CN102543330A - 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，包括两层金属电极箔片间夹基于高分子PTC复合材料层构成的芯片，其特征在于，所述芯片的电极片与PTC复合材料层的界面喷涂导电金属胶，其黏度低于700mPa.s，其体积电阻小于0.02Ω-cm，所述芯片的总体积电阻不大于0.08Ω-cm、起始电阻值小于15mΩ。本发明产品的优越性在于：具有优异电阻值及电阻再现性，同时，过电流保护元件的制备方法生产效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种过电流保护元件。
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。
一般来说，导电复合材料的导电特性由导电填料的种类、含量、粒径大小、粒径分布、粒子表面形貌以及粒子与聚合物基体界面结合性决定。阻值的稳定性包括两个方面分别是长期自然放置稳定性和耐恶劣环境的稳定性。其中恶劣环境包括湿热老化和冷热交变老化。这两项都会导致导电颗粒填充聚合物复合材料与镍箔的界面结合性。
目前市场化的低电阻（10mΩ左右）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。常用解决方法为在PTC产品表面包封环氧树脂胶，但是效果不明显，体现在长期放置后产品电阻再现性不好。
我们认为，处于界面层的复合物导电粒子容易氧化和聚合物基体本身也容易老化，随着时间的推移，或是遭受恶劣的环境，界面的接触电阻显著的提高。这种界面的电阻提高，一方面源于，界面层导电粒子的氧化，电阻率增加；另一方面源于，导电通道遭到破坏，有效导电通道大幅减少。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。经过工业化应用，发现缺点是经过长时间的放置后，环氧树脂的包封效果大打折扣，因为包封胶一方面不能改变夹层结构的界面性能，另一方面由于镍箔引脚外露，可以形成氧化通道，使电极片遭到氧化，最终使界面处的导电颗粒氧化，包封没有办法封住这部分氧化。
发明内容
本发明目的在于：提供一种过电流保护元件，以获得具有优异电阻值及电阻再现性。
本发明再一目的在于：提供上述过电流保护元件的制备方法，在保证性能的前题下，提高生产效率。
本发明目的通过下述技术方案实现：一种过电流保护元件，包括两层金属电极箔片间夹基于高分子PTC复合材料层构成的芯材，其中，所述芯片的电极片与PTC复合材料层的界面喷涂导电金属胶，其黏度低于700mPa.s，其体积电阻小于0.02Ω-cm，所述芯片的总体积电阻不大于0.08Ω-cm、起始电阻值小于15mΩ。
PTC复合材料层包含结晶性聚合物、导电填料和非导电填料。上述结晶性聚合物主要指一种或是一种以上牌号的聚乙烯；导电填料主要是单组分或是多组分的导电颗粒混合物例如导电陶瓷粉和导电金属粉。上述粉末的D50粒径都为1μm～7.00μm，导电填料的体积电阻值均需小于500μΩ-cm。非导电填料为无机填料起到阻燃、抗电弧和复合物性能调节剂做用。其D50粒径为0.5μm～5.0μm。
金属箔片通常选用镍箔片和铜箔片，由于其在贱金属里面有优良的稳定性和导电性，厚度一般为0.02mm～0.1mm。
在上述方案基础上，所述粘胶层为聚合物导电银胶，其厚度为0.02mm～0.1mm，界面剥离力不小于1.25E+5 N/m2。
本发明提供一种所述的过电流保护元件的制备方法，将以PTC复合材料各组份混料、混炼，混料后挤出成片，在片材的二面喷涂粘胶并与金属电极箔片复合于一体构成芯材，最后对芯材辐射交联，连接引出端制成过电流保护元件。
为了得到三明治夹层结构芯片，制备过程可采用挤出造料、挤出成片、喷涂并压延复合成复合片材的连续制造工艺。后续工序为间歇式工艺包括辐照、冲片、退火、引脚焊接。
粘合涂层固化过程经历工艺全过程，基本在辐照之前已经基本固化，但是完全固化在焊接工序完成后。
所述PTC复合片材在85℃条件下放置1000小时后，常温放置一小时后经过一次动作后电阻再现性比值小于2.5。
所述PTC复合片材在85℃、85%RH条件下放置1000小时后，常温放置一小时后经过一次触发电阻再现性比值小于2.5。
所述PTC复合片材在经过高低温冲击（85℃/-28℃，30MIN）100次后，常温放置一小时后经过一次触发电阻再现性比值小于2.5。
本发明产品的优越性在于：具有优异电阻值及电阻再现性，同时，过电流保护元件的制备方法生产效率高。
附图说明：
图1例示本发明的过电流保护元件；
图2例示本发明的芯片的制造工艺。
附图代号说明：
1——PTC复合材料层
2——导电银粘合层
3——金属镍箔
4——镍电极片
具体实施方式：
如图1所示本发明的过流保护元件的结构示意图，一种具有正温度系数特性的过流保护元件，此元件的芯片为上下对称结构，中间层为导电复合物层3，上层为电极片层1，复合物层和电极片层的界面为导电银胶的粘合层2。本实施例PTC复合材料层按重量百分比计：结晶性聚合物为聚乙烯50%～60%；金属导电粉末选自镍粉30%～35%；非导电粉末选自氧化铝5%～20%；导电胶选自Ag环氧树脂胶，涂层厚度控制在0.05mm～0.1mm；金属箔片选自镍箔片，厚度为0.05mm。
制造方法为：
1. 将镍粉、氧化铝和高密度聚乙烯粉按重量比为15:1:3在V型混合机中混合均匀。
2. 将步骤1的混合物，加入双螺杆混炼机混炼各段的温度设置为150℃～240℃，进入衣架式模头，模头温度为190℃～215℃，挤出宽度为0.5m和厚度为0.4mm PTC复合材料层。
3. 将导电银胶，稀释到黏度为500～1200mPa.s，使用如图2 所示的喷嘴，控制器的雾化压力0.1～0.15MPa，喷到电极片与PTC复合材料层复合面。然后电极片经过电加热器，温度为100℃～120℃，烘干导电银胶的溶剂。
4. 将步骤2出来的复合材料层和步骤3出来的喷涂过导电银胶的两层镍箔，经过双辊压合得到三明治结构的复合芯片。最后经过在线切片机，切成200mm*105mm的大块芯片。
5. 将步骤4出来的大块芯片用电子束辐照，剂量为60～100Mrad; 然后冲成尺寸为3mm*4mm的小芯片;接着退火，温度为135℃～200℃，时间为0.5～1h。
6.将步骤5出来的小芯片，焊接上引脚；清洗；涂胶；放置三天以供测试。
为验证此工艺的优越性，特进行了现有品（比较例）和本实施例进行比较。
表1、表2和表3分别为本发明的过电流保护元件的实施例图1和比较例，在不同条件放置后经过触发（Trip）一次后回到室温的阻值测试数据。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）。由表1，表2和表3可以看出本发明具有优异的环境性能和良好的电阻再现性能。
表4 为剥离力测试的数据，可以得出本发明的界面结合有明显的改善。
表1 85℃/1000小时放置后触发
表2 （85℃、85%RH/1000小时放置后触发）
表3 （高低温冲击（85℃/-28℃*30MIN*100次）后触发）
表4 剥离力测试数据
本发明的过电流保护元件所使用的PTC 材料，由于采用了新的芯片结构和思路及其相应的制造工艺，使产品实现低电阻值的同时，保证镍粉系产品具有优异的环境性能。
Claims (3)
1.一种过电流保护元件，包括两层金属电极箔片间夹基于高分子PTC复合材料层构成的芯片，其特征在于，所述芯片的电极片与PTC复合材料层的界面喷涂导电金属胶，其黏度低于700mPa.s，其体积电阻小于0.02Ω-cm，所述芯片的总体积电阻不大于0.08Ω-cm、起始电阻值小于15mΩ。
2.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其特征在于，所述粘胶层为聚合物导电银胶，其厚度为0.02mm～0.1mm，界面剥离力不小于1.25E+5 N/m2。
3.根据权利要求1或2所述的过电流保护元件的制备方法，将PTC复合材料各组份混料、混炼，其特征在于，混料后挤出成片，在片材的二面喷涂粘胶并与金属电极箔片复合于一体构成芯材，最后对芯材辐射交联，连接引出端制成过电流保护元件。
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