CN102154969A - 碳纳米纤维纸导热混凝土自升温融雪化冰路面 - Google Patents

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张强强
咸贵军
肖会刚
王小龙
郭宗莲
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Abstract

本发明涉及一种碳纳米纤维纸导热混凝土路面自升温融雪化冰路面。其包括碳纳米纤维纸-导热混凝土路面结构层、智能传感控制系统以及直流给能系统。路面结构层的构造从下往上依次为：碳纳米纤维纸导热混凝土路面结构层由环氧树脂绝热基层、碳纳米纤维纸高效热源、氮化铝/环氧基导热绝缘封装层和碳纳米纤维/水泥基导热层四部。本发明的有效效果是充分利用碳纳米纤维纸热源材料高效的电热特性有效解决了热源电热热效率低下等问题，保证热源高效稳定的工作；有效利用水泥基复合材料的高导热性能，提高了系统的热传导和热量利用效率；作为路面结构的一部分以嵌入的方式，有效解决了与路面结构耦合难的问题，为系统应用提供了可靠保障。

Description

碳纳米纤维纸导热混凝土自升温融雪化冰路面
所属领域
本发明涉及一种基于高效电热特性材料开发的道路融雪化冰技术，即由碳纳米纤维纸高效热源、氮化铝/环氧基绝缘封装层、碳纳米纤维/水泥基高导热层、智能传感控制系统以及直流给能系统集成的高效路面自升温融雪化冰系统。
背景技术
冬季寒冷地区大面积频繁的降雪结冰，不仅严重阻碍了民用交通设施通畅，给人民生命财产安全带来了严重威胁；甚至严重影响机场跑道等国防重要基础设施的正常运营，是非常时期国防安全建设潜在的隐患。官方统计资料显示每年道路冰雪将导致10％～15％的交通事故，造成巨额的经济损失。传统的路面融雪除冰技术：
(1)机械法滞后、效率低，地缘限制严重，覆盖面小。
(2)化学物除冰方法不仅导致环境污染、土壤盐碱化；同时盐类中含有的氯离子等成分渗入路面结晶膨胀，造成路面混凝土的微观裂纹的发展、钢筋大量锈蚀、路面混凝土的剥离和扬沙起尘等恶性循环。
目前的融雪化冰技术：
(1)基于天然热水井供能的热水加热融雪装置由于功能地缘限制、自动控制系统失灵和PVC管渗漏等原因无法安全正常投入实用。
(2)采用地热、喷洒醋酸钾溶液以及钢纤维混凝土导电发热的方式融雪化冰，由于地热供能热源设备复杂、设备与路面基体间的结合难、喷涂化学物 需大量人工和经济费用、导电混凝土钢纤维锈蚀导致电阻累积性增加、现场110V电压供能实用危险电等诸多不利因素，这种一系列技术方案未能广泛投入实际的融雪化冰应用。
(3)基于碳纤维混凝土导电发热机理的融雪化冰技术，虽然通过碳纤维改性的混凝土导电性有很大的改善，但在要求材料强度和导电性平衡的前提下，制备的导电混凝土无法成为高效的电热导体，这样在实际的应用中要产生预期的热量，必然以耗费电能或者通电时间为代价。在能源十分紧缺的中国，以实用、经济为前提，这种方案虽然在实验和理论上给予了深刻的研究，但终究无法大面积长久的应用。
鉴于诸多传统方法的不足和现有技术的缺陷，为了保障国民基础设施通畅、国防基础设施正常运营以及人民生命财产安全，研究安全、经济、高效、实用的道路融冰技术具有非常重要的意义。
发明内容
基于碳纳米材料优良高效的电热特性，本专利提供了一种路面融雪化冰系统。该系统由碳纳米纤维纸导热混凝土路面结构层、直流给能系统以及智能控制系统组成。从能源角度有效利用了便捷的电网给能；从构造的角度整个体系各单元独立封装、统一集成。不仅安全可靠、控制方便、操作简捷，而且不受地域时间限制，真正实现了集安全、经济、高效、实用为一体的道路融雪化冰系统。
本发明专利的技术方案如下：
一种碳纳米纤维纸导热混凝土路面自升温融雪化冰路面，依据功能分为碳纳米纤维纸导热混凝土路面结构、直流给能系统以及智能控制系统三部分。其中路面结构层作为系统的核心部分构造次序从下到上依次为环氧树脂绝热基 层、碳纳米纤维纸热源、氮化铝/环氧基导热绝缘封装层、碳纳米纤维/水泥基高热层四部分构造集成，其特征是：
所述的环氧树脂绝热层是为了保证热源产生的热流以最高的效率应用于路面冰雪融化，同时满足热源向下绝缘的要求，在碳纳米纤维纸热源与道路基层之间需要设定环氧树脂绝缘层，保证热流最大限度的向上传递。
所述的氮化铝/环氧基绝缘封装材料是采用具有优良的导热性能和良好的机械性能氮化铝/环氧树脂基复合材料，实现热源材料绝缘封装和横向拉应力保护需要。
所述的碳纳米纤维纸高效热源具有高效的电导和电热特性，以面热源形式为融雪化冰系统提供高效稳定的热流输入，由氮化铝/环氧基绝缘封装后制备成卷材状，直接在环氧树脂绝缘基层上铺设使用。
所述的碳纳米纤维/水泥基导热层是由碳纳米纤维改性的具有高导热特性的水泥基复合材料制备，他不仅具有传统路面材料所要求的机械强度要求，同时在改性的基础上大大提高了热传导性能。作为路面结构一部分嵌入工作，即满足路面构造要求，同时能够提高热的传到效率，保障热源安全、稳定、高效的工作。
所述的直流技能系统是用直流稳压设备将电网220V电压转化为可调幅输出的直流电流，通过控制系统控制输入相应的功率供给实现路面融雪化冰。
所述的智能控制系统是由外设传感设备(风速仪、热电偶、压力计等)、中心控制设备集成的系统融雪化冰控制系统，通过对传感设备采集的环境参数计算分析控制直流给能系统最优的输出功率，在实际的融雪过程中传感系统不断的反馈环境参数，控制中心不断地优化输出，以最经济和高效的方式实现路面融雪化冰。
一种碳纳米纤维纸导热混凝土路面自升温融雪化冰路面，其制作方法依据空间构造的次序，首先将环氧树脂绝缘层以卷材铺设的方式覆于路面基层，并用粘接剂粘接密封，为防止收缩断裂，沿路面伸展方向每10m设置隔断带；然后在隔断的10m单元上，将氮化铝/环氧基复合材料绝缘封装的碳纳米纤维纸热源卷材铺设于环氧树脂绝热基层上粘接固定，并采用每隔1m设置一排嵌入路基的销栓，沿深度方向向上延伸至导热层厚度0.5倍深度处，以防止层间不均匀收缩导致的开裂滑移，按照每10m一个隔断单元设置热源电路，引出导线；下一步将碳纳米纤维纸/水泥基导热复合材料浇注于绝缘封装层上。此外，在各层一次施工的过程中，在各单元层界面嵌入式的布设温度监测传感器，以便随时控制和检测系统温度的变化参数。各构造层间用粘接剂粘接，保证紧密结合密封，并用销栓衔接固定。最后，将各以10m为隔断的单元的电极线路统一连接到外部总线，再将总线与电网系统接口，布设环境参数监测传感设备，连接数据采集端口，并与控制中心集成，实现整个系统。
本专利以安全、经济、高效、实用为前提目标，基于碳纳米纤维纸热源材料高效的电热特性和碳纳米纤维/水泥基复合材料高效的导热特性，实现了碳纳米纤维纸导热混凝土路面自升温融雪化冰智能控制系统。
本发明的有效结果是为解决道路融雪化冰提供了一种安全、经济、高效、实用的系统和技术方法，有效的克服了其他方法热效率低、设备安装复杂困难、造价高等缺点，为冬季民用交通设施和国防交通枢纽的安全运营提供了有效的保障。
附图说明
下面结合附图对专利实施和技术做进一步说明：
图1是碳纳米纤维纸导热混凝土路面自升温融雪化冰路面构造图；
图2是碳纳米纤维纸导热混凝土路面结构层构造图；
图3是碳纳米纤维纸热源电极和导线制备图；
图4是氮化铝/环氧基绝缘封装材料制备图；
图5是碳纳米纤维纸导热混凝土路面结构层集成图；
图6是碳纳米纤维纸导热混凝土路面结构层温度传感器布设图；
图7是集成的碳纳米纤维纸-导热混凝土路面自升温融雪化冰系统图；
图中，1：高导热碳纳米纤维/水泥基复合材料导热层，2：氮化铝/环氧树脂基高导热绝缘封装层，3：碳纳米纤维纸高效热源，4：环氧树脂绝热层，5：DAD-87银电极，6：DAD-40导线粘接胶，7：单股铜导线，8：K型热电偶。
具体实施方式
结合附图对实际实施的方案给予说明：
如图1所示为整个碳纳米纤维纸导热混凝土路面自升温融雪化冰路面的构造图，由碳纳米纤维纸导热混凝土路面结构层、智能控制系统和直流给能系统组成。如图2所示为碳纳米纤维纸导热混凝土路面结构层包括碳纳米纤维/水泥基导热层1，氮化铝/环氧树脂基绝缘封装层2，碳纳米纤维纸高效热源3，环氧树脂绝热基层4。如图3所示为碳纳米纤维纸热源电极和导线制备图，由DAD-87银导电胶5涂刷成电极，DAD-40粘接胶6粘接铜导线7。如图4所示为氮化铝/环氧基绝缘封装材料制备图，与图3所示热源封装成卷材铺设使用。如图5所示为碳纳米纤维纸-导热混凝土路面结构层集成图包括碳纳米纤维/水泥基导热层1，氮化铝/环氧树脂基绝缘封装层2，碳纳米纤维纸高效热源3和环氧树脂绝热基层4，各单元层独立制备，统一集成。如图6所示为碳纳米纤维纸-导热混凝土路面结构层温度传感器布设图，各界面层布设K型热电偶8，监测路面系统的温度场变化。如图7所示为集成的碳纳米纤维纸导热混凝土路 面自升温融雪化冰系统图，由集成的碳纳米纤维纸-导热混凝土路面结构层、智能传感控制系统以及直流给能系统组成，各子系统独立封装、统一集成、高效协同工作；由布设的传感系统得到环境参数，通过控制中心计算分析并控制给能系统提供最佳的输出功率，高效、稳定地完成融雪化冰。

Claims (9)

1.碳纳米纤维纸导热混凝土路面自升温融雪化冰路面，包括碳纳米纤维纸导热混凝土路面结构层、智能传感控制系统和直流给能系统。
2.根据权利要求1，碳纳米纤维纸导热混凝土路面结构层采用具有高效电热特性的碳纳米纤维纸作为热源。
3.根据权利要求1和2，采用厚度为0.38mm的碳纳米纤维纸作为热源材料，用DAD-87导电胶制备电极，用DAD-40双组份粘接胶粘接铜导线。
4.根据权利要求1，碳纳米纤维纸导热混凝土路面结构层采用碳纳米纤维/水泥基复合材料高效导热层。
5.根据权利要求1和5，碳纳米纤维/水泥基复合材料高效导热层采用直径规格为200～600nm，纯度95％的碳纳米纤维作为功能相填料。
6.根据权利要求1，采用微米氮化铝作为功能相填料，用环氧树脂为基体制备环氧基/氮化铝复合材料，作为碳纳米纤维纸热源的绝缘封装材料。
7.根据权利要求1和7，制备环氧树脂基/氮化铝复合材料，组分配比为，环氧树脂∶促进剂∶稀释剂∶固化剂∶超细氮化铝＝1000∶15∶250∶400∶451。
8.根据权利要求1，材料组分配比为，环氧树脂∶促进剂∶丙酮∶固化剂＝1000∶268∶366∶35制备环氧树脂绝热层。
9.根据权利1要求，采用直流给能系统为热源提供直流电能；用风速仪监测环境风速，K型热电偶监测环境温度，通过基于风速、温度控制参数影响的控制系统，实现融雪化冰系统的智能控制。
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