碳纤维木质电热复合地板电热性能研究

包永洁，梁善庆，王艳伟，黄成建，孙龙祥

(1.国家林业局竹子研究开发中心，浙江 杭州 310012；2.中国林业科学研究院木材工业研究所，北京 100091；3.久盛地板有限公司，浙江 南浔 313009)

碳纤维导电纸是利用碳纤维与其他植物纤维混合制造的一类功能纸。植物纤维在导电纸中起基本框架作用，而碳纤维则作为导电相无序地分散于植物纤维框架中，构建形成导电网络[1]。碳纤维导电纸可以根据碳纤维加入比例不同即体积电阻率的不同而广泛应用于不同的领域[2]，当碳纤维含量在6%～30%时，电阻较大，通电后即可做发热材料、电热器件[3]。它的发热温度范围通常是30～250℃，电热转换效率大于97%，还可发射远红外线，具有保健功能，且具有导电性能稳定、可挠曲、可粘合、加工性能好、成本低等特点，是一种很好的面状发热材料[4]。

随着人们生活水平的不断提高，对居住环境的舒适度要求越来越高，南北方冬季采暖的需求都不断增长，促使清洁环保且可满足不同用户需求的电采暖受到青睐和快速发展[5-6]。碳纤维木质电热复合地板就是利用碳纤维导电纸作为导电发热单元，与木质(木/竹)面材、基材通过层叠热压制备而成的一种功能性地板。该地板可集地面装饰与采暖功能于一体，不占层高、安装维护方便，且可通过控制器实现即开即热、分室等智能控制等，还具有远红外保健功能，具有广阔的市场前景。

多年前已有一些人开始研究并开发碳纤维导电纸与不同材料复合制成发热材料[7-13]，近年来市场上也出现了一些电热地板产品，但除了少量研究外[14-15]，国内外对碳纤维木质电热复合地板的相关报道甚少，使得消费者对它的电热、安全等性能缺乏了解，导致对该种产品的接受程度较低。鉴于此，本文对碳纤维木质电热地板的电热特性进行了测试研究，为该产品的应用和改进提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

实验测试中所用的碳纤维木质电热复合地板由久盛地板有限公司制造并提供，规格为900 mm×125 mm×15 mm，功率为180 W·m-2。

(1)面材：红橡木皮， 930 mm×135 mm×1.2 mm，含水率6%～8%。

(2)基材：桉木胶合板，1 245 mm×940 mm×11.2 mm，含水率7%～9%。

(3)单板：桉木单板，1 245 mm×940 mm×2.2 mm，含水率7%～9%。

(4)背板：榉木单板，1 245 mm×940 mm×0.8 mm, 含水率6%～8%。

(5)发热材料：碳纤维导电纸，850 mm×100 mm×0.02 mm，方阻210 Ω/m2，两端加装有导电铜片，购自北京碧岩特种材料有限公司。

(6)胶黏剂：三聚氰胺改性脲醛树脂胶黏剂，胶粉4638、改性剂5930、固化剂5006，购自太尔化工(上海)有限公司。

(7)铜钉电极：长10 mm，直径6.75 mm。

1.2 制备工艺

碳纤维木质电热复合地板的制备工艺流程如图1所示。

碳纤维木质电热复合地板平面示意图及结构示意图分别如图2、图3 所示。

1.3 试验主要仪器

SMT温度测试仪(北京赛维美，64通道)、 K型热电偶、红外热成像仪(TP8)、0L-750型自动分光辐射测试系统、测量接收机(ESR26)、人工电源网络(ENV216)、三环天线(HM020)；对数周期宽带天线(VULB 9163)、天线前置放大器(SCU-03)。

图1 碳纤维木质电热复合地板制造工艺流程图Fig.1 Manufacturing process of the carbon-fiber wood electrothermal composite floor

图2 碳纤维木质电热复合地板结构示意图Fig.2 Structure diagram of the carbon-fiber wood electrothermal composite floor

图3 碳纤维木质电热复合地板平面示意图Fig.3 Plane diagram of the carbon fiber wood electrothermal composite floor

图4 碳纤维木质电热复合地板测温点分布Fig.4 Points of temperature measurement of the carbon fiber wood electrothermal composite floor

1.4 试验方法

1.4.1温度分布利用红外热像仪拍摄碳纤维木质电热复合地板通电发热稳定后的红外热像照片，利用仪器携带的分析软件分析温度。

1.4.2温度-时间效应按照图4对每块碳纤维木质电热复合地板表面对应测温点布置热电偶，然后将电热地板进行通电，采用SMT温度测试仪采集通电后的温度数据，数据采集时间间隔为60 s。取9个测温点的平均值为每块板温度的平均值，同时测量6块板，取6块板的平均值做温度-时间曲线。

1.4.3相对辐射能谱委托国家红外及工业电热产品质量监督检验中心，采用OL-750型自动分光辐射测试系统进行测试。

1.4.4辐射骚扰委托国家红外及工业电热产品质量监督检验中心，参考标准GB4824-2013《工业、科学和医疗(ISM)射频设备电磁骚扰特性限值和测量方法》进行辐射骚扰测试。

2 结果与分析

2.1 碳纤维木质电热复合地板表面温度分布

图5为红外热成像仪测得的碳纤维电热复合地板通电工作稳定后的红外热图，通过该图可以看出，碳纤维电热复合地板发热区域的温度分布较均匀，温度范围大部分集中在35～40 ℃左右(测试环境温度为20 ℃)。该块板表面发热区域最高温度为40.7 ℃，最低温度为35.5 ℃，温度不均匀度为5.2 ℃，满足GB/T7287-2008《红外辐射加热器试验方法》中温度不均匀度≤7 ℃的要求。图中还反映出碳纤维电热复合地板的发热区域红外辐射比较强，该区域为碳纤维导电纸放置区域，由于碳纤维导电纸具有远红外线辐射特性[1,3]，经过表面木材的吸收和辐射，使得碳纤维木质电热复合地板也具有了远红外辐射特性。

2.2 碳纤维木质电热复合地板表面温度-时间效应

图6为碳纤维木质电热复合地板通电后4 h及断电后1 h时间左右的温度-时间效应曲线(测试环境温度为21 ℃，湿度为54%)。图中可以看出，碳纤维木质电热复合地板在通电的前10 min内升温曲线斜率较大，由21.5 ℃升到30.5 ℃，达到9 ℃温升，说明碳纤维木质电热地板具有快速升温的特性。通电46 min表面温度基本稳定达到37.1 ℃，此后至240 min电热地板表面温度一直维持在37.1～37.4 ℃之间，平均温度为37.2 ℃，体现了碳纤维木质电热复合地板达到工作温度后发热具有稳定性。240 min后碳纤维木质电热复合地板开始断电，从图中可以看出断电30 min内电热地板的降温速率较快，温度由断电时的37.2 ℃降至26.5 ℃，断电后60 min左右温度降至室温，碳纤维木质电热复合地板的蓄热能力不强。

图5 碳纤维电热复合地板红外热图Fig.5 Infrared heat map of the carbon-fiber electrothermal composite floor

图6 碳纤维木质电热复合地板温度-时间效应Fig.6 Temperature-time effect of the carbon-fiber electrothermal composite floor

图7、图8为碳纤维木质电热复合地板升温阶段及降温阶段的温度、时间拟合曲线。在温升过程中，电热地板表面温度随着时间增加呈单调上升趋势；在温降过程中，表面温度随着时间延长呈单调下降趋势。温升、温降过程中温度与时间均呈指数函数关系。温升阶段的指数函数为Ts=-15.463×e-X/11.379 6+37.250 8,R2=0.996 34。温降阶段的指数函数为Ts=14.794 7×e-X/14.697 5+22.339 0，R2=0.998 23。

2.3 碳纤维木质电热复合地板红外辐射范围

碳纤维木质电热复合地板发射的红外线的相对辐射能谱曲线如图9所示，从图中可以得知，碳纤维电热复合地板发射的红外线波长主要集中在4～25 μm范围内，属于长波红外。由于木材对红外波具有很强的吸收能力[16-17]，碳纤维木质电热复合地板通电时，靠近碳纤维导电纸的木材中的红外敏感物质(纤维素等)吸收了导电纸发射的红外波，并相应发出红外波，呈现出辐射、吸收、再辐射、再吸收的辐射传热过程[18]，因此碳纤维木质电热复合地板也可发出相应波长的红外线，并具有较高的红外发射率。碳纤维木质电热地板通电后发射的红外波包含了对人体有益的6～14 μm的波段[19]，因此使用碳纤维木质电热复合地板对人体将会有一定的保健作用。

图7 碳纤维木质电热地板升温阶段温度-时间拟合曲线Fig.7 Temperature-time fitting curve of the carbon fiber electrothermal composite floor at heating stage

图8 碳纤维木质电热复合地板断电降温阶段温度-时间拟合曲线Fig.8 Temperature-time fitting curve of the carbon fiber electrothermal composite floor at cooling stage

图9 碳纤维木质电热复合地板相对辐射能谱曲线Fig.9 Relative radiation energy spectrum curve of the carbon fiber electrothermal composite floor

图10 三环天线法碳纤维电热复合地板水平分量辐射骚扰Fig.10 Horizontal component radiation disturbance of the carbon-fiber electrothermal composite floor by three-ring antenna method

2.4 碳纤维木质电热复合地板的辐射骚扰

辐射骚扰是电子、电器产品在电路共作时部分交变信号会通过设备外壳以辐射方式直接向周围空间发射，并被周围其他电子产品接收，对这些产品形成干扰[20]。辐射骚扰是电磁兼容的重要内容。辐射骚扰超标的产品可能引起周围装置、设备或系统性能降低，干扰信息技术设备或其他电子产品的正常工作，并对人体造成一定危害[21-22]。由图10、图 11可知，从9～30 MHz的水平分量和垂直分量来看碳纤维木质电热复合地板的辐射骚扰水平都远低于对应频率的限定值，图12 显示了碳纤维木质电热复合地板在30～1 000 MHz频率范围内的辐射骚扰水平也远小于限定值。测试结果表明碳纤维木质电热复合地板在9～1 000 MHz频率范围内电磁辐射较弱，对周围电子和电器产品不会产生辐射影响，也不会对人体产生伤害。

3 结论

碳纤维木质电热复合地板升温速率快，10 min内温升可达9 ℃，升温稳定后表面平均温度可达37.2 ℃，温度保持稳定，断电后温度在1 h左右回复到室温，蓄热能力不强。碳纤维木质电热复合地板较适合用于随时需要即时开启的自由采暖，可与蓄热材料结合提高地板的蓄热能力。

图11 三环天线法碳纤维木质电热复合地板垂直分量辐射骚扰Fig.11 Vertical component radiation disturbance of the carbon-fiber electrothermal composite floor by three-ring antenna method

图12 30～1 000 MHz碳纤维电热复合地板辐射骚扰Fig.12 The radiation disturbance of the carbon-fiber electrothermal composite floor at 30-1 000 MHz

碳纤维电热复合地板发射的红外线波长主要集中在4～25 μm范围内，属于长波红外。对人体可起一定的保健作用。碳纤维木质电热复合地板在9～30 MHz频率范围内水平分量和垂直分量的辐射骚扰场强均小于国家标准要求的限定域值，在30～1 000 MHz频率范围内的辐射骚扰水平也远小于限定域值。碳纤维木质电热复合地板的辐射骚扰较弱，是一种电磁辐射安全的产品。