CN103450536A - 正温度系数高分子聚合物导电材料及其元件和制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种正温度系数高分子聚合物导电材料及其元件和制备方法,导电材料含有:有机聚合物20~70,导电填料25~75,添加剂0.1~10,金属氧化物填料0.1~10。元件为高分子聚合物PTC元件,其包括PTC片和电极片,所述PTC片由正温度系数高分子聚合物导电材料制成,在PTC片沿长度方向两侧设有电极片。制备方法包括a、将有机聚合物按比例加入密炼机中搅拌混合;b、在搅拌混合后的有机聚合物中加入添加剂和金属氧化物填料搅拌混合;c、接着加入导电填料搅拌混合后将转速提高,然后继续混合后出料,形成正温度系数高分子聚合物导电材料。本发明的导电材料及其元件具有更低的室温电阻率,循环寿命长,耐压及耐电流冲击能力强,热稳定性好。

Description

正温度系数高分子聚合物导电材料及其元件和制备方法
【技术领域】
本发明涉及高分子导电材料,特别是涉及一种正温度系数高分子聚合物导电材料。
【背景技术】
PTC(正温度系数)元件以其恒温特性而广泛应用于电路保护技术领域中。当PTC元件用于保护电路中时,由于其电阻与温度一同变化,当温度达到一定值时,PTC元件的电阻会剧烈增加。当电子电气仪器电路中流过过量的电流时,PTC元件的温度升高,或者当使用仪器的环境温度上升时,PTC元件的温度也随之上升。此时,PTC元件呈高阻状态,其电阻比室温零功率下的内阻甚至高100倍以上。具有这类PTC元件的电路中,当PTC元件被设置在电源线路上时,形成高阻的PTC元件实际上阻断了电流,阻止了电路中温度继续过高上升,从而起到保护电路中设备仪器的防护作用。当故障排除之后,PTC又恢复原来低阻状态,设备装置仍用正常使用。
现有的PTC元件中,有些虽也以炭黑作为导电填料,但由于炭黑导电能力有限,无法满足低电阻的要求。某些导电复合材料中以金属粉和陶瓷粉为导电填料,其虽具有极低的电阻,但由于金属粉容易氧化,同时由于金属粉,如Ni,或者陶瓷粉,如TiC,其密度远大于聚合物的密度,使得其分子容易发生迁移,甚至出现聚合物同导电材料分层的情况,同时因金属粉和陶瓷粉产品不易加工,导致PTC产品不稳定,热稳定性及电性能等相对较差。目前,以炭黑为导电材料的聚合物PTC,其体积电导率只能到1Ω/cm,金属粉或者陶瓷粉材料也只能到0.11Ω/cm。如果要求使产品电阻更低,则需要将产品尺寸做到更薄,而产品越薄其耐压、耐电流冲击能力越差,很难满足产品的性能要求。因此,寻找一种更低内阻的PTC元件,以保证电路中大电流的通过就成为一种客观需求。
【发明内容】
本发明旨在解决上述问题,而提供一种具有更低的室温电阻率,循环寿命长,耐压及耐电流冲击能力强,热稳定性好的正温度系数高分子聚合物导电材料。
本发明的目的还在于提供一种由本发明的方法所制备的正温度系数高分子聚合物导电元件。
本发明的进一步目的在于提供一种正温度系数高分子聚合物导电材料的制备方法。
为实现上述目的,本发明提供一种正温度系数高分子聚合物导电材料,该导电材料含有以重量分比计的下列组分:
有机聚合物      20~70
导电填料        25~75
添加剂          0.1~10
金属氧化物填料  0.1~10。
所述金属氧化物填料为四角状半导体金属氧化物。
该金属氧化物填料优选四角状氧化锌晶须,其可使正温度系数高分子聚合物的导电通路更多,产品电阻率降低,同时因其为特定四角状晶须结构,因而可更好的固定产品结构,使产品电阻再现性增强。由于四角状氧化锌晶须中的氧化锌本身具有热稳定性好等特性,因此可使高分子聚合物导电材料的电阻更低,产品热稳定更好。
有机聚合物为聚乙烯、高密度聚乙烯、聚酰胺、环氧树脂、聚偏氟乙烯、羧基树脂、聚丙烯中的一种或几种的共聚物或混合物。该有机聚合物包含结晶部分和非结晶部分,其结晶部分是以聚合物链段规则紧密排列的部分,非结晶部分是以聚合物链无规则疏松的部分。因导电性颗粒难以物理性质进入紧密排列的晶体部分内,而集中存在于非结晶部分。
导电填料为炭黑、金属粉、陶瓷粉中的一种或几种的混合物,其为分散性导电填料,其集聚在有机聚合物的非结晶部分,并以紧密接触的状态存在。
添加剂为加工助剂、阻燃剂、偶联剂、交联剂中的一种或几种的混合物。
本发明的正温度系数高分子聚合物导电材料为层状结构,其中,有机聚合物作为热塑性结晶高分子聚合物导电材料的基料,导电填料则为分散性导电性颗粒构成的分散性导电填料。
本发明进一步提供了所述正温度系数高分子聚合物导电材料的制备方法,该方法包括如下步骤:
a、将有机聚合物按所述比例加入密炼机中,在转速为20~40rpm,温度为150~180℃的条件下搅拌混合3~10分钟;
b、在搅拌混合后的有机聚合物中加入所述比例的添加剂和金属氧化物填料,在转速为20~40rpm,温度为150~180℃的条件下搅拌混合1~3分钟;
c、接着加入所述比例的导电填料,在转速为20~40rpm,温度为150~180℃的条件下搅拌混合3~10分钟后将转速提高到60~80rpm,然后继续混合1~5分钟后出料,形成正温度系数高分子聚合物导电材料。
步骤a中,所述有机聚合物为聚乙烯、高密度聚乙烯、聚酰胺、环氧树脂、聚偏氟乙烯、羧基树脂、聚丙烯中的一种或几种的共聚物或混合物;步骤b中,所述添加剂为抗氧剂,金属氧化物填料为四角状氧化锌晶须;步骤c中,所述导电填料为炭黑、金属粉、陶瓷粉中的一种或几种的混合物。
本发明还提供了由所述正温度系数高分子聚合物导电材料制备的高分子聚合物PTC元件,该PTC元件包括PTC片和电极片,所述PTC片由所述正温度系数高分子聚合物导电材料制成,在PTC片沿长度方向两侧设有电极片。由本发明的正温度系数高分子聚合物导电材料制备的PTC电路保护元件不仅具有较低的电阻值,并有优良的热稳定性。
本发明的贡献在于,其有效解决了现有PTC导电材料所存在的产品不稳定,热稳定性和耐电流冲击能力及电性能等相对较差等问题。本发明的正温度系数高分子聚合物导电材料中由于含有四角状结构的半导体金属氧化物,且由于其热稳定性好等特性,使得PTC聚合物导电材料的导电通路更多,并有效降低了PTC聚合物材料的室温电阻,增强了材料的热稳定性及再现性。由本发明的PTC聚合物导电材料制成的元件不仅具有较低的电阻值,并具有优良的热稳定性。
【附图说明】
图1是四角状氧化锌晶须的微观结构图。
图2是由本发明的正温度系数高分子聚合物导电材料制备的PTC元件结构示意图。
【具体实施方式】
下列实施例是对本发明的进一步解释和说明,对本发明不构成任何限制。
实施例1
取100克高密度聚乙烯加入将密炼机中,在温度为165℃,转速为30rpm条件下搅拌混合,搅拌混合5分钟后加入抗氧剂3.5克、四角状氧化锌晶须1.8克,以上述温度和转速继续搅拌混合,搅拌混合2分钟后,加入炭黑80克,搅拌5分钟后,立即将转速提高到70rpm,继续混炼3分钟之后出料,形成本发明的具有正温度系数的高分子聚合物导电材料。
将所制备的导电复合材料经单螺杆挤出机挤出,三辊压延机压延,自动裁片机裁片,制成尺寸大小为100mm×100mm,厚度0.3mm的正温度系数片材。
如图2所示,将制备好的导电复合材料片材以对称方式在沿其长度方向两侧设置金属箔片,并置于厚度为0.2mm的模具中,然后依次加入特氟隆脱模布和压合钢板,将模具置于平板硫化机上,在185℃保温预热5分钟,然后以15MPa的压力压合5分钟,温度仍保持185℃。压合完毕后,再放入冷却机中在4MPa的压力下进行冷却。将冷却后的片材以钴60的γ-射线照射,照射计量为8Mrad。最后,用模具冲切,形成3.3×13mm的条状的PTC电路保护元件,并在其长边方向上下表面分别焊接一镍片作为电极。通过四线式低电阻测试仪测量该PTC电路保护元件的电阻,所获得的其电气性能数值如表1所示:
表1
Figure BDA00003559707100051
表1中,序号1中的R0为室温下(25℃)电阻。序号2为电极片焊接(回流焊最高温度240℃,回流焊时间8分钟)1小时后所测的电阻。序号4为经通电50s与断电10s循环(电压为16V,电流100A)6000次与第一次的比值。序号5为在元件通电(电压16V、电流100A),经过1000小时后与起始阻值之比。
由表1性能参数可知,与下列比较例1中所形成的正温度系数元件相比,比较例1中的正温度系数元件的室温电阻R0较大,焊接后产品电阻相比实施例1的PTC电路保护元件的电阻大,其冷热循环和1000小时动作实验电阻都比实施例1的PTC电路保护元件大。如表1所示,本发明的正温度系数的高分子聚合物导电材料中的四角状氧化锌晶须可降低PTC材料的室温电阻,增强聚合物材料的热稳定性,电阻再现性增强。由本发明的高分子聚合物导电材料所制备的高分子聚合物PTC元件不仅具有较低的电阻值,并有优良的热稳定性。
实施例2
取100克高密度聚乙烯加入将密炼机中,在温度为165℃,转速为30rpm条件下搅拌混合,搅拌混合5分钟后加入抗氧剂3.5克、四角状氧化锌晶须5.4克,以上述温度和转速继续搅拌混合,搅拌混合2分钟后,加入炭黑80克,搅拌5分钟后,将转速提高到70rpm,继续混炼3分钟之后出料,形成本发明的具有正温度系数的高分子聚合物导电材料。
将所制备的导电复合材料经单螺杆挤出机挤出,三辊压延机压延,自动裁片机裁片,制成尺寸大小为100mm×100mm,厚度0.3mm的正温度系数片材。
如图2所示,将制备好的导电复合材料片材以对称方式在沿其长度方向两侧设置金属箔片,并置于厚度为0.2mm的模具中,然后依次加入特氟隆脱模布和压合钢板,将模具置于平板硫化机上,在185℃保温预热5分钟,然后以15MPa的压力压合5分钟,温度仍保持185℃。压合完毕后,再放入冷却机中在4MPa的压力下进行冷却。将冷却后的片材以钴60的γ-射线照射,照射计量为8Mrad。最后,用模具冲切,形成3.3×13mm的条状的PTC电路保护元件,并在其长边方向上下表面分别焊接一镍片作为电极。通过四线式低电阻测试仪测量该PTC电路保护元件的电阻,所获得的其电气性能数值如表2所示:
表2
Figure BDA00003559707100071
实施例3
取126克高密度聚乙烯加入将密炼机中,在温度为165℃,转速为30rpm条件下搅拌混合,搅拌混合5分钟后加入抗氧剂3.5克、长规形状普通氧化锌5.4克,以上述温度和转速继续搅拌混合,搅拌混合2分钟后,加入炭黑80克,搅拌5分钟后,将转速提高到70rpm,继续混炼3分钟之后出料,形成本发明的具有正温度系数的高分子聚合物导电材料。
将所制备的导电复合材料经单螺杆挤出机挤出,三辊压延机压延,自动裁片机裁片,制成尺寸大小为100mm×100mm,厚度0.3mm的正温度系数片材。
如图2所示,将制备好的导电复合材料片材以对称方式在沿其长度方向两侧设置金属箔片,并置于厚度为0.2mm的模具中,然后依次加入特氟隆脱模布和压合钢板,将模具置于平板硫化机上,在185℃保温预热5分钟,然后以15MPa的压力压合5分钟,温度仍保持185℃。压合完毕后,再放入冷却机中在4MPa的压力下进行冷却。将冷却后的片材以钴60的γ-射线照射,照射计量为8Mrad。最后,用模具冲切,形成3.3×13mm的条状的PTC电路保护元件,并在其长边方向上下表面分别焊接一镍片作为电极。通过四线式低电阻测试仪测量该PTC电路保护元件的电阻,所获得的其电气性能数值如表3所示:
表3
Figure BDA00003559707100081
比较例1
基本步骤同实施例1,所不同的是,在正温度系数的高分子聚合物导电材料制备过程中未加入氧化锌或四角状氧化锌晶须。所得到的聚合物导电材料的电气性能数值如表4所示:
表4
Figure BDA00003559707100082
由表4结果可知,比较例1中所形成的正温度系数导电元件的室温电阻R0较大,焊接后产品电阻相比实施例的元件的电阻大,其冷热循环和1000小时动作实验电阻都比实施例1~3的元件的电阻大。
尽管通过以上实施例对本发明进行了揭示,但本发明的保护范围并不局限于此,在不偏离本发明构思的条件下,对以上各构件所做的变形、替换等均将落入本发明的权利要求范围内。

Claims (9)

1.一种正温度系数高分子聚合物导电材料,其特征在于,该导电材料含有以重量分比计的下列组分:
有机聚合物     20~70
导电填料       25~75
添加剂         0.1~10
金属氧化物填料 0.1~10。
2.如权利要求1所述的正温度系数高分子聚合物导电材料,其特征在于,所述金属氧化物填料为四角状半导体金属氧化物。
3.如权利要求2所述的正温度系数高分子聚合物导电材料,其特征在于,所述金属氧化物填料为四角状氧化锌晶须。
4.如权利要求1所述的正温度系数高分子聚合物导电材料,其特征在于,所述有机聚合物为聚乙烯、高密度聚乙烯、聚酰胺、环氧树脂、聚偏氟乙烯、羧基树脂、聚丙烯中的一种或几种的共聚物或混合物。
5.如权利要求1所述的正温度系数高分子聚合物导电材料,其特征在于,所述导电填料为炭黑、金属粉、陶瓷粉中的一种或几种的混合物。
6.如权利要求1所述的正温度系数高分子聚合物导电材料,其特征在于,所述添加剂为加工助剂、抗氧剂、阻燃剂、偶联剂、交联剂中的一种或几种的混合物。
7.一种由权利要求1所述材料制备的高分子聚合物PTC元件,其特征在于,该PTC元件包括PTC片(1)和电极片(2),所述PTC片(1)由所述正温度系数高分子聚合物导电材料制成,在PTC片(1)沿长度方向两侧设有电极片(2)。
8.如权利要求1所述的正温度系数高分子聚合物导电材料的制备方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:
a、将有机聚合物按所述比例加入密炼机中,在转速为20~40rpm,温度为150~180℃的条件下搅拌混合3~10分钟;
b、在搅拌混合后的有机聚合物中加入所述比例的添加剂和金属氧化物填料,在转速为20~40rpm,温度为150~180℃的条件下搅拌混合1~3分钟;
c、接着加入所述比例的导电填料,在转速为20~40rpm,温度为150~180℃的条件下搅拌混合3~10分钟后将转速提高到60~80rpm,然后继续混合1~5分钟后出料,形成正温度系数高分子聚合物导电材料。
9.如权利要求8所述的方法,其特征在于,步骤a中,所述有机聚合物为聚乙烯、高密度聚乙烯、聚酰胺、环氧树脂、聚偏氟乙烯、羧基树脂、聚丙烯中的一种或几种的共聚物或混合物;步骤b中,所述添加剂为抗氧剂,金属氧化物填料为四角状氧化锌晶须;步骤c中,所述导电填料为炭黑、金属粉、陶瓷粉中的一种或几种的混合物。
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