CN102903469B

CN102903469B - 过电流保护组件

Info

Publication number: CN102903469B
Application number: CN201110219372.XA
Authority: CN
Inventors: 王绍裘; 沙益安; 罗国彰; 黑大光
Original assignee: Polytronics Technology Corp
Current assignee: Polytronics Technology Corp
Priority date: 2011-07-28
Filing date: 2011-07-28
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2031-07-28
Also published as: CN102903469A

Abstract

一过电流保护组件包含两个金属箔片及一PTC材料层。PTC材料层层叠于该两个金属箔片之间，且体积电阻值介于0.07至0.32Ω-cm。PTC材料层包含(i)结晶性高分子聚合物；(ii)导电碳化陶瓷填料，其粒径大小介于0.1μm至50μm之间，体积电阻值小于0.1Ω-cm；及(iii)一导电碳黑填料，与导电碳化陶瓷填料的重量比例介于1∶90～1∶4之间。导电碳化陶瓷填料及导电碳黑填料散布于该结晶性高分子聚合物之中。PTC材料层的电阻再现性R100/Ri比值是介于3至20之间。

Description

过电流保护组件

技术领域

本发明涉及一种过电流保护组件，特别是涉及一种具有低电阻值及优异电阻再现性的过电流保护组件。

背景技术

由于具有正温度系数(PositiveTemperatureCoefficient；PTC)特性的导电复合材料的电阻对温度变化具有反应敏锐的特性，因此，可作为电流感测组件的材料，目前已被广泛应用于过电流保护组件或电路组件上。由于PTC导电复合材料在正常温度下的电阻可维持极低值，使电路或电池得以正常运作。但是，当电路或电池发生过电流(over-current)或过高温(over-temperature)的现象时，其电阻值会瞬间提高至高电阻状态(至少10²Ω以上)，而将过量的电流降低，以达到保护电池或电路组件的目的。

一般而言，PTC导电复合材料是由一种或一种以上具有结晶性的聚合物及导电填料所组成，该导电填料是均匀分散于该聚合物之中。该聚合物一般为聚烯烃类聚合物，例如：聚乙烯，而导电填料一般为碳黑。然而，碳黑所能提供的导电度较低，而不符应用上低阻值的需求。

发明内容

本发明提供一种过电流保护组件，通过加入具有特定粒径分布的导电碳化陶瓷填料、导电碳黑填料于结晶性高分子聚合物中，而使该过电流保护组件具有优异的低电阻值及电阻再现性。

本发明一实施方式的过电流保护组件，包含两个金属箔片及一PTC材料层。PTC材料层层叠于该两金属箔片之间，且其体积电阻值介于0.07至0.32Ω-cm。PTC材料层包含(i)结晶性高分子聚合物；(ii)导电碳化陶瓷填料，其体积电阻值小于0.1Ω-cm；及(iii)导电碳黑填料，其与导电碳化陶瓷填料比例介于1∶90～1∶4之间。其中导电碳化陶瓷填料及导电碳黑填料是分散于该结晶性高分子聚合物之中。PTC材料层的电阻再现性R100/Ri比值系介于3至20之间。

一实施方式中，金属箔片含瘤状(nodule)突出的粗糙表面，并与该PTC材料层直接物理性接触。导电碳化陶瓷填料可为粉末状，且粒径大小主要介于0.01μm至100μm之间，优选粒径大小系介于0.1μm至50μm之间。导电碳化陶瓷填料的体积电阻值小于0.1Ω-cm，且均匀分散于该结晶性高分子聚合物之中。结晶性高分子聚合物可选自：高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或聚氟乙烯等。

一实施方式中，本发明所使用的导电碳黑填料的粒径大小主要介于15nm至75nm之间，且其添加于PTC材料的重量比例介于1％至20％之间。

因导电碳化陶瓷填料的体积电阻值较低(小于0.1Ω-cm)，以致于本发明所混合成的PTC材料可达到低于0.32Ω-cm的体积电阻值。

本发明的过电流保护组件，其中该两个金属箔片可与另两个金属电极片利用锡膏(solder)通过回焊或通过点焊方式接合成一组装体(assembly)，通常是成为轴型(axial-leaded)、插件型(radial-leaded)、端子型(terminal)、或表面粘着型(surfacemount)的组件。本发明的过电流保护组件，其中该上下金属箔片可连于电源而形成一导电回路(circuit)，PTC材料层在过电流的状况下动作，而达到保护回路的功能。

附图说明

图1是本发明一实施例的过电流保护组件的示意图；

图2是本发明另一实施例的过电流保护组件的示意图。

附图标记的说明

10、10’电流保护组件

11PTC材料层

12金属箔片

20电流保护组件

22金属电极片

具体实施方式

导电复合材料的导电度是由导电填料的种类及含量而定。近年来，消费型电子产品对于可重复使用电池(例如锂电池)或单次用电池(例如碳锌电池)，在延长使用寿命上的比例逐年增加。由于碳黑所能提供的导电度较金属或陶瓷填料低，因此本发明加入导电碳化陶瓷填料，以增加导电度。然而，由于导电碳化陶瓷填料以堆栈的方式形成导电通路，当该复合材料中的结晶性高分子受热产生再结晶现象，使得材料中陶瓷填料的导电通路减少，造成该导电复合材料在反复发生过电流(over-current)或反复过高温(over-temperature)事件时，其电阻再现性比值(tripjump)过高，因而缩短电池使用的寿命。

由于碳黑表面呈凹凸状，与聚烯烃类聚合物的附着性较佳，所以具有较佳的电阻再现性。为有效降低过电流保护组件经过反复触发(trip)后的电阻值，并且维持低的导电复合材料的体积电阻值，本发明在结晶性高分子聚合物材料中同时添加导电碳化陶瓷粉末及碳黑粉末，通过该碳黑填料较佳的电阻再现性，以及导电碳化陶瓷粉末的高导电特性，可使过电流保护组件同时兼具这两种功能。

以下说明本发明过电流保护组件的组成成份，包括实施例一至实施例八、比较例一至比较例四及相关制作过程。

本发明过电流保护组件所使用的PTC材料层的成份及重量(单位：公克)如表一所示。其中LDPE-1是低密度结晶性聚乙烯(密度：0.924g/cm³，熔点：113℃)；HDPE-1是高密度结晶性聚乙烯(密度：0.943g/cm³，熔点：125℃)；HDPE-2是高密度结晶性聚乙烯(密度：0.961g/cm³，熔点：131℃)；非导电填料是用氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、氧化铝(Al₂O₃)或氢氧化镁(Mg(OH)₂)。导电填料则选用碳黑(Carbonblack)及碳化钛(TiC)等。本发明实施例中，导电碳黑填料与导电碳化陶瓷填料(TiC)的重量比例介于1∶90～1∶4之间。该结晶性高分子聚合物在PTC材料层的重量百分比约10％～20％。导电碳黑填料在PTC材料层的重量百分比是介于1％至20％之间，或优选地介于6％～18％之间。导电碳化陶瓷填料占PTC材料层的重量百分比是介于65％～90％，或优选地介于66％～83％之间。

表一

材料	LDPE-1	HDPE-1	HDPE-2	BN	AlN	Al2O3	Mg(OH)2	碳黑	TiC
										实施例一	-	10	9	-	-	-	-	1.5	130
实施例二	3	16	-	-	-	-	-	5	135
										实施例三	4	12.3	-	-	-	-	-	15.6	69
实施例四	3.5	-	15.4	-	-	-	-	4.3	125
										实施例五	5.3	12.6	-	3.2	-	-	-	10.2	105
实施例六	4.6	-	13.5	-	-	4.3	-	6.2	116
										实施例七	3.7	15.4	-	-	-	-	2.5	3.4	127
实施例八	4		14.7		5		-	2.9	115
										比较例一	-	8.1	10.2	-	-	-	-	-	130
比较例二	-	15.2	9.3	-	-	-	-	29.5	-
										比较例三	5	16.5	-	-	10	-	-	-	140
比较例四	-	5	17.6	5.5	-	-	-	-	135

制作过程如下：将分批式混炼机(Haake-600)进料温度定在160℃，进料时间为2分钟，进料程序为按表一所示的重量，加入规定量的结晶性高分子聚合物，搅拌几秒钟，再加入导电碳化陶瓷填料碳化钛粉末(其粒径大小是介于0.1μm至50μm之间)和/或碳黑粉末(其粒径大小是介于15nm至75nm之间)及非导电填料氮化硼、氮化铝、氧化铝或氢氧化镁(其粒径大小是介于0.1μm至30μm之间)。混炼机旋转的转速为40rpm。3分钟后，将其转速提高至70rpm，继续混炼7分钟后下料，从而形成具有PTC特性的导电复合材料。

将上述导电复合材料以上下对称方式置于外层为钢板，中间厚度为0.33mm及0.2mm的模具中，模具上下各置一层铁弗龙脱模布，先预压3分钟，预压操作压力50kg/cm²，温度为180℃。排气之后进行压合，压合时间为3分钟，压合压力控制在100kg/cm²，温度为180℃，之后再重复一次压合动作，压合时间为3分钟，压合压力控制在150kg/cm²，温度为180℃，之后形成一PTC材料层11，如图1所示。一实施例中，该PTC材料层11的厚度大于0.1mm，优选地大于0.2mm或0.3mm。

将该PTC材料层11裁切成20×20cm的正方形，再利用压合将两个金属箔片12直接物理性接触于该PTC材料层11的上下表面，其是在该PTC材料层11表面以上下对称方式依序覆盖金属箔片12。该金属箔片12含瘤状(nodule)突出的粗糙表面并与PTC材料层11直接物理性接触。接着，压合专用缓冲材、铁弗龙脱模布及钢板而形成一多层结构10。对该多层结构再进行压合，压合时间为3分钟，操作压力为70kg/cm²，温度为180℃。之后，以模具冲切形成外径16mm及内径10mm的环状晶片状过电流保护组件10’，再将两个金属电极片22用锡膏(solderpaste)通过回焊方式上下连接于该两个金属箔片12上，制成轴状式过电流保护组件20，如图2所示。以下表二显示过电流保护组件的各项测试特性。

PTC材料层11的体积电阻值(ρ)可根据式(1)计算而得：

ρ = \frac{R \times A}{L} . . . (1)

其中，R为PTC材料层11的电阻值(Ω)，A为PTC材料层11的面积(cm²)，L为PTC材料层11的厚度(cm)。将式(1)中的R以表二的实施例一的Ri(Ω)值(0.0035Ω)代入，A以122.46mm²((＝8×8×3.14)-(5×5×3.14)10^-2cm²)代入，L以0.3mm代入，即可求得ρ＝0.1428Ω-cm。以同样方式可求得实施例二的ρ＝0.2408Ω-cm，实施例三的ρ＝0.2571Ω-cm，实施例四的ρ＝0.1714Ω-cm，实施例五的ρ＝0.3183Ω-cm，实施例六的ρ＝0.1387Ω-cm，实施例七的ρ＝0.1714Ω-cm，实施例八的ρ＝0.2Ω-cm。这些体积电阻值均小于仅添加碳黑的比较例二的ρ＝0.3469Ω-cm。由表二可知，本发明实施例的体积电阻值是介于0.07至0.32Ω-cm之间，优选地介于0.1至0.3Ω-cm之间或更优选地介于0.12至0.28Ω-cm之间。

表二

电流保护组件20在触发10次、100次及300次的状态下的电阻值R10、R100及R300也显示在表二中。以下，利用触发100次的电阻再现性进行说明。电阻再现性是以R100/Ri比值作为比对基准，其中R100为触发100次的电阻值，Ri为起始电阻值。由实施例一至八的数值显示，本发明的电阻再现性R100/Ri介于3至20之间，优选地介于4至16之间，而最优选地介于5至13之间。然而，比较例一单纯使用碳化钛填料的组件经触发100次后的电阻再现性R100/Ri比值高达67.1，而比较例三及四除碳化钛外另添加氮化铝或氮化硼而未加碳黑者，R100/Ri比值均大于40。显然，本发明可有效改善单纯使用陶瓷填料时的电阻再现性不佳的情况。又比较例二单纯使用碳黑为导电填料，其起始阻值8.5mΩ，本发明实施例的起始电阻值Ri均小于8mΩ，或优选地小于7mΩ。显然，本发明另增添陶瓷填料可有效降低起始阻值。因此，实施例一至八(使用碳化陶瓷填料加碳黑)相比于比较例一、三及四(不含碳黑)具有较佳的电阻再现性。且实施例一至八(使用碳化陶瓷填料加碳黑)相比于比较例二(仅含碳黑)具有较低的起始电阻值及体积电阻值。

除上述表列的材料外，PTC材料层可选用具有结晶性的聚烯烃类聚合物(例如高密度聚乙烯、中密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚乙烯蜡、乙烯聚合物、聚丙烯、聚氯乙烯或聚氟乙烯等)、烯烃类单体与压克力类单体的共聚合物(例如乙烯-压克力酸共聚合物、乙烯-压克力酯共聚合物)或烯烃类单体与乙烯醇类单体的共聚合物(例如乙烯-乙烯醇共聚合物)等，并且可以选用一种或多种聚合物材料。该低密度聚乙烯可用传统Ziegler-Natta催化剂或用Metallocene催化剂聚合而成，也可通过乙烯单体与其它单体(例如：丁烯(butene)、己烯(hexene)、辛烯(octene)、丙烯酸(acrylicacid)或醋酸乙烯酯(vinylacetate))共聚合而成。

上述导电碳化陶瓷填料也可包括碳化钨、碳化钒、碳化硼、碳化硅、碳化锗、碳化钽、碳化锆、碳化铬或碳化钼。导电碳化陶瓷填料外型包含破碎状、多角形、球形或片状，粒径大小是介于0.1μm至50μm之间。

进一步，当PTC材料达到低于1Ω-cm的体积电阻值时，因为电阻值低，常无法承受高于12V的电压。因此，为提升耐电压性，实施例五至八中添加以无机化合物为主的非导电填料于PTC材料中，并控制PTC材料层的厚度大于0.1mm，使得该低电阻值PTC材料可承受小于等于28V的电压，或优选地可承受6V至28V的电压，或最优选地可承受12V至28V的电压，以及可承受小于等于50安培的电流。

本发明通过加入具有规定粒径分布的导电碳化陶瓷填料、导电碳黑填料于结晶性高分子聚合物中，而使该过电流保护组件具有优异的体积电阻值及电阻再现性，且实施例中可另添加非导电填料，以兼具耐电压特性。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而，本领域技术人员仍可基于本发明的启示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示者，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为以下的权利要求范围所涵盖。

Claims

1.一种过电流保护组件，包括：

两个金属箔片；以及

一PTC材料层，其层叠于该两个金属箔片之间，且其体积电阻值介于0.07至0.32Ω-cm，该PTC材料层包含：

(i)至少一种结晶性高分子聚合物；

(ii)导电碳化陶瓷填料，其分散于该结晶性高分子聚合物之中，其粒径大小是介于0.1μm至50μm之间，体积电阻值小于0.1Ω-cm；及

(iii)导电碳黑填料，其分散于该结晶性高分子聚合物之中，其中，该导电碳黑填料的粒径大小介于15nm至75nm，该导电碳黑填料在PTC材料层的重量百分比是介于1％至20％之间，导电碳黑填料与导电陶瓷填料的重量比例介于1：90～1：4之间；

而且，该PTC材料层的电阻再现性R100/Ri比值介于3至20之间，Ri为起始电阻值，R100为触发100次后的电阻值。

2.根据权利要求1所述的过电流保护组件，其中，该导电碳化陶瓷填料占该PTC材料层的重量百分比为65％～90％。

3.根据权利要求1所述的过电流保护组件，其中，该导电碳化陶瓷填料占该PTC材料层的重量百分比为66％～83％，导电碳黑填料占该PTC材料层的重量百分比为6％～18％。

4.根据权利要求1所述的过电流保护组件，其中，该PTC材料层的体积电阻值是介于0.1至0.3Ω-cm之间。

5.根据权利要求1所述的过电流保护组件，其中，该PTC材料层的电阻再现性R100/Ri比值是介于4至16之间。

6.根据权利要求1所述的过电流保护组件，其中，该结晶性高分子聚合物选自：聚烯烃类聚合物、烯烃类单体与压克力类单体的共聚合物、烯烃类单体与乙烯醇类单体的共聚合物及其组合。

7.根据权利要求1所述的过电流保护组件，其中，该结晶性高分子聚合物选自：高密度聚乙烯、中密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚乙烯蜡、乙烯聚合物、聚丙烯、聚氯乙烯、聚氟乙烯、乙烯-压克力酸共聚合物、乙烯-压克力酯共聚合物、乙烯-乙烯醇共聚合物及其组合。

8.根据权利要求1所述的过电流保护组件，其中，该导电碳化陶瓷填料选自：碳化钨、碳化钒、碳化钛、碳化硼、碳化硅、碳化锗、碳化钽、碳化锆、碳化铬、碳化钼及其组合。

9.根据权利要求1所述的过电流保护组件，其中，该导电碳化陶瓷填料外型包含破碎状、多角形、球形或片状。

10.根据权利要求1所述的过电流保护组件，其中，该PTC材料层另包含非导电填料。

11.根据权利要求10所述的过电流保护组件，其中，该非导电填料是选自：氮化硼、氮化铝、氧化铝、氢氧化镁或其组合。

12.根据权利要求10所述的过电流保护组件，其中，该非导电填料的粒径大小是介于0.1μm至30μm之间。

13.根据权利要求10所述的过电流保护组件，其可承受12V至28V的电压，以及可承受小于等于50安培的电流。

14.根据权利要求1所述的过电流保护组件，其中，该PTC材料层的厚度大于0.1mm。

15.根据权利要求1所述的过电流保护组件，其另包含两个金属电极片，该两个金属电极片分别连接该两个金属箔片。