CN101819837A

CN101819837A - 一种正温度系数过流过温保护元件及制备方法

Info

Publication number: CN101819837A
Application number: CN200910046771A
Authority: CN
Inventors: 胡定军; 史宇正
Original assignee: Shanghai Keter Functional Materials Co Ltd
Current assignee: Shanghai Keter Functional Materials Co Ltd
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2029-02-27
Also published as: CN101819837B

Abstract

本发明涉及一种正温度系数过流过温保护元件及其制备方法，其正温度系数过流过温保护元件由导电聚合物芯片和贴覆于该芯片两面的金属箔片，以及焊接在所述金属箔片外表面上的片状或引线金属电极而构成。其导电聚合物芯片由含氟聚合物基体树脂、聚偏氟乙烯和聚烯烃的重复结构单元构成的共聚物、导电碳黑，经采用溶液溶解或熔融后混合、除溶剂、成型、热处理、交联、焊接，最终得到导电炭黑均匀分布于聚合物基体中的正温度系数过流过温保护元件。导电炭黑和聚合物基体之间具有较好的结合力，在室温下具有较低的室温电阻值和较高的PTC强度，安全可靠。同时由于采用溶液共混，不会对机器造成磨损，能够达到比现有技术通常可以获得的填充料更高的百分比。

Description

一种正温度系数过流过温保护元件及制备方法

技术领域

本发明涉及一种正温度系数过流过温保护元件及其制备方法，具体涉及一种由具有正温度系数特性的聚合物芯片制备而成的过流过温保护元件及其制备方法。

背景技术

近年来，正温度系数(Positive Temperative Coefficient，PTC)过流过温保护元件开始广泛取代双金属片热保护器用于保护汽车微型电机的驱动和控制电路上，这类保护元件一般与电机的线圈串联连接在一起，而且要求其在室温下具有很低的电阻率，一般小于2～3Ω.cm。

在正常条件下，在电路中与负载串联的保护元件一般保持在低温、低电阻状态。一旦在过电流或过热条件下时，保护元件的电阻就升高，从而有效的切断电路中流到负载上的电流。由于该保护元件一般串联在微型电机内部取代双金属片设计，因此其电阻率必须尽可能的低，以便于在正常工作期间对电路的电阻影响最小。另一方面也希望该元件具有较小的面积，在电路中占据的空间较小，具有理想的热性能。实现小电阻、小面积的过流过温保护元件一般采用具有低电阻率的组合物，一般包含有较多的导电填料。

虽然通过加入较多的导电填料能够减少过流过温保护元件的电阻率，但这种方法由于填料的增加，该保护元件的粘度就会增加。而且采用现有的加工方法，例如：单螺杆挤出，双螺杆挤出很难进行加工，则很难得到均匀分散的导电聚合物复合材料；而采用开炼混合、密炼混合的方法，也是很难得到均匀分散的导电聚合物复合材料。其主要原因在于，导电填料的填充量过高！因而很难获得分布均匀的导电聚合物复合材料，同时过高的填充量造成复合材料的粘度增加，导致生产PTC聚合物材料使用的挤出设备有相当大的磨损，并可能经常性导致机器堵塞并且堵塞后需要清理机器，从而影响生产效率。

因此，为适应上述在室温下具有较低电阻率，且包含有较多导电填料的由聚合物与导电碳黑构成的PTC过流过温保护元件及其加工方法还需进一步的改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种正温度系数过流过温保护元件及其制备方法，以解决上述问题。本发明在生产制备该保护元件的过程中，使聚合物基体内的导电填料分布均匀，以实现产品具有较低的室温电阻值，具有较高的PTC强度和安全可靠性。并且本发明还可以生产出具有比现有技术中能够均匀填充的导电填料更多填充量的导电聚合物复合材料，同现有技术相比，具有使用能耗少，对设备损耗小等优点。

本发明所要解决的技术问题是采用以下技术方案来实现：

一种正温度系数过流过温保护元件，由导电聚合物芯片和贴覆于所述导电聚合物芯片两面的金属箔片，以及焊接在所述金属箔片外表面上的片状或引线金属电极而构成。

所述导电聚合物芯片包括含氟聚合物基体树脂，和由聚偏氟乙烯和聚烯烃的重复结构单元构成的一种或多种共聚物，以及一种或多种导电碳黑。

按重量百分比计，所述导电聚合物芯片的配方如下：

含氟聚合物基体树脂：40％～65％；

聚偏氟乙烯和聚烯烃的重复结构单元构成的共聚物：0.1％～10％；

导电碳黑：40％～60％。

所述含氟聚合物基体树脂为一种热塑性树脂的结晶性聚合物，结晶度大于等于40％，熔点为T₁℃。

所述T₁为160℃～180℃。

所述聚偏氟乙烯和聚烯烃的重复结构单元构成的共聚物的熔点为T₂℃，其中T₂满足如下条件：10℃≤T₂-T₁≤100℃。

所述导电炭黑粒径为30nm～280nm。优选为60nm～280nm。

所述正温度系数过流过温保护元件的制备方法，包括以下步骤：

a.混合：将含氟聚合物基体树脂和聚偏氟乙烯和聚烯烃的重复结构单元构成的共聚物溶解或溶融(说明书中没有？)到溶液中后，将导电碳黑分批加入到该溶液中，进行混合，获得一种分布均匀的混合物料；

b.除溶剂：将上述混合物料用抽提的方法除去溶剂后，得到导电聚合物复合材料；

c.成型：根据产品形状要求，将上述得到的导电聚合物复合材料进行捏合后贴覆于金属箔电极层并通过模压成片材，再冲切成所需形状的芯片；

d.热处理：将上述成型后的芯片在高于导电聚合物复合材料熔点10℃～60℃条件下热处理1小时；

e.交联：将热处理后的芯片采用辐射交联；

f.焊接：交联后的芯片焊接外层金属电极。

在上述步骤a中，将含氟聚合物基体树脂和聚偏氟乙烯和聚烯烃的重复结构单元构成的共聚物采用有机溶剂溶解成溶液，然后将导电碳黑按照一定的比例添加到该溶液中。

在上述步骤a中的混合是指采用超声波振动混合的方式进行预混合。

所述有机溶剂为丙酮、甲基乙基丙酮、二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺。

所述步骤e中的辐射是采用γ射线或电子束辐照进行交联，辐照剂量为10～40Mrad，辐照气氛为空气或限量空气。

所述γ射线为C_o60。

本发明还可以将含氟聚合物基体树脂、聚偏氟乙烯和聚烯烃的重复结构单元构成的共聚物和导电碳黑一起加入到有机溶剂中形成混合液，将该混合液采用超声波振动以生产出一种均匀分散的混合物；然后采用抽提或其它方式移出溶剂，并将移出的溶剂进行回收；之后，用常规设备对所得到的混合物进行捏合、成型、冲切、热处理、辐照交联，从而形成导电聚合物复合材料，最后将该导电聚合物复合材料安装电极后，就可以用作正温度系数过流过温保护器件了。

另外，本发明中所述的金属电极，没有特殊限定，即只要是能够焊接的金属都可以用做为本发明中的金属电极，例如镀镍铜电极。

本发明的正温度系数过流过温保护元件，能够在导电聚合物复合材料中提供均匀分布的高填充含量的导电碳黑填充料，并使填充料和聚合物基体之间有较好的结合力，使产品具有较低的室温电阻值，又具有较高的PTC强度，更安全可靠。同时由于采用溶液共混，没有常规的挤出过程中对机器造成的磨损，以及能够达到比现有技术通常可以获得的填充料更高的百分比。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1是本发明的制备方法流程图。

图2是本发明的用于汽车微型电机的正温度系数过流过温保护元件的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明中所涉及的相关原料如下：

聚偏氟乙烯(PVDF Homopolymer)，商品名：SOLEF 1010，熔点174℃，苏威苏莱克斯生产；

由基于含有一种聚偏氟乙烯和聚烯烃的重复结构单元构成的共聚物，商品名：ECTFE(乙烯和三氟氯乙烯的共聚物)，商品牌号HALAR 350，熔点242℃，苏威苏莱克斯生产；导电碳黑(CB)：商品牌号为Raven 410，Columbian 公司生产。

实施例1

将PVDF，ECTFE，CB按照重量百分比46∶6∶48进行配比，首先将聚偏氟乙烯和ECTFE(乙烯和三氟氯乙烯的共聚物)加入二甲基乙酰胺中并在20℃～60℃下进行搅拌溶解，待完全溶解后加入导电碳黑，然后将上述溶液采用超声振动的方式进行搅拌混合，20℃～60℃温度下混合，混合时间15～60min，使导电碳黑均匀分布在溶液中，形成碳黑浓度很高的悬浮液，达到凝胶状态混合体，其中混合过程中可以加入碳黑分散剂以加强碳黑的分散效果。将上述凝胶状态混合体采用抽提进行脱出二甲基乙酰胺吧，得到聚合物和导电碳黑组成的混合物。将得到的聚合物和导电碳黑组成的混合物在加热状态下采用开炼方式进行捏合得到导电聚合物复合材料。将所捏合好的导电聚合物复合材料贴覆金属箔片模压成片状并冲切成所需形状的芯片。成型后的芯片在高于聚合物熔点10～60℃条件下热处理1小时，然后采用C_o60γ射线或电子束进行辐照交联，总剂量为10～40Mrad，辐照气氛为空气。最后将交联后得到的芯片焊接金属电极制成本发明的正温度系数过流过温保护元件样品，其电阻率在1.3～1.5Ω.cm，平均值为1.4Ω.cm，成品率为90％，该保护元件在180℃的电阻率和25℃时的电阻率比值为6.7×10³。

分别取10片上述保护元件样品，在12.7V，50A动作后进行24小时长时间通电测试，实验后冷却1小时测试样品的电阻率，其电阻率在测试前后变化的极差为90％～100％。

对比例1

将PVDF，ECTFE，CB按照实施例1进行配比，通过混炼设备开炼机进行捏合，捏合后的模压成型等工序和实施例1一致，得到对比样品(1)的电阻率为1.30～1.50Ω.cm，平均值为1.28Ω.cm，成品率为50％，测试该样品在180℃的电阻率和25℃的电阻率比值为2.1×10³。

分别取上述10片对比样品(1)，在12.7V，50A动作后进行24小时长时间通电测试，实验后冷却1小时测试对比样品(1)的电阻率，其电阻率在测试前后变化的极差为210～240％。

对比例2

将PVDF，ECTFE，CB按照实施例1进行配比，通过混炼设备挤出机进行捏合，捏合后的模压成型等工序和实施例1一致，得到对比样品(2)，其电阻率为1.30～1.50Ω.cm，平均值为1.33Ω.cm，成品率为55％，测试对比样品(2)在180℃的电阻率和25℃的电阻率比值为4.1×10³。

分别取10片上述对比样品(2)，在12.7V，50A动作后进行24小时长时间通电测试，实验后冷却1小时测试对比样品(2)的电阻率，其电阻率在测试前后变化的极差为150～190％。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种正温度系数过流过温保护元件，其特征在于，由导电聚合物芯片和贴覆于所述导电聚合物芯片两面的金属箔片，以及焊接在所述金属箔片外表面上的片状或引线金属电极而构成。

2.根据权利要求1所述的正温度系数过流过温保护元件，其特征在于，所述导电聚合物芯片包括含氟聚合物基体树脂，和聚偏氟乙烯和聚烯烃的重复结构单元构成的一种或多种共聚物，以及一种或多种导电碳黑。

3.根据权利要求2所述的正温度系数过流过温保护元件，其特征在于，按重量百分比计，所述导电聚合物芯片的配方如下：

含氟聚合物基体树脂：40％～65％；

导电碳黑：40％～60％。

4.根据权利要求2或3所述的正温度系数过流过温保护元件，其特征在于，所述含氟聚合物基体树脂是一种热塑性树脂的结晶性聚合物，结晶度大于等于40％，熔点为T₁℃，T₁为160℃～180℃；所述聚偏氟乙烯和聚烯烃的重复结构单元构成的共聚物的熔点为T₂℃，其中10℃≤T₂-T₁≤100℃。

5.根据权利要求2或3所述的正温度系数过流过温保护元件，其特征在于，所述导电炭黑粒径为60nm～280nm。

6.一种制备根据权利要求1所述的正温度系数过流过温保护元件的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.混合：将重量百分比为40％～65％含氟聚合物基体树脂和重量百分比为0.1％～10％聚偏氟乙烯和聚烯烃的重复结构单元构成的共聚物溶解或溶融到有机溶剂中后，将重量百分比为40％～60％导电碳黑分批加入到该溶液中，进行混合，获得一种分布均匀的混合物料；

b.除溶剂：将上述混合物料用抽提的方法除去溶液后，得到导电聚合物复合材料；

e.交联：将热处理后的芯片采用辐射方法进行交联；

f.焊接：交联后的芯片焊接外层金属电极。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在上述步骤a中，将含氟聚合物基体树脂和聚偏氟乙烯和聚烯烃的重复结构单元构成的共聚物采用有机溶剂溶解成溶液，然后将导电碳黑按照一定的比例添加到该溶液中。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在上述步骤a中，混合是指采用超声波振动混合的方式进行预混合。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为丙酮、甲基乙基丙酮、二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺。

10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤e中的辐射是采用γ射线或电子束辐照进行交联，辐照剂量为10～40Mrad，辐照气氛为空气或限量空气。