CN101556852A - 一种高分子热敏电阻元器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高分子热敏电阻元器件，包括PTC芯片和两金属箔电极层，PTC芯片包括具有正温度系数特性的导电复合材料层和分别涂覆于导电复合材料层的两面的两导电涂料层，两金属箔电极层分别贴覆在两导电涂料层上，较佳地，导电涂料层是10％～30％丙烯酸酯聚合物和70％～90％导电金属粉共混层，导电涂料层的厚度为2μm～15μm，导电复合材料层为结晶性聚合物和导电填料共混层，两引出电极分别固定在两金属箔电极层的外表面上，还提供了上述高分子热敏电阻元器件的制备方法，本发明的高分子热敏电阻元器件设计巧妙，具有低电阻、良好的电阻恢复性和PTC效应回复性，提高了器件的安全可靠性和使用寿命，且生产简单、效率高。

Description

一种高分子热敏电阻元器件及其制造方法

技术领域

本发明涉及电阻元器件技术领域，特别涉及热敏电阻元器件技术领域，具体是指一种高分子热敏电阻元器件及其制造方法。

背景技术

近年来，正温度系数高分子热敏电阻元器件广泛应用于通信线路中进行过流过温保护，特别是用于手机的锂电池线路保护上的过流保护器件，需要作为保护用的高分子热敏电阻元器件具有电阻小，动作后快速恢复到初始电阻值，即电阻重复性高，PTC效应的回复性好的特点。

在正常条件下，在电路中高分子热敏电阻元器件保持在低温、低电阻状态。一旦在过电流或过热条件下时，高分子热敏电阻元器件的电阻就迅速升高，从而有效的切断电路中流到负载上的电流。高分子热敏电阻在阻断电流前具有初始电阻值，在阻断电流过后具有后继阻值。由于该通信线路中该器件一般串联在线路中，就要求该器件的初始电阻值尽可能低，以便在正常工作期间使其对电路的电阻影响最小化。另一方面也希望该器件经过反复的动作后的后继阻值仍然具有较小的电阻和较好的PTC效应。特别是3G手机锂电池用高分子热敏电阻其电阻率一般都在0.5Ω.cm以下。一般来讲；高分子热敏电阻元器件的电阻主要由构成PTC芯片的电阻和PTC芯片和金属镍电极之间的接触电阻构成。锂电池用高分子热敏电阻中其PTC芯片电阻率已经很小，这时PTC芯片和金属镍箔电极之间的接触电阻在其中的影响就显著上升。如果PTC芯片和金属镍箔电极之间的接触不良，将导致高分子热敏电阻元器件的初始电阻偏大，导致初始电阻不合格；同时，由于PTC芯片和金属箔镍电极仅仅通过有机材料和金属材料之间的物理接触，如果高分子热敏电阻元器件反复动作，PTC芯片和金属箔镍电极之间由于热膨胀差异产生的机械应力会导致这种接触不良继续扩大，使高分子热敏电阻元器件后继阻值增加的很快，导致高分子热敏电阻元器件的电阻恢复性变差，高分子热敏电阻元器件使用寿命缩短。

通过增加和PTC芯片接触的金属箔电极的表面的表面粗糙度，能够减小接触电阻，但在PTC芯片和金属箔电极之间也仅仅增加物理接触，仍然具有较多的气泡；接触电阻不能降低到理想的要求，要想继续降低接触电阻，采用现有的技术来提高金属镀镍箔电极的表面粗糙度存在困难。

在此，为适应上述具有3G锂电池用高分子热敏电阻元器件的低电阻和良好的电阻恢复性的要求，对降低PTC芯片和金属箔电极之间的接触电阻的方法进行了研究，以期提供一种高分子热敏电阻元器件，其具有低电阻、良好的电阻恢复性和PTC效应回复性。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种高分子热敏电阻元器件及其制造方法，该高分子热敏电阻元器件设计巧妙，具有低电阻、良好的电阻恢复性和PTC效应回复性，提高了器件的安全可靠性和使用寿命，且生产简单、效率高。

为了实现上述目的，在本发明的第一方面，提供了一种高分子热敏电阻元器件，包括PTC芯片和分别贴覆在所述PTC芯片的两面的两金属箔电极层，其特点是，所述PTC芯片包括具有正温度系数(PTC)特性的导电复合材料层和分别涂覆于所述导电复合材料层的两面的两导电涂料层，两所述金属箔电极层分别贴覆在两所述导电涂料层上。

较佳地，所述导电涂料层是丙烯酸脂聚合物和导电金属粉共混层，其中，按重量计，所述丙烯酸脂聚合物占10％～30％，所述导电金属粉占70％～90％。

更佳地，所述丙烯酸脂聚合物是甲基丙烯酸树脂，所述导电金属粉是导电金属镍粉(Ni)、导电金属金粉和导电金属银粉的一种或几种。

较佳地，所述导电涂料层的厚度为2um～15um。

较佳地，所述导电复合材料层为结晶性聚合物和导电填料共混层。

更佳地，所述结晶性聚合物为聚烯烃、含氟聚合物和聚酰胺中的一种或几种，所述导电填料为碳黑、石墨、导电陶瓷和金属粉中的一种或几种。

应注意，本领域技术人员可以理解，期望的结晶性聚合物、导电填材的类型和量取决于组合导电复合材料的期望特性。

更进一步地，所述聚烯烃是聚乙烯，所述含氟聚合物是PVDF，所述导电陶瓷如TiC、WC或VC等，所述导电金属粉如镍粉，金粉、银粉等。

较佳地，所述高分子热敏电阻元器件还包括两引出电极，两所述引出电极分别固定在两所述金属箔电极层的外表面上。

更佳地，所述引出电极是片状引出电极或引线引出电极。

在本发明的第二方面，提供了上述的高分子热敏电阻元器件的制备方法，其特点是，包括步骤：

a.制备所述的具有正温度系数特性的导电复合材料层；

b.在所述导电复合材料层的两面分别涂覆所述导电材料层形成所述PTC芯片；

c.在所述PTC芯片的两面分别贴覆一所述金属箔电极层并进行热处理和交联，从而获得所述高分子热敏电阻元器件。

较佳地，步骤a具体为：将结晶性聚合物和导电填料按合适配比进行共混得到复合材料，将所述复合材料挤出压延成为所述导电复合材料层；步骤b具体为：按重量计，将70％～90％导电金属粉加入到10％～30％丙烯酸脂聚合物溶液中混合均匀，获得所述导电涂料，将所述导电复合材料层浸入所述导电涂料中，反复浸涂，直到达到所需厚度；将上述浸涂后的所述导电复合材料层干燥除去表面的溶液后，得到所述PTC芯片；步骤c具体为：将所述PTC芯片的两面分别贴覆一所述金属箔电极层并通过真空压延热压成片材，再冲切成所需形状，获得高分子热敏电阻元器件粗品；将所述高分子热敏电阻元器件粗品进行热处理和交联，从而获得所述高分子热敏电阻元器件。

上述步骤b中，还可以采用丙酮或N，N-二甲基乙酰胺对混合液进行稀释，将上述混合液采用超声波振动或机械搅拌的方式进行混合，以生产出一种均匀分散的导电涂料。

上述步骤c中，必须仔细控制处理温度，如果PTC芯片的表面温度过低，则聚合物溶解粘性过低，会降低与金属箔电极层的连接性能，从而，热压温度应保持在一定温度上，以使金属箔电极层适当附于PTC芯片的表面上。

更佳地，所述丙烯酸脂聚合物是甲基丙烯酸树脂，所述导电金属粉是导电金属镍粉、导电金属金粉和导电金属银粉的一种或几种。。

更佳地，所述的所需厚度为2um～15um。可以反复进行多次涂覆，以达到希望厚度的涂膜，使导电填料能够和金属箔电极层之间有较好的结合力。

更佳地，所述共混采用开炼、密炼或挤出方法如单螺杆挤出和双螺杆挤出；所述干燥采用晾干或蒸发方法；所述热处理是将所述高分子热敏电阻元器件粗品在高于所述结晶性聚合物的熔点10℃～60℃条件下热处理1小时；所述交联采用辐射、过氧化物、硅烷或光化学方法。

更佳地，在步骤g中，所述辐射采用β-射线或γ-射线，总剂量为4～40Mrad，辐照气氛为空气或限量空气。采用辐射交联使导电复合材料得到较高的交联率。

较佳地，将两引出电极或外电极分别焊接在所述高分子热敏电阻元器件的两面。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的高分子热敏电阻元器件包括PTC芯片和两金属箔电极层，所述PTC芯片包括具有正温度系数特性的导电复合材料层和分别涂覆于所述导电复合材料层的两面的两导电涂料层，两所述金属箔电极层分别贴覆在两所述导电涂料层上，设计巧妙，使得导电复合材料层和金属箔电极层之间不仅有物理接触，由于丙烯酸酯和金属箔电极层的亲和性，增加了化学接触，使导电复合材料层和金属箔电极层之间有较好的结合力，降低了PTC芯片和金属箔电极层之间的接触电阻，并使产品具有较低的室温电阻值，同时还具有电阻重复性高和较好的PTC效应的回复性，提高了器件的安全可靠性和使用寿命；

2、本发明的高分子热敏电阻元器件的制备是将导电复合材料层浸入所述导电涂料中，反复浸涂，直到达到所需厚度，形成导电涂料层，然后两面分别贴覆金属箔电极层，生产简单、效率高。

附图说明

图1是本发明的高分子热敏电阻元器件的一具体实施例的侧视示意图。

图2是本发明的高分子热敏电阻元器件的制备方法的一具体实施例的流程图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。

请参阅图1所示，本发明的高分子热敏电阻元器件包括PTC芯片和分别贴覆在所述PTC芯片的两面的两金属箔电极层1，所述PTC芯片包括具有正温度系数特性的导电复合材料层3和分别涂覆于所述导电复合材料层3的两面的两导电涂料层2，两所述金属箔电极层1分别贴覆在两所述导电涂料层2上。

图2是下列实施例采用的高分子热敏电阻元器件的制备方法的流程图。首先制备导电复合材料，将高密度聚乙烯和导电炭黑按照所期望的性能进行配比后进行共混，热压成需要尺寸的导电复合材料层，本发明的实施例采用双螺杆挤出压延的方式制备导电复合材料层；同时制备导电涂料，将导电金属镍粉加入到甲基丙烯酸树脂中进行搅拌溶解，必要时也可以加入丙酮进行稀释，然后将上述溶液采用超声振动的方式进行混合或者采用机械搅拌方式进行混合，混合环境温度为20℃～60℃，混合时间为15～60min，使导电金属粉均匀分布在溶液中，形成浓度很高的悬浮液作为导电涂料。将导电复合材料层浸入上述导电涂料进行涂覆，涂覆后采用晾干或蒸发方法脱除溶剂涂，根据涂覆厚度的要求，可以进行反复的多次涂覆，以达到所需的厚度。将涂覆后形成的PCT芯片贴覆金属箔片模压成片状并冲切成所需形状，成为高分子热敏电阻元器件粗品。高分子热敏电阻元器件粗品在高于结晶性聚合物熔点约10～60℃条件下热处理1小时，然后进行辐照交联，总剂量为4～40Mrad。最后必要时也可以将交联后得到的高分子热敏电阻元器件焊接金属电极。

本发明的高分子热敏热敏电阻器的导电聚合物复合材料中的热塑性树脂优选为结晶性聚合物。以下为下述具体实施例中用到的相关原料：1.高密度聚乙烯：牌号为5000S，大庆石化生产；2.导电碳黑：商品名为Raven 410，Columbian公司生产；3.丙烯酸树脂：甲基丙烯酸树脂，牌号1340，德固萨公司生产；4.导电金属镍粉：商品名Nickel 255A/C，Novamet公司生产，5.丙烯酸树脂：丙烯酸树脂，牌号AR-17，研润化工公司生产：6导电金属银粉：超细银粉，粒径0.2-0.8um，无锡顺达金属粉末有限公司。

具体实施例1～13按照前述制备方法制备导电聚合物复合材料，所制作的导电复合材料层均为同一种芯材，导电复合材料按照重量进行配比如表1所示，导电涂料各组分原料配比见表2所示。

表1导电聚合物复合材料原料组成

HDPE(5000S)	42.5％
		CB(Raven 410)	57.5％

表2导电涂料各组分原料配比及导电涂料层厚度

续表2

对具体实施例1～13制备的高分子热敏电阻元器件的电极结合力和室温电阻和电阻稳定性进行测试，分别取10片样品进行试验，电极结合力和室温电阻测试结果取平均值，电阻稳定性能通过施加12.7V，50A通常在3s中导通并在60s关断；每个样品上述动作进行100次，实验后冷却1小时测试样品的电阻率进行测试，测试样品的电阻率在测试前后电阻平均变化相关性能参数见表3。

表3性能参数测试表

编号	电极结合力(gf/cm2)	室温下电阻值(Ω.cm)	测试后室温下平均电阻值(Ω.cm)	平均变化率
					实施例1	1600	1.33	2.45	84.21％
实施例2	2000	0.96	1.67	73.96％
					实施例3	1840	1.16	2.06	77.59％
实施例4	1900	1.28	2.39	86.72％
					实施例5	2300	0.83	1.35	62.65％
实施例6	2100	0.89	1.59	78.65％
					实施例7	1500	1.42	2.64	85.92％
实施例8	1950	0.98	1.72	75.51％
					实施例9	1700	1.27	2.41	89.76％
实施例10	1940	1.19	2.31	94.11％
					实施例11	2260	0.92	1.71	85.87％
实施例12	1500	1.41	2.96	109.93％
					实施例13	1720	1.26	2.43	92.86％

为了更好的理解本发明的优越性，采用本发明以外的导电涂料层厚度制备高分子热敏电阻元器件，其中对比例1为不进行涂覆导电涂料，对比例2～7涂覆导电涂料。

表4导电涂料各组分原料配比及导电涂料涂层厚度

对具体对比例1～7制备的PTC导电复合材料的电极结合力、室温电阻和电阻稳定性进行测试，相关性能参数见表5。

表5电极结合力和室温电阻值测试表

编号	电极结合力(gf/cm2)	室温下电阻值(Ω.cm)	测试后室温下平均电阻值(Ω.cm)	平均变化率
					对比例1	850	1.73	3.62	109.25％
对比例2	900	1.65	3.55	115.15％
					对比例3	1350	1.36	2.96	117.65％
对比例4	908	1.62	3.54	118.52％
					对比例5	1460	1.12	2.79	149.11％
对比例6	925	1.59	3.49	119.50％
					对比例7	1800	1.06	2.62	147.17％

通过以上具体实施例1～13和对比例1～7，可以看出，涂层厚度不能超过一定的厚度，厚度太厚，可能导致电极结合力变小，室温电阻变大，电阻稳定性变差，这可能是由于当厚度太厚后，涂层中的金属镍不能有效的和芯片及电极有效的接触，同时涂层中的金属镍粉氧化导致电阻增加，电阻稳定性变差。因此，采用本发明制备的高分子热敏电阻元器件具有电阻小，动作后快速恢复到初始电阻值，即电阻重复性高，PTC效应的回复性好的特点。

综上，本发明的高分子热敏电阻元器件设计巧妙，具有低电阻、良好的电阻恢复性和PTC效应回复性，提高了器件的安全可靠性和使用寿命，且生产简单、效率高。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (12)

1.一种高分子热敏电阻元器件，包括PTC芯片和分别贴覆在所述PTC芯片的两面的两金属箔电极层，其特征在于，所述PTC芯片包括具有正温度系数特性的导电复合材料层和分别涂覆于所述导电复合材料层的两面的两导电涂料层，两所述金属箔电极层分别贴覆在两所述导电涂料层上。

2.根据权利要求1所述的高分子热敏电阻元器件，其特征在于，所述导电涂料层是丙烯酸脂聚合物和导电金属粉共混层，其中，按重量计，所述丙烯酸脂聚合物占10％～30％，所述导电金属粉占70％～90％。

3.根据权利要求2所述的高分子热敏电阻元器件，其特征在于，所述丙烯酸脂聚合物是甲基丙烯酸树脂，所述导电金属粉是导电金属镍粉、导电金属金粉和导电金属银粉的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的高分子热敏电阻元器件，其特征在于，所述导电涂料层的厚度为2um～15um。

5.根据权利要求1所述的高分子热敏电阻元器件，其特征在于，所述导电复合材料层为结晶性聚合物和导电填料共混层。

6.根据权利要求5所述的高分子热敏电阻元器件，其特征在于，所述结晶性聚合物为聚烯烃、含氟聚合物和聚酰胺中的一种或几种，所述导电填料为碳黑、石墨、导电陶瓷和金属粉中的一种或几种。

7.根据权利要求1所述的高分子热敏电阻元器件，其特征在于，所述高分子热敏电阻元器件还包括两引出电极，两所述引出电极分别固定在两所述金属箔电极层的外表面上。

8.一种根据权利要求1所述的高分子热敏电阻元器件的制备方法，其特征在于，包括步骤：

a.制备所述的具有正温度系数特性的导电复合材料层；

b.在所述导电复合材料层的两面分别涂覆所述导电材料层形成所述PTC芯片；

c.在所述PTC芯片的两面分别贴覆一所述金属箔电极层并进行热处理和交联，从而获得所述高分子热敏电阻元器件。

9.根据权利要求8所述的高分子热敏电阻元器件的制备方法，其特征在于，其中：

步骤a具体为：将结晶性聚合物和导电填料按合适配比进行共混得到复合材料，将所述复合材料挤出压延成为所述导电复合材料层；

步骤b具体为：按重量计，将70％～90％导电金属粉加入到10％～30％丙烯酸脂聚合物溶液中混合均匀，获得所述导电涂料，将所述导电复合材料层浸入所述导电涂料中，反复浸涂，直到达到所需厚度；将上述浸涂后的所述导电复合材料层干燥除去表面的溶液后，得到所述PTC芯片；

步骤c具体为：将所述PTC芯片的两面分别贴覆一所述金属箔电极层并通过真空压延热压成片材，再冲切成所需形状，获得高分子热敏电阻元器件粗品；将所述高分子热敏电阻元器件粗品进行热处理和交联，从而获得所述高分子热敏电阻元器件。

10.根据权利要求9所述的高分子热敏电阻元器件的制备方法，其特征在于，所述丙烯酸脂聚合物是甲基丙烯酸树脂，所述导电金属粉是导电金属镍粉、导电金属金粉和导电金属银粉的一种或几种。

11.根据权利要求9所述的高分子热敏电阻元器件的制备方法，其特征在于，所述的所需厚度为2um～15um。

12.根据权利要求9所述的高分子热敏电阻元器件的制备方法，其特征在于，所述共混采用开炼、密炼或挤出方法；所述干燥采用晾干或蒸发方法；所述热处理是将所述高分子热敏电阻元器件粗品在高于所述结晶性聚合物的熔点10℃～60℃条件下热处理1小时；所述交联采用辐射、过氧化物、硅烷或光化学方法。

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