CN102176358A

CN102176358A - 低温快速过电流保护元器件及其制造方法

Info

Publication number: CN102176358A
Application number: CN2011100276855A
Authority: CN
Inventors: 王群林; 孙天举; 刘正平; 王军
Original assignee: Shanghai Changyuan Wayon Circuit Protection Co Ltd
Current assignee: Shanghai Changyuan Wayon Circuit Protection Co Ltd
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2011-09-07

Abstract

本发明涉及低温快速过电流保护元器件及其制造方法，PTC材料电阻率小于0.3Ω.cm，包含：结晶性聚合物，为茂金属催化的烯烃类聚合物，熔点80-95℃，密度0.813-0.913g/cm³；导电碳黑，平均粒径25-85nm，吸油量50-130cc/100gm；相容剂，为接枝改性聚合物，熔点55-70℃；制造方法包括：密炼机中加入结晶性聚合物，加入部分导电碳黑密炼，再加入剩余导电碳黑密炼，加入相容剂密炼，出料，用开炼机制成芯片，即PTC材料层，上、下均放上金属箔片，进行压合，制得复合片状PTC芯材。优点是：由于PTC元件的低温转折特性，可以对回路起到过温保护特性。

Description

低温快速过电流保护元器件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种过电流保护元件，尤其涉及具有PTC导电复合材料的一种低温快速过电流保护元件。其具有优秀的低温快速保护特性，更高的阻值集中度，更优异的耐电压、耐电流冲击特性。

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导电复合材料至少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）。

以二次充电锂化合物为基础的电池和电池组，对过电流/过温状态特别敏感，这种状况是由意外短路、滥用或难以控制的充电所致，使电池温度升高，导致电池受损或设备故障，需要外围PPTC（Polymer PTC）元件对其提供保护，由于锂离子等二次充电电池的电芯安全温度普遍较低（一般低于85℃），需要对应PPTC元器件电阻阶跃转折点低于此温度，而传统PPTC的温度转折点远高于此安全温度，因此只能作为常温过流保护元件，无法进行过低温保护。同时随着各类手机、笔记本电脑、便携式视听设备、便携式摄影机和其他便携式设备的市场需求的扩张及更新换代频率的加快，对满足便携式设备更长运作时间、小尺寸和更轻重量要求的锂离子和锂聚合物电池的需求得到快速的增长。基于锂离子电池上述两点发展趋势，用于电池保护的PPTC的需求体现在要求具有低的电阻、小的尺寸、低温快速保护的特点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种低温快速过电流保护元件，通过在聚合物中加入一些具有特定粒径分布的导电填料及特定的加工工艺使所述的PPTC元器件具有优异的低温快速保护特性。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供上述低温快速过电流保护元件的制造方法。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是：一种低温快速过电流保护元器件，其包含两个金属箔片和一个PTC材料层，上、下两金属箔片的粗糙性表面与PTC材料层为直接性物理接触，所述PTC材料层介于所述上、下两金属箔片之间，且电阻率小于0.3Ω.cm，该PTC材料包含：

至少一种结晶性聚合物；

导电碳黑，平均粒径介于25nm～85nm之间，吸油量介于50cc/100gm～130cc/100gm之间，且均匀分散于所述至少一结晶性聚合物中；

相容剂，为接枝改性聚合物，其熔点在55℃～70℃之间；

其中，至少一结晶性聚合物为茂金属催化的烯烃类聚合物，熔点在80℃～95℃之间，结晶度在10%～25%之间，密度在0.813g/cm³～0.913g/cm³之间。

在上述方案的基础上，所述的烯烃类聚合物为聚乙烯，所述PTC材料层按重量份计包括下述组份：

聚乙烯 150～240

相容剂 25～105

导电碳黑 286份。

具体的，以导电碳黑286份计，

聚乙烯可以为150、153、155、160、165、170、175、180、185、190、195、200、205、210、215、220、225、230、235或240份；

相容剂可以为25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、101或105份。

在上述方案的基础上，所述的相容剂为马来酸酐接枝改性的线性低密度聚乙烯。

具体的，使用马来酸酐接枝改性Dow公司的线性低密度聚乙烯722（熔融指数为8dg/min(190℃,2.16kg),密度为0.918g/cm³，熔点107℃），该马来酸酐接枝改性的线性低密度聚乙烯的密度为0.827g/cm³，熔点65℃。

在上述技术方案基础上，所述上、下两金属箔片与上、下两金属电极通过焊料经过回流焊方式接合成一组件，所述上、下两金属电极与电源连接形成一导电回路。

针对上述的低温快速过电流保护元器件的制造方法，包括依下述步骤：

步骤一：各组份按上述比例配料称量；

步骤二：将密炼机进料温度设定为115～125℃，向密炼机中加入结晶性聚合物，转速20～30转/min，密炼时间3～8min；

步骤三：加入部分导电碳黑，密炼时间3～8min，再加入剩余部分导电碳黑，密炼时间3～8min，逐渐在3min内降低温度至110℃，加入相容剂密炼6～10min，出料，制成具有PTC特性的导电材料；

步骤四：将导电材料用开炼机制成厚度为0.10～0.20mm的芯片，即PTC材料层；

步骤五：将PTC材料层放入框模中，上、下均放上金属箔片，进行压合，制得复合片状PTC芯材。

在上述技术方案基础上，将复合片状PTC芯材冲压成芯片，对芯片进行退火处理，直接从烘箱取出，再在130℃～210℃的焊接温度中对芯片上、下两表面分别焊接两个金属电极，制成条状式的PTC过流保护元器件初品；冷却后，使用45～55KHz超声波对其震荡，然后用γ射线（Co⁶⁰）或电子束辐照交联，剂量为5～8Mrad，最后，再对其使用35～45KHz超声波震荡，制成PTC过流保护元器件。

在上述技术方案基础上，步骤五中，所述的压合条件为：先在真空压机中，压合温度155～165℃，压力5～10MPa，时间10～20min，取出后再在冷压机中，压合压力3～5MPa，时间5～10min。

本发明的有益效果是：

本发明的过电流保护元件，上、下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；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，而且由于PTC元件的低温转折特性，可以对回路起到过温保护特性。

附图说明

图1为本发明的过电流保护元件。

图2为本发明过电流保护元件的一个实施例。

附图中标号说明

1－PTC材料层

2，2’－金属箔片 3，3’－金属电极。

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（实施例1和实施例2）及制作过程。

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。

聚乙烯PE的生产厂商为Dow；CB厂商为Cabot。

其中，PE为茂金属催化的乙烯基聚合物（密度0.912g/cm3，熔点：90℃）；相容剂为马来酸酐接枝改性的线性低密度聚乙烯（密度0.827g/cm3，熔点：65℃）；导电碳黑平均粒径为37nm，吸油量为82 cc/100gm。

制造方法，包括依下述步骤：

步骤一：各组份按上述比例配料称量；

步骤二：将密炼机进料温度设定为120℃，向密炼机中加入茂金属催化的聚乙烯，转速25转/min，密炼时间5min；

步骤三：加入50%的导电碳黑，密炼时间5min，再加入剩余50%导电碳黑，密炼时间5min，逐渐在3min内降低温度至110℃，加入相容剂密炼8.5min，出料，制成具有PTC特性的导电材料；

步骤四：将导电材料用开炼机制成厚度为0.10～0.20mm，面积为100mm×200mm的黑的芯片，即PTC材料层1；

步骤五：将PTC材料层1放入框模中，上、下均放上金属箔片2，2’，进行压合，先在真空压机中，压合温度160℃，压力7MPa，时间16min，取出后再在冷压机中，压合压力4MPa，时间8min，制得复合片状PTC芯材（如图1为本发明的过电流保护元件所示）。

将复合片状PTC芯材冲压成3×12mm芯片，冲片完成后对芯片进行退火处理，条件为75℃，8小时，直接从烘箱取出，再采用低温回流焊接工艺，在130℃～210℃的焊接温度中对芯片上、下两表面分别焊接两个金属电极3，3’，制成条状式的PTC过流保护元器件初品（如图2为本发明过电流保护元件的一个实施例所示）；冷却后，使用50KHz超声波对其震荡，然后用γ射线（Co⁶⁰）或电子束辐照交联，剂量为5～8Mrad，最后，再对其使用40KHz超声波震荡，制成PTC过流保护元器件。

然后将其进行高低温冲击（85℃/-28℃×45min×6次）。

表2为本发明的低温快速过电流保护元器件在经过相同条件放置后经过触发（Trip）一次一个小时后回到室温的阻值测试数据、PTC强度、转折温度。

表中的R0为所述电流保护元件的初始电阻；R1为经过8.75A电流下的触发动作一小时后的室温阻值；SD为阻值离散度；Ttt为经过8.75A电流触发时的保护时间；PTC强度为无电流冲击经过环境温度变化触发后的阻值与初始阻值比的对数值。

表3为本发明的低温快速过电流保护元器件在经过不同电流负载条件下的电阻跃迁转折温度。

表4为本发明的低温快速过电流保护元器件在经过耐电压及耐电流测试中的性能比较。

其中U=12V为在12V电压下的性能；U=16V为在16V电压下的性能；I=100A/100次为其在通过100A负载电流冲击6s条件下，反复100次的性能。

本发明的过电流保护元件所使用的PTC 材料层，由于即具有茂金属催化乙烯基聚合物的低温特性，又同时具有相容剂分散碳黑在聚乙烯中分布促使阻值集中的优异性能，因此，与市面上的同类产品相比，其具有更低的保护温度、更高的阻值集中度、更优异的耐电压性能。

Claims

1.一种低温快速过电流保护元器件，其包含两个金属箔片（2，2’）和一个PTC材料层（1），其特征在于：上、下两金属箔片（2，2’）的粗糙性表面与PTC材料层（1）为直接性物理接触，所述PTC材料层（1）介于所述上、下两金属箔片（2，2’）之间，且电阻率小于0.3Ω.cm，该PTC材料包含：

至少一种结晶性聚合物；

相容剂，为接枝改性聚合物，其熔点在55℃～70℃之间；

2.根据权利要求1所述的低温快速过电流保护元器件，其特征在于：所述的烯烃类聚合物为聚乙烯，所述PTC材料层按重量份计包括下述组份：

聚乙烯 150～240

相容剂 25～105

导电碳黑 286份。

3.根据权利要求1或2所述的一种低温快速过电流保护元器件，其特征在于：所述的相容剂为马来酸酐接枝改性的线性低密度聚乙烯。

4.根据权利要求1或2所述的低温快速过电流保护元器件，其特征在于：所述上、下两金属箔片（2，2’）与上、下两金属电极（3，3’）通过焊料经过回流焊方式接合成一组件，所述上、下两金属电极（3，3’）与电源连接形成一导电回路。

5.针对权利要求1至4之一所述的低温快速过电流保护元器件的制造方法，其特征在于包括依下述步骤：

步骤一：各组份按比例配料称量；

步骤四：将导电材料用开炼机制成厚度为0.10～0.20mm的芯片，即PTC材料层（1）；

步骤五：将PTC材料层（1）放入框模中，上、下均放上金属箔片（2，2’），进行压合，制得复合片状PTC芯材。

6.根据权利要求5所述的低温快速过电流保护元器件的制造方法，其特征在于：将复合片状PTC芯材冲压成芯片，对芯片进行退火处理，直接从烘箱取出，再在130℃～210℃的焊接温度中对芯片上、下两表面分别焊接两个金属电极（3，3’），制成条状式的PTC过流保护元器件初品；冷却后，使用45～55KHz超声波对其震荡，然后用γ射线（Co⁶⁰）或电子束辐照交联，剂量为5～8Mrad，最后，再对其使用35～45KHz超声波震荡，制成PTC过流保护元器件。

7.根据权利要求5所述的低温快速过电流保护元器件的制造方法，其特征在于：步骤五中，所述的压合条件为：先在真空压机中，压合温度155～165℃，压力5～10MPa，时间10～20min，取出后再在冷压机中，压合压力3～5MPa，时间5～10min。