CN101728039A - 过电流保护元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种过电流保护元件,由PTC材料层和贴附于PTC材料层上下表面的两片金属箔片构成,其特征在于:两个金属箔片的粗糙表面与PTC材料层直接物理性接触,且过电流保护元件的体积电阻值小于0.1Ω/cm,所述的PTC材料层由下述组分混合制备而成,包含:至少一种结晶性高分子聚合物;无氧导电陶瓷粉末,粒径为0.1~1.0μm,体积电阻小于500μΩ/cm;金属导电粉末,粒径为0.5~5μm,体积电阻值小于500μΩ/cm;以及,非导电填料。优点是:由于本发明的PTC材料层具有相当低的体积电阻值,所以可以将元件所需的PTC芯片的面积缩小到20mm2,并仍然能够达到元件低电阻的目的,最终可以从每片PTC材料层生产出更多的PTC芯片,使生产成本降低。

Description

过电流保护元件
技术领域
本发明涉及一种过电流保护元件,尤其是指一种具有PTC导电复合材料的过电流保护元件,所述的过电流保护元件具有优秀的体积电阻值、电阻再现性和长期的电阻耐候性,特别适用于移动通信器材及数码产品电源的保护。
背景技术
由于具有正温度系数(Positive Temperature Coefficient;PTC)特性的导电复合材料的电阻具有对温度变化反应敏锐的特性,可作为电流敏感元件的材料,且目前已被广泛应用于电流保护元件或电路元件上。基于高分子芯材的正温度系数过流防护元件(PTC)已广泛地应用到通信、计算机、汽车、工业控制、家用电器等众多领域中,应用于电路的过流保护设置。在通常状态下,电路中的电流相对较小,热敏电阻器温度较低,而当由电路故障引起的大电流通过此自复性保险丝时,其温度会突然升高到“关断”温度,导致其电阻值变得很大,这样就使电路处于一种近似“开路”的状态,从而保护了电路中其他元件。而当故障排除后,热敏电阻器的温度下降,其电阻值又可恢复到低阻值状态。
一般的说,PTC导电复合材料由一种或一种以上具有结晶性的聚合物和导电填料所组成,所述导电填料均匀分散于上述聚合物中,所述聚合物一般为聚烯烃类聚合物,如:聚乙烯,聚丙烯。而导电填料一般由碳黑、金属颗粒(如镍粉或钴粉)或无氧陶瓷粉末(如碳化钛或碳化钨等)。
所述导电复合材料的导电度视导电填料的种类和含量而定。一般而言,由于碳黑表面呈凹凸状,与聚烯烃类聚合物的附着性较好,所以具有较好的电阻再现性。但是碳黑所能提供的导电度比金属颗粒低,由于金属颗粒易被空气氧化,造成产品长期放置后电阻升高,现在的常规做法为在产品表面包封一层环氧树脂,以防止产品的氧化。陶瓷粉末由于不像碳黑具有凹凸的表面,与聚烯烃类聚合物的附着性比碳黑差,电阻再现性很难控制,常规做法为在导电填料中添加一种耦合剂以增加聚烯烃类聚合物与陶瓷粉末间的附着性。
目前市面是上具有低电阻(10mΩ左右)的PTC产品是以镍粉(Ni)作为导电填料,由于镍粉容易被空气氧化,导致产品在长期放置后或经过一次触发,电阻再现性不好,所以现在的Ni粉系PTC表面必须经过严格的处理,以隔绝镍粉与空气接触。常见做法为在产品表面包裹一层环氧树脂胶。由于产品本身的体积较小,此种工艺比较复杂,且也不能保证产品被完全包封。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种过电流保护元件,通过加入一些具有特定粒径分布的导电填料使所述的过电流保护元件具有优异的电阻值及电阻再现性。
本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是:一种过电流保护元件,由PTC材料层和贴附于PTC材料层上下表面的两片金属箔片构成,其中,两个金属箔片的粗糙表面与PTC材料层直接物理性接触,且过电流保护元件的体积电阻值小于0.1Ω/cm,所述的PTC材料层由下述组分混合制备而成,包含:
至少一种结晶性高分子聚合物;
无氧导电陶瓷粉末,粒径为0.1~1.0μm,体积电阻小于500μΩ/cm,具体的,粒径可以为0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9或1.0μm;
金属导电粉末,粒径为0.5~5μm,体积电阻值小于500μΩ/cm具体的,粒径可以为0.5,0.8,1.0,1.2,1.5,1.8,2,2.2,2.5,2.8,3,3.2,3.5,3.8,4,4.2,4.5,4.8或5μm;以及,
非导电填料。
在上述方案的基础上,所述的结晶性高分子聚合物为高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚丙烯中的一种或多种。
在上述方案的基础上,所述的无氧导电陶瓷粉末为金属碳化物、金属硼化物、金属氮化物中的一种或多种,具体为碳化钛,硼化钛、氮化钛中的一种或多种。
在上述方案的基础上,所述的金属导电粉末为镍粉或钴粉。
在上述方案的基础上,所述的非导电填料为氧化锌、氧化镁、氧化铝、氢氧化镁、氢氧化铝、氢氧化钡中的一种或多种。
在上述方案的基础上,所述的PTC材料层的优选配方按重量份计为:
高密度聚乙烯     100
碳化钛           350~400
镍粉             400~500
氢氧化镁         10~50
加工助剂         0.1~1。
具体的,以高密度聚乙烯100重量份计,
碳化钛的用量可以为350、360、370、380、390或400重量份;
镍粉的用量可以为400、420、440、460、480或500重量份;
氢氧化镁的用量可以为10、15、20、25、30、35、40、45或50重量份;
加工助剂的用量可以为0.1,0.2,0.3,0.5,0.6,0.8或1重量份,一般为抗氧化剂。
在上述方案的基础上,所述的PTC材料层的起始电阻值小于15mΩ,面积小于20mm2,所述过电流保护元件的可承受的最大电压不大于6V,可承受的最大电流不大于50A。
在上述方案的基础上,所述PTC材料在85℃条件下放置1000小时后,或在85℃、85%湿度条件下放置1000小时后,或在经过85℃/-28℃、30min的高低温冲击、冲击100次后,电阻的再现性比值小于5。
在上述方案的基础上,进一步在所述PTC材料在85℃条件下放置1000小时后,或在85℃、85%湿度条件下放置1000小时后,或在经过85℃/-28℃、30min的高低温冲击、冲击100次后,再经过一次触发后,电阻再现性比值小于3。
在改变了一定的条件后,对同一被测量元件进行一致性测量,其测量结果称为再现性。电阻再现性比值为元件在经一定条件处理后与处理前电阻的比值。
在上述方案的基础上,所述的过电流保护元件还包括与所述两个金属箔片上下接合的两个金属电极片,构成保护元件。
具体的,两个金属箔片可与上下金属镍片通过焊料经过回流焊方式接合成一组件,其中所述上下金属镍片可与电源连接而形成一导电回路,使PTC元件在过流状态下工作,达到保护回路的作用。
本发明的有益效果是:
由于本发明的PTC材料层具有相当低的体积电阻值,所以可以将元件所需的PTC芯片的面积缩小到20mm2,并仍然能够达到元件低电阻的目的,最终可以从每片PTC材料层生产出更多的PTC芯片,使生产成本降低。
附图说明
图1为本发明过电流保护元件的结构示意图。
图2为本发明过电流保护元件的应用结构示意图。
附图中标号说明
1-PTC材料层
2,2’-金属箔片3,3’-金属电极片
A-芯片B-保护元件
具体实施方式
下面说明本发明过电流保护元件的两种组成部分及制作过程。
实施例1
本发明过电流保护元件所使用的PTC材料层的成份及重量(单位:克)如表1所示。
表1
  HDPE   Ni   TiC   Mg(OH)2   抗氧化剂
  比较例1   200   1520   60   1
  比较例2   200   1740   60   1
  实施例1   200   880   760   60   1
其中,HDPE为高密度聚乙烯(密度0.942g/cm3,熔点:124℃),镍粉粒径为3.50μm,碳化钛粒径为0.4μm。氢氧化镁的纯度为96.7wt%。
制作过程如下:按表1所示的物质配比称量,放入立式球磨机预混约30min,预混完成后均匀分成4组,并将密炼机进料温度设定为180℃,向密炼机中加入一组,转速25rpm,密炼时间3min;然后下第二组料,密炼时间5min;再下第三组料,密炼时间10min,下第四组料,密炼13.5min,出料,形成一种具有PTC特性的导电材料。
将上述材料经过粉碎机粉碎后,使用开练机将其制作成厚度为0.30~0.50mm厚,面积为100×120mm的黑芯片,然后放入框模,框模上下均有聚酯膜,盖上框模,使用真空压机进行压合,温度为180℃,时间5min,压力控制在5Mpa,一次压合后厚度控制在0.35~0.45mm。
请参阅图1为本发明过电流保护元件的结构示意图所示,将制得PTC材料层1再放入框模中,上下均放入金属箔片2,2’,使用真空压机进行压合,压合条件为:
先在180℃压机中,在压力12Mpa下压制10min;
取出后再放入110℃压机中,在压力10Mpa下压制7min;
然后取出后放入冷压机中,在压力12Mpa下压制15min,上述工艺完成后即完成了片状PTC材料的压合工艺,制成复合片材。
将上述复合片材用γ射线(Co60)或电子束辐照交联,剂量为5~100Mrad。用冲床将PTC芯材冲成3×4mm的芯片A,冲片完成后对芯片A进行退火处理,条件为120℃,4小时,完成后直接从烘箱取出。
请参阅图2为本发明过电流保护元件的应用结构示意图所示,再采用回流焊接工艺,在PTC产品芯片A两表面焊接两个金属电极片3,3’,制成条状式的保护元件B。
表2,表3和表4为本发明的过电流保护元件在不同条件放置后经过触发(Trip)一次后回到室温的组织测试数据。表中的R0为所述电流保护元件的初始电阻;R1为85℃放置1000小时后的电阻,R2为在85℃/85%RH条件下放置1000小时的电阻,R3为经过高低温冲击后(85℃/-28℃*30MIN*100次)的电阻;Rt为经过一次触发(trip)后的电阻(6V/50A)。
表2
  R0(m Ω) R1(m Ω) Rt(m Ω)
 比较例1   6.3   7.8   856.3
 比较例2   45.6   46.3   98.1
 实施例1   6.5   6.9   11.6
表3
  R0(m Ω) R2(m Ω) Rt(m Ω)
 比较例1   6.5   104.9   913.8
 比较例2   46.3   58.9   121.6
 实施例1   6.7   10.6   14.3
表4
  R0(m Ω) R3(m Ω)   Rt(m Ω)
 比较例1   6.1   93.9   354.3
  R0(m Ω) R3(m Ω)   Rt(m Ω)
 比较例2   46.3   49.8   118.6
 实施例1   5.8   8.9   10.3
由表2,表3和表4可以看出,本发明的过电流保护元件所使用的PTC材料层,由于即具有常规镍粉系产品的低电阻值,又同时具有陶瓷粉(TiC)系产品的优异的环境性能,因此,与市面上的同类产品相比,其具有更低的电阻,优异的电阻再现性,还具有电阻稳定,不易老化等优点。
实施例2
其他均与实施例1相同,只是配方不同,PTC材料层的配方(重量:克)为:高密度聚乙烯200,碳化钛720,镍粉800,氢氧化镁30,加工助剂0.8。
实施例3
其他均与实施例1相同,只是配方不同,PTC材料层的配方(重量:克)为:高密度聚乙烯200,碳化钛800,镍粉960,氢氧化镁80,加工助剂1.2。

Claims (10)

1.一种过电流保护元件,由PTC材料层和贴附于PTC材料层上下表面的两片金属箔片构成,其特征在于:两个金属箔片的粗糙表面与PTC材料层直接物理性接触,且过电流保护元件的体积电阻值小于0.1Ω/cm,所述的PTC材料层由下述组分混合制备而成,包含:
至少一种结晶性高分子聚合物;
无氧导电陶瓷粉末,粒径为0.1~1.0μm,体积电阻小于500μΩ/cm;
金属导电粉末,粒径为0.5~5μm,体积电阻值小于500μΩ/cm;以及,
非导电填料。
2.根据权利要求1所述的过电流保护元件,其特征在于:所述的结晶性高分子聚合物为高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚丙烯中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的过电流保护元件,其特征在于:所述的无氧导电陶瓷粉末为碳化钛,硼化钛、氮化钛中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的过电流保护元件,其特征在于:所述的金属导电粉末为镍粉或钴粉。
5.根据权利要求1所述的过电流保护元件,其特征在于:所述的非导电填料为氧化锌、氧化镁、氧化铝、氢氧化镁、氢氧化铝、氢氧化钡中的一种或多种。
6.根据权利要求1至5之一所述的过电流保护元件,其特征在于:所述的PTC材料层的配方按重量份计为:
高密度聚乙烯      100
碳化钛            350~400
镍粉              400~500
氢氧化镁          10~50
加工助剂          0.1~1。
7.根据权利要求6所述的过电流保护元件,其特征在于:所述的PTC材料层的起始电阻值小于15mΩ,面积小于20mm2,所述过电流保护元件的可承受的最大电压不大于6V,可承受的最大电流不大于50A。
8.根据权利要求7所述的过电流保护元件,其特征在于:所述PTC材料在85℃条件下放置1000小时后,或在85℃、85%湿度条件下放置1000小时后,或在经过85℃/-28℃、30min的高低温冲击、冲击100次后,电阻的再现性比值小于5。
9.根据权利要求8所述的过电流保护元件,其特征在于:所述PTC材料在85℃条件下放置1000小时后,或在85℃、85%湿度条件下放置1000小时后,或在经过85℃/-28℃、30min的高低温冲击、冲击100次后,再经过一次触发后,电阻再现性比值小于3。
10.根据权利要求1所述的过电流保护元件,其特征在于:所述的过电流保护元件还包括与所述两个金属箔片上下接合的两个金属电极片,构成保护元件。
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