專利名稱：碳納米纖維紙導(dǎo)熱混凝土自升溫融雪化冰路面的制作方法
碳納米纖維紙導(dǎo)熱混凝土自升溫融雪化冰路面所屬領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種基于高效電熱特性材料開發(fā)的道路融雪化冰技術(shù)，即由碳納米纖維紙高效熱源、氮化鋁/環(huán)氧基絕緣封裝層、碳納米纖維/水泥基高導(dǎo)熱層、智能傳感控制系統(tǒng)以及直流給能系統(tǒng)集成的高效路面自升溫融雪化冰系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
冬季寒冷地區(qū)大面積頻繁的降雪結(jié)冰，不僅嚴重阻礙了民用交通設(shè)施通暢，給人民生命財產(chǎn)安全帶來了嚴重威脅；甚至嚴重影響機場跑道等國防重要基礎(chǔ)設(shè)施的正常運營，是非常時期國防安全建設(shè)潛在的隱患。官方統(tǒng)計資料顯示每年道路冰雪將導(dǎo)致10% 15%的交通事故，造成巨額的經(jīng)濟損失。傳統(tǒng)的路面融雪除冰技術(shù)(1)機械法滯后、效率低，地緣限制嚴重，覆蓋面小。(2)化學(xué)物除冰方法不僅導(dǎo)致環(huán)境污染、土壤鹽堿化；同時鹽類中含有的氯離子等成分滲入路面結(jié)晶膨脹，造成路面混凝土的微觀裂紋的發(fā)展、鋼筋大量銹蝕、路面混凝土的剝離和揚沙起塵等惡性循環(huán)。目前的融雪化冰技術(shù)(1)基于天然熱水井供能的熱水加熱融雪裝置由于功能地緣限制、自動控制系統(tǒng)失靈和PVC管滲漏等原因無法安全正常投入實用。(2)采用地?zé)?、噴灑醋酸鉀溶液以及鋼纖維混凝土導(dǎo)電發(fā)熱的方式融雪化冰，由于地?zé)峁┠軣嵩丛O(shè)備復(fù)雜、設(shè)備與路面基體間的結(jié)合難、噴涂化學(xué)物需大量人工和經(jīng)濟費用、導(dǎo)電混凝土鋼纖維銹蝕導(dǎo)致電阻累積性增加、現(xiàn)場Iiov電壓供能實用危險電等諸多不利因素，這種一系列技術(shù)方案未能廣泛投入實際的融雪化冰應(yīng)用。(3)基于碳纖維混凝土導(dǎo)電發(fā)熱機理的融雪化冰技術(shù)，雖然通過碳纖維改性的混凝土導(dǎo)電性有很大的改善，但在要求材料強度和導(dǎo)電性平衡的前提下，制備的導(dǎo)電混凝土無法成為高效的電熱導(dǎo)體，這樣在實際的應(yīng)用中要產(chǎn)生預(yù)期的熱量，必然以耗費電能或者通電時間為代價。在能源十分緊缺的中國，以實用、經(jīng)濟為前提，這種方案雖然在實驗和理論上給予了深刻的研究，但終究無法大面積長久的應(yīng)用。鑒于諸多傳統(tǒng)方法的不足和現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，為了保障國民基礎(chǔ)設(shè)施通暢、國防基礎(chǔ)設(shè)施正常運營以及人民生命財產(chǎn)安全，研究安全、經(jīng)濟、高效、實用的道路融冰技術(shù)具有非常重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
基于碳納米材料優(yōu)良高效的電熱特性，本專利提供了一種路面融雪化冰系統(tǒng)。該系統(tǒng)由碳納米纖維紙導(dǎo)熱混凝土路面結(jié)構(gòu)層、直流給能系統(tǒng)以及智能控制系統(tǒng)組成。從能源角度有效利用了便捷的電網(wǎng)給能；從構(gòu)造的角度整個體系各單元獨立封裝、統(tǒng)一集成。不僅安全可靠、控制方便、操作簡捷，而且不受地域時間限制，真正實現(xiàn)了集安全、經(jīng)濟、高效、 實用為一體的道路融雪化冰系統(tǒng)。
本發(fā)明專利的技術(shù)方案如下一種碳納米纖維紙導(dǎo)熱混凝土路面自升溫融雪化冰路面，依據(jù)功能分為碳納米纖維紙導(dǎo)熱混凝土路面結(jié)構(gòu)、直流給能系統(tǒng)以及智能控制系統(tǒng)三部分。其中路面結(jié)構(gòu)層作為系統(tǒng)的核心部分構(gòu)造次序從下到上依次為環(huán)氧樹脂絕熱基層、碳納米纖維紙熱源、氮化鋁 /環(huán)氧基導(dǎo)熱絕緣封裝層、碳納米纖維/水泥基高熱層四部分構(gòu)造集成，其特征是所述的環(huán)氧樹脂絕熱層是為了保證熱源產(chǎn)生的熱流以最高的效率應(yīng)用于路面冰雪融化，同時滿足熱源向下絕緣的要求，在碳納米纖維紙熱源與道路基層之間需要設(shè)定環(huán)氧樹脂絕緣層，保證熱流最大限度的向上傳遞。所述的氮化鋁/環(huán)氧基絕緣封裝材料是采用具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能和良好的機械性能氮化鋁/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，實現(xiàn)熱源材料絕緣封裝和橫向拉應(yīng)力保護需要。所述的碳納米纖維紙高效熱源具有高效的電導(dǎo)和電熱特性，以面熱源形式為融雪化冰系統(tǒng)提供高效穩(wěn)定的熱流輸入，由氮化鋁/環(huán)氧基絕緣封裝后制備成卷材狀，直接在環(huán)氧樹脂絕緣基層上鋪設(shè)使用。所述的碳納米纖維/水泥基導(dǎo)熱層是由碳納米纖維改性的具有高導(dǎo)熱特性的水泥基復(fù)合材料制備，他不僅具有傳統(tǒng)路面材料所要求的機械強度要求，同時在改性的基礎(chǔ)上大大提高了熱傳導(dǎo)性能。作為路面結(jié)構(gòu)一部分嵌入工作，即滿足路面構(gòu)造要求，同時能夠提高熱的傳到效率，保障熱源安全、穩(wěn)定、高效的工作。所述的直流技能系統(tǒng)是用直流穩(wěn)壓設(shè)備將電網(wǎng)220V電壓轉(zhuǎn)化為可調(diào)幅輸出的直流電流，通過控制系統(tǒng)控制輸入相應(yīng)的功率供給實現(xiàn)路面融雪化冰。所述的智能控制系統(tǒng)是由外設(shè)傳感設(shè)備(風(fēng)速儀、熱電偶、壓力計等)、中心控制設(shè)備集成的系統(tǒng)融雪化冰控制系統(tǒng)，通過對傳感設(shè)備采集的環(huán)境參數(shù)計算分析控制直流給能系統(tǒng)最優(yōu)的輸出功率，在實際的融雪過程中傳感系統(tǒng)不斷的反饋環(huán)境參數(shù)，控制中心不斷地優(yōu)化輸出，以最經(jīng)濟和高效的方式實現(xiàn)路面融雪化冰。一種碳納米纖維紙導(dǎo)熱混凝土路面自升溫融雪化冰路面，其制作方法依據(jù)空間構(gòu)造的次序，首先將環(huán)氧樹脂絕緣層以卷材鋪設(shè)的方式覆于路面基層，并用粘接劑粘接密封， 為防止收縮斷裂，沿路面伸展方向每IOm設(shè)置隔斷帶；然后在隔斷的IOm單元上，將氮化鋁 /環(huán)氧基復(fù)合材料絕緣封裝的碳納米纖維紙熱源卷材鋪設(shè)于環(huán)氧樹脂絕熱基層上粘接固定，并采用每隔Im設(shè)置一排嵌入路基的銷栓，沿深度方向向上延伸至導(dǎo)熱層厚度0. 5倍深度處，以防止層間不均勻收縮導(dǎo)致的開裂滑移，按照每IOm—個隔斷單元設(shè)置熱源電路，引出導(dǎo)線；下一步將碳納米纖維紙/水泥基導(dǎo)熱復(fù)合材料澆注于絕緣封裝層上。此外，在各層一次施工的過程中，在各單元層界面嵌入式的布設(shè)溫度監(jiān)測傳感器，以便隨時控制和檢測系統(tǒng)溫度的變化參數(shù)。各構(gòu)造層間用粘接劑粘接，保證緊密結(jié)合密封，并用銷栓銜接固定。 最后，將各以IOm為隔斷的單元的電極線路統(tǒng)一連接到外部總線，再將總線與電網(wǎng)系統(tǒng)接口，布設(shè)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測傳感設(shè)備，連接數(shù)據(jù)采集端口，并與控制中心集成，實現(xiàn)整個系統(tǒng)。本專利以安全、經(jīng)濟、高效、實用為前提目標(biāo)，基于碳納米纖維紙熱源材料高效的電熱特性和碳納米纖維/水泥基復(fù)合材料高效的導(dǎo)熱特性，實現(xiàn)了碳納米纖維紙導(dǎo)熱混凝土路面自升溫融雪化冰智能控制系統(tǒng)。本發(fā)明的有效結(jié)果是為解決道路融雪化冰提供了一種安全、經(jīng)濟、高效、實用的系統(tǒng)和技術(shù)方法，有效的克服了其他方法熱效率低、設(shè)備安裝復(fù)雜困難、造價高等缺點，為冬季民用交通設(shè)施和國防交通樞紐的安全運營提供了有效的保障。


下面結(jié)合附圖對專利實施和技術(shù)做進一步說明圖1是碳納米纖維紙導(dǎo)熱混凝土路面自升溫融雪化冰路面構(gòu)造圖；圖2是碳納米纖維紙導(dǎo)熱混凝土路面結(jié)構(gòu)層構(gòu)造圖；圖3是碳納米纖維紙熱源電極和導(dǎo)線制備圖；圖4是氮化鋁/環(huán)氧基絕緣封裝材料制備圖；圖5是碳納米纖維紙導(dǎo)熱混凝土路面結(jié)構(gòu)層集成圖；圖6是碳納米纖維紙導(dǎo)熱混凝土路面結(jié)構(gòu)層溫度傳感器布設(shè)圖；圖7是集成的碳納米纖維紙-導(dǎo)熱混凝土路面自升溫融雪化冰系統(tǒng)圖；圖中，1 高導(dǎo)熱碳納米纖維/水泥基復(fù)合材料導(dǎo)熱層，2 氮化鋁/環(huán)氧樹脂基高導(dǎo)熱絕緣封裝層，3 碳納米纖維紙高效熱源，4 環(huán)氧樹脂絕熱層，5 :DAD-87銀電極，6 DAD-40導(dǎo)線粘接膠，7 單股銅導(dǎo)線，8 :K型熱電偶。
具體實施例方式結(jié)合附圖對實際實施的方案給予說明如圖1所示為整個碳納米纖維紙導(dǎo)熱混凝土路面自升溫融雪化冰路面的構(gòu)造圖， 由碳納米纖維紙導(dǎo)熱混凝土路面結(jié)構(gòu)層、智能控制系統(tǒng)和直流給能系統(tǒng)組成。如圖2所示為碳納米纖維紙導(dǎo)熱混凝土路面結(jié)構(gòu)層包括碳納米纖維/水泥基導(dǎo)熱層1，氮化鋁/環(huán)氧樹脂基絕緣封裝層2，碳納米纖維紙高效熱源3，環(huán)氧樹脂絕熱基層4。如圖3所示為碳納米纖維紙熱源電極和導(dǎo)線制備圖，由DAD-87銀導(dǎo)電膠5涂刷成電極，DAD-40粘接膠6粘接銅導(dǎo)線7。如圖4所示為氮化鋁/環(huán)氧基絕緣封裝材料制備圖，與圖3所示熱源封裝成卷材鋪設(shè)使用。如圖5所示為碳納米纖維紙-導(dǎo)熱混凝土路面結(jié)構(gòu)層集成圖包括碳納米纖維/ 水泥基導(dǎo)熱層1，氮化鋁/環(huán)氧樹脂基絕緣封裝層2，碳納米纖維紙高效熱源3和環(huán)氧樹脂絕熱基層4，各單元層獨立制備，統(tǒng)一集成。如圖6所示為碳納米纖維紙-導(dǎo)熱混凝土路面結(jié)構(gòu)層溫度傳感器布設(shè)圖，各界面層布設(shè)K型熱電偶8，監(jiān)測路面系統(tǒng)的溫度場變化。如圖 7所示為集成的碳納米纖維紙導(dǎo)熱混凝土路面自升溫融雪化冰系統(tǒng)圖，由集成的碳納米纖維紙-導(dǎo)熱混凝土路面結(jié)構(gòu)層、智能傳感控制系統(tǒng)以及直流給能系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)獨立封裝、統(tǒng)一集成、高效協(xié)同工作；由布設(shè)的傳感系統(tǒng)得到環(huán)境參數(shù)，通過控制中心計算分析并控制給能系統(tǒng)提供最佳的輸出功率，高效、穩(wěn)定地完成融雪化冰。
權(quán)利要求
1.碳納米纖維紙導(dǎo)熱混凝土路面自升溫融雪化冰路面，包括碳納米纖維紙導(dǎo)熱混凝土路面結(jié)構(gòu)層、智能傳感控制系統(tǒng)和直流給能系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1，碳納米纖維紙導(dǎo)熱混凝土路面結(jié)構(gòu)層采用具有高效電熱特性的碳納米纖維紙作為熱源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2，采用厚度為0.38mm的碳納米纖維紙作為熱源材料，用DAD-87 導(dǎo)電膠制備電極，用DAD-40雙組份粘接膠粘接銅導(dǎo)線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1，碳納米纖維紙導(dǎo)熱混凝土路面結(jié)構(gòu)層采用碳納米纖維/水泥基復(fù)合材料高效導(dǎo)熱層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1和5，碳納米纖維/水泥基復(fù)合材料高效導(dǎo)熱層采用直徑規(guī)格為 200 600nm，純度95%的碳納米纖維作為功能相填料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1，采用微米氮化鋁作為功能相填料，用環(huán)氧樹脂為基體制備環(huán)氧基/ 氮化鋁復(fù)合材料，作為碳納米纖維紙熱源的絕緣封裝材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1和7，制備環(huán)氧樹脂基/氮化鋁復(fù)合材料，組分配比為，環(huán)氧樹脂 促進劑稀釋劑固化劑超細氮化鋁=1000 15 250 400 451。
8.根據(jù)權(quán)利要求1，材料組分配比為，環(huán)氧樹脂促進劑丙酮固化劑= 1000 268 366 ；35制備環(huán)氧樹脂絕熱層。
9.根據(jù)權(quán)利1要求，采用直流給能系統(tǒng)為熱源提供直流電能；用風(fēng)速儀監(jiān)測環(huán)境風(fēng)速， K型熱電偶監(jiān)測環(huán)境溫度，通過基于風(fēng)速、溫度控制參數(shù)影響的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)融雪化冰系統(tǒng)的智能控制。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種碳納米纖維紙導(dǎo)熱混凝土路面自升溫融雪化冰路面。其包括碳納米纖維紙-導(dǎo)熱混凝土路面結(jié)構(gòu)層、智能傳感控制系統(tǒng)以及直流給能系統(tǒng)。路面結(jié)構(gòu)層的構(gòu)造從下往上依次為碳納米纖維紙導(dǎo)熱混凝土路面結(jié)構(gòu)層由環(huán)氧樹脂絕熱基層、碳納米纖維紙高效熱源、氮化鋁/環(huán)氧基導(dǎo)熱絕緣封裝層和碳納米纖維/水泥基導(dǎo)熱層四部。本發(fā)明的有效效果是充分利用碳納米纖維紙熱源材料高效的電熱特性有效解決了熱源電熱熱效率低下等問題，保證熱源高效穩(wěn)定的工作；有效利用水泥基復(fù)合材料的高導(dǎo)熱性能，提高了系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)和熱量利用效率；作為路面結(jié)構(gòu)的一部分以嵌入的方式，有效解決了與路面結(jié)構(gòu)耦合難的問題，為系統(tǒng)應(yīng)用提供了可靠保障。
文檔編號E01C11/26GK102154969SQ20101056470
公開日2011年8月17日 申請日期2010年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月30日
發(fā)明者咸貴軍, 張強強, 李惠, 王小龍, 肖會剛, 郭宗蓮 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)