具有自控溫功能的電熱膜及加工工藝研究

甘啟義

(成都高新技術創(chuàng)業(yè)服務中心，四川成都，610041)

1 前言

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。

2 具有自控溫功能電熱膜的研究

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。

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。

4 樣品測試及測試結(jié)果分析

4.1 測試儀器設備清單

測試儀器設備清單見表1。

表1 測試儀器設備清單

4.2 測試方法和項目

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。

4.3 測試結(jié)果及分析

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

5 結(jié)束語

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)。