專利名稱：一種具有正溫度系數(shù)特性的ptc芯材及其制造和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高分子正溫度系數(shù)導(dǎo)電材料及其制備和應(yīng)用，尤其涉及一種具有正溫度系數(shù)特性的PTC芯材及其相應(yīng)的制備和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
功能高分子材料是目前材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)，具有PTC 特性的高分子復(fù)合導(dǎo)電材料便是其中的佼佼者，迄今學(xué)術(shù)界產(chǎn)業(yè)界都在踴躍地對(duì)它進(jìn)行研究開發(fā)。所謂高分子PTC復(fù)合導(dǎo)電材料，就是具有PTC(positive temperature coefficient “正溫度系數(shù)”)電阻特性的高分子復(fù)合導(dǎo)電材料。也就是說(shuō)，在一定的溫度范圍內(nèi)，這種導(dǎo)電材料自身的電阻率會(huì)隨溫度的升高而增大。這種高分子PTC材料由高分子材料填充導(dǎo)電粒子復(fù)合而成。所述的高分子材料包括熱固性聚合物和熱塑性聚合物，熱塑性聚合物包括聚乙烯、乙烯-丙烯酸甲酯共聚物、乙烯-醋酸乙烯共聚物、乙烯-丙烯酸共聚物、聚偏氟乙烯、聚三氟氯乙烯等；熱固性聚合物主要有環(huán)氧樹脂。導(dǎo)電粒子包括碳黑、金屬粉末以及其他一些導(dǎo)電性良好的粉末狀物質(zhì)。利用高分子PTC復(fù)合導(dǎo)電材料制成高分子過(guò)流過(guò)溫保護(hù)元件，可以作為電路的過(guò)流過(guò)溫保護(hù)裝置。其串聯(lián)在電路中使用，電路正常工作時(shí)，通過(guò)高分子過(guò)流過(guò)溫保護(hù)元件的電流較低，其溫度較低，呈現(xiàn)低電阻狀態(tài)，不會(huì)影響電路正常工作。而當(dāng)由電路故障引起的大電流通過(guò)此高分子過(guò)流過(guò)溫保護(hù)元件時(shí)，其溫度會(huì)突然升高，引起其自身電阻值驟然變大，這樣就使電路呈現(xiàn)近似斷路狀態(tài)，從而起到保護(hù)電路作用。當(dāng)故障排除后，高分子過(guò)流過(guò)溫保護(hù)元件的溫度下降，其電阻值又可恢復(fù)到低阻值狀態(tài)。因此，其實(shí)這是一種可以自動(dòng)恢復(fù)的保險(xiǎn)絲，已廣泛地應(yīng)用到計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、汽車電子、家用及工業(yè)控制電器設(shè)備等領(lǐng)域中。目前已有不少專利公開了這類材料的組成及制備方法，如美國(guó)專利5880668、4237441、4545926，歐洲專利198598、224903等。為了提高材料的穩(wěn)定性，需要利用電子束輻照對(duì)高分子材料交聯(lián)處理。因輻照交聯(lián)存在著高分子鍵斷裂老化等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)干擾電器設(shè)備的正常工作，故需尋找新的交聯(lián)方法。化學(xué)交聯(lián)聚乙烯是采用化學(xué)交聯(lián)劑使聚合物產(chǎn)生交聯(lián)，由線性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。交聯(lián)劑可以選擇有機(jī)過(guò)氧化物，如選擇到合適的交聯(lián)劑，交聯(lián)率高，交聯(lián)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；加工安全性大，使用方便，交聯(lián)時(shí)機(jī)可控，無(wú)過(guò)早或過(guò)晚交聯(lián)之弊；不影響制品的加工性能和使用性能；無(wú)毒、不污染、不刺激皮膚和眼睛。比起電子輻照交聯(lián)，效率高速度快，大大減少了人工成本和生產(chǎn)成本。目前常用的化學(xué)交聯(lián)方式是將聚合物、填料、交聯(lián)劑等一起在混煉設(shè)備中熔融混合，在此過(guò)程中交聯(lián)劑受熱分解出活性自由基引發(fā)聚合物交聯(lián)反應(yīng)，混煉結(jié)束時(shí)，交聯(lián)反應(yīng)也基本完成。這對(duì)于高分子PTC材料加工不是很適合，因?yàn)楦叻肿覲TC材料最好在貼覆金屬箔電極后再進(jìn)行交聯(lián)，否則會(huì)影響金屬箔電極的貼覆效果，降低產(chǎn)品的電性能。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種高分子PTC芯材及其制備和應(yīng)用，本發(fā)明通過(guò)加入一過(guò)氧化物，使所述高分子正溫度系數(shù)的導(dǎo)電芯材具有優(yōu)越的電性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性；本發(fā)明方法不僅提高過(guò)電流保護(hù)元件耐電流沖擊性能，還可避免利用輻射交聯(lián)易造成降解及產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力等缺點(diǎn)，效率高、成本低。為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案一種過(guò)電流保護(hù)元件用且具有正溫度系數(shù)特性的PTC芯材，所述PTC芯材由兩片金屬箔電極以及夾在所述兩片金屬箔電極之間的高分子正溫度系數(shù)導(dǎo)電材料復(fù)合構(gòu)成，所述高分子正溫度系數(shù)導(dǎo)電材料至少由下列組分及體積百分比的原料復(fù)合而成高分子聚合物25.5-29.5%;導(dǎo)電填料60-72%; 過(guò)氧化物交聯(lián)劑0.05-5%;偶聯(lián)劑0.5-10%;所述導(dǎo)電填料、過(guò)氧化物交聯(lián)劑、偶聯(lián)劑均勻分布在所述高分子聚合物中。優(yōu)選的，所述高分子正溫度系數(shù)導(dǎo)電材料至少由下列組分及其體積百分比的原料復(fù)合而成高分子聚合物25.5-28%;導(dǎo)電填料65-70% ；過(guò)氧化物交聯(lián)劑1-5%;偶聯(lián)劑0.5-4%。較佳的，所述高分子聚合物選自聚乙烯、乙烯-丙烯酸甲酯共聚物、乙烯-醋酸乙烯共聚物、乙烯-丙烯酸共聚物、聚偏氟乙烯、聚三氟氯乙烯等，優(yōu)選高密度聚乙烯。較佳的，所述導(dǎo)電填料為導(dǎo)電陶瓷粉，為IVB、VB、VIB族金屬氮化物或碳化物，或者它們的固溶物或混合物。優(yōu)選的，所述導(dǎo)電填料為碳化鈦或碳化鎢。進(jìn)一步的，所述碳化鈦的粒徑優(yōu)選為2-4um ;所述碳化鎢的粒徑優(yōu)選為3-6um。較佳的，所述偶聯(lián)劑為鈦酸酯偶聯(lián)劑或硅烷偶聯(lián)劑。其中鈦酸酯偶聯(lián)劑可采用市場(chǎng)上現(xiàn)有的鈦酸酯偶聯(lián)劑。較佳的，所述過(guò)氧化物交聯(lián)劑的安全可加工溫度大于130°C，1分鐘半衰溫度在160-200°C之間。進(jìn)一步的，所述過(guò)氧化物交聯(lián)劑為1，3-雙(叔丁過(guò)氧異丙基)苯(即BIPB)、2，5_ 二甲基-2，5-雙(過(guò)氧化叔丁基)己烷(即雙二五)、2，5-二甲基-2，5-二叔丁基過(guò)氧基-3-已炔(即DYBP)或過(guò)氧化叔丁基異丙苯(即BCHP)。要求過(guò)氧化物交聯(lián)劑的安全可加工溫度大于130°C，I分鐘半衰溫度在160-200°C。本發(fā)明具有正溫度系數(shù)特性的PTC芯材的具體制造方法，包括如下步驟(I)按照配比將高分子聚合物放入密煉機(jī)塑化后，加入導(dǎo)電填料及偶聯(lián)劑進(jìn)行熔融共混；出料后用開煉機(jī)塑化，并加入過(guò)氧化物交聯(lián)劑混煉，控制開煉機(jī)溫度不大于過(guò)氧化物安全加工溫度，然后拉片得到一定厚度的片材，即為所述的高分子正溫度系數(shù)導(dǎo)電材料。(2)將獲得的片材的兩側(cè)貼敷金屬箔電極，利用平板硫化機(jī)壓合，壓合溫度不低于所用過(guò)氧化物交聯(lián)劑的I分鐘半衰溫度，即得到所述具有正溫度系數(shù)特性的PTC芯材。
較佳的，步驟(I)中，密煉機(jī)的溫度控制為160-180° C。較佳的，步驟(2)中，所述過(guò)氧化物交聯(lián)劑的安全加工溫度不低于130°C，1分鐘半衰溫度在160-200°C。較佳的，步驟(2)中，壓合的時(shí)間為3-10分鐘。本發(fā)明還提供了一種過(guò)流過(guò)溫保護(hù)元件或過(guò)電流保護(hù)元件，包括上述的具有正溫度系數(shù)特性的PTC芯材。本發(fā)明還提供了上述的具有正溫度系數(shù)特性的PTC芯材在過(guò)電流保護(hù)元件中的應(yīng)用。與常規(guī)的輻照交聯(lián)具有正溫度系數(shù)導(dǎo)電材料相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)·I、不需使用電子束輻照，所以在PTC導(dǎo)電材料中不會(huì)造成高分子鍵斷裂老化現(xiàn)象。2、不需使用鈷源放射輻照，所以其制備所需時(shí)間很短，因此可以大幅度提升生產(chǎn)速度。3、電子束輻照和鈷源放射輻照或多或少會(huì)受到其他物件遮蔽而產(chǎn)生照射不均勻的問(wèn)題，本發(fā)明則不存在不均勻的缺陷。與常規(guī)化學(xué)交聯(lián)方式相比，本發(fā)明由于交聯(lián)過(guò)程是在金屬箔電極在壓合過(guò)程進(jìn)行的，不影響產(chǎn)品的最終電性能。本發(fā)明的具有正溫度系數(shù)元件經(jīng)耐流性能測(cè)試后，芯片電阻變化小，R100/R0只有2-9倍，且高低溫循環(huán)壽命和環(huán)境測(cè)試非常穩(wěn)定，利用上述導(dǎo)電復(fù)合材料所制備的PTC芯材不僅有較好的循環(huán)壽命，而且也有較好的耐環(huán)境性能。另外導(dǎo)電復(fù)合材料所使用的過(guò)氧化物可增強(qiáng)聚合物、導(dǎo)電填料與電極之間的粘接性能，使其電阻再現(xiàn)性增加。
具體實(shí)施例方式以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的具體實(shí)施方式
加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。在下述比較例或?qū)嵤├?-4中所使用的原料成份如表一所示。比較例比較例配方如表一和表二所示，首先將密煉機(jī)進(jìn)料設(shè)定在160°C，先加入高密度聚乙烯，轉(zhuǎn)速為15rpm，預(yù)煉2min后，再加入陶瓷粉和硅烷偶聯(lián)劑，混煉機(jī)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速為30rpm, 3分鐘后，將其轉(zhuǎn)速提高至60rpm，繼續(xù)混煉10鐘后下料，形成一具有正溫度系數(shù)特性的導(dǎo)電復(fù)合材料。接著，將所述導(dǎo)電復(fù)合材料在開煉機(jī)上塑化，不加過(guò)氧化物，再拉成10*20mm薄片，冷卻后置入中間厚度為0. 35-0. 37mm模具中，PTC板材上下表面置一鎳箔片，再上下層置一聚酯膜布，再壓上鋼板，先預(yù)熱5分鐘，再壓合10分鐘，操作壓力為IOOkg/cm2，溫度為160°C，經(jīng)此第一次壓合之后形成一具有正溫度系數(shù)特性的PTC芯材。接著將所述PTC芯材裁成20*10cm2的長(zhǎng)方形,之后以模具沖切成面積3mm*4_的芯片，再在芯片兩端焊上引腳16mm*2. 5mm用做過(guò)電流保護(hù)元件，以供后續(xù)的電氣特性測(cè)試使用。表一(比較例和實(shí)施例的原料來(lái)源)
權(quán)利要求
1.一種過(guò)電流保護(hù)元件用PTC芯材，由兩片金屬箔電極以及夾在所述兩片金屬箔電極之間的高分子正溫度系數(shù)導(dǎo)電材料復(fù)合構(gòu)成，所述高分子正溫度系數(shù)導(dǎo)電材料至少由下列組分及體積百分比的原料復(fù)合而成 高分子聚合物25. 5-29. 5% ； 導(dǎo)電填料60-72% ； 過(guò)氧化物交聯(lián)劑 0. 05-5% ； 偶聯(lián)劑0. 5-10% ； 所述導(dǎo)電填料、過(guò)氧化物交聯(lián)劑、偶聯(lián)劑均勻分布在所述高分子聚合物中。
2.如權(quán)利要求I所述的過(guò)電流保護(hù)元件用PTC芯材，其特征在于，所述高分子正溫度系數(shù)導(dǎo)電材料至少由下列組分及其體積百分比的原料復(fù)合而成 高分子聚合物25. 5-28% ； 導(dǎo)電填料65-70% ； 過(guò)氧化物交聯(lián)劑 1-5% ； 偶聯(lián)劑0. 5-4%。
3.如權(quán)利要求I所述的過(guò)電流保護(hù)元件用PTC芯材，其特征在于，所述高分子聚合物選自聚乙烯、乙烯-丙烯酸甲酯共聚物、乙烯-醋酸乙烯共聚物、乙烯-丙烯酸共聚物、聚偏氟乙烯和聚三氟氯乙烯。
4.如權(quán)利要求I或3所述的過(guò)電流保護(hù)元件用PTC芯材，其特征在于，所述導(dǎo)電填料為導(dǎo)電陶瓷粉，所述導(dǎo)電陶瓷粉為IVB、VB、VIB族金屬氮化物或碳化物，或者它們的固溶物或混合物。
5.如權(quán)利要求4所述的過(guò)電流保護(hù)元件用PTC芯材，其特征在于，所述高分子聚合物選自高密度聚乙烯；所述導(dǎo)電填料為碳化鈦或碳化鎢。
6.如權(quán)利要求5所述的過(guò)電流保護(hù)元件用PTC芯材，其特征在于，所述碳化鈦的粒徑為2-4um ;所述碳化鶴的粒徑為3-6um。
7.如權(quán)利要求I所述的過(guò)電流保護(hù)元件用PTC芯材，其特征在于，所述偶聯(lián)劑為鈦酸酯偶聯(lián)劑或硅烷偶聯(lián)劑。
8.如權(quán)利要求I所述的過(guò)電流保護(hù)元件用PTC芯材，其特征在于，所述過(guò)氧化物交聯(lián)劑為1，3-雙(叔丁過(guò)氧異丙基)苯、2，5-二甲基-2，5-雙(過(guò)氧化叔丁基)己烷、2，5_ 二甲基_2，5- 二叔丁基過(guò)氧基-3-已塊或過(guò)氧化叔丁基異丙苯。
9.如權(quán)利要求I或8所述的過(guò)電流保護(hù)元件用PTC芯材，其特征在于，所述過(guò)氧化物交聯(lián)劑的安全可加工溫度大于130°C，I分鐘半衰溫度在160-200°C之間。
10.如權(quán)利要求1-9任一所述的過(guò)電流保護(hù)元件用PTC芯材的制造方法，包括如下步驟 (1)按照配比將高分子聚合物放入密煉機(jī)塑化后，加入導(dǎo)電填料及偶聯(lián)劑進(jìn)行熔融共混；出料后用開煉機(jī)塑化，并加入過(guò)氧化物交聯(lián)劑混煉，控制開煉機(jī)溫度不大于過(guò)氧化物安全加工溫度，然后拉片得到片材，即為所述的高分子正溫度系數(shù)導(dǎo)電材料； (2)將獲得的片材的兩側(cè)貼敷金屬箔電極，利用平板硫化機(jī)壓合，壓合溫度不低于所用過(guò)氧化物交聯(lián)劑的I分鐘半衰溫度，即得到所述具有正溫度系數(shù)特性的PTC芯材。
11.如權(quán)利要求10所述的過(guò)電流保護(hù)元件用PTC芯材的制造方法，其特征在于，步驟(I)中，密煉機(jī)的溫度控制為160-180° C ;步驟(2)中，所述過(guò)氧化物交聯(lián)劑的安全可加工溫度不低于130°C，I分鐘半衰溫度在160-200°C。
12.一種過(guò)流過(guò)溫保護(hù)元件或過(guò)電流保護(hù)元件，包括權(quán)利要求1-9任一所述的過(guò)電流保護(hù)元件用PTC芯材。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種過(guò)電流保護(hù)元件用且具有正溫度系數(shù)特性的PTC芯材及其制備和應(yīng)用。本發(fā)明PTC芯材由兩片金屬箔電極以及夾在兩片金屬箔電極之間的高分子正溫度系數(shù)導(dǎo)電材料復(fù)合構(gòu)成，高分子正溫度系數(shù)導(dǎo)電材料至少由下列組分及體積百分比的原料復(fù)合而成高分子聚合物25.5-29.5%；導(dǎo)電填料60-72%；過(guò)氧化物交聯(lián)劑0.05-5%；偶聯(lián)劑0.5-10%；所述導(dǎo)電填料、過(guò)氧化物交聯(lián)劑、偶聯(lián)劑均勻分布在高分子聚合物中。本發(fā)明PTC芯材電阻變化小，R100/R0只有2-9倍，且高低溫循環(huán)壽命和環(huán)境測(cè)試非常穩(wěn)定，不僅提高過(guò)電流保護(hù)元件電流特性，還可避免利用輻射交聯(lián)易造成降解及產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力等缺點(diǎn)，效率高、成本低。
文檔編號(hào)H01C7/02GK102723153SQ20121020626
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月20日
發(fā)明者任井柱, 侯李明, 史宇正, 張愛(ài)麗 申請(qǐng)人:上海神沃電子有限公司