CN102105948A - 高分子正温度系数液体材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种包括导电颗粒的液体组合物，该组合物是可印刷的并且在印刷到一种基底上之后是可固化的从而产生一种高分子正温度系数材料。本发明还涉及该高分子正温度系数材料本身以及一种将该液体组合物进行印刷并且将其固化从而形成该高分子正温度系数材料的方法。该用于印刷的方法是丝网印刷或喷墨印刷。该固化是通过聚合作用或溶剂蒸发而发生的。
Description
技术领域
本发明涉及高分子正温度系数材料。
背景技术
正温度系数材料(或简称PTC材料)是其电阻随着它们的温度可逆地增加的材料。典型地，这使其自身表现为一种低的固有电阻结合了在特定的温度范围内(被称为切换温度)随着温度增加而在电阻上的一个突然增加。
这种不需要任何移动部件而显著地改变它的电阻的能力已经导致PTC材料在恒温控制加热器以及电路保护元件中的使用。
由于它们的独特性质，作为电子电路保护元件，PTC材料具有带来一个全范围的更进一步利益的潜能。例如，表现为一种为了提供电涌保护的可重置保险丝的能力(例如当电子设备接通时)具有显著潜能。
US 2006/0049385披露了一种包括散布有碳黑颗粒的聚乙烯基质的PTC材料。
由于经邻近的颗粒提供的连接，这样的安排提供了一个固有导电率。该聚乙烯基质经加热后膨胀，引起这些颗粒的分离并且由此中断该连接并且增加了电阻。
聚乙烯在约125℃经受了显著的热膨胀，提供了所希望的在电阻方面的快速增加以及一个短的温度范围。
然而，特别是在涉及电路保护的应用中聚乙烯具有实际的困难。例如，聚乙烯不能使它本身很好地适宜于经印刷(一种方便的在需要它们的地方直接施用材料的方法)的应用。
此外，聚乙烯由于膨胀它还软化而变得机械地不稳定，这可能导致可重复性的缺少。此外，聚乙烯的简单的分子结构限制了所能实现的PTC特性的范围。具体而言，对于将它的玻璃化转变温度安排在大大高于或低于125℃是困难的。
发明概述
在一个第一方面，本发明涉及一种包括导电颗粒的液体组合物，该组合物是可印刷的并且在印刷到一种基底上之后是可固化的从而产生一种高分子热塑性正温度系数材料。
在一个第二方面，本发明涉及一种包括导电颗粒的高分子热塑性正温度系数材料，通过印刷一种液体组合物随后进行它的固化的方法，该材料是能得到的。
在一个第三方面，本发明涉及一种将包括导电颗粒的液体组合物进行印刷之后固化该组合物由此产生一种高分子热塑性正温度系数材料的方法。
由于它们是可印刷的，本发明生产的这些PTC材料可以更方便地结合到电子电路中。此外，由于本发明不依赖于聚乙烯，更宽范围的材料特性是可能的。
由此形成的该PTC材料优选地具有在25℃下小于10ohm cm的电阻率，优选地小于1ohm cm，更优选地小于0.1ohm cm。
此外，当它的温度从25℃增加至125℃时，优选地由此形成的该PTC材料增加其电阻率一千倍，优选地它增加一万倍，更优选地十万倍。
可以采用任何适合的印刷方法，然而优选的印刷方法包括丝网印刷和喷墨印刷。丝网印刷是最优选的。
优选的固化方法包括聚合作用以及溶剂蒸发。聚合作用是优选的。
可以包括一个宽范围的导电颗粒，然而碳黑颗粒和金属颗粒是优选的。具有在从20nm至160nm范围内的一个平均粒度的颗粒已经提供了良好的结果。
已经发现基于该液体的从10重量％至60重量％的一个导电颗粒浓度给出了良好的结果。
当该固化方法是聚合作用时，该液体组合物包括可聚合的材料，例如优选处于从该液体的40重量％至90重量％的水平的单体和/或低聚物。
优选地该可聚合的材料包括一种丙烯酸酯。适当的丙烯酸酯包括聚酯丙烯酸酯、一种二丙烯酸酯、一种三丙烯酸酯以及它们的混合物。甲基丙烯酸甲酯是一种优选的丙烯酸酯。二丙烯酸酯和三丙烯酸酯的混合物是特别优选的。
一种优选的聚酯丙烯酸酯具有以下化学式
CH2＝CHCO2[R-O2CR1CO2R]nO2CCH＝CH2
R优选是一种芳香族、脂肪族或脂环族醇，优选甲醇。R1优选是一种芳香族、脂肪族或脂环族羧酸，优选甲基丙烯酸。优选地，n是从10到3000。一种这样的优选的聚酯丙烯酸酯是来自高分子技术有限公司(Polymer Technologies Limited)的UVP6000。
一种优选的二丙烯酸酯是二丙烯酸羟基二乙酯，一种具有以下化学式的材料
CH2＝CH-C(O)-O-[CH2]n-O-C(O)-CH＝CH2，
其中n优选是从1到10，以及它们的混合物。优选地，n是6。一种这样的优选的二丙烯酸酯是来自高分子技术有限公司的Etermer221。
可以通过任何方便的方法引发聚合作用，然而紫外(UV)引发是优选的。因此，该液体组合物优选地包括一种UV引发剂。这样的一种UV引发剂将如所希望以一个从该液体组合物的1.0重量％至5.0重量％的水平而呈现。一种优选的引发剂是来自汽巴精化(Ciba SpecialityChemicals)的一种或多种Irgacure UV引发剂。
该液体组合物沉积其上的基底可以采取许多种形式。优选地该基底是电绝缘的。优选地该液体和生成的PTC材料是与至少两个导电电极接触的。
在一个特别优选的实施方案中该绝缘基底是一种印刷电路板，优选地该材料是还与至少两个导电电极例如电路板的轨道(track)或垫(pad)接触的。因此，该PTC装置可以作为该印刷电路板的一部分而制造，允许它在精确成型区域中如所希望进行限定。
例如，可以将一种绝缘材料沉积于在一个印刷电路板上的两个铜轨之间。在此之后，印刷该PTC材料以桥接该两个铜轨(并且在该绝缘材料的顶部)。
在一个替代的优选实施方案中，该PTC材料是与至少两个电极接触的，形成一个PTC装置，例如一个表面安装元件。
该PTC材料可以如所希望地涂装有一个保护性涂层。
到现在为止，当存在过载电流时PTC材料已经用于触发，然而本发明允许其中该PTC材料保护免于过度加热的实施方案。
在一个方便的实施方案中，印刷PTC材料以连接两个供电轨并且位于将要保护的装置的下面。对该装置的电力通过该PTC材料。一旦该装置过热，该PTC材料显著增加它的电阻，由此减少流向该装置的电流直到它已经被充分冷却。
在一个优选实施方案中，与该装置接触的PTC材料的厚度大于不与该装置接触的PTC材料的厚度。典型地在厚度方面的变化将是渐进的。一旦该装置加热，接触它的PTC材料也加热，因此增加它的电阻并且开始消散它自身的热量。最初，不与该装置接触的PTC材料保持冷却，但是由于它的较低的厚度而存在更少的PTC材料，电流更加集中并且一个热的PTC材料带开始从该装置离开。这引起在该PTC材料本身内而不是在该装置内将产生热量，并且还使在其中产生热量的区域离开该装置。该组合作用使该装置冷却而该PTC材料保持是热的并且保护该装置免于电流。
现在通过实例并且参照以下图形将说明本发明，其中：
图1是包括根据本发明的PTC材料的一个表面安装元件的插图。
图2是包括根据本发明的一种PTC材料的另一个表面安装元件的插图。
图3是包括根据本发明的PTC材料的另一个电子元件的插图。
图4是PTC材料有待印刷其上的一个印刷电路板的部分的插图。
图5是显示于图4中的印刷电路板的插图，其中PTC材料已经被沉积。
图6是一个印刷电路板的插图，其中根据本发明的PTC材料用于保护一个装置免于过度加热。
图7是包括一个集成电路的一个印刷电路板的插图，该集成电路通过根据本发明的印刷的PTC材料连接至一个供电轨。
图8是显示电阻(欧姆)对电流(安培)的图表。
返回这些图形，图1显示了包括绝缘基底12和导电铜端盖14的一个表面安装元件10。PTC材料16已经沿着顶部印刷以便桥接端盖14。
在该装置的顶部上印刷该PTC材料的能力使得更易于生产此类具有不同电特性的装置，因此使得能够在同样的生产运行上生产一系列的装置。
图2显示了与显示于图1中类似的一种表面安装元件，其中该PTC材料已经以一个提供更大的长度的模式被沉积。这样一种装置对于较低的电压电路(其中电流更小并且需要一种更敏感的保护元件)将会是更有用的。可以看出印刷PTC材料16可以导致任意所希望的模式。
图3显示了一种结合有PTC材料22的低动力保护元件，它以与其中制造常规的电阻器的类似的方式而形成。一种螺旋状凹槽24已经雕刻在PTC材料22的的圆柱形体中。使该PTC材料以这样一种长的紧凑的螺旋形成型的优点在于它使得能够减少该装置的表面积，并且因此减少通过该电路的动力的量或需要消散的热量以便使该装置维持在一个切断状态(tripped state)。
图4显示了包括导电铜轨32(它们之间具有一个绝缘垫34)的印刷电路板30的部分。绝缘垫34是被选择用于能够经受当该PTC材料是处于它的高电阻状态时达到的更高的温度。
图5显示了在图4中显示的印刷电路板30的剖面图。已经将PTC材料36沉积在轨道32和绝缘垫34的顶部的上面。在电流开始增加的情况下，经该PTC材料消散的热量将引起它的电阻急剧增加，因此阻止了电流。同样地可以从图5看出，当它离开该载流元件时PTC材料的厚度增加了。这种安排被认为在引导热量离开电元件方面是有利的。
图6显示了包括供电轨42(具有一种连接在它们之间的PTC材料44)的印刷电路板40的另一个剖面图。该有待保护的装置(未显示)位于该PTC材料的顶部，并且从导电轨42获得电力。一旦该装置加热，该PTC材料44也将被加热并且它的电阻将增加。再次，该PTC材料的变化的厚度确保热量远离该装置而被传送。
图7显示了包括导电铜轨52和集成电路54的印刷电路板50的另一个剖面图，在集成电路54和铜轨52之间是PTC材料56。如果该集成电路开始产生过多的热量，这将被传送到与之接触的PTC材料。如果PTC材料56的温度变得足够高，它的电阻将增加并且它将以其自身的作用开始散热。该热量的一些将立即远离该装置而从该PTC材料传导。然而，正如可以从图7看出，该PTC材料是被定型为具有如此的形状使得它以更小的厚度离开该装置，使得电流远离该装置而被集中。这样具有的效果是：远离该装置将比靠近它产生更多的热量。因此，一个热的高电阻PCT材料带将因此从该装置离开。这会具有两个有益效果：首先，该PTC材料的电阻的增加将引起在该PTC材料内而不是在该集成电路本身内产生热量。其次，在其中产生热量的区域将从该装置离开。该组合作用将会允许该装置冷却而该PTC材料保持在一个高的温度，并且由此保护该电子装置本身免于损害。
实例
具有以下化学式的液体组合物是通过将这些成分在一个密炼机中共混在一起来制造的。
| 材料 | 1 | 2 |
| 聚酯丙烯酸 | - | 20.7 |
| 二丙烯酸酯 | 54.5 | 41.4 |
| 三丙烯酸酯 | 27.4 | 20.6 |
| UV引发剂 | 4.5 | 3.5 |
| 碳黑颗粒 | 13.6 | 13.8 |
| 总计 | 100 | 100 |
将这些材料丝网印刷到绝缘基底的一个区域上这样使得它与两个铜箔电极接触。然后将该液体暴露于紫外光并且允许时间至固化。该生成的材料具有PTC特性。
其中该聚酯丙烯酸是来自来自高分子技术有限公司的UVP600，该二丙烯酸酯是来自高分子技术有限公司的EM 221，该三丙烯酸酯是来自高分子技术有限公司的EM 231，该UV引发剂是来自汽巴精化的Irgacure，并且该碳黑是来自三菱商事(Mitsubishi Corporation)的3030B等级。
具有以下化学式的一种液体组合物是通过将这些成分在一个密炼机中共混在一起来制造的。
| 材料 | 3 | 4 |
| 丙烯酸树脂 | 50.0 | 32.5 |
| 甲苯 | - | 48.0 |
| 二甲苯 | 31.9 | - |
| PM乙酸酯 | 10.4 | 13.0 |
| 碳黑 | 7.7 | 6.5 |
如前述将该液体印刷到绝缘基底的一个区域上这样使得它与两个铜箔电极接触。然后将该液体风干直到它固化。该生成的固体材料具有PTC特性。
该丙烯酸树脂是来自Rohm和Haas的Paraloid B-99。
实例4是沉积到一个绝缘基底上以便桥接两个铝箔电极。这些电极各自为5.0cm长，并且以50微米彼此隔开。电流通过这些电极并且通过实例4的材料，并且测量了该材料的电阻。这些结果显示于图8中。
正如可以从图8看出，该材料在低电流以及由此的低温下是高度导电的。在较高的电流下发生了在电阻方面的陡然上升。
Claims (14)
1.一种包括导电颗粒的液体组合物，该组合物是可印刷的并且在印刷到一种基底上之后是可固化的从而产生一种高分子热塑性正温度系数材料。
2.一种包括导电颗粒的高分子热塑性正温度系数材料，通过印刷一种液体组合物然后进行它的固化的方法，该材料是能得到的。
3.一种将包括导电颗粒的液体组合物进行印刷之后固化该组合物由此产生一种高分子热塑性正温度系数材料的方法。
4.根据以上权利要求中任一项所述的一种组合物、材料或方法，其中该印刷是丝网印刷或喷墨印刷。
5.根据以上权利要求中任一项所述的一种组合物、材料或方法，其中该导电颗粒是以基于该液体的从10重量％至60重量％的浓度而呈现的。
6.根据以上权利要求中任一项所述的一种组合物、材料或方法，其中该固化是通过聚合作用或者溶剂蒸发而发生的。
7.根据权利要求6所述的一种组合物、材料或方法，其中该固化方法是通过聚合作用而发生的。
8.根据权利要求7所述的一种组合物、材料或方法，其中该液体组合物包括处于该液体的从40重量％至90重量％的水平的可聚合材料。
9.根据权利要求7或8所述的一种组合物、材料或方法，其中该可聚合材料包括一种丙烯酸酯。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的一种组合物、材料或方法，其中该液体组合物包括一种UV引发剂。
11.根据以上权利要求中任一项所述的一种组合物、材料或方法，其中该基底是电绝缘的。
12.根据以上权利要求中任一项所述的一种组合物、材料或方法，其中该液体以及所生成的PTC材料是与至少两个导电电极接触的。
13.根据以上权利要求中任一项所述的一种组合物、材料或方法，其中该基底是一个印刷电路板。
14.根据以上权利要求中任一项所述的一种组合物、材料或方法，其中该PTC材料被定型成在远离有待被保护的元件的方向上具有减小的厚度。
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