專利名稱：具有正溫度系數(shù)的導(dǎo)電復(fù)合材料和過(guò)電流保護(hù)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有正溫度系數(shù)的導(dǎo)電復(fù)合材料，更具體地說(shuō)，涉及應(yīng)用于一過(guò)電流保護(hù)元件的具有正溫度系數(shù)的導(dǎo)電復(fù)合材料。本發(fā)明還涉及一種過(guò)電流保護(hù)元件，其包含所述具有正溫度系數(shù)的導(dǎo)電復(fù)合材料。
背景技術(shù)：
由于具有正溫度系數(shù)(Positive Temperature CoefficientPTC)特性的導(dǎo)電復(fù)合材料的電阻具有對(duì)溫度變化反應(yīng)敏銳的特性，可作為電流傳感元件，且目前已被廣泛應(yīng)用于過(guò)電流保護(hù)元件或電路元件上。由于PTC導(dǎo)電復(fù)合材料在正常溫度下的電阻可維持極低值，使電路或電池得以正常運(yùn)作。但是，當(dāng)電路或電池發(fā)生過(guò)電流(over-current)或過(guò)高溫(over-temperature)的現(xiàn)象時(shí)，其電阻值會(huì)瞬間提高到一高電阻狀態(tài)(至少104ohm以上)，而將過(guò)量的電流反向抵銷，以達(dá)到保護(hù)電池或電路元件的目的。
一般地說(shuō)，PTC導(dǎo)電復(fù)合材料是由一種或一種以上具有結(jié)晶性的聚合物和導(dǎo)電填料所組成，所述導(dǎo)電填料均勻分散于所述聚合物中。所述聚合物一般為聚烯烴類聚合物，例如聚乙烯；而導(dǎo)電填料一般為碳黑、金屬顆粒或無(wú)氧陶瓷粉末，例如碳化鈦或碳化鎢等。
所述導(dǎo)電復(fù)合材料的導(dǎo)電度視導(dǎo)電填料的種類和含量而定。一般地說(shuō)，由于碳黑表面呈凹凸?fàn)?，與聚烯烴類聚合物的附著性更好，所以具有較好的電阻再現(xiàn)性。然而，碳黑所能提供的導(dǎo)電度比金屬顆粒低，而金屬顆粒比重較大，分散較不均勻且易被氧化。為有效降低過(guò)電流保護(hù)元件的電阻值并避免氧化，逐漸趨向以陶瓷粉末作為低阻值導(dǎo)電復(fù)合材料的導(dǎo)電填料。但由于陶瓷粉末不像碳黑具有凹凸表面，與聚烯烴類等聚合物的附著性比碳黑差，所以其電阻再現(xiàn)性也較難控制。為增加聚烯烴類聚合物和金屬顆粒之間的附著性，常規(guī)以陶瓷粉末為導(dǎo)電填料的導(dǎo)電復(fù)合材料會(huì)另外添加一偶合劑，例如酐類化合物或硅烷類化合物，以加強(qiáng)聚烯烴類聚合物與金屬顆粒之間的附著性，然而加入偶合劑后卻不能有效地降低整體的電阻值。
所述導(dǎo)電復(fù)合材料應(yīng)用于過(guò)電流保護(hù)元件時(shí)，除了在室溫時(shí)具有低電阻狀態(tài)外，有關(guān)循環(huán)壽命(cycle life time)、觸發(fā)承受度(trip endurance)和熱沖擊(thermal shock)等電氣特性的需求也必須加以考慮，以使得所述過(guò)電流保護(hù)元件在經(jīng)歷多次過(guò)電流或過(guò)高溫的狀況后仍能保有正溫度系數(shù)的特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的為揭示一種具有正溫度系數(shù)的導(dǎo)電復(fù)合材料，通過(guò)加入兩種在分子尺度下彼此兼容的聚合物和片狀的導(dǎo)電填料，而使其具有優(yōu)異的循環(huán)壽命、觸發(fā)承受度和熱沖擊等特性。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明揭示一種具有正溫度系數(shù)的導(dǎo)電復(fù)合材料，包含(a)復(fù)數(shù)個(gè)聚合物；(b)一種或一種以上導(dǎo)電填料。
在成份(a)中，所述復(fù)數(shù)個(gè)聚合物為具有結(jié)晶性或非結(jié)晶性的高分子聚合物，其是選自聚乙烯、高密度聚乙烯、環(huán)氧樹(shù)脂、羧基樹(shù)脂(carboxylicresin)、聚丙烯、聚辛烯及其共聚物或混合物。使用于成份(a)中的復(fù)數(shù)個(gè)聚合物在分子尺度上彼此兼容。如果所述復(fù)數(shù)個(gè)聚合物是采用高密度聚乙烯和環(huán)氧樹(shù)脂的混合物或采用高密度聚乙烯和羧基樹(shù)脂的混合物，那么高密度聚乙烯所占的體積百分比介于40％到70％之間，而環(huán)氧樹(shù)脂或羧基樹(shù)脂的體積百分比介于5％到25％之間。
在成份(b)中，所述導(dǎo)電填料可為碳黑、金屬或陶瓷性材質(zhì)等。如果所述導(dǎo)電填料選擇鎳與導(dǎo)電碳黑的混合物，那么鎳的含量占導(dǎo)電復(fù)合材料整體體積的23％到33％，而導(dǎo)電碳黑的含量占導(dǎo)電復(fù)合材料整體體積的5％到25％。上述鎳的形狀為片狀(flake)而非絲狀(filamentary)。
除了成份(a)、(b)外，可再加入一偶合劑，以增加所述導(dǎo)電復(fù)合材料的電阻均勻度(resistance uniformity)和可加工性(processibility)。上述偶合劑的含量占導(dǎo)電復(fù)合材料整體體積的體積百分比介于0到5％之間。


圖1示范一PTC元件包含本發(fā)明的具有正溫度系數(shù)的導(dǎo)電復(fù)合材料。
具體實(shí)施例方式
在下述實(shí)施例或比較例中所使用的成份如表一表一

實(shí)施例1實(shí)施例1中所使用的配方成份如表二所示。將批式混煉機(jī)(Hakke-600)進(jìn)料溫度定在160℃，進(jìn)料時(shí)間為2分鐘，進(jìn)料程序?yàn)橄燃尤攵康母呙芏染垡蚁瑪嚢钄?shù)秒鐘，再加入導(dǎo)電填料(鎳粉和導(dǎo)電碳黑)?；鞜挋C(jī)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速為40rpm。3分鐘之后，將其轉(zhuǎn)速提高到70rpm，繼續(xù)混煉7分鐘后下料，而形成一具有正溫度系數(shù)特性的導(dǎo)電復(fù)合材料。
將上述導(dǎo)電復(fù)合材料以上下對(duì)稱方式置入外層為鋼板，中間厚度為0.25mm的模具中，模具上下各置一層鐵弗龍脫模布，先預(yù)壓3分鐘，預(yù)壓操作壓力為50kg/cm2，溫度為180℃。排氣之后進(jìn)行壓合，壓合時(shí)間為3分鐘，壓合壓力控制在100kg/cm2，溫度為180℃，之后再重復(fù)一次壓合動(dòng)作，壓合時(shí)間為3分鐘，壓合壓力控制在150kg/cm2，溫度為180℃，之后形成一PTC材料層11(參圖1)。將所述PTC材料層11裁切成20×20cm2的正方形，再利用壓合在所述PTC材料層11上下表面分別形成一金屬箔片12，其是在所述PTC材料層11表面以上下對(duì)稱方式依序覆蓋金屬箔片12、壓合專用緩沖材、鐵弗龍脫模布和鋼板而形成一多層結(jié)構(gòu)。所述多層結(jié)構(gòu)再進(jìn)行壓合，壓合時(shí)間為3分鐘，操作壓力為70kg/cm2，溫度為180℃。之后，以模具沖切形成6.5×3.5mm的PTC元件10，以供隨后的電氣特性測(cè)試使用。所述PTC元件10的電阻是以微電阻計(jì)四線式方法測(cè)量的，其測(cè)量結(jié)果如表二所示。
實(shí)施例2制備PTC元件的步驟與實(shí)施例1相同，但將高密度聚乙烯的體積百分比由57降為54。另外在加入高密度聚乙烯步驟和加入導(dǎo)電填料步驟之間，加入偶合劑(Capow-12)。加入所述偶合劑的前后均需攪拌數(shù)秒鐘。所述偶合劑的體積百分比為3。本實(shí)施例的導(dǎo)電復(fù)合材料的配方和PTC元件的電氣特性如表二所示。
實(shí)施例3制備PTC元件的步驟與實(shí)施例1相同，但將高密度聚乙烯的體積百分比由57降為47。另外在加入高密度聚乙烯的同時(shí)，加入羧基樹(shù)脂(MB-100D)，所述羧基樹(shù)脂的體積百分比為10。本實(shí)施例的導(dǎo)電復(fù)合材料的配方和PTC元件的電氣特性如表二所示。
實(shí)施例4制備PTC元件的步驟與實(shí)施例3相同，但將高密度聚乙烯的體積百分比由47降為44。同樣地，在加入高密度聚乙烯的同時(shí)加入羧基樹(shù)脂(MB-100D)，且攪拌數(shù)秒后加入偶合劑(Capow-12)，其中所述羧基樹(shù)脂的體積百分比為10，偶合劑的體積百分比為3。本實(shí)施例的導(dǎo)電復(fù)合材料的配方和PTC元件的電氣特性如表二所示。
實(shí)施例5制備PTC元件的步驟與實(shí)施例3相同，但在加入高密度聚乙烯的同時(shí)，加入環(huán)氧樹(shù)脂(8840)以取代羧基樹(shù)脂，所述環(huán)氧樹(shù)脂的體積百分比為10。本實(shí)施例的導(dǎo)電復(fù)合材料的配方和PTC元件的電氣特性如表二所示。
實(shí)施例6制備PTC元件的步驟與實(shí)施例4相同，但在加入高密度聚乙烯的同時(shí)，加入環(huán)氧樹(shù)脂(8840)以取代羧基樹(shù)脂，所述環(huán)氧樹(shù)脂的體積百分比為10。其導(dǎo)電復(fù)合材料的配方和PTC元件的電氣特性如表二所示。
比較例1制備PTC元件的步驟與實(shí)施例1相同，但將高密度聚乙烯的體積百分比由57增為60，導(dǎo)電填料則只含導(dǎo)電碳黑，所述導(dǎo)電碳黑的體積百分比為40。本比較例的導(dǎo)電復(fù)合材料的配方和PTC元件的電氣特性如表二所示。
比較例2制備PTC元件的步驟與實(shí)施例1相同，但將高密度聚乙烯的體積百分比由57增為72，導(dǎo)電填料則只含鎳粉，所述鎳粉的體積百分比為28。本比較例的導(dǎo)電復(fù)合材料的配方和PTC元件的電氣特性如表二所示。
比較例3制備PTC元件的步驟與實(shí)施例2相同，但將高密度聚乙烯的體積百分比由54增為69，導(dǎo)電填料則只含鎳粉，所述鎳粉的體積百分比為28。本比較例的導(dǎo)電復(fù)合材料的配方和PTC元件的電氣特性如表二所示。另外，本比較例添加體積百分比為3的偶合劑。
表二


注(1)各成份是以體積百分比(vol％)表示。
(2)起始電阻率(initial resistivity)。
(3)元件觸發(fā)后1小時(shí)的電阻率。
(4)元件通電(電壓/電流為6V/40A)持續(xù)10秒之后，斷電持續(xù)60秒，此為一循環(huán)。ρ400/ρ0表示元件經(jīng)400次循環(huán)后所測(cè)得的電阻率與起始電阻率的比值。
(5)表示元件經(jīng)48小時(shí)通電(電壓/電流為7.2V/40A)之后所測(cè)得的電阻率與起始電阻率的比值。
(6)元件置于-40℃持續(xù)30分鐘，之后置于80℃持續(xù)30分鐘，此為一熱沖擊循環(huán)。ρ100/ρ0表示元件經(jīng)100次熱沖擊循環(huán)之后所測(cè)得的電阻率與起始電阻率的比值。
(7)表示元件經(jīng)過(guò)168次循環(huán)后燒毀。
(8)表示元件經(jīng)過(guò)33次循環(huán)后燒毀。
由上述表二的結(jié)果可知，在經(jīng)過(guò)大電流(40A)的觸發(fā)承受度測(cè)試之后，三個(gè)比較例均會(huì)燒毀，且比較例2和比較例3在經(jīng)100次熱沖擊循環(huán)測(cè)試后也斷裂。然而，實(shí)施例1到實(shí)施例6在經(jīng)過(guò)觸發(fā)承受度和熱沖擊循環(huán)測(cè)試后仍可正常作用。
比較實(shí)施例1、3和5，可發(fā)現(xiàn)后兩者因含有兩種在分子尺度下彼此兼容的聚合物(即實(shí)施例3所含的高密度聚乙烯和環(huán)氧樹(shù)脂、實(shí)施例5所含的高密度聚乙烯和羧基樹(shù)脂)，其循環(huán)壽命、觸發(fā)承受度或熱沖擊測(cè)試的數(shù)據(jù)均優(yōu)于實(shí)施例1。同理，比較實(shí)施例2、4和6，可發(fā)現(xiàn)含有兩種在分子尺度下彼此兼容的聚合物的實(shí)施例4和6，其在循環(huán)壽命、觸發(fā)承受度或熱沖擊測(cè)試的數(shù)據(jù)也均優(yōu)于實(shí)施例2。這是因?yàn)榫垡蚁?shù)脂(即環(huán)氧樹(shù)脂或羧基樹(shù)脂)分子結(jié)構(gòu)的一端的官能團(tuán)帶有極性，可與鎳粉和導(dǎo)電碳黑附著得很好，而另一端則和高密度聚乙烯分子可彼此兼容，因此具有較好的同質(zhì)性(homogeneity)，進(jìn)而具有較好的電氣特性。
本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容和技術(shù)特點(diǎn)已揭示如上，然而所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員仍可能基于本發(fā)明的教示和揭示而作種種不背離本發(fā)明精神的替換和修飾。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)不限于實(shí)施例的揭示，而應(yīng)包括各種不背離本發(fā)明的替換和修飾，并為以下的權(quán)利要求書所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種具有正溫度系數(shù)的導(dǎo)電復(fù)合材料，其特征在于包含復(fù)數(shù)個(gè)聚合物，其在分子尺度上彼此兼容；和至少一導(dǎo)電填料，其分散于所述復(fù)數(shù)個(gè)聚合物之中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有正溫度系數(shù)的導(dǎo)電復(fù)合材料，其特征在于進(jìn)一步包含一用以增加所述導(dǎo)電復(fù)合材料的電阻均勻度和可加工性的偶合劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有正溫度系數(shù)的導(dǎo)電復(fù)合材料，其特征在于所述復(fù)數(shù)個(gè)聚合物是選自聚乙烯、高密度聚乙烯、環(huán)氧樹(shù)脂、羧基樹(shù)脂、聚丙烯、聚辛烯和其共聚物或混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有正溫度系數(shù)的導(dǎo)電復(fù)合材料，其特征在于所述導(dǎo)電填料為碳黑、金屬或陶瓷性材質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有正溫度系數(shù)的導(dǎo)電復(fù)合材料，其特征在于所述導(dǎo)電填料為一鎳粉與一導(dǎo)電碳黑的混合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有正溫度系數(shù)的導(dǎo)電復(fù)合材料，其特征在于所述導(dǎo)電填料是片狀。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有正溫度系數(shù)的導(dǎo)電復(fù)合材料，其特征在于所述鎳粉的含量占所述導(dǎo)電復(fù)合材料整體體積的23％到33％。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有正溫度系數(shù)的導(dǎo)電復(fù)合材料，其特征在于所述導(dǎo)電碳黑的含量占所述導(dǎo)電復(fù)合材料整體體積的5％到25％。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有正溫度系數(shù)的導(dǎo)電復(fù)合材料，其特征在于所述偶合劑占所述導(dǎo)電復(fù)合材料整體體積的0％到5％。
10.一種過(guò)電流保護(hù)元件，其特征在于包含兩個(gè)金屬箔片；和一正溫度系數(shù)材料層，其介于所述兩個(gè)金屬箔片之間，包含復(fù)數(shù)個(gè)聚合物，其在分子尺度上彼此兼容；和至少一導(dǎo)電填料，其分散于所述復(fù)數(shù)個(gè)聚合物之中。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的過(guò)電流保護(hù)元件，其特征在于所述復(fù)數(shù)個(gè)聚合物是選自聚乙烯、高密度聚乙烯、環(huán)氧樹(shù)脂、羧基樹(shù)脂、聚丙烯、聚辛烯和其共聚物或混合物。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的過(guò)電流保護(hù)元件，其特征在于所述導(dǎo)電填料為碳黑、金屬或陶瓷性材質(zhì)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的過(guò)電流保護(hù)元件，其特征在于所述導(dǎo)電填料為一鎳粉和一導(dǎo)電碳黑的混合物。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的過(guò)電流保護(hù)元件，其特征在于所述導(dǎo)電填料為片狀。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種導(dǎo)電復(fù)合材料，其包含復(fù)數(shù)個(gè)聚合物和至少一導(dǎo)電填材。其中所述復(fù)數(shù)個(gè)聚合物在分子尺度上彼此兼容，且所述導(dǎo)電填材的形狀為片狀而非絲狀。本發(fā)明的導(dǎo)電復(fù)合材料比傳統(tǒng)的僅具有單一聚合物成份的導(dǎo)電復(fù)合材料具有更好的電氣特性。本發(fā)明還揭示一種過(guò)電流保護(hù)元件，其包含兩個(gè)金屬箔片和一正溫度系數(shù)PTC材料層，所述PTC材料層包含所述導(dǎo)電復(fù)合材料。
文檔編號(hào)H01C7/02GK1776825SQ20051009011
公開(kāi)日2006年5月24日 申請(qǐng)日期2005年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月19日
發(fā)明者馬云晉, 蔡?hào)|成, 陳國(guó)勲 申請(qǐng)人:聚鼎科技股份有限公司