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1、新技术与产品开发复合型高分子自限温发热材料及元器件在汽车冷启动方面的应用?谭洪生1,2,王日辉2,李?丽2,郑?强1,?(1?浙江大学高分子科学与工程学系,浙江 杭州 310027;2?中国石化齐鲁股份有限公司树脂研究所,山东 淄博 255400)?摘要:采用HDPE/CB 复合型高分子自限温发热材料制备了适于在汽车上使用的自限温加热带、发热管及相应的加热器,通过实验室模拟试验,研究了加热器的电热特性。在冬季的柴油车冷启动试验表明,组合加热装置对柴油车的冷启动及正常运行非常奏效,所研制的复合型高分子自限温发热材料及元器件用于汽车领域是可行的。?关键词:自限温发热材料;汽车冷启动;PTC?中图分
2、类号:TQ325?1+2?文献标识码:B?文章编号:1005-5770(2004)12-0051-03Application of Heat Material and Elements of Self?limiting Temperaturein Cold Starting for Diesel VehicleTAN Hong?sheng1,2,WANG Ri?hui2,LI Li2,ZHENG Qiang1(1.Dept.of Polymer Sci?&Eng?,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China;2.Plastics Institute,Qi
3、lu Co?,Ltd?,SINOPEC,Zibo 255400,China)Abstract:Self?limiting temperature heat material was prepared from HDPE/CB composite,which was suit?able for the preparation of the self?limiting temperature heater for diesel vehicle?The electrothermal characteristics ofthe prepared heaters were studied by test
4、 in simulation device for cold starting in lab?The results of cold startingtests in winter showed that the combined heater was very effective for cold starting and normal run of diesel vehicle,and the self?limiting temperature heating material and elements of polymer composite were feasible to be us
5、ed in ve?hicle?Keywords:Self?limiting Temperature Heating Material;Cold Starting for Diesel Vehicle;PTC?在寒冷季节,内燃机车、轮船、钻机、起动设备等难以启动或正常运行,经常可以看到柴油车因柴油结蜡而无法启动或中途抛车的现象;司机最常用的解决此问题的方法是用火烤油箱等部位,由此引燃车体造成烧毁车辆的事故时有发生。车辆如遇暴风雪等低温恶劣天气中途抛车,将威胁到司乘人员的生命安全。此外,在装甲车等军用车辆上的意义不言而喻。?目前国内外已有一些正温度系数(PTC)材料及元器件用于柴油车低温启动方面的
6、专利1 7以及论述冷启动的文章8 10;但由于发热元件形状单一(板状或带状),加热效果、密封等存在问题,至今未见商品化应用。本工作针对柴油车供油系统各部件的结构、形状以及工作原理,采用所研制的汽车电源电压下适用的自限温发热专用料、加热带以及可连续化生产的、大功率的发热元件?自限温发热管11,12,组装成组合加热器13,14,研究了其电热特性,并进行了装车及冷启动试验,拟解决柴油发动机低温冷启动的问题,探索复合型高分子自限温发热材料及元器件用于汽车领域的可行性,拓展这一新型智能材料及其元器件的应用领域。1?实验部分1?1?原材料?高密度聚 乙烯(HDPE):MFR 为 0?1 2 g/10 mi
7、n(2?16 kg),中国石化齐鲁股份有限公司;乙炔炭黑:粒径 40 50 nm,DBP 值(吸油值)为 3?0 3?2 mL/g;其它助剂也均为国产工业品。1?2?发热元件?发热材料:采用密炼工艺制备,经开片、切粒制 51 第 32卷第 12 期2004 年 12月塑料工业CHINA PLASTICS INDUSTRY?联系人作者简介:谭洪生,男,1962生,在读博士,高工,副首席师,主要从事聚烯烃改性及结构研究,发表论文 20篇。0533-7586970成粒状专用料 15。?发热管:采用德国 BRABENDER 公司产 30/25D型单螺杆挤出机,经自行设计的发热管机头11,使金属电极沿轴
8、向平行嵌入管壁中,再经定径、冷却、切割制成自限温发热管 12。?加热带:通过上述挤出机,经自行设计的加热带机头,牵引、冷却制成自限温加热带。表 1?自限温发热材料的性能Tab 1 Properties of self?limiting temperature heat material性?能实测值MFR(21?6 kg)/g(10min)-14?9拉伸强度/MPa22?8断裂伸长率/%520PTC 强度4?37体积电阻率/?cm261?3?发热器件?套管加热器 13:内外壁为金属管,底部环缝焊接密封,两管之间的环缝放置自限温发热管和绝缘材料,引出电极后在顶部灌封。其中内管即原有的吸油管,发热管
9、可对吸油管进行整体有效的加热。?组合加热器 14:由加热带、加热盘带及套管加热器组成。2?结果与讨论2?1?套管加热器在冷冻柴油中的电热特性?在加热器装车之前,采用自行设计组装的冷启动模拟试验装置(见图 1)在实验室进行 0#柴油(凝固点为 0!)的加热抽油试验。该装置具有低温冷冻、采用汽车电源电压以及定量抽油三项功能,使冷冻柴油的加热试验不受季节、场地的限制,实现了与真实条件相近的实验效果。图 1?冷启动模拟试验装置示意图Fig 1 Sketch of simulation test device for cold starting?图2 是套管为热器加热的柴油温度随通电时间的变化曲线。由图
10、 2 看出,在 24 V 电压下,发热套管外壁的柴油温度随通电时间的延长而急剧升高,约 5min 时温度达到最高值,随后缓慢下降,15 min 左右达到平衡;在 12V 电压下,在前4 min 内,油温上升极为缓慢,4 min 后,才开始急剧升高,至 10 min 达最高值,随后开始缓慢下降,约 18 min 后油温开始恒定。图 2?套管加热器加热的柴油温度随通电时间的变化(DC)Fig 2 Variation of diesel temperature by casing tubeheater heating with electrifying time(DC)?图 3 是套管加热器的电流随
11、通电时间的变化曲线。由图 3 可知,用 24 V 电压时,起始电流非常大,即在起始阶段就有足够的电能输入,转化的热能也大,套管加热器周围的柴油油温迅速升高;而油温达到最大值(约 5 min)后,由于输入的电能趋于恒定,已融化的柴油周围未融部分因相变而需吸收更多的热量,使得已融部分的油温逐渐下降;至约 15 min 时,因套管加热器输出的热量与油箱中柴油散失的热量达到平衡,油温开始保持恒定。12 V 电压的升温曲线在4 min 后与 24V 电压时的变化趋势非常相近,仅油温最大值及平衡温度略低一点。柴油升温滞后的原因是由于用 12 V 电压时,起始电流非常小(约 24 V 的1/4),即输入的电
12、能则更少(功率:P=I V),在起始阶段的热能主要用于预热套管加热器自身的自限温发热管、绝缘层及金属内外套管,随后才加热柴油,故油温上升明显滞后。图 3?套管加热器的电流随通电时间的变化(DC)Fig 3 Variation of current of casing tube heater with electrifying time?综上所述,分别采用两种电压的电源通电,10min 后吸油管周围的柴油温度均升至 15!以上,即 52 塑?料?工?业2004年结腊凝固的 0#柴油已融化,故初步选定组合加热器的通电时间为 10 min。2?2?组合加热器的耗电量确定?在此,组合加热器包括一个油箱
13、用套管加热器、一个盘带加热器和输油管用加热带。耗电量可由组合加热器电流-通电时间曲线下的面积求得:PC=#t0I(t)dt式中,I 为电流,A;t 为通电时间,min。表 2?组合加热器的耗电量(A h)Tab 2 Power consumption of combined heater通电时间/min12 V24 V101?0191?036302?5492?803?在-14!下,将盛满 0#柴油的汽车油箱冷冻 15h,采用冷启动模拟试验装置进行加热抽油试验,通电10min 后开始以中型卡车的用油速度连续抽油1 h;而实际卡车点火启动后,有热油回流,可加热油箱内结蜡的柴油,故模拟试验的条件比实
14、际情况更苛刻。换句话说,汽车在启动前,通电加热 10 min 即可打火启动并正常供油,耗电量仅为 1?019 A h(12 V)和1?036 A h(24 V)。这对小型卡车的 70 A h 蓄电池来讲,耗电量不大;大车为两块更大容量的蓄电池,耗电量相对更小。2?3?装车冷启动试验?在 5 t 五十铃卡车上安装了自限温加热装置。其中,原油箱吸油管换成所研制的自限温套管加热器,由油箱至油水分离器、滤清器、高压泵的所有油路管线敷设自限温加热带并加保温层,在油水分离器、滤清器外包敷含加热带的加热套(如图 4所示)。图 4?中型卡车供油系统加热示意图Fig 4 Sketch of heating oi
15、l feed system for medium truck?表 3 是中型卡车冬季 0#柴油冷启动及运行试验。由表 3 可知,所研制的组合加热器在 0#柴油结蜡(特别是油温-7?8!高度结蜡)的情况下加热,冷启动成功,并可连续运行。说明此组合加热器对 24V 电源卡车的冷启动及正常运行非常奏效,这在无加热装置情况下是根本无法实现的;而在结蜡不加热的情况下(13#试验),虽冷启动成功,但运行半小时即熄火。这是由于油箱中的柴油少量的组分已结蜡,点火后在供油过程中,结蜡部分会在油水分离器内聚集,达到一定量后堵塞、断流而熄火。这从另一方面说明组合加热器对卡车的正常运行也起到了非常关键的作用。在正确使
16、用加热器件的情况下,上述试验表明,该车电瓶电源足以满足使用加热器及打火启动的要求。表 3?中型卡车冬季 0#柴油冷启动及运行试验Tab 3 Cold starting and run test of medium truck by 0#diesel编号试验时环境温度/!实测油温/!是否结蜡预热时间/min打火情况运行持续时间/min1#-2?0-3?1结蜡10成功 602#-1?0-1?8结蜡10成功 603#-2?0-2?0结蜡10成功 604#-2?0-1?0结蜡10成功 605#-7-4?5结蜡10成功 606#-7-7?8结蜡10成功 607#-4?0-3?3结蜡10成功 608#-2
17、?0-3?0结蜡10成功 609#-3?5-1?5结蜡10成功 6010#-8?0-6结蜡10成功 6011#-8?0-4?0结蜡10成功 6012#-2?0-2?8结蜡10成功 6013#-2?0-2?5结蜡0成功30 min熄火3?结语?1)采用的发热材料及发热元件在汽车电源下能正常发热,发热温度及发热量适宜。?2)所研制的组合加热器能够满足柴油车冬季冷启动的要求,表明复合型高分子自限温发热材料及元器件用于汽车领域是可行的。参考文献1?马吟行?ZL,93236032?7?19932?杨晓波?ZL,94240180?8?19943?白克祥?ZL,95221563?2?19954?崔彦?ZL,
18、95210992?1?19955?Vandenelst F M,BAKKER J?EP,284120?19886?Schwarzl H,Unterlass J?EP,282085?19887?Van D E,FredrikM N,Bakker J?US,4881508?19898?樊仕伟,王志宝,白国桐等?林业科技,1996,19(6):69?黎和昌,姜水生,陈立伟?南 昌大学学报(工学版),2003,25(4):2510?马修真,王忠巍,王冬?内燃机,2004,(1):711?谭洪生,洪英,王雪梅等?ZL,98222276?9?1998(下转第 57页)53 第 32卷第 12 期潭洪生等:
19、复合型高分子自限温发热材料及元器件在汽车冷启动方面的应用测试频段都较未附铜网的复合材料有所提高。参考文献1?Shinn?Shyong T,Fa?Yen C?Mater Sci Eng,2001,A302:2582?Kaynak A?Mater Res Bull,1996,31(7):8463?叶林,李秦蕊?西北工业大学学报,1995,13(1):264?龚文化,曾黎明?化工新型材料,2002,30(4):385?周维祥?塑料测试技术?北京:化学工业出版社,19976?化工百科全书%编辑委员会?化工百科全书?北京:化学工业出版社,1996?6997?张雄伟,黄锐?功能材料,1994,25(6):
20、4928?Sichel E K,Gittleman J I,Schceng P?Plast Eng,1982,(3):819?张雄伟,黄锐?中国塑料,1994,8(3):2610?刘顺华,郭辉进?功能材料与器件学报,2002,8(3):21311?黄远,马铁军,李家俊等?功能材料,1999,30(4):369(本文于 2004-09-10收到)(上接第 28 页)态下试样的芯层晶粒相比有明显的细化,晶粒之间非晶区减小,晶粒更细密,结晶晶粒出现取向。3?结论?1)振动应力场促进了聚合物的结晶,结晶度明显提高。?2)在振动应力注射场中,聚合物结晶晶粒明显细化,晶粒更细密。参考文献1?Bassett
21、 D C?聚合物形态学原理?北京:科技出版社,19912?何曼君,陈维孝,董西侠?高分子物理(修订版)?上海:复旦大学出版社,1993(本文于 2004-07-12收到)(上接第 47 页)?综合考察 GW?110 和 Chimassorb944 对棚膜透光率、拉伸强度保持率和断裂伸长率保持率三大指标的影响可以看出,在南方潮湿气候条件下,GW?110 在防老化性能方面稍优于 Chimassorb944,这是由于增容剂不仅能增加 GW?110 与 PE 之间的相容度,而且提高了 GW?110 的耐抽提能力;在北方气候条件下,GW?110与 Chimassorb944的防老化效果相当。且添加增容剂
22、并没有影响棚膜的透光率。3?结论?与增容剂复配的 GW?110 棚膜综合防老化性能不仅达到国家标准,而且达到国际著名品牌 Chimas?sorb944 的水平,在南方潮湿的气候环境中更有优势。参考文献1?Pan J Q,Cui S?Polym Degrad Stab,1993,40(3):3752?Yang X Z,Chen Y M,Dickinson C,et al?Polym Degrad Stab,1988,20(1):13?Allen N S,Kotecha J L,Luc?Gardette J,et al?Polym DegradStab,1985,11(2):1814?Gabrie
23、le P D,Iannucci R M?J Coat Technol,1984,56(712):335?Kalfas S,Rymarz G?Polymer,1993,38(12):5926?Nagal Y,Shima N,Goto H?JP,197543?1989(本文于 2004-09-02收到)(上接第 53 页)12?谭洪生,王雪梅,洪英等?ZL,97106070?3?199713?王剑,谭洪生,洪英等?ZL,98110425?8?199814?王剑,谭洪生,王日辉等?CN,01135242?6?200115?谭洪生,王日辉,李忠等?塑料工业,2002,30(2):39(本文于 2004
24、-08-26收到)会议通讯?第六届中日尖端芳香族高分子研讨会暨第十届芳杂环树脂信息交流会于 2004 年 10 月 24 28 日在杭州市召开。与会单位中外共 71 家,代表 145 人(其中中方单位 48 家,代表103 人;外方单位 23 家,代表 42 人)。此次,与会单位和代表人数均创历史之最。与会代表中有来自大学、研究所、生产公司(厂家)和领导单位的代表,如全国合成树脂及塑料工业信息总站副站长周勤,中国化工信息中心的代表沈玲庄。会上交流论文 52篇,并发行论文集。交流论文水平基本上反映了近两年来中日两国芳香族高分子的研究与开发的水平。交流气氛热烈认真,将对中日两国的尖端芳香族高分子发展起促进作用。10 月 28 日中方代表交流了各单位的聚酰亚胺研发、生产和销售情况。目前,国内的聚酰亚胺行业处于竞争中求生存、联合中图发展的境地。有必要把科研工作做深、做透,努力提高产品质量,降低成本,拓宽市场,让聚酰亚胺在电器电子领域、航空航天领域以及机车领域中发挥更大的作用。会务组认真听取了代表们对交流会的形式、内容和对象的意见和建议,相信下一次的交流会会开的更好。(李生柱)57 第 32卷第 12 期段玉平等:ABS 复合平板材料屏蔽及吸波效能的分析