一种路桥融雪化冰的碳纤维发热线

摘要

本发明提供一种路桥融雪化冰的碳纤维发热线，包括由内至外依次包裹的内层发热丝束、碳纳米管巴克纸玻璃纤维环氧树脂层、聚四氟乙烯层、交联聚乙烯层、不锈钢编织网套，其中内层发热丝束作为内层发热层，由多条碳纤维发热丝组成；碳纳米管巴克纸玻璃纤维环氧树脂层作为扩热层，聚四氟乙烯层作为中间层，交联聚乙烯层作为次外层，不锈钢编织网套作为最外层。本发明通过设置碳纤维发热线束，实现快速升温、电热转换效率高、抗拉强度高、重量轻、化学性能稳定和使用寿命长，通过设置中层碳纳米管巴克纸玻璃纤维环氧树脂层，增强发热线整体的传热半径，降低发热线向外传热过程中的热损耗，能够保证快速升温、有效传热和具有稳定性和耐久性。

说明书

技术领域

本发明涉及路桥融雪化冰技术领域，具体是一种路桥融雪化冰的碳纤维发热线。

背景技术

目前广泛使用的路桥融雪化冰方法有：人工清除法、机械清除法、化学融雪法等，这些方法都存在费时、费力或不环保等弊端。电热法应用于路桥融雪化冰可以解决上述方法的不足之处。

碳纤维是一种新型的高性能纤维增强材料，具有高强度、高模量、耐高温、耐磨、抗疲劳、耐腐蚀、抗蠕变、导电、导热和电热转化效率高等诸多优异性能。但是当发热线采用碳纤维发热线时，存在以下问题：

1、碳纤维发热线发热传热效果可能无法达到使用预期；

2、碳纤维发热线埋置在路面中时承担部分路面荷载，会对碳纤维发热线的结构产生影响，例如是否良好接触、是否良好绝缘；

3、碳纤维发热线埋置在路面下，会受到地下水、土壤中的酸碱和一些微生物的侵蚀分解，其耐久性会大大降低，影响使用寿命。

基于此，针对现有技术中的不足，需要一种能够高效传热融雪化冰、具有稳定性和耐久性、使用安全的路桥融雪化冰碳纤维发热线被设计出来。

发明内容

本发明的目的使为了克服现有技术的不足，提供一种能够保证快速升温、有效传热和具有稳定性和耐久性的路桥融雪化冰碳纤维发热线。

本发明通过以下技术方案实现：

一种路桥融雪化冰的碳纤维发热线，包括由内至外依次包裹的内层发热丝束、碳纳米管巴克纸玻璃纤维环氧树脂层、聚四氟乙烯层、交联聚乙烯层、不锈钢编织网套，其中内层发热丝束作为内层发热层，由多条碳纤维发热丝组成；碳纳米管巴克纸玻璃纤维环氧树脂层作为扩热层，聚四氟乙烯层作为中间层，交联聚乙烯层作为次外层，不锈钢编织网套作为最外层。

进一步的，所述碳纳米管巴克纸玻璃纤维环氧树脂层由两层玻璃纤维与其间的碳纳米管巴克纸堆叠压密，再由环氧树脂浸渍渗透固化制成管状，包裹在内层发热丝束的外部。

进一步的，所述碳纳米管巴克纸玻璃纤维环氧树脂层的厚度为 1～3mm。

进一步的，所述聚四氟乙烯层紧密包裹在碳纳米管巴克纸玻璃纤维环氧树脂层外部，注塑成型，所述聚四氟乙烯层的厚度为1～3mm。

进一步的，所述交联聚乙烯层紧密包裹在聚四氟乙烯层的外部，所述交联聚乙烯层的厚度为3～5mm。

进一步的，所述不锈钢编织网套保护层外套于交联聚乙烯层，所述不锈钢编织网套保护层的厚度为1～3mm。

进一步的，所述碳纤维发热线的两端分别通过接口与电源线连接以形成连通回路，所述电源线包括火线和零线，每两个接头分别对应连接火线与零线以使连通回路按照火线、接头、碳纤维发热线、接头、零线的顺序连通，使热量根据回路进行传输，实现融雪化冰。

进一步的，所述电源线具有芯线和套接芯线的绝缘保护层，所述接口套接发热线内层发热丝束的端部以便与电源线连接。

进一步的，所述电源线具有芯线和套接芯线的绝缘保护层，所述接口套接发热线内层发热丝束的端部以便与电源线连接。

进一步的，铜圈接口通过焊接与电源线连接，通过箍紧铜圈接口使内层发热丝束与电源线紧密连接。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过设置最内层碳纤维发热丝，碳纤维具有高功率，迅速升温，电热转换率高达100％的特性；其耐腐蚀和抗氧化性强，稳定性高，能保证更长的使用寿命，从而初步解决了热转换效率、升温速度、路桥融雪化冰电效率的问题；

2、本发明通过设置扩热层碳纳米管巴克纸玻璃纤维环氧树脂层，碳纳米管巴克纸玻璃纤维环氧树脂具有优异的加热性能，通过设置次扩热层解决碳纤维发热线功率的限制问题，提高发热线的发热功率，有效提高发热线的热传播半径，减小发热线在传热过程中的热量损耗，同时碳纳米管巴克纸玻璃纤维环氧树脂具有优秀的电学和力学性能，在提升发热功率的同时还能对发热线本身起到保护作用；

3、本发明通过中层设置聚四氟乙烯层，使用其不粘性、耐高温和摩擦系数极低的特性，在保护发热层扩热层，不造成摩擦损耗的同时，能保证传热效果和耐腐蚀性且保证内部与外界绝缘；

4、本发明通过次外层设置交联聚乙烯层，交联聚乙烯具有一定的力学性能和耐酸碱耐腐蚀性，可以解决外界酸碱物质对发热线影响的问题，还能有效提高发热线整体的硬度、刚度、耐磨性和抗冲击性，保证了碳纤维发热线在地下稳定性与耐久性；此外交联聚乙烯层在保证发热线整体高传热效率的同时，具有良好的绝缘性，进一步保证发热线使用的安全性；

5、本发明通过最外层设置不锈钢编织网套层，使碳纤维发热线整体防尘防锈、抗压抗拉抗磨损；不锈钢编织网套柔软度好，并且具有一定电磁屏蔽作用，在方便施工的同时，降低碳纤维发热线与外界之间的相互影响。

6、本发明结构简单且性价比高，适合产品大规模自动化生产。

附图说明

图1是本发明路桥融雪化冰用碳纤维发热线其中一个实施例的结构示意图；

图2是本发明碳纳米管巴克纸玻璃纤维环氧树脂层中平均温度分布的变化图；

图3是本发明碳纳米管巴克纸玻璃纤维环氧树脂层热成像图。

图中：1—内层发热丝束，2—碳纳米管巴克纸玻璃纤维环氧树脂层，3—聚四氟乙烯层，4—交联聚乙烯层，5—不锈钢编织网套。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，一种路桥融雪化冰的碳纤维发热线，包括由内至外依次包裹的内层发热丝束1、碳纳米管巴克纸玻璃纤维环氧树脂层2、聚四氟乙烯层3、交联聚乙烯层4、不锈钢编织网套5，其中内层发热丝束1作为内层发热层，碳纳米管巴克纸玻璃纤维环氧树脂层2作为扩热层，聚四氟乙烯层3作为中间层，交联聚乙烯层4作为次外层，不锈钢编织网套5作为最外层。

所述内层发热丝束1由多条碳纤维发热丝组成，且所述的多条碳纤维发热丝型号尺寸相同，碳纤维发热丝之间贴合紧密。

所述碳纳米管巴克纸玻璃纤维环氧树脂层2由两层玻璃纤维与其间的碳纳米管巴克巴克纸堆叠压密，再由环氧树脂浸渍渗透固化制成管状，包裹在内层发热丝束1的外部。所述碳纳米管巴克纸玻璃纤维环氧树脂层2的厚度为1～3mm。

具体的，采用碳气相沉积法在石英片上生长碳纳米管。切割成所需尺寸的石英片首先在熔炉中于500℃加热10分钟，并冷却至室温。最后，通过通入乙烯气体使基底经受碳源，这导致碳的分解并导致厚度范围从几微米到大约200lm的碳纳米管合成，随后将两层玻璃纤维与碳纳米管巴克纸堆叠在一起，进行压密，再由环氧树脂浸渍渗透固化制成管状，包裹在发热层1的外层。如图2及图3所示，实验结果表明，随着加热时间的增加，碳纳米管巴克纸玻璃纤维环氧树脂层表面温度逐渐升高，该温度在较短的加热时间内升高，表明碳纳米管巴克纸复合材料具有优异的加热性能。

所述聚四氟乙烯层3紧密包裹在碳纳米管巴克纸玻璃纤维环氧树脂层2外部，注塑成型，所述聚四氟乙烯层3的厚度为1～3mm。

所述交联聚乙烯层4紧密包裹在聚四氟乙烯层3的外部，所述交联聚乙烯层4的厚度为3～5mm。

所述不锈钢编织网套保护层5外套于交联聚乙烯层4，所述不锈钢编织网套保护层5的厚度为1～3mm。

具体实施时，碳纤维发热线与电源线接通，所述碳纤维发热线的两端分别通过接口与电源线连接以形成连通回路，所述电源线包括火线和零线，每两个接头分别对应连接火线与零线以使连通回路按照火线、接头、碳纤维发热线、接头、零线的顺序连通，使热量根据回路进行传输，实现融雪化冰。所述电源线具有芯线和套接芯线的绝缘保护层，所述接口套接发热线内层发热丝束1的端部以便与电源线连接。所述火线、零线和接口均由铜制成，所述火线和零线均由PVC塑料包裹。铜圈接口通过焊接与电源线连接，通过箍紧铜圈接口使内层发热丝束1与电源线紧密连接。

本发明通过设置由多条碳纤维发热丝组成的内层发热丝束1，可实现快速升温、电热转换效率高、抗拉强度高、重量轻、化学性能稳定和使用寿命长，可以保证极高的路桥融雪化冰效率，保证发热线发热面积与温度的比例达到最优，同时不易氧化；通过设置中层碳纳米管巴克纸玻璃纤维环氧树脂层2，增强发热线整体的传热半径，降低发热线向外传热过程中的热损耗；通过设置聚四氟乙烯层3，增强本体的耐腐蚀和绝缘性能，保护内层发热丝束1和作为扩热层的碳纳米管巴克纸玻璃纤维环氧树脂层2不受腐蚀，不造成摩擦损耗的同时，能保证极好的传热效果，不对内部造成扰动且保持与外界绝缘；通过设置外层交联聚乙烯层4，不仅解决外界酸碱物质对碳纤维发热线影响的问题，还能有效提高发热线整体的硬度、刚度、耐磨性、绝缘性和抗冲击性，降低了应力集中时发生破损的风险，以及提高了工作时候的使用寿命，保证了碳纤维发热线埋置时的发热效率、稳定性和耐久性；最外层的不锈钢编织网套保护层5，提供防尘防锈、抗压抗拉抗磨损的特性，并且提供优良的电磁屏蔽作用在发热时不受到干扰，延长碳纤维发热线整体的使用寿命，降低成本，同时良好的柔软度也能使其便于施工，使碳纤维发热线整体防尘防锈、抗压抗拉抗磨损。

碳纤维发热线可自行选择布置方式，根据具体需要选择不同的间距，适用于不同情况的路桥融雪化冰。不同保护层厚度的设计，可以适应不同的工况，防止因受力产生应力集中从而防止了疲劳裂纹的产生，使得发热线结构更加紧密地结合在一起，进一步增加了发热线整体的强度，同时防止发热线受到地下水和一些微生物侵蚀分解，提高耐久性与使用寿命。

本发明在使用时：

1)根据具体工程情况选用适当的不锈钢编织网套保护层5；

2)碳纤维发热线两端分别与电源连接；

3)利用聚四氟乙烯将接口、铜丝与碳纤维发热丝束包裹起来，达到固定和保护的效果，再在聚四氟乙烯外包裹一层塑料PVC以增强连接段的保护；

4)在模具中注入塑料PVC，将接口、电源线与碳纤维发热线两端注塑成型，形成一个紧密的整体。

在上述技术方案中，根据需要选择合适的发热线间距，适用于不同情况的路桥融雪化冰。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。