專利名稱：具有正溫度系數(shù)的導電復合材料和過電流保護元件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有正溫度系數(shù)的導電復合材料，更具體地說，涉及應用于一過電流保護元件的具有正溫度系數(shù)的導電復合材料。本發(fā)明還涉及一種過電流保護元件，其包含所述具有正溫度系數(shù)的導電復合材料。
背景技術：
由于具有正溫度系數(shù)(Positive Temperature CoefficientPTC)特性的導電復合材料的電阻具有對溫度變化反應敏銳的特性，可作為電流傳感元件，且目前已被廣泛應用于過電流保護元件或電路元件上。由于PTC導電復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作。但是，當電路或電池發(fā)生過電流(over-current)或過高溫(over-temperature)的現(xiàn)象時，其電阻值會瞬間提高到一高電阻狀態(tài)(至少104ohm以上)，而將過量的電流反向抵銷，以達到保護電池或電路元件的目的。
一般地說，PTC導電復合材料是由一種或一種以上具有結晶性的聚合物和導電填料所組成，所述導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；而導電填料一般為碳黑、金屬顆粒或無氧陶瓷粉末，例如碳化鈦或碳化鎢等。
所述導電復合材料的導電度視導電填料的種類和含量而定。一般地說，由于碳黑表面呈凹凸狀，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。為有效降低過電流保護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電復合材料的導電填料。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)以陶瓷粉末為導電填料的導電復合材料會另外添加一偶合劑，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。
所述導電復合材料應用于過電流保護元件時，除了在室溫時具有低電阻狀態(tài)外，有關循環(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，以使得所述過電流保護元件在經(jīng)歷多次過電流或過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)的導電復合材料，通過加入兩種在分子尺度下彼此兼容的聚合物和片狀的導電填料，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。
為了達到上述目的，本發(fā)明揭示一種具有正溫度系數(shù)的導電復合材料，包含(a)復數(shù)個聚合物；(b)一種或一種以上導電填料。
在成份(a)中，所述復數(shù)個聚合物為具有結晶性或非結晶性的高分子聚合物，其是選自聚乙烯、高密度聚乙烯、環(huán)氧樹脂、羧基樹脂(carboxylicresin)、聚丙烯、聚辛烯及其共聚物或混合物。使用于成份(a)中的復數(shù)個聚合物在分子尺度上彼此兼容。如果所述復數(shù)個聚合物是采用高密度聚乙烯和環(huán)氧樹脂的混合物或采用高密度聚乙烯和羧基樹脂的混合物，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)氧樹脂或羧基樹脂的體積百分比介于5％到25％之間。
在成份(b)中，所述導電填料可為碳黑、金屬或陶瓷性材質等。如果所述導電填料選擇鎳與導電碳黑的混合物，那么鎳的含量占導電復合材料整體體積的23％到33％，而導電碳黑的含量占導電復合材料整體體積的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，以增加所述導電復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電復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)的導電復合材料。
具體實施例方式
在下述實施例或比較例中所使用的成份如表一表一

實施例1實施例1中所使用的配方成份如表二所示。將批式混煉機(Hakke-600)進料溫度定在160℃，進料時間為2分鐘，進料程序為先加入定量的高密度聚乙烯，攪拌數(shù)秒鐘，再加入導電填料(鎳粉和導電碳黑)?；鞜挋C旋轉的轉速為40rpm。3分鐘之后，將其轉速提高到70rpm，繼續(xù)混煉7分鐘后下料，而形成一具有正溫度系數(shù)特性的導電復合材料。
將上述導電復合材料以上下對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，先預壓3分鐘，預壓操作壓力為50kg/cm2，溫度為180℃。排氣之后進行壓合，壓合時間為3分鐘，壓合壓力控制在100kg/cm2，溫度為180℃，之后再重復一次壓合動作，壓合時間為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構。所述多層結構再進行壓合，壓合時間為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試使用。所述PTC元件10的電阻是以微電阻計四線式方法測量的，其測量結果如表二所示。
實施例2制備PTC元件的步驟與實施例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。本實施例的導電復合材料的配方和PTC元件的電氣特性如表二所示。
實施例3制備PTC元件的步驟與實施例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，加入羧基樹脂(MB-100D)，所述羧基樹脂的體積百分比為10。本實施例的導電復合材料的配方和PTC元件的電氣特性如表二所示。
實施例4制備PTC元件的步驟與實施例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加入羧基樹脂(MB-100D)，且攪拌數(shù)秒后加入偶合劑(Capow-12)，其中所述羧基樹脂的體積百分比為10，偶合劑的體積百分比為3。本實施例的導電復合材料的配方和PTC元件的電氣特性如表二所示。
實施例5制備PTC元件的步驟與實施例3相同，但在加入高密度聚乙烯的同時，加入環(huán)氧樹脂(8840)以取代羧基樹脂，所述環(huán)氧樹脂的體積百分比為10。本實施例的導電復合材料的配方和PTC元件的電氣特性如表二所示。
實施例6制備PTC元件的步驟與實施例4相同，但在加入高密度聚乙烯的同時，加入環(huán)氧樹脂(8840)以取代羧基樹脂，所述環(huán)氧樹脂的體積百分比為10。其導電復合材料的配方和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，導電填料則只含導電碳黑，所述導電碳黑的體積百分比為40。本比較例的導電復合材料的配方和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。本比較例的導電復合材料的配方和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。本比較例的導電復合材料的配方和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)后所測得的電阻率與起始電阻率的比值。
(5)表示元件經(jīng)48小時通電(電壓/電流為7.2V/40A)之后所測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)之后所測得的電阻率與起始電阻率的比值。
(7)表示元件經(jīng)過168次循環(huán)后燒毀。
(8)表示元件經(jīng)過33次循環(huán)后燒毀。
由上述表二的結果可知，在經(jīng)過大電流(40A)的觸發(fā)承受度測試之后，三個比較例均會燒毀，且比較例2和比較例3在經(jīng)100次熱沖擊循環(huán)測試后也斷裂。然而，實施例1到實施例6在經(jīng)過觸發(fā)承受度和熱沖擊循環(huán)測試后仍可正常作用。
比較實施例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(即實施例3所含的高密度聚乙烯和環(huán)氧樹脂、實施例5所含的高密度聚乙烯和羧基樹脂)，其循環(huán)壽命、觸發(fā)承受度或熱沖擊測試的數(shù)據(jù)均優(yōu)于實施例1。同理，比較實施例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施例4和6，其在循環(huán)壽命、觸發(fā)承受度或熱沖擊測試的數(shù)據(jù)也均優(yōu)于實施例2。這是因為聚乙烯樹脂(即環(huán)氧樹脂或羧基樹脂)分子結構的一端的官能團帶有極性，可與鎳粉和導電碳黑附著得很好，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性(homogeneity)，進而具有較好的電氣特性。
本發(fā)明的技術內(nèi)容和技術特點已揭示如上，然而所屬領域的技術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)明的保護范圍應不限于實施例的揭示，而應包括各種不背離本發(fā)明的替換和修飾，并為以下的權利要求書所涵蓋。
權利要求
1.一種具有正溫度系數(shù)的導電復合材料，其特征在于包含復數(shù)個聚合物，其在分子尺度上彼此兼容；和至少一導電填料，其分散于所述復數(shù)個聚合物之中。
2.根據(jù)權利要求1所述的具有正溫度系數(shù)的導電復合材料，其特征在于進一步包含一用以增加所述導電復合材料的電阻均勻度和可加工性的偶合劑。
3.根據(jù)權利要求1所述的具有正溫度系數(shù)的導電復合材料，其特征在于所述復數(shù)個聚合物是選自聚乙烯、高密度聚乙烯、環(huán)氧樹脂、羧基樹脂、聚丙烯、聚辛烯和其共聚物或混合物。
4.根據(jù)權利要求1所述的具有正溫度系數(shù)的導電復合材料，其特征在于所述導電填料為碳黑、金屬或陶瓷性材質。
5.根據(jù)權利要求1所述的具有正溫度系數(shù)的導電復合材料，其特征在于所述導電填料為一鎳粉與一導電碳黑的混合物。
6.根據(jù)權利要求1所述的具有正溫度系數(shù)的導電復合材料，其特征在于所述導電填料是片狀。
7.根據(jù)權利要求5所述的具有正溫度系數(shù)的導電復合材料，其特征在于所述鎳粉的含量占所述導電復合材料整體體積的23％到33％。
8.根據(jù)權利要求5所述的具有正溫度系數(shù)的導電復合材料，其特征在于所述導電碳黑的含量占所述導電復合材料整體體積的5％到25％。
9.根據(jù)權利要求2所述的具有正溫度系數(shù)的導電復合材料，其特征在于所述偶合劑占所述導電復合材料整體體積的0％到5％。
10.一種過電流保護元件，其特征在于包含兩個金屬箔片；和一正溫度系數(shù)材料層，其介于所述兩個金屬箔片之間，包含復數(shù)個聚合物，其在分子尺度上彼此兼容；和至少一導電填料，其分散于所述復數(shù)個聚合物之中。
11.根據(jù)權利要求10所述的過電流保護元件，其特征在于所述復數(shù)個聚合物是選自聚乙烯、高密度聚乙烯、環(huán)氧樹脂、羧基樹脂、聚丙烯、聚辛烯和其共聚物或混合物。
12.根據(jù)權利要求10所述的過電流保護元件，其特征在于所述導電填料為碳黑、金屬或陶瓷性材質。
13.根據(jù)權利要求10所述的過電流保護元件，其特征在于所述導電填料為一鎳粉和一導電碳黑的混合物。
14.根據(jù)權利要求10所述的過電流保護元件，其特征在于所述導電填料為片狀。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種導電復合材料，其包含復數(shù)個聚合物和至少一導電填材。其中所述復數(shù)個聚合物在分子尺度上彼此兼容，且所述導電填材的形狀為片狀而非絲狀。本發(fā)明的導電復合材料比傳統(tǒng)的僅具有單一聚合物成份的導電復合材料具有更好的電氣特性。本發(fā)明還揭示一種過電流保護元件，其包含兩個金屬箔片和一正溫度系數(shù)PTC材料層，所述PTC材料層包含所述導電復合材料。
文檔編號H01C7/02GK1776825SQ20051009011
公開日2006年5月24日 申請日期2005年8月8日 優(yōu)先權日2004年11月19日
發(fā)明者馬云晉, 蔡東成, 陳國勲 申請人:聚鼎科技股份有限公司