自控溫發(fā)熱高分子復合材料的研究

王偉

（安徽師范大學電子信息工程，安徽 蕪湖 241000）

自控溫發(fā)熱高分子復合材料的研究

王偉

（安徽師范大學電子信息工程，安徽 蕪湖 241000）

自控溫伴熱電纜指的是由具有正溫度系數(shù)（PTC）電阻率特性的高聚物導電復合材料制成的帶狀電伴熱器。本文從產(chǎn)品技術參數(shù)及試驗內(nèi)容對自控溫電纜進行了研究。

自控溫發(fā)熱材料；電纜；PTC效應

自控溫材料是指當導電填料體積分數(shù)達到一定數(shù)值時，該材料電阻率突然下降，其變化幅度達到10個數(shù)量級以上。自控溫材料根據(jù)材料基體不同可分為陶瓷基自控溫發(fā)熱材料和高分子基自控溫發(fā)熱材料。陶瓷基自控溫材料由于加工困難、熔點高等缺點限制了其發(fā)展。高分子基自控溫材料具有功率自調(diào)、溫度自控、成本低及加工容易等優(yōu)點具有廣泛的應用前景。

1 產(chǎn)品主要技術參數(shù)

（1）電壓：電熱產(chǎn)品安裝的額定電壓。

（2）最大使用長度：伴熱帶可以任意剪短使用，但是只能在一定長度范圍內(nèi)任意接長；換句話說，伴熱帶不得超過最大使用長度。最大使用長度因額定電壓、功率、導體截面以及使用時最低環(huán)境溫度的不同而異。

（3）功率溫度特性：該特性是模擬管道伴熱保溫條件下測定的。隨被伴熱體系溫度的增加，功率大致呈現(xiàn)線性下降趨勢，其斜率為被伴熱體系溫度每改變一度時電熱帶功率的減少量，他反應了功率隨溫度自動調(diào)節(jié)的能力。

（4）最高維持溫度：用伴熱帶加熱或者伴熱某一體系，若單位時間內(nèi)伴熱帶向該體系傳遞的熱量等于該體系向環(huán)境傳遞的熱量，該體系的溫度將維持不變，其維持溫度不超過產(chǎn)品的最高維持溫度，并可通過熱工設計來實現(xiàn)。

（5）起動電流：伴熱帶在某溫度某伴熱體系下通電瞬間的電流，起動電流通常高于穩(wěn)態(tài)工作電流的數(shù)倍。

（6）最小彎曲半徑：伴熱帶安裝時，安裝的彎曲半徑應大于制造商聲明的最小彎曲半徑，否則可能因為過度拉伸導致伴熱帶PTC芯帶材料損傷。

2 試驗內(nèi)容

2.1額定輸出功率的校驗

伴熱電纜輸出功率的測定，是通過將伴熱電纜的3～6 m長的單個試樣安裝在直徑為50 mm或更大的碳鋼管上進行。伴熱電纜的熱輸出功率是在標稱溫度下進行測量，伴熱電纜在額定電壓下通電并達到平衡。記錄下電壓、電流、液體溫度，以及試樣長度，測量結果應在聲明的公差范圍內(nèi)。

2.2起動電流的校驗

將至少1 m長的伴熱電纜試樣，螺旋纏繞在直徑為60 mm的實心鋼管上。將測試裝置在最低環(huán)境溫度下（-20℃）放置4 h。經(jīng)過一定放置時間以后，應向試樣施加額定電壓，并記錄從0～300 s的時間內(nèi)的電流（有效值）—時間特性。被記錄的啟動電流應為三個試樣中電流最大者。

2.3最高表面溫度測量

按照試驗要求，將伴熱帶安裝在管道上并固定。用熱電偶來測量不同位置管道、閥門的表面溫度和伴熱電纜的護套溫度，同時記錄室溫。在管道系統(tǒng)上完整的包裹一層保溫層，伴熱帶的電源電壓應為額定電壓的110%，系統(tǒng)溫度穩(wěn)定后記錄實驗數(shù)據(jù)。改變保溫層的厚度，重復進行測試三次。

2.4耐高壓交流電性能試驗

按照GB 19518.1——2004中的5.1.2規(guī)定進行介電強度試驗。介電強度試驗應按表1規(guī)定在伴熱器上進行。

表1　耐高壓交流電性能試驗

表中UN是額定電壓。試驗電壓加在導線芯和金屬護網(wǎng)或外套之間，試驗電壓升壓速度在100 V/s和200 V/s之間，并保持1 min不發(fā)生介質(zhì)擊穿。試驗電壓的波形為近似正弦波，頻率為45～65 Hz。

2.5冷態(tài)彎曲試驗

安裝有試樣的試驗裝置在在制造商提供的最低安裝溫度條件下保持4 h，在此之后，迅速將試樣繞圓形卷筒彎曲90°，然后向相反的方向繞另一只卷筒彎曲180°，之后將試樣拉伸直到原來的位置，這樣反復彎曲3次。試驗之后檢測試樣的絕緣電阻和耐高壓交流電性能，檢驗電氣絕緣是否符合要求。

2.6機械性能試驗

檢測絕緣和護套料的物理性能試驗，具體試驗方法參照UL1581 400—481條，具體標準見UL1581標準 表50.1～50.245，主要檢測材料的最小斷裂伸長率和最小抗張強度，以及熱老化后最小斷裂伸長率和最小抗張強度變化率。

2.7PTC強度測試試驗

兆歐表、萬用表按GB/T3048.6執(zhí)行，精密型熱風循環(huán)烘箱（室溫-300℃，精度±1℃）。每次取三組試樣，每組試樣一支，長120 mm。剝出每支試樣一端的線芯20 mm，另一端予以絕緣。將樣品放入烘箱，設定溫度，控制升溫速度為（2～5）℃/mm，測定不同溫度下樣品的電阻，設定最高電阻為Rmax，自控溫加熱電纜峰值電阻Rmax與20℃時電阻R20之比值，即PTC強度（K）=Rmax/ R20計算PTC強度K值。

2.8熱穩(wěn)定性試驗

按照IEEE515.1標準 4.2.6.2執(zhí)行，電熱產(chǎn)品在23℃±5℃和最大維持溫度之間冷熱循環(huán)1 500次，每次循環(huán)時間30 min。測試后額定輸出功率變化±25%。

2.9阻水試驗

成品自控溫伴熱帶試樣浸入水中（10～25℃）336 h，仍可達到耐高壓交流電性能試驗要求。

2.10水管內(nèi)水壓試驗

成品自控溫伴熱帶試樣或組件試樣浸入水中（10～25℃），水中加上水壓1 MPa，測試時間72 h，測試后仍可達到耐高壓交流電性能試驗要求。

2.11阻燃測試

對伴熱器進行燃燒試驗。在一間沒有氣流流動的房間內(nèi)進行該項試驗，試驗裝置如圖所示。噴燈施加火焰的時間為15 s，然后移開火焰15 s后重新施加，如此重復5次。如果伴熱器的在第五次施加火焰后持續(xù)燃燒不超過1 min，伸出的試紙還有25%的面積沒有燃燒，并且落下的顆粒沒有引燃下面的藥棉，則試驗結果為滿足要求。

3 結論

本文針對蕪湖佳宏公司開發(fā)的新材料進行的產(chǎn)品進行了產(chǎn)品技術特征及試驗方法研究。結果表明自控溫伴熱帶采用一體式結構，設計合理、外形美觀。

［2］ CURHAN J A， PIMENTEL D R， BERG P G .Finned PTC airheater assembly for heating an automotive passenger compartment:US， 5256857 ［P］ .1993.

［3］ 張貽川，代坤，李忠明. 自控溫發(fā)熱高分子復合材料研究進展［J］. 塑料工業(yè)，2008，36（7）:6～9.

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Research of self-controlled temperature hotpolymer composite

TB332

1009-797X（2016）10-0071-02

A

10.13520/j.cnki.rpte.2016.10.028

王偉（1990-），男，研究方向為PTC高分子材料的性能研究，安徽師范大學電子信息工程學士。

2016-04-15