具有自控温功能的电热膜及加工工艺研究

甘启义

(成都高新技术创业服务中心，四川成都，610041)

1 前言

随着我国经济的高速发展，工业及民用领域对电加热技术的需求日益增大，如建筑物采暖、土壤加热、电力设备和机场跑道等设施的融雪化冰、管道和罐体保温工程等，另外在温度敏感元器件、智能低温启动、通信和汽车等方面也有广泛需求。同时，世界各国当前对环境高度重视，各行各业对节能减排的要求也越来越高，为适应节能减排和充分满足用户对低成本和高安全性的要求，对电加热或建筑物采暖技术提出了更高要求。

电采暖方式早就被业界公认为是一种舒适的供暖方式，在欧洲、北美和亚洲的许多国家早已被广泛采用。1994年已占德国、日本和韩国采暖市场50%份额左右，但我国利用电采暖方式的铺装面积目前仍然较小，还拥有巨大的市场空间。目前市面上供应的碳晶电热膜、碳晶电缆线等加热或地暖系统都存在温度叠加隐患。即加热系统通电后地面温度持续升高至预设定温度时，若在远离温度传感器的地面铺有地毯或其他较大面积覆盖物，被覆盖区域就不能很好散热，从而产生温度叠加，导致局部温度过高、烧伤地板或地板上的覆盖物，严重时甚至发生火灾，危及人生及财产安全！因此，一直制约着我国电加热及电地暖行业大规模、高速度发展。

高分子PTC材料具有自控温加热功能，可以有效解决电加热技术系统中可能出现的温度叠加现象，消除使用中出现局部过热或系统温度失控的安全隐患。它的PTC效应使其产品更加智能化，也更加安全、节能，同时还便于规模化生产，为电加热及电地暖行业大规模、高速度发展铺平了道路。因此，高分子PTC发热材料成为电加热技术的最新发展方向之一，本文通过理论分析并结合大量实验对高分子PTC电热膜及其加工工艺技术进行相关研究。

2 具有自控温功能电热膜的研究

本文所称具有自控温功能电热膜，以下简称PTC电热膜，即是利用高分子PTC材料制备的一种电热膜，其核心就是该材料具备PTC效应——自控温功能，同时满足自控温功能电热膜有关机械和电气性能指标。

高分子PTC材料有关机械和电气性能指标与其材料组分构成、加工工艺技术路线及参数等有关。一般作为高分子基体用得最多的是聚乙烯[1]，也有用聚丙烯、氧化聚乙烯等。以往的研究成果及实验都表明[2,3]，以结晶性聚合物(如PE、PP等)为基体的复合材料有较好的PTC强度，而且结晶度越高，导电率越好，PTC强度越大；而以非结晶聚合物(如PS、PMMA等)为基体的复合材料PTC强度较小。

作为导电填料用得最多的是炭黑[2,4]，石墨、金属等也可以作为导电填料。高分子PTC材料配方时炭黑粒子组分的添加比例对其电气和PTC性能等技术指标都会产生较大影响。大量实验研究表明：高分子PTC材料要获得优异的电气和PTC性能，材料配方时应该精确测算并添加炭黑粒子组分的数量。此外，材料所采用的工艺技术路线、其他辅料的添加等因素也会影响高分子PTC材料的有关性能。

炭黑作为导电填料，受其粒径大小、粒径分布、聚集状态等影响形成种类繁多的炭黑型号，不同的炭黑型号与同样的聚合物共混之后具有不同的性能指标。所以，为得到不同性能的高分子PTC材料，可采取不同组分的配方和不同的工艺技术参数。

依据以往研究成果[2-4]，结合本项目实际需求和实验研究，选用聚乙烯作为基体，炭黑作为导电填料，再添加适当的辅料以改善或调节材料的有关功能特性。

3 具有自控温功能电热膜加工工艺的研究

PTC电热膜的加工工艺主要分为材料制备、热处理、覆绝缘膜和印制电极等工艺流程。制备工艺主要是混炼和成型，热处理主要指在一定温度下对材料进行一段时间加热或交联等工序。这些工序对PTC材料的有关机械和电气性能均有很大影响[5]。因此，在高分子基体和导电填料规格型号确定的条件下，研究开发符合有关技术要求的加工工艺技术十分关键。

高分子PTC材料的制备主要有干混法、溶剂法、混炼法等。但在实际生产和科学研究中主要还是采用混炼的方法进行制备[6]。在混炼工艺过程中，为确保得到高分子PTC材料优异的均匀性、机械和电气性能指标，应当控制好混炼的工艺技术路线和有关技术参数，如混炼时间、加热温度曲线和加料方式等，这些因素对材料的机械、电气性能和PTC效应都有较大影响。

研究表明，通过加长混炼时间和提升混炼温度，使材料的混合更加均匀，可以获得更好的材料导电性和PTC效应，但混炼时间过长和混炼温度过高都会破坏炭黑的结构，导致材料导电性和PTC效应有关技术指标下降。同时也会加速材料的老化速度，引起材料较快老化或变性。

高分子PTC材料成型工艺主要有模压、挤出和流延等几种[5]。结合本文主要研究薄膜状高分子PTC材料的实际需求，选用挤出成型工艺技术路线，既可满足高效连续生产，又能获得良好的产品性能。

材料经挤出成型后再选择适当温度进行一定时间的热处理，以便释放材料挤出成型时留下的残余应力，使导电填料炭黑的结构得到进一步完善和稳定，从而提高材料的稳定性以及机械和电气性能。

经反复实验及分析研究，可得到PTC电热膜关键技术性能指标之间，如居里温度、加热功率和衰减率等的相互影响关系、以及上述指标与各材料组分之间的比例关系，得到该材料的PTC效应曲线。从而通过调节或改变某一个或多个组分材料的使用比例，即可获得满足不同用途的高分子PTC材料。

本研究采取的高分子PTC电热膜加工工艺技术路线如图1所示。即将聚合物基体、导电填料和辅料等进行多相复合，再通过多模挤制成型制成不同宽度、厚度0.4-0.6mm高分子PTC电热膜。

图1 高分子PTC电热膜加工工艺技术路线

高分子PTC电热膜处于高电流启动、低电流运行，启动电流较大，且长时间处于加热的工作状态，由于银与高分子材料的附着力有限，PTC材料和电极接口不易很好吻合，容易出现接触不良等安全隐患，电流过大时易引起接口打火。经反复研究和实验验证，采取叉形电极印制工艺可较好地解决PTC电热膜的电极安装可靠性。

4 样品测试及测试结果分析

4.1 测试仪器设备清单

测试仪器设备清单见表1。

表1 测试仪器设备清单

4.2 测试方法和项目

选取4批次不同工艺参数条件下制作的高分子PTC电热膜样品，对其PTC效应及其他主要性能指标进行测试，本文仅介绍样品关键性能PTC效应和高低温储存的测试方法和结果。

测试环境温度为20-25℃，相对湿度为60%-65%，将加热方式设计为每5分钟温度升高5℃，起始温度为未加热时仪器内的温度，最高温度为120℃，对样品进行强加热，以测试其PTC效应有关技术指标。

4.3 测试结果及分析

测试结果如图2和表2所示。由图2可知，测试的4批次高分子PTC电热膜样品的R-T阻温特性曲线几乎都为一条平滑向上的相似曲线，即随着加热温度的不断升高，样品的电阻也逐步变大，当达到其居里点温度附近时，其电阻迅速变为无穷大。由此可知，通过不同材料配方或工艺技术参数生产的4批次高分子PTC电热膜样品，具有不同强度的PTC效应，即根据不同应用需求，可以利用改变材料配方或工艺参数获得不同性能指标的电热膜。

图2 高分子PTC电热膜(R-T)曲线

由于高分子PTC电热膜具有良好的PTC效应，在实际使用过程中，随着通电时间的增加，电热膜温度也随之增高，使其电阻逐步变大，从而使其加热功率逐步减小，当达到样品的居里点温度附近时，其电阻迅速变为无穷大，便自动停止加热，即样品具有良好的自控温功能，从而可以有效防止加热系统局部温度过高或温度失控现象，既可保证使用的安全性，又能更加节能环保。

由表2可知，该电热膜样品具有在高低温环境下使用、运输和储存的能力。

表2 高低温储存测试方法及结果

5 结束语

在坚持生态优先、绿色发展，认真践行高质量发展新理念的今天，全社会对节能环保新产品的需求日益强烈。具有自控温功能电热膜作为一种新型电加热材料，与传统加热材料如电阻丝、碳纤维电热膜和碳纤维电缆等相比，在主要技术性能和应用领域等诸多方面都具有很大优势，特别是其自控温功能使其具有安全、可靠又节能的独特优势，受到国内外广大科研工作者和用户的高度重视。由于我国在这方面的研究工作起步较晚，与美国、日本等发达国家相比，无论在高分子PTC材料的理论研究、应用领域或批量生产工艺等方面都还有较大差距，故应加大人力物力投入，积极开展相关理论研究与应用开发。