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第一讲 电热膜定义及类型划分

时间:2012-10-08 17:48来源:中国建筑金属结构协会 作者:admin 点击:
电热膜专题 第一讲 电热膜定义及类型划分 专题主持人 :王安生 13801290271 E-mail:winner719@china.com 专题主持人简介 :男,汉族,博士学历,留学归国人员。主攻功能性高分子材料专业。是

电热膜专题
第一讲 电热膜定义及类型划分     专题主持人:王安生 13801290271  E-mail:winner719@china.com
   
专题主持人简介:男,汉族,博士学历,留学归国人员。主攻功能性高分子材料专业。是“地暖委”聘任的电地暖专家、中国节能协会节能产业服务委员会专家,“日本床暖房施工协会”的外籍专家,同时还是中国住房和城乡建设部《低温辐射电热膜》标准主要起草人之一,是“高分子电热膜及其应用”发明专利的发明人。现任北京新宇阳科技有限公司董事长。     本讲要旨:电热膜是电热产品体系中的一个细分类别,是新型电热产品。电热膜目前尚没有统一的定义和分类,笔者曾著文定义电热膜并将电热膜按发热体材料划分为四种类型。本讲以住房和城乡建设部《低温辐射电热膜》标准讨论稿涉及的电热膜定义和分类内容为主线,主要对电热膜定义和类型划分作了阐述,同时对“碳基印刷油墨、金属基、碳纤维、高分子”等四种类型电热膜的发热材料、相应的电热膜生产加工工艺作了介绍。     一、电热膜定义
    电热膜是直接将电能转换成热能的电热元件,与电热管、电热棒、电热板、电暖器、电饭煲、电磁炉等一样,是电热产品庞大家族中的一个组成部分。但不同的是,电热膜在国内还是一个比较新的产品类别,应用历史也只有短短的十年左右,应用领域也远不如其他电热产品广泛,所以人们对电热膜的认识和了解还没有达到普及的程度。
    电热膜,英文名“hot film”或“electrothermal film”,日文名“面状发热体”。在国内外的教科书和词典里难以查找到电热膜的准确定义,国内前几年对于电热膜的定义大都是基于电热膜厂家的宣传资料,以碳基印刷油墨电热膜为主,如:“电热膜是一种通电后能发热的半透明聚酯薄膜, 由可导电的特制油墨、 金属载流条经加工、热压在绝缘聚酯薄膜间制成。”原建设部在2005年对于电热膜的建筑工业行业标准的立项报告中的名称亦为《低温辐射聚酯电热膜》,显然也是指碳基印刷油墨电热膜,后来更改为《低温辐射电热膜》。最近几年来,随着各类电热膜的技术进步和规模化生产及市场应用,人们对各种类型电热膜有了逐步认识和了解的机会,如何更加准确定义电热膜也成了业界普遍关注和探讨的问题之一。
    笔者曾给电热膜定义为“能够实现电热转换、具有薄膜状结构且表面均匀发热的电加热体”(见《中国住宅设施》2008年第8期)。《低温辐射电热膜》行业标准的征求意见稿中给出的电热膜定义为,“通电后能够发热、具有片状结构且厚度较薄的面状电加热元件。由纯电阻式加热材料、金属电极和外覆电绝缘材料构成。”该标准计划在年内获批准,届时,自电热膜引进到国内以来一直比较混乱的电热膜定义之争也将暂时告一段落。
    二、电热膜分类
    据不完全统计,目前市面上叫做电热膜的产品有十几种,加上具有电热膜结构以其他名字命名的类似产品,电热膜产品类别共计在20种以上。笔者在2006年第10期的《供热制冷》杂志上在国内首次提出按电热膜发热体材料分类,把电热膜分为“印刷油墨型、碳纤维型、金属丝(片)型、导电高分子材料型”等四种类型(以下简称四分法)。《低温辐射电热膜》标准征求意见稿中把电热膜分为金属基和非金属基两类(以下简称两分法),而非金属基电热膜再细分为碳纤维、碳基油墨和高分子三种类型。
    电热膜两分法和四分法没有本质的区别,只是两分法把非金属基电热膜作为Ⅰ级,除金属基以外的其他三种类型电热膜作为它的次级即Ⅱ级,这尽管从逻辑关系上讲没有错误,但是两分法强调了金属材料,弱化了其他材料的地位,而包括电热材料在内的新材料的技术进步速度是很快的,如此,未来的非金属基电热膜的次级类型将会不断增加,而金属基电热膜在相当长的时期内再再行分类的可能性不大,这样会形成两大类电热膜家族成员的严重不均衡,即:非金属基电热膜有了庞大的家族且甚至已经到了第Ⅲ级、第Ⅳ级,而金属基电热膜仍然还是只有一个成员。况且两分法是参照国家标准《红外辐射加热器实验方法》(GB/T7287-2008)中按辐射基体分类红外辐射加热器的分类用于电热膜,而红外辐射加热器类型划分本身也值得商榷,列举如:非金属基红外加热器类型中“半导体类加热器”明显包括“陶瓷类、搪瓷类、高硅类、锆英砂类加热器”等,而被列入非金属基类的“聚酯薄膜加热器”当然也可能是封装的金属基发热材料即“金属基加热器”。
    除上述两分法和四分法外,大部分电热膜生产厂家从不同角度给自己的产品命名,有的以电热膜外覆绝缘材料定义电热膜,如:聚亚酰胺电热膜,硅(橡)胶电热膜,云母电热膜,PET电热膜;有的是以电热膜功率密度大小定义,如低温、中温、高温电热膜;有的从强调辐射热概念定义电热膜,如:辐射电热膜,远红外电热膜;有的强调发热体颗粒大小,如:叫纳米电热膜、碳纳米电热膜;也有如“生态电热膜”、“电热地膜”则分别从电热膜的环保特性和地暖应用方式上定义电热膜。而最近两年在上海、四川、重庆、武汉等地普遍叫的比较响的“硅晶、碳晶电热膜”以及最近出现的“高(超)碳晶电热膜”等等,据笔者考察以及与相关厂家沟通后,可以断定这类电热膜是碳纤维电热膜,如果细分类型也应该在定语后面最后加上“碳纤维电热膜”。碳晶的叫法是不科学的。
    笔者以为,以发热材料为主体分类和命名电热膜是较为科学的,因为发热材料决定了电热膜的特性,以发热材料定义电热膜无论对于具有一定理工科知识和其他非专业的人士,都可以较为容易的从根上认识和了解不同类型电热膜的基本特性,也避免了厂家通过模糊概念达到一己目的企图。当然如同电热膜的定义一样,待《低温辐射电热膜》标准获批后,生产厂家自然要遵循标准上的电热膜分类命名自己的产品,届时电热膜分类的混乱现象也将会得到一定程度的遏制。
    以下分别就两分法和四分法中共同出现的“金属基、碳基印刷油墨、碳纤维、高分子”等四种类型的电热膜发热材料、生产加工工艺和相应电热膜的基本性能特点作一介绍。
    碳基印刷油墨型电热膜
    发热材料为石墨、金属粉末、金属氧化物(见图1)。

图1 碳基油墨电热膜 碳基印刷油墨电热膜的生产工艺是将上述发热材料与其他填料一起制成油墨状浆料,以丝网印刷工艺定量印刷在预先粘结有金属载流条(作为电极)的聚酯薄膜上,再上覆聚酯薄膜形成绝缘结构,故又称印刷油墨电热膜。该类电热膜的功率控制主要是通过浆料成分、油墨条厚度和间距等实现。
    碳基印刷油墨电热膜的技术核心是浆料的生产加工技术。其特点是生产工艺简单,原材料成本相对较低,国产化程度大。目前国内已有多家碳基油墨浆料生产企业,十几家碳基印刷油墨电热膜生产厂家,生产加工技术已经赶上并超过了国外同行。国外品牌以美国、韩国为主,但大都不具备地暖施工技术指导能力,甚至有些企业连什么叫泄漏电流、电热膜泄漏电流产生的机理也不清楚就敢在国内用于电地暖。     金属基电热膜
    发热材料为纯金属或金属合金材料(见图2)。

图2 金属基电热膜

金属基电热膜的生产工艺是将发热体金属或金属合金材料首先制成金属箔,在聚酯薄膜上粘接制作成电阻回路,其上再覆一层聚酯薄膜形成绝缘结构。常用的金属电热材料有铜、镍、铜镍、铁铬铝等。不同的金属和金属合金材料具有不同的电阻率即导电特性,据此可以根据不同的工作电压、单位面积功率要求选择不同的金属发热材料和设计成不同的电阻线路。而金属材料的不同也将直接影响发热体的性能(如抗氧化能力)以及成本造价。
    大连、秦皇岛、深圳、上海等地分别有金属基电热膜生产企业。     碳纤维电热膜
    发热材料:碳纤维(见图3)。

图3 碳纤维电热膜     碳纤维是由含炭量较高(通常在90%以上)的原料纤维,放在惰性气体中,经200~300℃的热稳定氧化、1000~2000℃的碳化及石墨化处理而成。根据基础原料不同碳纤维又可分为聚丙烯腈(PAN)基、沥青基和粘胶基碳纤维,其中PAN基碳纤维在全世界的碳纤维生产中占有90%的比例,目前世界碳纤维技术主要掌握在日本的东丽公司、东邦Tenax集团和三菱人造丝集团,而其他大部分碳纤维企业的生产工艺仍在摸索中不断完善。国内碳纤维电热膜生产用碳纤维原材料主要从日本东丽公司进口。
    碳纤维具有耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等,外形有显著的各向异性,柔软、可加工成各种织物,比重小,沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维能够与树脂、金属、陶瓷等基体复合形成多种复合材料,用于航空航天、汽车、石油钻探、体育及医疗器械等多个领域。
    利用碳纤维的导电特性将其做成电热材料,按发热体结构的不同可分为碳纤维发热线缆和碳纤维电热膜两种。其中碳纤维电热膜按生产加工工艺不同又分直接将碳纤维丝(小丝束或大丝束)作为经线或纬线通过纺织工艺生产的非均匀性线面状碳纤维电热膜,以及将碳纤维丝剪切成紊乱短纤维,与纸浆混合后用造纸工艺形成碳纤维电热纸。调整碳纤维比例可得到不同的功率密度。按照用途和绝缘等级要求外覆不同绝缘材料即形成碳纤维电热膜。     高分子电热膜
    发热材料:导电高分子材料(见图4)。

图4 高分子电热膜 生产工艺,首先利用不同的分子设计手法合成出功能性高分子导电复合材料,通过喷涂或逗号涂工艺将上述导电高分子材料均匀涂敷于预先植入电极的基材上形成裸体电热膜,外覆不同绝缘材料即形成高分子电热膜。
    高分子电热膜诞生于日本,新宇阳是目前国内高分子电热膜的唯一生产厂家,拥有多项专利和专有技术,产品技术上已实现“任意幅宽和形状、任意使用电压(交、直流两用)、任意单位面积功率”等“三个任意”的技术优势,并在多个应用领域开发出不同的系列产品。
    高分子电热膜的功率密度是通过调整发热体材料的聚合度、正负极性基团数目和比例以及自由电数来实现,而非通过加减涂敷量。     尽管电热膜类型不同,但都含有发热体、电极和绝缘层等三个共同的部分,都是外覆绝缘层内加发热体结构。不同的是金属基电热膜和碳基油墨电热膜是直接热压在绝缘聚酯薄膜间,而碳纤维和高分子电热膜是将发热材料涂敷于基材上,然后外覆绝缘材料。
    不同类型的电热膜由于其发热材料不同和生产加工工艺的不同,电热膜也分别具有不同的电热特性和应用性能,如:功率密度的极限值、发热体的热稳定性和热均匀性,抗氧化老化能力、功率衰减、龟裂和融胀性等等,而这些特性直接决定了产品最为适宜的应用领域以及作为发热体材料在应用施工中的工艺要求,这将在下一讲“电热膜的应用”中述及。
    (本文如有不当之处,愿意接受专家、学者、电热膜同行及全国地暖人的批评。如有不同的学术观点,愿意与大家共同研讨。)

(责任编辑:admin)
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