碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板電熱性能研究

包永潔，梁善慶，王艷偉，黃成建，孫龍祥

(1.國家林業(yè)局竹子研究開發(fā)中心，浙江 杭州 310012；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京 100091；3.久盛地板有限公司，浙江 南潯 313009)

碳纖維導(dǎo)電紙是利用碳纖維與其他植物纖維混合制造的一類功能紙。植物纖維在導(dǎo)電紙中起基本框架作用，而碳纖維則作為導(dǎo)電相無序地分散于植物纖維框架中，構(gòu)建形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)[1]。碳纖維導(dǎo)電紙可以根據(jù)碳纖維加入比例不同即體積電阻率的不同而廣泛應(yīng)用于不同的領(lǐng)域[2]，當(dāng)碳纖維含量在6%～30%時，電阻較大，通電后即可做發(fā)熱材料、電熱器件[3]。它的發(fā)熱溫度范圍通常是30～250℃，電熱轉(zhuǎn)換效率大于97%，還可發(fā)射遠(yuǎn)紅外線，具有保健功能，且具有導(dǎo)電性能穩(wěn)定、可撓曲、可粘合、加工性能好、成本低等特點(diǎn)，是一種很好的面狀發(fā)熱材料[4]。

隨著人們生活水平的不斷提高，對居住環(huán)境的舒適度要求越來越高，南北方冬季采暖的需求都不斷增長，促使清潔環(huán)保且可滿足不同用戶需求的電采暖受到青睞和快速發(fā)展[5-6]。碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板就是利用碳纖維導(dǎo)電紙作為導(dǎo)電發(fā)熱單元，與木質(zhì)(木/竹)面材、基材通過層疊熱壓制備而成的一種功能性地板。該地板可集地面裝飾與采暖功能于一體，不占層高、安裝維護(hù)方便，且可通過控制器實(shí)現(xiàn)即開即熱、分室等智能控制等，還具有遠(yuǎn)紅外保健功能，具有廣闊的市場前景。

多年前已有一些人開始研究并開發(fā)碳纖維導(dǎo)電紙與不同材料復(fù)合制成發(fā)熱材料[7-13]，近年來市場上也出現(xiàn)了一些電熱地板產(chǎn)品，但除了少量研究外[14-15]，國內(nèi)外對碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板的相關(guān)報道甚少，使得消費(fèi)者對它的電熱、安全等性能缺乏了解，導(dǎo)致對該種產(chǎn)品的接受程度較低。鑒于此，本文對碳纖維木質(zhì)電熱地板的電熱特性進(jìn)行了測試研究，為該產(chǎn)品的應(yīng)用和改進(jìn)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)測試中所用的碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板由久盛地板有限公司制造并提供，規(guī)格為900 mm×125 mm×15 mm，功率為180 W·m-2。

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

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

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

(4)背板：櫸木單板，1 245 mm×940 mm×0.8 mm, 含水率6%～8%。

(5)發(fā)熱材料：碳纖維導(dǎo)電紙，850 mm×100 mm×0.02 mm，方阻210 Ω/m2，兩端加裝有導(dǎo)電銅片，購自北京碧巖特種材料有限公司。

(6)膠黏劑：三聚氰胺改性脲醛樹脂膠黏劑，膠粉4638、改性劑5930、固化劑5006，購自太爾化工(上海)有限公司。

(7)銅釘電極：長10 mm，直徑6.75 mm。

1.2 制備工藝

碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板的制備工藝流程如圖1所示。

碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板平面示意圖及結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖2、圖3 所示。

1.3 試驗(yàn)主要儀器

SMT溫度測試儀(北京賽維美，64通道)、 K型熱電偶、紅外熱成像儀(TP8)、0L-750型自動分光輻射測試系統(tǒng)、測量接收機(jī)(ESR26)、人工電源網(wǎng)絡(luò)(ENV216)、三環(huán)天線(HM020)；對數(shù)周期寬帶天線(VULB 9163)、天線前置放大器(SCU-03)。

圖1 碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板制造工藝流程圖Fig.1 Manufacturing process of the carbon-fiber wood electrothermal composite floor

圖2 碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of the carbon-fiber wood electrothermal composite floor

圖3 碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板平面示意圖Fig.3 Plane diagram of the carbon fiber wood electrothermal composite floor

圖4 碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板測溫點(diǎn)分布Fig.4 Points of temperature measurement of the carbon fiber wood electrothermal composite floor

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1溫度分布利用紅外熱像儀拍攝碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板通電發(fā)熱穩(wěn)定后的紅外熱像照片，利用儀器攜帶的分析軟件分析溫度。

1.4.2溫度-時間效應(yīng)按照圖4對每塊碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板表面對應(yīng)測溫點(diǎn)布置熱電偶，然后將電熱地板進(jìn)行通電，采用SMT溫度測試儀采集通電后的溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集時間間隔為60 s。取9個測溫點(diǎn)的平均值為每塊板溫度的平均值，同時測量6塊板，取6塊板的平均值做溫度-時間曲線。

1.4.3相對輻射能譜委托國家紅外及工業(yè)電熱產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，采用OL-750型自動分光輻射測試系統(tǒng)進(jìn)行測試。

1.4.4輻射騷擾委托國家紅外及工業(yè)電熱產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，參考標(biāo)準(zhǔn)GB4824-2013《工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)射頻設(shè)備電磁騷擾特性限值和測量方法》進(jìn)行輻射騷擾測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板表面溫度分布

圖5為紅外熱成像儀測得的碳纖維電熱復(fù)合地板通電工作穩(wěn)定后的紅外熱圖，通過該圖可以看出，碳纖維電熱復(fù)合地板發(fā)熱區(qū)域的溫度分布較均勻，溫度范圍大部分集中在35～40 ℃左右(測試環(huán)境溫度為20 ℃)。該塊板表面發(fā)熱區(qū)域最高溫度為40.7 ℃，最低溫度為35.5 ℃，溫度不均勻度為5.2 ℃，滿足GB/T7287-2008《紅外輻射加熱器試驗(yàn)方法》中溫度不均勻度≤7 ℃的要求。圖中還反映出碳纖維電熱復(fù)合地板的發(fā)熱區(qū)域紅外輻射比較強(qiáng)，該區(qū)域?yàn)樘祭w維導(dǎo)電紙放置區(qū)域，由于碳纖維導(dǎo)電紙具有遠(yuǎn)紅外線輻射特性[1,3]，經(jīng)過表面木材的吸收和輻射，使得碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板也具有了遠(yuǎn)紅外輻射特性。

2.2 碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板表面溫度-時間效應(yīng)

圖6為碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板通電后4 h及斷電后1 h時間左右的溫度-時間效應(yīng)曲線(測試環(huán)境溫度為21 ℃，濕度為54%)。圖中可以看出，碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板在通電的前10 min內(nèi)升溫曲線斜率較大，由21.5 ℃升到30.5 ℃，達(dá)到9 ℃溫升，說明碳纖維木質(zhì)電熱地板具有快速升溫的特性。通電46 min表面溫度基本穩(wěn)定達(dá)到37.1 ℃，此后至240 min電熱地板表面溫度一直維持在37.1～37.4 ℃之間，平均溫度為37.2 ℃，體現(xiàn)了碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板達(dá)到工作溫度后發(fā)熱具有穩(wěn)定性。240 min后碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板開始斷電，從圖中可以看出斷電30 min內(nèi)電熱地板的降溫速率較快，溫度由斷電時的37.2 ℃降至26.5 ℃，斷電后60 min左右溫度降至室溫，碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板的蓄熱能力不強(qiáng)。

圖5 碳纖維電熱復(fù)合地板紅外熱圖Fig.5 Infrared heat map of the carbon-fiber electrothermal composite floor

圖6 碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板溫度-時間效應(yīng)Fig.6 Temperature-time effect of the carbon-fiber electrothermal composite floor

圖7、圖8為碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板升溫階段及降溫階段的溫度、時間擬合曲線。在溫升過程中，電熱地板表面溫度隨著時間增加呈單調(diào)上升趨勢；在溫降過程中，表面溫度隨著時間延長呈單調(diào)下降趨勢。溫升、溫降過程中溫度與時間均呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。溫升階段的指數(shù)函數(shù)為Ts=-15.463×e-X/11.379 6+37.250 8,R2=0.996 34。溫降階段的指數(shù)函數(shù)為Ts=14.794 7×e-X/14.697 5+22.339 0，R2=0.998 23。

2.3 碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板紅外輻射范圍

碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板發(fā)射的紅外線的相對輻射能譜曲線如圖9所示，從圖中可以得知，碳纖維電熱復(fù)合地板發(fā)射的紅外線波長主要集中在4～25 μm范圍內(nèi)，屬于長波紅外。由于木材對紅外波具有很強(qiáng)的吸收能力[16-17]，碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板通電時，靠近碳纖維導(dǎo)電紙的木材中的紅外敏感物質(zhì)(纖維素等)吸收了導(dǎo)電紙發(fā)射的紅外波，并相應(yīng)發(fā)出紅外波，呈現(xiàn)出輻射、吸收、再輻射、再吸收的輻射傳熱過程[18]，因此碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板也可發(fā)出相應(yīng)波長的紅外線，并具有較高的紅外發(fā)射率。碳纖維木質(zhì)電熱地板通電后發(fā)射的紅外波包含了對人體有益的6～14 μm的波段[19]，因此使用碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板對人體將會有一定的保健作用。

圖7 碳纖維木質(zhì)電熱地板升溫階段溫度-時間擬合曲線Fig.7 Temperature-time fitting curve of the carbon fiber electrothermal composite floor at heating stage

圖8 碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板斷電降溫階段溫度-時間擬合曲線Fig.8 Temperature-time fitting curve of the carbon fiber electrothermal composite floor at cooling stage

圖9 碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板相對輻射能譜曲線Fig.9 Relative radiation energy spectrum curve of the carbon fiber electrothermal composite floor

圖10 三環(huán)天線法碳纖維電熱復(fù)合地板水平分量輻射騷擾Fig.10 Horizontal component radiation disturbance of the carbon-fiber electrothermal composite floor by three-ring antenna method

2.4 碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板的輻射騷擾

輻射騷擾是電子、電器產(chǎn)品在電路共作時部分交變信號會通過設(shè)備外殼以輻射方式直接向周圍空間發(fā)射，并被周圍其他電子產(chǎn)品接收，對這些產(chǎn)品形成干擾[20]。輻射騷擾是電磁兼容的重要內(nèi)容。輻射騷擾超標(biāo)的產(chǎn)品可能引起周圍裝置、設(shè)備或系統(tǒng)性能降低，干擾信息技術(shù)設(shè)備或其他電子產(chǎn)品的正常工作，并對人體造成一定危害[21-22]。由圖10、圖 11可知，從9～30 MHz的水平分量和垂直分量來看碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板的輻射騷擾水平都遠(yuǎn)低于對應(yīng)頻率的限定值，圖12 顯示了碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板在30～1 000 MHz頻率范圍內(nèi)的輻射騷擾水平也遠(yuǎn)小于限定值。測試結(jié)果表明碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板在9～1 000 MHz頻率范圍內(nèi)電磁輻射較弱，對周圍電子和電器產(chǎn)品不會產(chǎn)生輻射影響，也不會對人體產(chǎn)生傷害。

3 結(jié)論

碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板升溫速率快，10 min內(nèi)溫升可達(dá)9 ℃，升溫穩(wěn)定后表面平均溫度可達(dá)37.2 ℃，溫度保持穩(wěn)定，斷電后溫度在1 h左右回復(fù)到室溫，蓄熱能力不強(qiáng)。碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板較適合用于隨時需要即時開啟的自由采暖，可與蓄熱材料結(jié)合提高地板的蓄熱能力。

圖11 三環(huán)天線法碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板垂直分量輻射騷擾Fig.11 Vertical component radiation disturbance of the carbon-fiber electrothermal composite floor by three-ring antenna method

圖12 30～1 000 MHz碳纖維電熱復(fù)合地板輻射騷擾Fig.12 The radiation disturbance of the carbon-fiber electrothermal composite floor at 30-1 000 MHz

碳纖維電熱復(fù)合地板發(fā)射的紅外線波長主要集中在4～25 μm范圍內(nèi)，屬于長波紅外。對人體可起一定的保健作用。碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板在9～30 MHz頻率范圍內(nèi)水平分量和垂直分量的輻射騷擾場強(qiáng)均小于國家標(biāo)準(zhǔn)要求的限定域值，在30～1 000 MHz頻率范圍內(nèi)的輻射騷擾水平也遠(yuǎn)小于限定域值。碳纖維木質(zhì)電熱復(fù)合地板的輻射騷擾較弱，是一種電磁輻射安全的產(chǎn)品。