋布（以下簡(jiǎn)稱為導(dǎo)電布）的表面形貌、電熱性能及其在采暖過程中的換熱過程。結(jié)果表明，導(dǎo)電布的表面均勻附著著導(dǎo)電碳黑顆粒；導(dǎo)電布的升溫速率快，且其表面溫度和功率密度存在線性關(guān)系；以導(dǎo)電布為熱源的封閉測(cè)試小室內(nèi)溫度均勻，輻射換熱量占總換熱量中的60%左右。

導(dǎo)電布 電熱性能 輻射換熱

目前主要的電采暖產(chǎn)品有電鍋爐、電暖器、發(fā)熱電纜、電熱膜和碳纖維紙等。電熱膜是其中最有發(fā)展前景的一種，它是由特制的可導(dǎo)電油墨、金屬載流條經(jīng)印刷、熱壓在兩層絕緣聚酯薄膜間制成。具有面狀發(fā)熱、發(fā)熱溫度均勻、智能控制、高效節(jié)能、施工方便、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，但存在油墨與薄膜間復(fù)合不牢等缺點(diǎn)［1-4］。導(dǎo)電油墨由導(dǎo)電填料、粘結(jié)劑、溶劑和助劑等組成［5-10］，其中導(dǎo)電填料主要分為碳系導(dǎo)電填料和金屬系導(dǎo)電填料。碳系導(dǎo)電填料有碳黑、石墨、碳納米管等，因?yàn)閷?dǎo)電性良好、價(jià)格低廉和優(yōu)異的熱輻射性能而得到了廣泛的應(yīng)用；金屬系導(dǎo)電填料主要包括銀粉和銅粉等，銀粉價(jià)格昂貴，而銅粉易被氧化，制約了其發(fā)展。電熱膜的發(fā)熱原理是導(dǎo)電填料之間形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，并提供自由電子載流子起到熱傳遞的作用。其中金屬系的導(dǎo)電填料主要靠自由電子進(jìn)行熱傳遞，碳黑、石墨等碳系導(dǎo)電填料則通過晶格振動(dòng)（聲子和光子）進(jìn)行熱傳遞，并伴隨著熱輻射的產(chǎn)生［11-12］。

本文采用尼龍平紋布代替常用的薄膜等基體材料，利用平紋布之間的空隙，增加油墨與基體之間的作用力，并保持了原有的柔性［13-15］；采用導(dǎo)電碳黑作為填料，將制備的導(dǎo)電油墨均勻涂覆在基體表面，制備得到導(dǎo)電布。觀察并研究了導(dǎo)電布的表面形貌和電熱性能，測(cè)量了其電熱升溫曲線并研究了溫度與功率密度之間的關(guān)系，并計(jì)算了其在發(fā)熱過程中的對(duì)流傳熱量和輻射傳熱量。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

實(shí)驗(yàn)所用的導(dǎo)電布為自制涂覆導(dǎo)電碳黑涂料的尼龍布，基布為尼龍平紋布，其厚度為100μm。所用銅膠帶為10 mm寬，0.1 mm厚的雙面導(dǎo)電銅膠帶。

1.2 性能測(cè)試

1.2.1 表面形貌觀察

采用日本JEOL公司生產(chǎn)的JSM-5600LV型掃描電鏡觀察導(dǎo)電布的表面形貌。

1.2.2 電熱性能測(cè)試

將導(dǎo)電布裁剪成335 mm×280 mm大小，置于封閉測(cè)試小室中，測(cè)試小室為內(nèi)部尺寸長、寬、高為335 mm×280 mm×420 mm的泡沫箱，六個(gè)面分別為厚2 cm的泡沫板組成。電極為10 mm寬的銅膠帶制成。用蘇州固緯公司生產(chǎn)的GPS-3303C型直流電源作為供電電源，對(duì)導(dǎo)電布通以直流恒流電流；用臺(tái)灣衡欣公司生產(chǎn)的AZ8803型熱電偶測(cè)量溫度。

圖1 封閉測(cè)試小室裝置示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 導(dǎo)電布的表面形貌

圖2為導(dǎo)電布的SEM圖。

圖2 導(dǎo)電布的SEM圖

從圖2（a）中可以看出，導(dǎo)電布為表面覆有涂層的經(jīng)緯交織的平紋布，表面較為均勻平整。從圖2（b）中可以看出由碳黑顆粒及粘結(jié)劑組成的表面涂層形成了海綿狀的結(jié)構(gòu)。碳黑顆粒的粒徑在150～500 nm左右，粘結(jié)劑包覆在導(dǎo)電碳黑顆粒表面，但并沒有將所有導(dǎo)電碳黑顆粒完全包覆，因此導(dǎo)電碳黑顆粒之間可以充分接觸，能夠形成導(dǎo)電通道。

2.2 室內(nèi)升溫時(shí)間測(cè)試

圖3為導(dǎo)電布在50 V電壓下的電熱升溫曲線，此時(shí)電功率為13.5 W，環(huán)境溫度為26.4℃。實(shí)驗(yàn)中共記錄兩個(gè)溫度，將熱電偶溫度探頭分別放置在導(dǎo)電布的表面和封閉測(cè)試小室的中央，得到導(dǎo)電布的表面溫度及封閉測(cè)試小室內(nèi)的空氣溫度，如圖3所示。

圖3 50 V電壓下導(dǎo)電布表面溫度及測(cè)試室內(nèi)空氣的溫度隨時(shí)間的變化

從圖3中可以看出封閉測(cè)試小室內(nèi)的導(dǎo)電布表面溫度及空氣溫度在通電初期都迅速升高，這是輻射傳熱的特點(diǎn)。導(dǎo)電布的表面涂覆有導(dǎo)電碳黑，發(fā)射率在0.9左右［16］，主要傳熱形式為熱輻射，因此可以實(shí)現(xiàn)迅速升溫。隨著時(shí)間的推移，導(dǎo)電布的表面溫度和空氣溫度逐漸穩(wěn)定，表面溫度穩(wěn)定在48℃左右，而室內(nèi)空氣的溫度維持在35.5℃左右。這是因?yàn)樵趧偼姇r(shí)發(fā)熱功率大于散熱速率，隨著表面溫度的升高，散熱速率也逐漸增大，最終兩者達(dá)到平衡［17］。本實(shí)驗(yàn)中，導(dǎo)電布的升溫時(shí)間（溫度從室溫升至溫度穩(wěn)定狀態(tài)的90%所需的時(shí)間）僅為3 m in不到，有著快速升溫的特點(diǎn)。

2.3 導(dǎo)電布的表面溫度—功率密度曲線

當(dāng)輸入功率不同時(shí)，導(dǎo)電布表現(xiàn)出不同的表面溫度。通過控制輸入電壓的不同，記錄下通過導(dǎo)電布的電流和通電10 m in后（此時(shí)導(dǎo)電布已達(dá)到工作穩(wěn)定狀態(tài)）導(dǎo)電布表面的溫度，并計(jì)算功率密度，所得數(shù)據(jù)見表1。以功率密度為自變量，表面溫度為因變量，作圖得圖4。

表1 不同電壓下導(dǎo)電布的功率密度及表面溫度

圖4 導(dǎo)電布的表面溫度隨功率密度的變化

從圖4可知，導(dǎo)電布表面溫度隨輸入電功率密度的變化呈線性關(guān)系。因此可以通過表面和輸入電功率之間的相互關(guān)系，從而對(duì)導(dǎo)電布進(jìn)行工作溫度的預(yù)測(cè)，或根據(jù)所需工作溫度對(duì)導(dǎo)電布進(jìn)行可控性設(shè)計(jì)。這表明了導(dǎo)電布的工作溫度具有可設(shè)計(jì)性和很高的靈活性，其應(yīng)用前景可觀。

2.4 封閉測(cè)試小室內(nèi)各面的升溫降溫曲線

在封閉測(cè)試小室內(nèi)共布置6個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，分別位于底面的導(dǎo)電布表面、頂面和四個(gè)側(cè)面的中心位置。對(duì)位于底面的導(dǎo)電布通以50 V的電壓，記錄各表面的溫度隨時(shí)間的變化，在通電10 min后斷電，繼續(xù)記錄各面的溫度變化，直至溫度降至室溫附近，如圖5所示。

圖5 封閉測(cè)試小室內(nèi)六面溫度隨時(shí)間的變化

從圖5中可以看出，作為加熱面的底面升溫梯度最為明顯，斷電后的降溫幅度也最大，但各面的溫度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)基本一致，都有快速升溫快速降溫的特性。此外，四個(gè)側(cè)面和頂面的溫度差基本為零，表明室內(nèi)溫度均勻，而底面溫度較高，符合人體“頭涼腳暖”的需求。

2.5 對(duì)流換熱量和輻射換熱量的計(jì)算

本文所研究的導(dǎo)電布在封閉測(cè)試小室中的換熱過程中以對(duì)流換熱和輻射換熱為主，對(duì)流換熱指的是加熱表面和空氣之間的換熱，輻射換熱則較為復(fù)雜，包括加熱表面和非加熱表面之間的熱輻射，及非加熱表面之間的熱輻射。對(duì)流換熱量和輻射換熱量的表達(dá)公式分別為［18］：

在供電電壓為50 V的條件下，導(dǎo)電布到達(dá)穩(wěn)定工作狀況下之后，經(jīng)過計(jì)算可得對(duì)流換熱量為5.30 W，輻射換熱量為7.24 W，其中輻射換熱量占總換熱量的57.74%。輻射換熱占總換熱量的50%以上，屬于輻射采暖，此時(shí)室內(nèi)空氣溫度總是比人或物體的溫度低，因此采用導(dǎo)電布輻射供暖會(huì)更節(jié)能［19］。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)制備的涂覆導(dǎo)電碳黑的尼龍平紋布，表面均勻，通電以后工作穩(wěn)定。導(dǎo)電布在工作時(shí)，加熱形式以輻射為主，能快速達(dá)到穩(wěn)定溫度，在停止工作后，又能快速降溫至室溫附近。導(dǎo)電布的表面溫度具有可設(shè)計(jì)性，可根據(jù)不同的采暖需求設(shè)置不同的工作條件以達(dá)到目的。導(dǎo)電布在換熱過程中，輻射換熱占總換熱量的60%左右，更加節(jié)能。

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Study on electro-therm al p roperties of nylon woven fabric coated w ith conductive carbon b lack

Xu Qiuhong，Wang Biao

（State Key Laboratory for Modification of Chem ical Fibers and Polymer Materials，Donghua University，Shanghai 201620，China）

This paper focuses on the surface morphologY and electro-thermal properties of nYlon woven fabric coated with conductive carbon black（as‘conductive fabric’below），and its heat transfer process during the heating process.The results show that the conductive carbon black particles evenlY adhere to the surface of conductive fabric.The conductive fabric has a fast heating rate，and there is a linear relationship between surface temperature and power densitY.The temperature of enclosed text chamber is uniform as using conductive fabric as heat source. The radiation heat transfer accounts for about 60%of total heat transfer.

conductive fabric；electro-thermal properties；radiation heat transfer

TQ32

A

1006-334X（2015）04-0017-04

2015-10-30

徐秋紅（1991—），女，浙江臺(tái)州人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)閷?dǎo)電涂料。

*通訊作者:王彪，wbiao2000@dhu.edu.cn。