发明内容
本发明的目的是提供一种PTC高分子导电复合材料自限温伴热带,在工作中不会产生气泡,电热性能稳定,安全可靠。
本发明的另一目的是提供该PTC高分子导电复合材料自限温伴热带的制备方法。
本发明所采用的技术方案是,一种PTC高分子导电复合材料自限温伴热带,其特征在于,包括扁平状带体,带体包括聚乙烯基PTC导电复合层,聚乙烯基PTC导电复合层的内部挤包有间隔且平行设置的两股导电芯线,聚乙烯基PTC导电复合层的外部从内到外依次设置有周向闭合的聚乙烯绝缘层、屏蔽层以及聚乙烯加强防护层;
两股导电芯线均由15~25根直径为0.05~0.1mm的铜丝编织而成;
聚乙烯基PTC导电复合层的原料组成包括聚乙烯树脂100重量份、乙烯-甲基丙烯酸酯离聚物1~50重量份、炭黑10~50重量份、碳纤维1~11重量份、纳米碳酸钙20~50重量份、聚酯丙烯酸齐聚物5~25重量份、硬脂酸5~25重量份、2-甲基-1-(4-甲硫基苯基)-2-吗啉-1-丙酮0.1~2.0重量份、过氧化二异丙苯0.001~0.010重量份、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷0.1~2.0重量份、十二烷基苯磺酸0.1~2.0重量份以及水杨酰胺基邻苯二甲酰亚胺1~10重量份。
导电芯线使用的铜丝为无氧铜、镀锌铜、镀锡铜或镀银铜。
聚乙烯绝缘层由高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线形低密度聚乙烯或中密度聚乙烯制备。
聚乙烯加强防护层由高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线形低密度聚乙烯或中密度聚乙烯制备。
屏蔽层为软圆铜线编织网结构。
两股导电芯线之间的间距为5~12mm,聚乙烯基PTC导电复合层的厚度为0.5~1.0mm,聚乙烯绝缘层和聚乙烯加强防护层的厚度均为0.2~0.3mm。
屏蔽层的厚度为0.05~0.08mm。
本发明所采用的另一技术方案是,PTC高分子导电复合材料自限温伴热带的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、制备聚乙烯基PTC导电复合层:
步骤1.1、称取聚乙烯树脂100重量份、乙烯-甲基丙烯酸酯离聚物1~50重量份、炭黑10~50重量份、碳纤维1~11重量份、纳米碳酸钙20~50重量份、聚酯丙烯酸齐聚物5~25重量份、硬脂酸5~25重量份、2-甲基-1-(4-甲硫基苯基)-2-吗啉-1-丙酮0.1~2.0重量份、过氧化二异丙苯0.001~0.010重量份、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷0.1~2.0重量份、十二烷基苯磺酸0.1~2.0重量份以及水杨酰胺基邻苯二甲酰亚胺1~10重量份;
步骤1.2、将步骤1.1称取的聚乙烯树脂和乙烯-甲基丙烯酸酯离聚物混合均匀,备用;
步骤1.3、将步骤1.1称取的炭黑、碳纤维、纳米碳酸钙、聚酯丙烯酸齐聚物、硬脂酸、2-甲基-1-(4-甲硫基苯基)-2-吗啉-1-丙酮、过氧化二异丙苯、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷、十二烷基苯磺酸以及水杨酰胺基邻苯二甲酰亚胺置于高速搅拌机中混合搅拌20~25min,得炭黑组合物;
步骤1.4、采用挤出机在200~260℃进行熔融挤出造粒,挤出机的两个进料口分别输送步骤1.2得到的混合物和步骤1.3得到的炭黑组合物,即制得聚乙烯基PTC导电复合材料;
步骤1.5、将步骤1.4得到的聚乙烯基PTC导电复合材料,采用挤出机制备形状为扁平状带体的聚乙烯基PTC导电复合层,并在该聚乙烯基PTC导电复合层内间隔且平行挤包设置两股导电芯线。
步骤2、在步骤1得到的聚乙烯基PTC导电复合层外部从内到外依次设置周向闭合的聚乙烯绝缘层、屏蔽层与聚乙烯加强防护层。
导电芯线使用的铜丝为无氧铜、镀锌铜、镀锡铜或镀银铜,聚乙烯绝缘层和聚乙烯加强防护层均由高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线形低密度聚乙烯或中密度聚乙烯制备,屏蔽层为软圆铜线编织网结构。
两股导电芯线之间的间距为5~12mm,聚乙烯基PTC导电复合层的厚度为0.5~1.0mm,聚乙烯绝缘层和聚乙烯加强防护层的厚度均为0.2~0.3mm,屏蔽层的厚度为0.05~0.08mm。
本发明PTC高分子导电复合材料自限温伴热带的有益效果是:
1、本发明中聚乙烯基PTC导电复合层的乙烯-甲基丙烯酸酯离聚物、聚酯丙烯酸齐聚物和炭黑具有优异的浸润性,可促进炭黑导电粒子在聚乙烯基体中的分散,且聚酯丙烯酸齐聚物对在过氧化物引发下能够与聚乙烯树脂发生接枝反应,在炭黑粒子表面形成结构稳定的过渡层,从而提高自限温伴热带在高压电场下的长期使用稳定性。
2、本发明中的导电芯线是由多根铜丝编织而成,聚乙烯基PTC导电复合层在挤出包覆(即挤包)导电芯线过程中充分渗入导电芯线的铜丝间隙,将导电芯线有效挤包在聚乙烯基PTC导电复合层中,进而有效消除本发明伴热带在反复加热冷却后,导电芯线与聚乙烯基PTC导电复合层因热膨胀系数不同而易在两者接触界面形成气泡的问题。
3、本发明中的聚乙烯绝缘层、聚乙烯加强防护层与聚乙烯基PTC导电复合层均采用聚乙烯基体,能使上述各层的热膨胀系数大致相当,进而在本发明使用时反复通电加热-断电冷却后,上述各层间不易形成气泡,带体不会因微裂纹的产生而造成电热性能的恶化,因此本发明性能稳定性好,使用寿命长。
4、试验数据表明,本发明自限温伴热带在使用时泄露电流极小,冷态泄露电流不超过0.15mA,工作温度下的热态泄露电流不超过0.50mA,可以通过现有所有的漏电保护装置,与现有伴热带相比更加安全可靠。
5、本发明采用复合层状结构,结构简单,易于实现连续化生产。
本发明制备方法的有益效果是,工艺流程简单,成本低,容易实现。
具体实施方式
如图1所示,本发明一种PTC高分子导电复合材料自限温伴热带,包括扁平状带体,该带体包括聚乙烯基PTC导电复合层2,聚乙烯基PTC导电复合层2的内部挤包有间隔且平行设置的两股导电芯线1,聚乙烯基PTC导电复合层2的外部从内到外依次设置有聚乙烯绝缘层3、屏蔽层4以及聚乙烯加强防护层5,聚乙烯绝缘层3、屏蔽层4以及聚乙烯加强防护层5均为周向闭合。
其中,两股导电芯线1均由15~25根直径为0.05~0.1mm的铜丝编织而成,铜丝为无氧铜、镀锌铜、镀锡铜或镀银铜。
聚乙烯基PTC导电复合层2的原料组成包括聚乙烯树脂100重量份、乙烯-甲基丙烯酸酯离聚物1~50重量份、炭黑10~50重量份、碳纤维1~11重量份、纳米碳酸钙20~50重量份、聚酯丙烯酸齐聚物5~25重量份、硬脂酸5~25重量份、2-甲基-1-(4-甲硫基苯基)-2-吗啉-1-丙酮0.1~2.0重量份、过氧化二异丙苯0.001~0.010重量份、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷0.1~2.0重量份、十二烷基苯磺酸0.1~2.0重量份以及水杨酰胺基邻苯二甲酰亚胺1~10重量份。聚乙烯树脂使用高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线形低密度聚乙烯或中密度聚乙烯树脂。
聚乙烯绝缘层3和聚乙烯加强防护层5均由高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线形低密度聚乙烯或中密度聚乙烯制备。屏蔽层4为软圆铜线编织网结构。
本发明高分子导电复合材料自限温伴热带的制备方法,包括以下步骤:
步骤1、制备聚乙烯基PTC导电复合层2:
步骤1.1、称取聚乙烯树脂100重量份、乙烯-甲基丙烯酸酯离聚物1~50重量份、炭黑10~50重量份、碳纤维1~11重量份、纳米碳酸钙20~50重量份、聚酯丙烯酸齐聚物5~25重量份、硬脂酸5~25重量份、2-甲基-1-(4-甲硫基苯基)-2-吗啉-1-丙酮0.1~2.0重量份、过氧化二异丙苯0.001~0.010重量份、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷0.1~2.0重量份、十二烷基苯磺酸0.1~2.0重量份以及水杨酰胺基邻苯二甲酰亚胺1~10重量份。
步骤1.2、将步骤1.1称取的聚乙烯树脂和乙烯-甲基丙烯酸酯离聚物混合均匀,备用。
步骤1.3、将步骤1.1称取的聚乙烯树脂和乙烯-甲基丙烯酸酯离聚物以外的其它原料置于高速搅拌机中混合搅拌20~25min,得炭黑组合物。
步骤1.4、采用挤出机在200~260℃进行熔融挤出造粒,挤出机的两个进料口分别输送步骤1.2得到的混合物和步骤1.3得到的炭黑组合物,即制得聚乙烯基PTC导电复合材料。
步骤1.5、将步骤1.4得到的聚乙烯基PTC导电复合材料,采用挤出机制备形状为扁平状带体的聚乙烯基PTC导电复合层2,并在该聚乙烯基PTC导电复合层2内间隔且平行挤包设置两股导电芯线1。
步骤2、在步骤1得到的聚乙烯基PTC导电复合层2外部从内到外依次设置周向闭合的聚乙烯绝缘层3、屏蔽层4与聚乙烯加强防护层5。
本发明中的聚乙烯基PTC导电复合层2的电阻率与导电性能稳定性能好。本发明制备方法中,单独制备炭黑组合物,再采用塑化能力强、具有两个可计量给料加料口的往复式单螺杆挤出机制造聚乙烯基PTC导电复合层2。聚乙烯基PTC导电复合层2的原料组成中,少量碳纤维有利于提高电导率;硬脂酸可提高导电复合层的挤出加工工艺;乙烯-甲基丙烯酸酯离聚物、聚酯丙烯酸齐聚物、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷可提高炭黑和碳纤维的分散能力;聚酯丙烯酸齐聚物对在过氧化物引发下能够与聚乙烯树脂发生接枝反应,在炭黑粒子表面形成结构稳定的过渡层;过氧化二异丙苯、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷、十二烷基苯磺酸能赋予聚乙烯基PTC导电复合层2化学交联能力,提高长期电热稳定性;水杨酰胺基邻苯二甲酰亚胺能提高导电芯线1的抗腐蚀能力,提高聚乙烯基PTC导电复合层2与导电芯线1的长期粘结稳定性。
本发明中的聚乙烯基PTC导电复合层2在挤出包覆芯线过程中能有效渗入导电芯线1的铜丝间隙中,将两股导电芯线1有效挤包在聚乙烯基PTC导电复合层2中,有效消除本发明使用时反复加热-冷却后导电芯线1与聚乙烯基PTC导电复合层2因热膨胀系数不同而易在界面形成气泡的问题,从而提高本发明自限温伴热带的长期粘结稳定性。
本发明自限温伴热带的发热功率密度能依据聚乙烯基PTC导电复合层原料组成中的炭黑、碳纤维含量以及聚乙烯基PTC导电复合层厚度、两股导电芯线之间的间距进行调节,从而实现在3V~380V电压下长期安全使用。以加热功率低于35瓦/米的低功率自限温伴热带为例,本发明自限温伴热带的各参数对照表如下:
从经济成本与制造工艺的角度,本发明中聚乙烯绝缘层3和聚乙烯加强防护层5的厚度均为0.2~0.3mm。采用该厚度范围的聚乙烯绝缘层3和聚乙烯加强防护层5,可使本发明自限温伴热带的绝缘电压大于3500伏,满足220伏常用电和380伏工业用电的使用要求。
两股导电芯线1之间的间距为5~12mm,聚乙烯基PTC导电复合层2的厚度为0.5~1.0mm。屏蔽层4的厚度为0.05~0.08mm。
以下结合具体实施例进一步说明本发明。
实施例1
步骤1、制备聚乙烯基PTC导电复合层2:
步骤1.1、称取低密度聚乙烯树脂100kg、乙烯-甲基丙烯酸酯离聚物
1kg、炭黑10kg、碳纤维11kg、纳米碳酸钙20kg、聚酯丙烯酸齐聚物5kg,硬脂酸5kg、2-甲基-1-(4-甲硫基苯基)-2-吗啉-1-丙酮0.1kg、过氧化二异丙苯0.001kg、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷0.1kg、十二烷基苯磺酸0.1kg以及水杨酰胺基邻苯二甲酰亚胺10kg。
步骤1.2、将步骤1.1称取的聚乙烯树脂和乙烯-甲基丙烯酸酯离聚物混合均匀,备用。
步骤1.3、将步骤1.1称取的炭黑、碳纤维、纳米碳酸钙、聚酯丙烯酸齐聚物、硬脂酸、2-甲基-1-(4-甲硫基苯基)-2-吗啉-1-丙酮、过氧化二异丙苯、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷、十二烷基苯磺酸以及水杨酰胺基邻苯二甲酰亚胺置于高速搅拌机中高速混合搅拌20min,得炭黑组合物。
步骤1.4、采用挤出机在200℃进行熔融挤出造粒,挤出机的一个进料口输送步骤1.2得到的混合物,挤出机的另一进料口输送步骤1.3得到的炭黑组合物,即制得聚乙烯基PTC导电复合材料。
步骤1.5、将步骤1.4得到的聚乙烯基PTC导电复合材料,采用挤出机制备形状为扁平状带体的聚乙烯基PTC导电复合层2,并在该聚乙烯基PTC导电复合层2内间隔且平行挤包设置两股导电芯线1。
步骤2、在步骤1得到的聚乙烯基PTC导电复合层2外部从内到外依次设置周向闭合的聚乙烯绝缘层3、屏蔽层4与聚乙烯加强防护层5。
本发明自限温伴热带带体厚1mm,宽12mm。两股导电芯线1间距10mm,且均由15根直径为0.05mm的无氧铜丝编织而成,聚乙烯基PTC导电复合层2的厚度为0.55mm,聚乙烯绝缘层3厚度为0.2mm,软圆铜线编织网屏蔽层4厚度为0.05mm,聚乙烯加强防护层5厚度为0.2mm。聚乙烯绝缘层3和聚乙烯加强防护层5均由低密度聚乙烯制备。
将本发明中的两股导电芯线1分别引出导线接电源,测试得到,在220V电压、20℃环境温度下,本发明PTC高分子导电复合材料自限温伴热带的发热平衡时温度为70~75℃。
实施例2
步骤1、制备聚乙烯基PTC导电复合层2:
步骤1.1、称取高密度聚乙烯100kg、乙烯-甲基丙烯酸酯离聚物50kg、炭黑50kg、碳纤维1kg、纳米碳酸钙50kg、聚酯丙烯酸齐聚物25kg、硬脂酸25kg、2-甲基-1-(4-甲硫基苯基)-2-吗啉-1-丙酮2.0kg、过氧化二异丙苯0.01kg、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷2kg、十二烷基苯磺酸2kg以及水杨酰胺基邻苯二甲酰亚胺1kg。
步骤1.2、将步骤1.1称取的聚乙烯树脂和乙烯-甲基丙烯酸酯离聚物混合均匀,备用。
步骤1.3、将步骤1.1称取的炭黑、碳纤维、纳米碳酸钙、聚酯丙烯酸齐聚物、硬脂酸、2-甲基-1-(4-甲硫基苯基)-2-吗啉-1-丙酮、过氧化二异丙苯、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷、十二烷基苯磺酸以及水杨酰胺基邻苯二甲酰亚胺置于高速搅拌机中混合搅拌25min,得炭黑组合物。
步骤1.4、采用挤出机在260℃进行熔融挤出造粒,挤出机的一个进料口输送步骤1.2得到的混合物,挤出机的另一进料口输送步骤1.3得到的炭黑组合物,即制得聚乙烯基PTC导电复合材料。
步骤1.5、将步骤1.4得到的聚乙烯基PTC导电复合材料,采用挤出机制备形状为扁平状带体的聚乙烯基PTC导电复合层2,并在该聚乙烯基PTC导电复合层2内间隔且平行挤包设置两股导电芯线1。
步骤2、在步骤1得到的聚乙烯基PTC导电复合层2外部从内到外依次设置周向闭合的聚乙烯绝缘层3、屏蔽层4与聚乙烯加强防护层5。
本发明自限温伴热带带体厚1.68mm,宽12mm。两股导电芯线1间距8mm,且均由25根直径为0.1m的镀锌铜丝或镀锡铜丝编织而成,聚乙烯基PTC导电复合层2的厚度为1.0mm,聚乙烯绝缘层3厚度为0.3mm,软圆铜线编织网屏蔽层4厚度为0.08mm,聚乙烯加强防护层5厚度为0.3mm。聚乙烯绝缘层3和聚乙烯加强防护层5均由高密度聚乙烯或中密度聚乙烯制备。
将本发明中的两股导电芯线1分别引出导线接电源,测试得到,在150V电压、20℃环境温度下,本发明PTC高分子导电复合材料自限温伴热带的发热平衡时温度为51~55℃。
实施例3
步骤1、制备聚乙烯基PTC导电复合层2:
步骤1.1、称取线形低密度聚乙烯100kg、乙烯-甲基丙烯酸酯离聚物30kg、炭黑25kg、碳纤维7kg、纳米碳酸钙45kg、聚酯丙烯酸齐聚物15kg、硬脂酸15kg、2-甲基-1-(4-甲硫基苯基)-2-吗啉-1-丙酮1kg、过氧化二异丙苯0.008kg、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷0.8kg、十二烷基苯磺酸1kg以及水杨酰胺基邻苯二甲酰亚胺6kg。
步骤1.2、将步骤1.1称取的聚乙烯树脂和乙烯-甲基丙烯酸酯离聚物混合均匀,备用。
步骤1.3、将步骤1.1称取的炭黑、碳纤维、纳米碳酸钙、聚酯丙烯酸齐聚物、硬脂酸、2-甲基-1-(4-甲硫基苯基)-2-吗啉-1-丙酮、过氧化二异丙苯、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷、十二烷基苯磺酸以及水杨酰胺基邻苯二甲酰亚胺置于高速搅拌机中混合搅拌23min,得炭黑组合物。
步骤1.4、采用挤出机在220℃进行熔融挤出造粒,挤出机的一个进料口输送步骤1.2得到的混合物,挤出机的另一进料口输送步骤1.3得到的炭黑组合物,即制得聚乙烯基PTC导电复合材料。
步骤1.5、将步骤1.4得到的聚乙烯基PTC导电复合材料,采用挤出机制备形状为扁平状带体的聚乙烯基PTC导电复合层2,并在该聚乙烯基PTC导电复合层2内间隔且平行挤包设置两股导电芯线1。
步骤2、在步骤1得到的聚乙烯基PTC导电复合层2外部从内到外依次设置周向闭合的聚乙烯绝缘层3、屏蔽层4与聚乙烯加强防护层5。
本发明自限温伴热带带体厚1.4mm,宽14mm。两股导电芯线1间距12mm,且均由25根直径为0.08m的镀银铜丝编织而成,聚乙烯基PTC导电复合层2的厚度为0.8mm,聚乙烯绝缘层3厚度为0.25mm,软圆铜线编织网屏蔽层4厚度为0.07mm,聚乙烯加强防护层5厚度为0.28mm。聚乙烯绝缘层3和聚乙烯加强防护层5均由低密度聚乙烯或线形低密度聚乙烯制备。
将本发明自限温伴热带中的两股导电芯线1分别引出导线接电源,测试得到,在150V电压、20℃环境温度下,本发明PTC高分子导电复合材料自限温伴热带的发热平衡时温度为60~65℃。