自控溫發(fā)熱高分子復(fù)合材料的研究

王偉

（安徽師范大學(xué)電子信息工程，安徽 蕪湖 241000）

自控溫發(fā)熱高分子復(fù)合材料的研究

王偉

（安徽師范大學(xué)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(dǎo)電復(fù)合材料制成的帶狀電伴熱器。本文從產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)及試驗(yàn)內(nèi)容對(duì)自控溫電纜進(jìn)行了研究。

自控溫發(fā)熱材料；電纜；PTC效應(yīng)

自控溫材料是指當(dāng)導(dǎo)電填料體積分?jǐn)?shù)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，該材料電阻率突然下降，其變化幅度達(dá)到10個(gè)數(shù)量級(jí)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(diǎn)高等缺點(diǎn)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(diǎn)具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 產(chǎn)品主要技術(shù)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(dǎo)體截面以及使用時(shí)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(shí)電熱帶功率的減少量，他反應(yīng)了功率隨溫度自動(dòng)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(shí)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(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。

（5）起動(dòng)電流：伴熱帶在某溫度某伴熱體系下通電瞬間的電流，起動(dòng)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(shí)，安裝的彎曲半徑應(yīng)大于制造商聲明的最小彎曲半徑，否則可能因?yàn)檫^度拉伸導(dǎo)致伴熱帶PTC芯帶材料損傷。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

2.1額定輸出功率的校驗(yàn)

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(gè)試樣安裝在直徑為50 mm或更大的碳鋼管上進(jìn)行。伴熱電纜的熱輸出功率是在標(biāo)稱溫度下進(jìn)行測量，伴熱電纜在額定電壓下通電并達(dá)到平衡。記錄下電壓、電流、液體溫度，以及試樣長度，測量結(jié)果應(yīng)在聲明的公差范圍內(nèi)。

2.2起動(dòng)電流的校驗(yàn)

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(shí)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(shí)間以后，應(yīng)向試樣施加額定電壓，并記錄從0～300 s的時(shí)間內(nèi)的電流（有效值）—時(shí)間特性。被記錄的啟動(dòng)電流應(yīng)為三個(gè)試樣中電流最大者。

2.3最高表面溫度測量

按照試驗(yàn)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(hù)套溫度，同時(shí)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(yīng)為額定電壓的110%，系統(tǒng)溫度穩(wěn)定后記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。改變保溫層的厚度，重復(fù)進(jìn)行測試三次。

2.4耐高壓交流電性能試驗(yàn)

按照GB 19518.1——2004中的5.1.2規(guī)定進(jìn)行介電強(qiáng)度試驗(yàn)。介電強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)按表1規(guī)定在伴熱器上進(jìn)行。

表1　耐高壓交流電性能試驗(yàn)

表中UN是額定電壓。試驗(yàn)電壓加在導(dǎo)線芯和金屬護(hù)網(wǎng)或外套之間，試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)

安裝有試樣的試驗(yàn)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(fù)彎曲3次。試驗(yàn)之后檢測試樣的絕緣電阻和耐高壓交流電性能，檢驗(yàn)電氣絕緣是否符合要求。

2.6機(jī)械性能試驗(yàn)

檢測絕緣和護(hù)套料的物理性能試驗(yàn)，具體試驗(yàn)方法參照UL1581 400—481條，具體標(biāo)準(zhǔn)見UL1581標(biāo)準(zhǔn) 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(qiáng)度，以及熱老化后最小斷裂伸長率和最小抗張強(qiáng)度變化率。

2.7PTC強(qiáng)度測試試驗(yàn)

兆歐表、萬用表按GB/T3048.6執(zhí)行，精密型熱風(fēng)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(shè)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(shè)定最高電阻為Rmax，自控溫加熱電纜峰值電阻Rmax與20℃時(shí)電阻R20之比值，即PTC強(qiáng)度（K）=Rmax/ R20計(jì)算PTC強(qiáng)度K值。

2.8熱穩(wěn)定性試驗(yàn)

按照IEEE515.1標(biāo)準(zhǔn) 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(shí)間30 min。測試后額定輸出功率變化±25%。

2.9阻水試驗(yàn)

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

2.10水管內(nèi)水壓試驗(yàn)

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(shí)間72 h，測試后仍可達(dá)到耐高壓交流電性能試驗(yàn)要求。

2.11阻燃測試

對(duì)伴熱器進(jìn)行燃燒試驗(yàn)。在一間沒有氣流流動(dòng)的房間內(nèi)進(jìn)行該項(xiàng)試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖所示。噴燈施加火焰的時(shí)間為15 s，然后移開火焰15 s后重新施加，如此重復(fù)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(yàn)結(jié)果為滿足要求。

3 結(jié)論

本文針對(duì)蕪湖佳宏公司開發(fā)的新材料進(jìn)行的產(chǎn)品進(jìn)行了產(chǎn)品技術(shù)特征及試驗(yàn)方法研究。結(jié)果表明自控溫伴熱帶采用一體式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)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(fù)合材料研究進(jìn)展［J］. 塑料工業(yè)，2008，36（7）:6～9.

（P-01）

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?yàn)镻TC高分子材料的性能研究，安徽師范大學(xué)電子信息工程學(xué)士。

2016-04-15