覆膜紙制備電熱功能復合纖維板的性能研究

題 璞，林 志，王梓寧，袁全平

(廣西大學 資源環境與材料學院，廣西 南寧 530004)

1 材料與方法

1.1 試驗材料

碳纖維紙：購自北京碧巖特種材料有限公司，厚度0.08 mm，寬度140 mm，方阻200 Ω/sq左右，幅面裁剪為450 mm×140 mm備用；高密度纖維板：廣西豐林人造板有限公司提供，尺寸為1 220 mm×2 440 mm×5.5 mm，E0級，密度為0.91 g·cm-3，鋸裁為450 mm×160 mm備用；銅箔：上海樺閎金屬材料廠提供，紫銅，厚度約0.02 mm,裁剪為160 mm×10 mm備用；酚醛樹脂覆膜紙：厚度約0.5 mm，裁剪為470 mm×145 mm備用；隔熱膜：幅面尺寸為500 mm×160 mm，珍珠棉復鋁膜，厚度6 mm。

1.2 試驗設備

1)180T萬能試驗壓機，BY302*2/18型，蘇州新協力機械制造有限公司制造。

2)泡沫隔熱箱，尺寸為500 mm×160 mm×300 mm，自制。

3)FLUKE 15B+數字萬用表，電阻量程為0～40 MΩ，安徽世福儀器有限公司制造。

4)SIN-8960八通道溫度記錄儀，杭州聯測自動化技術有限公司制造。

5)TDGC2-1000VA無級調壓器，單相，0-250V，德力西電氣有限公司制造。

新資源觀指導下，大量資本、技術轉向資源節約、生態友好型旅游產業[1]；景區泛化[2]、體驗經濟[3-5]時代下消費者的旅游需求更加注重個性化體驗，更加關注旅游體驗的深度與豐富度，以抓點為主的景區旅游已難以適應當下旅游市場需要；此外，隨著旅游業融入經濟社會發展全局，成為國民經濟戰略性支柱產業，發展旅游已成為各地經濟轉型升級、減少貧困的重要手段。在此背景下，我國旅游發展正在由觀光“小旅游”向休閑度假的“大旅游”過渡[6]，我國旅游業的發展開始進入全域旅游新時代。

6)電子萬能試驗機，AGS-X型，Shimadzu公司制造。

7)掃描電子顯微鏡，S-3400N型，HITACHI公司制造。

1.3 試驗方法

1.3.1 制備工藝 按圖1a使用少量膠帶將銅箔固定在碳纖維紙上制成電熱層，其兩電極間有效工作幅面是400 mm×140 mm；再按圖1b結構進行組坯，由上而下是高密度纖維板基材、酚醛樹脂覆膜紙、電熱層、酚醛樹脂覆膜紙、高密度纖維板基材；然后將板坯送入熱壓機進行熱壓。根據前期正交試驗獲得的最佳熱壓工藝(單位壓力1.4 MPa，壓板溫度185℃，熱壓時間100 s·mm-1)制成，靜置24 h后測試電熱性能、物理力學性能及絕緣性能等。

圖1 電熱功能復合纖維板的結構Fig.1 Structure of the electric heating fiberboard

1.3.2 掃描電子顯微鏡(SEM)分析 將相應的電熱功能復合纖維板樣品切取出部分電熱層，再用鋒利刀片制備橫截面樣品，然后固定于樣品臺上并進行噴金，采用HITACHI S-3400N型掃描電子顯微鏡觀察碳纖維紙的表面微觀形貌以及電熱功能復合纖維板電熱層撕裂面和橫截面的微觀結構。

1.3.3 板面溫升規律測試 將電熱功能復合纖維板放置于電熱性能測試裝置中(圖2a)，裝置底部鋪設隔熱膜，并放置在2根木條之上；以板面長度方向中心點為中心，選取相距200 mm的兩點，取其板面與板底的相同位置作為測溫點(測溫點布置見圖2b)。在環境溫度為20℃、濕度為65%±5%的環境下，測量兩電極間電阻并計算輸入電壓，采用無級調壓器調整輸入電壓后連接電熱功能復合纖維板的電極，開始通電測試；對其分別加載100、300、500、700、900 W·m-2等不同功率密度，記錄通電60 min及斷電后25 min過程的溫度數據，溫度記錄時間間隔是5 s；同時，采用紅外熱成像儀記錄各功率密度下穩定狀態時的紅外熱像圖。

圖2 電熱性能測試Fig.2 Test on the electrothermal performance

1.3.4 電阻變化規律測試

1.3.5 泄漏電流、絕緣電阻及輻射面溫度不均勻度的測試 將樣品送國家紅外及工業電熱產品質量監督檢驗中心依據GB/T4654-2008《非金屬基體紅外輻射加熱器通用技術條件》和GB/T7287-2008《紅外輻射加熱器試驗方法》進行測試，檢測其泄漏電流、熱態絕緣電阻、輻射面溫度不均勻度；測試時加載的功率密度為700 W·m-2。

1.3.6 物理力學性能測試 參照標準GB/T 31765-2015《高密度纖維板》測試物理力學性能，包括密度、吸水厚度膨脹率、內結合強度、靜曲強度、彈性模量。測試密度、吸水厚度膨脹率、內結合強度時，制備6塊試件；測試靜曲強度和彈性模量時，制備6塊試件，測試結果取平均值。

2 結果與分析

2.1 電熱功能復合纖維板電熱層和碳纖維紙SEM分析

由圖3可知，碳纖維紙中存在著大量的碳纖維單絲搭接結構，由碳纖維之間和碳纖維與植物纖維之間的搭接結構2種基本單元組成。碳纖維間的搭接緊密程度影響其導電性能，同時后期的熱壓參數也會影響搭接點緊密程度[21]。在相同功率密度下，碳纖維搭接結構分布密度越均勻，板面溫度分布越均勻[22]。

圖3b中碳纖維之間的搭接結構存在縫隙，為膠黏劑的滲透和膠合提供條件。從圖4a、4b可見，熱壓膠合后，覆膜紙中酚醛樹脂滲透碳纖維紙形成致密的膠接結構，并使基材和電熱層緊密結合。也正因為如此，在電熱層橫截面上較難觀察到碳纖維形貌。但從圖4c電熱層撕裂面上能顯著觀察到碳纖維及其搭接結構，碳纖維被酚醛樹脂包裹，碳纖維之間的搭接在膠合作用下更加牢固。同時，由圖4d可見，電熱層中碳纖維也出現斷裂現象。此外，與碳纖維紙表面對比，電熱層撕裂面相對致密，說明搭接點已被酚醛樹脂膠合形成良好的膠接結構，碳纖維之間結合力增大，提升了界面強度[23]，增強電熱功能復合纖維板的物理性能，提高了導電網絡的穩定性。

圖3 碳纖維紙表面SEM分析Fig.3 SEM analysis on the surface of carbon fiber paper

圖4 熱壓后電熱層SEM分析Fig.4 SEM analysis of the electric heating layer after hot pressing

2.2 電熱功能復合纖維板的表面溫升規律

由圖5a、5b可知，加載不同功率密度，板面溫升均有提高但峰值有所不同。這是由于通電加載后，在電場作用下導電網絡結構中的載流子激烈運動，相互摩擦，使電能轉化為熱能，因此溫度快速升高[24]，不同功率密度下的電場作用強弱不同，因此板面峰值不同。

隨著電熱功能復合纖維板整體溫度的升高，其表面散熱速度提高，當焦耳熱功率和表面散熱功率接近一致時，板面溫度逐漸趨于穩定[25]。加載100 W·m-2功率密度時，板面溫升從0℃用60 min增加至穩定溫升8.3℃；加載500 W·m-2功率密度時，板面溫升從0℃用60 min增加至穩定溫升26.6℃；加載900 W·m-2功率密度時，板面溫升從0℃用60 min增加至穩定溫升42.4℃。與電熱混凝土相比，加載1 000 W·m-2功率密度2 h，板面溫升從0℃增加至穩定溫升4.56℃[26]，電熱功能復合纖維板的溫升效率更高，板面溫升效果更好。此外，從圖5發現板底的溫升速度與板面接近，但板底最終的穩定溫升要稍高于板面，這是由于板底所處的空間相對密閉進而蓄熱造成。

圖5 不同功率密度下板面和板底的升溫曲線Fig.5 Temperature rise of the fiberboard under different power densities

圖6表明板面溫升隨著功率密度增大而線性增大，這與電熱混凝土的規律相似[10]，線性相關度R2=0.998 8(y=23.8+0.043 4x)。這是由于碳纖維紙的熱轉換效率高達97%，且碳纖維電熱材料以熱輻射作為主要的傳熱方式[27]，因此板面溫升隨功率密度的變化明顯。隨著功率密度的增加，電熱層焦耳熱功率增大，初始通電時電熱層與板面之間溫差增加，傳熱速度增加，進而板面的溫升速度隨著功率密度的增大而增大；同時，板面溫度與環境溫度之差增加，散熱功率也增大[26]，最終達到的平衡溫升同時增大。由此可得，通過調節功率密度可以實現電熱功能復合纖維板的板面溫升速度控制，其電熱性能具有規律性和可控性。

圖6 電熱功能復合纖維板功率密度與溫升關系Fig.6 Relation between power density and temperature rise of the electric heating fiberboard

2.3 板面溫度不均勻度

板面溫度不均勻度是面狀電熱產品的重要指標，也是GB/T4654-2008《非金屬基體紅外輻射加熱器通用技術條件》和JG/T 286-2010《低溫輻射電熱膜》等相關標準需要檢測的項目，與電熱功能復合纖維板的結構穩定性、使用安全性及舒適性有關。送檢樣品的檢測結果中輻射面溫度不均勻度為4℃，小于標準規定的不均勻度限值(7℃)。表1是采用紅外熱像儀測試的表面溫度數據，紅外熱像圖見圖7，功率密度每增加200 W·m-2，板面分析區域內的平均溫度提升10℃左右，兩者呈良好的線性相關性，與前面溫升規律部分的分析結果一致。由圖7可知，分析區域最高溫度集中于板面中心框區域。同時，分析區域內最高溫度和最低溫度的差值隨著功率密度的增大呈現增大趨勢，但在900 W·m-2功率密度時仍低于7℃，因為采用紅外熱像儀直接測試區域溫度分布與相關標準的測試方法有所差異。

圖7 不同功率密度下板面紅外熱像圖Fig.7 Infrared thermography on fiberboard surface under different power densities

表1 不同功率密度下板面紅外熱像圖分析區域(中間線框內)的溫度數據Table 1 Test results of fiberboard surface temperature infrared thermography under the different power densities

2.4 不同功率密度和通電24 h過程電熱功能復合纖維板的電阻變化規律

測試分析斷電瞬間兩電極電阻，有利于評價電熱功能復合纖維板實際工作狀態下的功率及其穩定性。由圖8可知，斷電瞬間的電阻均呈明顯下降趨勢，且相對于通電前的電阻下降率與功率密度呈良好的線性關系(y=3.661 2x-0.002 74，R2=0.988 67)。當功率密度從100 W·m-2增加至900 W·m-2時，斷電瞬間電阻下降率僅由0.24%增大至3.07%，說明其功率穩定性良好。同時可知，電熱功能復合纖維板通電工作后實際的功率要略高于設定的功率密度。結合表1可知，隨著功率密度的增大，板面溫度逐漸升高，升溫使電子獲得勢能，更易于移動，導電能力增強，同時隧道效應增強，電阻下降率增大，進而電阻降低[28]。通電24 h過程中兩電極間電阻下降率呈現先快速增大而后趨于穩定的規律(圖9)，這與圖5的溫升規律相似，當電阻下降率趨于穩定時，板面溫度也達到平衡狀態。24 h后的電阻下降率為4.2%，同時也說明其功率密度也能維持在穩定范圍內，這是功率設計時需要重視的問題。

圖8 功率密度與斷電瞬間電阻下降率的關系Fig.8 Relation between power density and drop rate of resistance at the outage moment

圖9 連續通電24 h過程中電阻變化趨勢Fig.9 Resistance variation trend during continuous electrification for 24 h

碳纖維的制備經過高溫處理，具有良好的熱穩定性及穩定的石墨化結構[29]。熱壓膠合后，酚醛樹脂滲透碳纖維紙中的縫隙使其中碳纖維之間形成緊密的搭接結構，促進形成導電網絡。結合SEM分析，酚醛樹脂滲透在碳纖維之間影響局部碳纖維搭接的緊密度，增強了碳纖維之間的接觸程度[21]，導致電阻下降。同時，電熱功能復合纖維板通電過程中兩電極間電阻呈先下降后穩定以及板面溫度先升高后穩定的趨勢，與電熱混凝土的規律一致[30]，這是由于電熱層溫度增加，樹脂基體線性膨脹使碳纖維搭接結構發生改變，起到了緩解電阻減小的效果[31]。

2.5 通斷電次數-電阻關系

通斷電是電熱制品使用時常發生的操作，由圖10可知，隨著通斷電次數的增加，電阻下降率先增大后趨于平緩，電阻趨于穩定。通斷電10次時，電阻下降率為0.47%，斷電70次時電阻下降率達到0.95%。電熱層中酚醛樹脂滲透并阻隔局部導電網絡中碳纖維之間的連接，界面接觸電阻較大；反復通斷電時，電流沖擊電熱層內導電網絡中碳纖維之間的接觸界面，產生介電擊穿或隧道效應使導電網絡中的接觸點數目增加，導致電阻下降[21]。因此，研究其運行穩定性需同時考慮運行時間、加載功率大小以及通斷電次數等綜合因素。

圖10 不同通斷電次數電阻下降率及電阻值的變化趨勢Fig.10 Variation trend of the drop rate of resistance and resistance at different power on and off times

2.6 電安全性能檢測分析

經送檢，工作溫度下的泄漏電流為0.02 mA(標準限值為0.75 mA)，熱態絕緣電阻>200 MΩ(標準要求≥50 MΩ)，滿足GB/T4654-2008《非金屬基體紅外輻射加熱器通用技術條件》相關要求。由圖4電熱層SEM形貌可知，酚醛樹脂覆膜紙中的酚醛樹脂包覆碳纖維形成了良好的絕緣結構，并在碳纖維紙和電極上下形成一定厚度的絕緣層；由于覆膜紙使用酚醛樹脂浸漬制成，固化后體積電阻率高，電絕緣性有所提高[32]。然而，其潮濕狀態下的絕緣性能有待根據相關標準進一步研究，以充分評價其使用安全性。

2.7 物理力學性能分析

由表2可知，電熱功能復合纖維板具有良好的力學性能，相關性能達到GB/T 31765-2015《高密度纖維板》要求。采用本研究的熱壓工藝進行熱壓復合對高密度纖維板基材的物理力學性能影響很小，反而在彈性模量方面有所提高。

表2 電熱功能復合纖維板物理力學性能Table 2 Physical and mechanical properties of the electric heating fiberboard

由圖4電熱層SEM分析可知，酚醛樹脂可較好地滲透碳纖維紙，使碳纖維表面覆有酚醛樹脂，固化后在上下高密度纖維板基材之間以及電熱層內部形成膠合結構。碳纖維對酚醛樹脂固化后具有增強作用使電熱層具有一定的強度，且碳纖維是以斷裂的形式承擔彎曲過程中的部分應力，可提高其抗彎強度和彈性。由圖11可知，斷裂部位出現在高密度纖維板基材，說明此時酚醛樹脂已滲透碳纖維紙。因此，采用一定厚度的半固化酚醛樹脂覆膜紙用于電熱層的膠合有利于提高其絕緣性能，保證電熱層具有足夠的力學強度和使用可靠性，并使電熱功能復合纖維板具有便于鋪裝組坯以及制造效率高的優點。

圖11 電熱功能復合纖維板內結合強度測試破壞情況Fig.11 Test damage in the internal bonding strength test of electric heating fiberboard

3 結論

加載500 W·m-2功率密度通電60 min時表面達到26.4℃溫升；功率密度與溫升呈線性相關，輻射面不均勻度為4℃，說明該電熱功能復合纖維板具有較佳的電熱性能。

電熱功能復合纖維板連續通電24 h過程中電阻下降率呈現先增大后穩定的趨勢，24 h后電阻下降率為4.2%；500 W·m-2功率密度通斷電150次后電阻下降率僅為0.95%，通斷電次數70次后，兩電極間電阻趨于穩定，具有良好的電熱穩定性。

電熱功能復合纖維板電熱層采用酚醛樹脂覆膜紙作為膠合材料可滲透碳纖維紙，形成穩定的導電網狀結構和膠合結構，內結合強度達到1.85 MPa，靜曲強度為44.45 MPa，具有良好的物理力學性能；同時，采用一定厚度的酚醛樹脂覆膜紙兼作為電熱層的絕緣材料，使電熱功能復合纖維板具有一定的絕緣性能；采用半固化的酚醛樹脂覆膜紙有利于組坯鋪裝，提高制造效率。