具有正温度系数（PTC）效应的自限温电伴热带是一种聚合物/导电填料复合材料，其可根据环境温度自动调节输出功率，已被广泛应用于各类管道保温和罐体容器防冻等领域。控制聚合物基体中导电填料的宏观均匀但微观团聚的分布状态是制备PTC伴热带的关键，但在工业化加工过程中，强剪切场会破坏导电填料的连接从而大幅提高其电阻、降低PTC效应，因此如何精准调控PTC伴热带在动态加工过程中的填料分布具有重要意义。

       基于上述问题，四川大学高分子材料工程国家重点实验室吴桐/傅强教授课题组开发了一种简单的工业化方法来生产具有优异PTC效应的高密度聚乙烯（HDPE）/炭黑（CB）电伴热带（图1）。首先将HDPE/CB树脂通过挤出机熔融挤出并包覆导线后（动态加工），在其表面包覆一层高温绝缘层；接着在PE熔点以上对电伴热带进行了静态热处理，在此过程中，CB颗粒逐渐团聚形成导电路径；另一方面，开发了一种热处理和电处理相结合的方法，CB颗粒会沿着电场方向定向团聚，产生大量导电路径，最大限度提高导电填料的利用效率、降低炭黑添加量，同步提高PTC伴热带加工性能、机械性能和PTC效应。PTC自限温电伴热带的生产线示意图如图1所示。

图1 (a)工业生产线示意图; (b)挤出机;(c)电伴热带。

      直接熔融挤出并包覆导线后伴热带的PTC曲线如图2（a）所示，由于挤出过程中的强剪切/拉伸流场导致炭黑导电通路被破坏，因此需要添加高含量炭黑（25wt%）才能达到理想电阻，但是其加工流动性和力学性能大幅降低。对伴热带在HDPE熔点以上进行静态热处理，HDPE基体内的炭黑会发生移动和团聚，使得电伴热带的室温电阻率降低，PTC性能提升（图2b,c）。另一方面，对电伴热带静态热处理的同时施加电场，大量的炭黑粒子发生定向移动和团聚（图2d-g），在特定方向的电场作用下，形成导电通路，显著降低炭黑含量（15%），同时具有优异的电热性能。在提高伴热带加工流动性和力学性能的同时，制备出高PTC效应的电伴热带。

图2 (a)不同CB含量电伴热带的电阻率-温度曲线，(b)HDPE+20 wt% CB体系热处理后的电阻率-温度曲线，(c)HDPE+20 wt% CB体系热处理后的SEM图片，(d)电处理后的电阻率-温度曲线，(e)电处理后的TEM图片，(f)电伴热带通电后的红外热成像图片，(g)CB在PE基体中分布的示意图。

      该工作发表在Chinese Journal of Polymer Science上。高分子材料工程国家重点实验室的杨添淏硕士研究生是该论文的第一作者，吴桐副研究员和傅强教授为共同通讯作者。

原文信息：

Preparation of Self-limiting Heating Cables with Excellent Processability, Mechanical Properties and PTC Effect via Thermal and Electrical Treatments

Yang, T. H.; Wu, T.; Fu, Q.

Chinese J. Polym. Sci.

DOI: 10.1007/s10118-024-3074-z