本发明涉及电热器件的制造工艺及其电加热器件 传统电热器的电热元件是用金属电阻材料作为发热体,其电阻率随温度变化较小,在额定电压下,电热功率基本是恒定的。只有通过外加电子控制设备,才能实现功率的自动调节,但技术比较复杂,造价较高,不便维护。1961年F.KOhler用低压聚乙烯(HDPE)充填炭黑(CB)制得的复合材料,发现其电阻率具有正温度系数(Positive Temperature Coefficient),简称PTC材料。该材料的电阻率不仅随温度升高而增大,而且在特定温区急剧跃增,以至能阻断电流,具有热敏电开关特性。使其电阻率发生跃增的温度,定义为PTC材料的开关温度(Ts)。不同的PTC材料,其开关温度(Ts)不同,它主要取决于原料组成及制造工艺。美国较早的使用PTC材料作发热体制成自限加热器的原型(USP 3,243,753)。用PTC材料制作的自限加热器,通电工作时,不仅可以加热,而且能够自动限定最高加热温度,该温度定义为加热器的自限温度(Tr)。自限温度(Tr)的高低,取决于PTC材料的开关温度(Ts),它能使加热器的最高加热温度稳定地工作在Ts附近。自限温度Tr是自限温加热器的一项主要指标,它决定了加热器的适应范围。1974年美国已经研制出适合工业使用的自限加热器(即Self-Regu-lating Heater)。在USP 3,914,363专利文献中,所公开的自限导电挤出物的制造方法,使做成的加热器必须在120-150℃温度下退火15小时以上,因而要求加热器的外套材料(高聚物)的熔点必须比内部PTC材料的高几十度,以保证在退火温度下PTC电热元件不软化变形。目前,国外(如美国)已商品化生产出Tr为65℃,110℃,120℃及150℃不同种类的自限加热器。1980年以来国内开始涉入上述领域,研制出Tr等于65℃的自限加热带。由于所述加热器(带)具有自动限温,补偿加热的特殊性能,现已被广泛应用于防冻,防凝结,气液输运管线,石油开采等许多需要加热保温的工程上,获得了公认的优异效果。在民用方面,自限加热器也得到越来越广泛的开发应用,引起国内外科技和企业界的重视,人们从多方面探索PTC材料的发热效率(JP昭57-12061),导电性能(JP昭57-21441,JP昭56-8443)以及加热器的工作寿命(JP昭55-98801)等。但是,现有技术和商品中尚缺Tr=80℃的自限加热器,更没有披露该种加热器的生产工艺。
针对上述情况,本发明的任务是提出一种自动限温加热器的生产方法,并使用了开关温度(Ts)为85℃的PTC材料作为发热体,制造出能将最高加热温度自动限定在80±5℃温区的自限加热带,以满足民用及各种保温工程对该温区加热器的要求。
本发明的要点是:在两根具有一定间距的平行金属线芯之间,连续均匀地敷设PTC材料层,形成电热元件PTC芯带。再在该芯带外面包复一层(或多层)高分子材料(或金属编织网)作为加热带外套,最后将加热带整体进行辐照交联,使芯材的PTC特性具有记忆功能,即制成自限加热器成品。所说的金属线芯可选用多股绞合导线作为加热带的两个电极。PTC芯带和高分子外套使用同类热塑性聚合物(PE)作基材。本发明经拉制PTC芯带、包复外套及辐照交联三步工序完成。其生产步骤为:
A.拉制芯带:首先予热单螺杆挤塑机,并保持该挤塑机的机头温度210-250℃,机身温度150-180℃,机尾温度80-110℃。再将开关温度(Ts)为85±5℃的PTC材料的粒料从机尾装入。用两根等间距导电线芯平行地穿过机头挤塑模具,同时牵引该线芯匀速运动,其线速度稳定在30-50m/min,随着线芯地位移,挤塑机连续地将粘流态PTC材料由机头模具挤出,并均匀地敷设在该两根线芯上,形成PTC材料层、且两侧有两根平行电极(即线芯)的带型电热元件,再将所拉制的热态电热元件经水槽冷却,即成PTC芯带。
B.包复外套:高分子外套材料,可选用高压聚乙烯(LDPE)类电缆护套材料。用上述同型挤塑机,保持该挤塑机的机头温度210-230℃,机身温度150-170℃,机尾温度90-100℃,将上述拉制的PTC芯带涂布适量滑石粉,穿过机头外套模具,该模具的出口形状与芯带模具(截面)一致,尺寸稍大,穿过外套模具的PTC芯带,其牵引线速度同PTC芯带的拉制速度。随着芯带地拉出,挤塑机中的粘流态护套料经外套模具连续均匀地挤包在PTC芯带上,形成的热态外套,再经过一对圆柱型滚轮滚压成型,使其紧贴于PTC芯带表面,随即进入水槽冷却,得到基本型加热带。
C.辐射交联:将上述包复外套的PTC芯带,在常温、常压,大气气氛下置于辐射场中,进行整体均匀辐照交联。辐射源可用电子束或60Co,137Cs等γ射线。辐照时,根据所用辐射源不同,带身的累积辐照剂量达到5-20Mrad时,即可终止照射。其PTC材料和外套的交联度应在45-65%范围,即完成自限加热带的生产过程。
由上述步骤生产的自动限温加热带,是由两侧有两根电极的PTC芯带和外套构成,该加热带的自限温度(Tr)为80±5℃,其芯带和高分子外套使用同类热塑性聚合物(PE)作基材,经整体辐照交联后,其交联度为45-65%。加热带自重约40g/m,适用常规交、直流电源,工作电压220±20V。其输出功率随温度变化可自动调节。该加热带连续工作寿命大于3万小时,间歇工作寿命大于2千次(一个通电、断电循环为一次)。加热带成品用AGA780型热象仪测试,自限温度沿带身长度分布均在80±5℃范围,经有关检测单位按GB2951、GB3048标准方法测试均合格。并经有关单位试用,效果良好,可广泛用于工业、国防等部门需要加热保温的工程上。根据需要还可做成其它形状的加热保温器件,以适应各种特殊用途。
附图说明:
图1是自动限温加热带的一种实施例的基本结构,其中1为电极,2为PTC材料层,3为外套。
图2是图1中PTC芯带A-A剖面图,1为电极,2为PTC材料层。
图3是自动限温加热带电热功率P(W/m)随温度T(℃)变化的关系。
实施例:用Ts=85±5℃PTC材料作芯带原料,线芯用19股镀锡圆铜线的正规绞合线,每股圆铜线Φ=0.26mm,外套选用2401黑色聚乙烯电缆护套料(PE-H),用Φ45单螺杆挤塑机拉制芯带及包复外套,用60Co γ射线源辐照交联,累积剂量到15Mrad终止辐照,用索氏萃取器测定交联度,交联度大于45%。用上述生产步骤,挤塑机的温度如下表:
实施例1234拉制PTC芯带温度(℃)机头220210220250机身170150160180机尾908090110
实施例1-4拉制的PTC芯带在包复外套时,挤塑机温度均保持在机头230℃、机身170℃、机尾100℃。