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電熱膜定義及類型劃分
 
作者:佚名 日期:2009年07月15日 來源:本站原創  字體:
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本講要旨:電熱膜是電熱產品體系中的一個細分類別,是新型電熱產品。電熱膜目前尚沒有統一的定義和分類,筆者曾著文定義電熱膜并將電熱膜按發熱體材料劃分為四種類型。本講以住房和城鄉建設部《低溫輻射電熱膜》標準

  本講要旨:電熱膜是電熱產品體系中的一個細分類別,是新型電熱產品。電熱膜目前尚沒有統一的定義和分類,筆者曾著文定義電熱膜并將電熱膜按發熱體材料劃分為四種類型。本講以住房和城鄉建設部《低溫輻射電熱膜》標準討論稿涉及的電熱膜定義和分類內容為主線,主要對電熱膜定義和類型劃分作了闡述,同時對“碳基印刷油墨、金屬基、碳纖維、高分子”等四種類型電熱膜的發熱材料、相應的電熱膜生產加工工藝作了介紹。

一、電熱膜定義
  電熱膜是直接將電能轉換成熱能的電熱元件,與電熱管、電熱棒、電熱板、電暖器、電飯煲、電磁爐等一樣,是電熱產品龐大家族中的一個組成部分。但不同的是,電熱膜在國內還是一個比較新的產品類別,應用歷史也只有短短的十年左右,應用領域也遠不如其他電熱產品廣泛,所以人們對電熱膜的認識和了解還沒有達到普及的程度。
  電熱膜,英文名“hot film”或“electrothermal film”,日文名“面狀發熱體”。在國內外的教科書和詞典里難以查找到電熱膜的準確定義,國內前幾年對于電熱膜的定義大都是基于電熱膜廠家的宣傳資料,以碳基印刷油墨電熱膜為主,如:“電熱膜是一種通電后能發熱的半透明聚酯薄膜, 由可導電的特制油墨、金屬載流條經加工、熱壓在絕緣聚酯薄膜間制成。”原建設部在2005年對于電熱膜的建筑工業行業標準的立項報告中的名稱亦為《低溫輻射聚酯電熱膜》,顯然也是指碳基印刷油墨電熱膜,后來更改為《低溫輻射電熱膜》。最近幾年來,隨著各類電熱膜的技術進步和規模化生產及市場應用,人們對各種類型電熱膜有了逐步認識和了解的機會,如何更加準確定義電熱膜也成了業界普遍關注和探討的問題之一。

二、電熱膜分類
  據不完全統計,目前市面上叫做電熱膜的產品有十幾種,加上具有電熱膜結構以其他名字命名的類似產品,電熱膜產品類別共計在20種以上。筆者在2006年第10期的《供熱制冷》雜志上在國內首次提出按電熱膜發熱體材料分類,把電熱膜分為“印刷油墨型、碳纖維型、金屬絲(片)型、導電高分子材料型”等四種類型(以下簡稱四分法)。《低溫輻射電熱膜》標準征求意見稿中把電熱膜分為金屬基和非金屬基兩類(以下簡稱兩分法),而非金屬基電熱膜再細分為碳纖維、碳基油墨和高分子三種類型。
  電熱膜兩分法和四分法沒有本質的區別,只是兩分法把非金屬基電熱膜作為Ⅰ級,除金屬基以外的其他三種類型電熱膜作為它的次級即Ⅱ級,這盡管從邏輯關系上講沒有錯誤,但是兩分法強調了金屬材料,弱化了其他材料的地位,而包括電熱材料在內的新材料的技術進步速度是很快的,如此,未來的非金屬基電熱膜的次級類型將會不斷增加,而金屬基電熱膜在相當長的時期內再再行分類的可能性不大,這樣會形成兩大類電熱膜家族成員的嚴重不均衡,即:非金屬基電熱膜有了龐大的家族且甚至已經到了第Ⅲ級、第Ⅳ級,而金屬基電熱膜仍然還是只有一個成員。況且兩分法是參照國家標準《紅外輻射加熱器實驗方法》(GB/T7287-2008)中按輻射基體分類紅外輻射加熱器的分類用于電熱膜,而紅外輻射加熱器類型劃分本身也值得商榷,列舉如:非金屬基紅外加熱器類型中“半導體類加熱器”明顯包括“陶瓷類、搪瓷類、高硅類、鋯英砂類加熱器”等,而被列入非金屬基類的“聚酯薄膜加熱器”當然也可能是封裝的金屬基發熱材料即“金屬基加熱器”。
  除上述兩分法和四分法外,大部分電熱膜生產廠家從不同角度給自己的產品命名,有的以電熱膜外覆絕緣材料定義電熱膜,如:聚亞酰胺電熱膜,硅(橡)膠電熱膜,云母電熱膜,PET電熱膜;有的是以電熱膜功率密度大小定義,如低溫、中溫、高溫電熱膜;有的從強調輻射熱概念定義電熱膜,如:輻射電熱膜,遠紅外電熱膜;有的強調發熱體顆粒大小,如:叫納米電熱膜、碳納米電熱膜;也有如“生態電熱膜”、“電熱地膜”則分別從電熱膜的環保特性和地暖應用方式上定義電熱膜。而最近兩年在上海、四川、重慶、武漢等地普遍叫的比較響的“硅晶、碳晶電熱膜”以及最近出現的“高(超)碳晶電熱膜”等等,據筆者考察以及與相關廠家溝通后,可以斷定這類電熱膜是碳纖維電熱膜,如果細分類型也應該在定語后面最后加上“碳纖維電熱膜”。碳晶的叫法是不科學的。
  筆者以為,以發熱材料為主體分類和命名電熱膜是較為科學的,因為發熱材料決定了電熱膜的特性,以發熱材料定義電熱膜無論對于具有一定理工科知識和其他非專業的人士,都可以較為容易的從根上認識和了解不同類型電熱膜的基本特性,也避免了廠家通過模糊概念達到一己目的企圖。當然如同電熱膜的定義一樣,待《低溫輻射電熱膜》標準獲批后,生產廠家自然要遵循標準上的電熱膜分類命名自己的產品,屆時電熱膜分類的混亂現象也將會得到一定程度的遏制。
  以下分別就兩分法和四分法中共同出現的“金屬基、碳基印刷油墨、碳纖維、高分子”等四種類型的電熱膜發熱材料、生產加工工藝和相應電熱膜的基本性能特點作一介紹。

碳基印刷油墨型電熱膜   發熱材料:石墨、金屬粉末、金屬氧化物

  碳基印刷油墨電熱膜的生產工藝是將上述發熱材料與其他填料一起制成油墨狀漿料,以絲網印刷工藝定量印刷在預先粘結有金屬載流條(作為電極)的聚酯薄膜上,再上覆聚酯薄膜形成絕緣結構,故又稱印刷油墨電熱膜。該類電熱膜的功率控制主要是通過漿料成分、油墨條厚度和間距等實現。

  碳基印刷油墨電熱膜的技術核心是漿料的生產加工技術。目前國內已有多家碳基油墨漿料生產企業,十幾家碳基印刷油墨電熱膜生產廠家。國外品牌以美國、韓國為主。


金屬電熱膜    發熱材料:純金屬或金屬合金材料
 
  金屬基電熱膜的生產工藝是將發熱體金屬或金屬合金材料首先制成金屬箔,在聚酯薄膜上粘接制作成電阻回路,其上再覆一層聚酯薄膜形成絕緣結構。常用的金屬電熱材料有銅、鎳、銅鎳、鐵鉻鋁等。不同的金屬和金屬合金材料具有不同的電阻率即導電特性,據此可以根據不同的工作電壓、單位面積功率要求選擇不同的金屬發熱材料和設計成不同的電阻線路。而金屬材料的不同也將直接影響發熱體的性能(如抗氧化能力)以及成本造價。


碳纖維電熱膜    發熱材料:碳纖維

  碳纖維是由含炭量較高(通常在90%以上)的原料纖維,放在惰性氣體中,經200~300℃的熱穩定氧化、1000~2000℃的碳化及石墨化處理而成。根據基礎原料不同碳纖維又可分為聚丙烯腈(PAN)基、瀝青基和粘膠基碳纖維,其中PAN基碳纖維在全世界的碳纖維生產中占有90%的比例,目前世界碳纖維技術主要掌握在日本,而其他大部分碳纖維企業的生產工藝仍在摸索中不斷完善。國內碳纖維電熱膜生產用碳纖維原材料主要從日本公司進口。
碳纖維具有耐高溫、耐磨擦、導電、導熱及耐腐蝕等,外形有顯著的各向異性,柔軟、可加工成各種織物,比重小,沿纖維軸方向表現出很高的強度。碳纖維能夠與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合形成多種復合材料,用于航空航天、汽車、石油鉆探、體育及醫療器械等多個領域。
利用碳纖維的導電特性將其做成電熱材料,按發熱體結構的不同可分為碳纖維發熱線纜和碳纖維電熱膜兩種。其中碳纖維電熱膜按生產加工工藝不同又分直接將碳纖維絲(小絲束或大絲束)作為經線或緯線通過紡織工藝生產的非均勻性線面狀碳纖維電熱膜,以及將碳纖維絲剪切成紊亂短纖維,與紙漿混合后用造紙工藝形成碳纖維電熱紙。調整碳纖維比例可得到不同的功率密度。按照用途和絕緣等級要求外覆不同絕緣材料即形成碳纖維電熱膜

高分子電熱膜   發熱材料:導電高分子材料。 

  生產工藝,首先利用不同的分子設計手法合成出功能性高分子導電復合材料,通過噴涂或逗號涂工藝將上述導電高分子材料均勻涂敷于預先植入電極的基材上形成裸體電熱膜,外覆不同絕緣材料即形成高分子電熱膜
高分子電熱膜誕生于日本, 高分子電熱膜的功率密度是通過調整發熱體材料的聚合度、正負極性基團數目和比例以及自由電數來實現,而非通過加減涂敷量。
盡管電熱膜類型不同,但都含有發熱體、電極和絕緣層等三個共同的部分,都是外覆絕緣層內加發熱體結構。不同的是金屬基電熱膜和碳基油墨電熱膜是直接熱壓在絕緣聚酯薄膜間,而碳纖維和高分子電熱膜是將發熱材料涂敷于基材上,然后外覆絕緣材料。
不同類型的電熱膜由于其發熱材料不同和生產加工工藝的不同,電熱膜也分別具有不同的電熱特性和應用性能,如:功率密度的極限值、發熱體的熱穩定性和熱均勻性,抗氧化老化能力、功率衰減、龜裂和融脹性等等,而這些特性直接決定了產品最為適宜的應用領域以及作為發熱體材料在應用施工中的工藝要求。

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