涂覆导电碳黑的尼龙平纹布的电热性能研究

徐秋红，王 彪

（东华大学纤维材料改性国家重点实验室，上海 201620）

涂覆导电碳黑的尼龙平纹布的电热性能研究

徐秋红，王 彪*

（东华大学纤维材料改性国家重点实验室，上海 201620）

研究了涂覆导电碳黑尼龙平纹布（以下简称为导电布）的表面形貌、电热性能及其在采暖过程中的换热过程。结果表明，导电布的表面均匀附着着导电碳黑颗粒；导电布的升温速率快，且其表面温度和功率密度存在线性关系；以导电布为热源的封闭测试小室内温度均匀，辐射换热量占总换热量中的60%左右。

导电布 电热性能 辐射换热

目前主要的电采暖产品有电锅炉、电暖器、发热电缆、电热膜和碳纤维纸等。电热膜是其中最有发展前景的一种，它是由特制的可导电油墨、金属载流条经印刷、热压在两层绝缘聚酯薄膜间制成。具有面状发热、发热温度均匀、智能控制、高效节能、施工方便、使用寿命长等优点，但存在油墨与薄膜间复合不牢等缺点［1-4］。导电油墨由导电填料、粘结剂、溶剂和助剂等组成［5-10］，其中导电填料主要分为碳系导电填料和金属系导电填料。碳系导电填料有碳黑、石墨、碳纳米管等，因为导电性良好、价格低廉和优异的热辐射性能而得到了广泛的应用；金属系导电填料主要包括银粉和铜粉等，银粉价格昂贵，而铜粉易被氧化，制约了其发展。电热膜的发热原理是导电填料之间形成导电网络，并提供自由电子载流子起到热传递的作用。其中金属系的导电填料主要靠自由电子进行热传递，碳黑、石墨等碳系导电填料则通过晶格振动（声子和光子）进行热传递，并伴随着热辐射的产生［11-12］。

本文采用尼龙平纹布代替常用的薄膜等基体材料，利用平纹布之间的空隙，增加油墨与基体之间的作用力，并保持了原有的柔性［13-15］；采用导电碳黑作为填料，将制备的导电油墨均匀涂覆在基体表面，制备得到导电布。观察并研究了导电布的表面形貌和电热性能，测量了其电热升温曲线并研究了温度与功率密度之间的关系，并计算了其在发热过程中的对流传热量和辐射传热量。

1 试验

1.1 原料

实验所用的导电布为自制涂覆导电碳黑涂料的尼龙布，基布为尼龙平纹布，其厚度为100μm。所用铜胶带为10 mm宽，0.1 mm厚的双面导电铜胶带。

1.2 性能测试

1.2.1 表面形貌观察

采用日本JEOL公司生产的JSM-5600LV型扫描电镜观察导电布的表面形貌。

1.2.2 电热性能测试

将导电布裁剪成335 mm×280 mm大小，置于封闭测试小室中，测试小室为内部尺寸长、宽、高为335 mm×280 mm×420 mm的泡沫箱，六个面分别为厚2 cm的泡沫板组成。电极为10 mm宽的铜胶带制成。用苏州固纬公司生产的GPS-3303C型直流电源作为供电电源，对导电布通以直流恒流电流；用台湾衡欣公司生产的AZ8803型热电偶测量温度。

图1 封闭测试小室装置示意图

2 结果与分析

2.1 导电布的表面形貌

图2为导电布的SEM图。

图2 导电布的SEM图

从图2（a）中可以看出，导电布为表面覆有涂层的经纬交织的平纹布，表面较为均匀平整。从图2（b）中可以看出由碳黑颗粒及粘结剂组成的表面涂层形成了海绵状的结构。碳黑颗粒的粒径在150～500 nm左右，粘结剂包覆在导电碳黑颗粒表面，但并没有将所有导电碳黑颗粒完全包覆，因此导电碳黑颗粒之间可以充分接触，能够形成导电通道。

2.2 室内升温时间测试

图3为导电布在50 V电压下的电热升温曲线，此时电功率为13.5 W，环境温度为26.4℃。实验中共记录两个温度，将热电偶温度探头分别放置在导电布的表面和封闭测试小室的中央，得到导电布的表面温度及封闭测试小室内的空气温度，如图3所示。

图3 50 V电压下导电布表面温度及测试室内空气的温度随时间的变化

从图3中可以看出封闭测试小室内的导电布表面温度及空气温度在通电初期都迅速升高，这是辐射传热的特点。导电布的表面涂覆有导电碳黑，发射率在0.9左右［16］，主要传热形式为热辐射，因此可以实现迅速升温。随着时间的推移，导电布的表面温度和空气温度逐渐稳定，表面温度稳定在48℃左右，而室内空气的温度维持在35.5℃左右。这是因为在刚通电时发热功率大于散热速率，随着表面温度的升高，散热速率也逐渐增大，最终两者达到平衡［17］。本实验中，导电布的升温时间（温度从室温升至温度稳定状态的90%所需的时间）仅为3 m in不到，有着快速升温的特点。

2.3 导电布的表面温度—功率密度曲线

当输入功率不同时，导电布表现出不同的表面温度。通过控制输入电压的不同，记录下通过导电布的电流和通电10 m in后（此时导电布已达到工作稳定状态）导电布表面的温度，并计算功率密度，所得数据见表1。以功率密度为自变量，表面温度为因变量，作图得图4。

表1 不同电压下导电布的功率密度及表面温度

图4 导电布的表面温度随功率密度的变化

从图4可知，导电布表面温度随输入电功率密度的变化呈线性关系。因此可以通过表面和输入电功率之间的相互关系，从而对导电布进行工作温度的预测，或根据所需工作温度对导电布进行可控性设计。这表明了导电布的工作温度具有可设计性和很高的灵活性，其应用前景可观。

2.4 封闭测试小室内各面的升温降温曲线

在封闭测试小室内共布置6个温度测点，分别位于底面的导电布表面、顶面和四个侧面的中心位置。对位于底面的导电布通以50 V的电压，记录各表面的温度随时间的变化，在通电10 min后断电，继续记录各面的温度变化，直至温度降至室温附近，如图5所示。

图5 封闭测试小室内六面温度随时间的变化

从图5中可以看出，作为加热面的底面升温梯度最为明显，断电后的降温幅度也最大，但各面的温度随时间变化的趋势基本一致，都有快速升温快速降温的特性。此外，四个侧面和顶面的温度差基本为零，表明室内温度均匀，而底面温度较高，符合人体“头凉脚暖”的需求。

2.5 对流换热量和辐射换热量的计算

本文所研究的导电布在封闭测试小室中的换热过程中以对流换热和辐射换热为主，对流换热指的是加热表面和空气之间的换热，辐射换热则较为复杂，包括加热表面和非加热表面之间的热辐射，及非加热表面之间的热辐射。对流换热量和辐射换热量的表达公式分别为［18］：

在供电电压为50 V的条件下，导电布到达稳定工作状况下之后，经过计算可得对流换热量为5.30 W，辐射换热量为7.24 W，其中辐射换热量占总换热量的57.74%。辐射换热占总换热量的50%以上，属于辐射采暖，此时室内空气温度总是比人或物体的温度低，因此采用导电布辐射供暖会更节能［19］。

3 结论

实验制备的涂覆导电碳黑的尼龙平纹布，表面均匀，通电以后工作稳定。导电布在工作时，加热形式以辐射为主，能快速达到稳定温度，在停止工作后，又能快速降温至室温附近。导电布的表面温度具有可设计性，可根据不同的采暖需求设置不同的工作条件以达到目的。导电布在换热过程中，辐射换热占总换热量的60%左右，更加节能。

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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

徐秋红（1991—），女，浙江台州人，在读硕士研究生，研究方向为导电涂料。

*通讯作者:王彪，wbiao2000@dhu.edu.cn。