CN103594214A - 常温热控用复合ptc材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种常温热控用复合PTC材料。该材料包括下列物质：石墨粉末或炭黑、石蜡或烷烃类物质、低密度聚乙烯；制备操作步骤：在温度130~170℃条件下，将石蜡或烷烃类物质与低密度聚乙烯在真空条件下熔融混合，并搅拌均匀；再加入石墨粉或炭黑，在温度130~170℃、真空条件下，搅拌混合均匀，得到混合料；将混合料放入模具中压制成型，冷却至室温，即得棒状的常温热控用复合PTC材料。本发明材料产生PTC效应的居里温度为-10～40℃，略低于共混基质的熔点；具有较高的PTC强度并较好的消除了NTC效应，能够应用于电子器件的主动控温及其他常温热控领域，弥补了目前PTC材料的居里温度不在常温段的主要缺陷。
Description
技术领域
本发明属于正温度系数的热敏半导体材料技术领域，具体涉及一种具有常温居里点和高PTC强度的聚合物导电复合材料及其制备方法。
背景技术
PTC材料是一种具有正温度系数的热敏半导体材料，材料的电阻值在一定的范围内保持基本不变或仅有较小变化，而当温度达到居里温度时，材料的电阻值随着温度的升高急剧升高。正温度系数材料按材料的基质不同，可以分为陶瓷基PTC材料和高分子基PTC导电复合材料。高分子PTC材料由于原料来源广泛，制备工艺简单，成本低，敏感温度低，引起广泛关注。
目前高分子PTC材料多为二元复合结构，它是以高分子聚合物作为基体，向其中掺杂炭黑(CB)、石墨(GP)、金属及其氧化物等导电填料制成。由于高分子复合导电材料PTC现象的产生与基体的熔融过程密切相关，高分子PTC材料的居里点通常出现在基体的熔点附近。熔点较低的高分子基体在常温下容易软化变形，性质不稳定。因此，目前的高分子PTC材料所选用的基体的熔点都较高，因而目前的高分子PTC材料的居里温度普遍偏高，集中在50℃～400℃之间。例如，L. Shen（The combined effects of carbon black and carbon fiber on the electrical properties of composites based on polyethylene or polyethylene/polypropylene blend. Polymer Testing. 2011，30(4): 442）所制备的PTC材料的居里温度约为110℃；沈烈（聚乙烯/炭黑/碳纤维复合材料阻-温特性.复合材料学报.2001，18(3)：18）所制备的PTC材料居里温度约为120℃；窦强（PVDF/炭黑导电复合材料的PTC性能研究.工程塑料应用.2000，28(2)：3）所制备的PTC材料居里温度约为100℃；李红艳（炭黑/环氧树脂复合材料阻-温特性研究.中国粘胶剂.2011，20（8）：13）所制备的PTC材料居里温度约为150℃。
近年来，随着电子器件的发展，其对温度控制精度的要求越来越高。而在对控温精度有较高要求的热控系统中普遍采用主动电加热技术。如果主动热控系统利用PTC电阻代替普通电阻，当电压一定时，一旦被控温度超过居里温度，则其加热功率随着温度的升高急剧降低，就可以将其温度控制在一个略高于其居里温度的水平。但是，电子器件工作的适宜温度为常温段附近，目前无论是陶瓷PTC材料还是高分子PTC材料，其居里温度均未出现在常温段。所以这些材料尚不能应用于常温热控领域。
发明内容
本发明针对现有PTC材料居里温度普遍偏高无法应用于常温热控的问题，提供一种常温热控用复合PTC材料及其制备方法，同时保证所制备材料具有较高的PTC强度和较低的负温度系数（NTC）效应。
本发明的具体技术解决方案如下：一种常温热控用复合PTC材料，含有以下质量的物质：
A.石墨粉末或炭黑，B.石蜡或烷烃类物质，C.低密度聚乙烯；低密度聚乙烯与石蜡或烷烃类物质的质量比例为20:80至40:60；所述石墨粉末或炭黑在所述常温热控用复合PTC材料中的质量分数为25%至45%。
常温热控用复合PTC材料的具体制备操作步骤如下：
（1）在温度130~170℃条件下，将设定比例石蜡或烷烃类物质与低密度聚乙烯在真空条件下熔融混合，并搅拌均匀；
（2）再加入石墨粉末或炭黑，并在温度130~170℃、真空条件下，搅拌混合均匀，得到混合料；
（3）将混合料放入模具中压制成型，冷却至室温，即得棒状的常温热控用复合PTC材料；将棒状的常温热控用复合PTC材料制备成片状的片材，在片材的两侧面涂上导电银胶作为电极，待导电银胶干燥，即得常温热控用复合PTC产品。
所述石蜡为固体石蜡；所述烷烃类物质为正十三烷～正二十二烷中的一种。
所述低密度聚乙烯的密度为0.915～0.925g／cm3。
所述石墨粉末（GP）的颗粒度≥ 95%，粒径≤ 30 um；所述炭黑（CB）的比表面积为10～3000m2/g。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：根据高分子基PTC材料PTC效应的产生机理，通过在低密度聚乙烯/石墨或炭黑二元体系中加入作为共混基质的石蜡或烷烃类物质，形成了三元复合体系的PTC材料，并通过调整各组分的配方，使得制备出的材料产生PTC效应的居里温度为-10～40℃，略低于共混基质的熔点。此外，这种常温热控用复合PTC材料的制备原料来源广泛、制备方法简单可行，所制备出的PTC材料具有较高的PTC强度并较好的消除了NTC效应，能够应用于电子器件的主动控温及其他常温热控领域，弥补了目前PTC材料的居里温度不在常温段的主要缺陷。
附图说明
图1为所制备的石蜡基PTC材料的电阻-温度曲线图。
图2为所制备的正十八烷基PTC材料的电阻-温度曲线图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不局限于这些实施例。
以下实施例所用材料的来源说明如下：
低密度聚乙烯（LDPE）的密度为0.919g／cm3，由余姚市顺昌塑料制品厂提供；石蜡为固体石蜡，由国药集团化学试剂有限公司提供；正十八烷、正二十烷和正十七烷由阿拉丁试剂有限公司提供；石墨粉末（GP）的颗粒度≥ 95%，粒径≤ 30 um，由国药集团化学试剂有限公司提供；炭黑（CB）的比表面积为45 m2/g，由合肥科晶材料技术有限公司提供。
实施例1
常温热控用复合PTC材料的具体制备操作步骤如下：
1）将45g低密度聚乙烯（LDPE）和105g石蜡加入不锈钢釜体中，盖上密封盖封紧，然后将不锈钢釜体放入恒温油浴槽中，将真空泵通过橡胶管连接上不锈钢釜体的抽气口，对釜体腔内进行抽真空，在温度130~170℃、转速60转/分钟条件下，用数显恒速搅拌机搅拌混合均匀；
2）再加入100g石墨粉末（GP），在温度130~170℃、真空条件下，以转速60转/分钟搅拌，搅拌混合均匀，得到混合料；
3）将混合料通过压机压制成直径为30mm的圆柱体，冷却至室温定型，静置24小时，待其结构稳定，即得棒状的石蜡基复合PTC材料；以专用工具切割打磨，加工成直径30mm，厚度5mm的圆片样品；在圆片样品两面上涂上导电银胶作为电极，待导电银胶干燥，即得常温热控用复合PTC材料产品。
表1为所制备的石蜡基复合PTC材料的各组分质量比例及其PTC强度（P = Lg(ρ max /ρ min ，ρ max 为材料的峰值电阻率，ρ min 为材料的最小电阻率)。
表1
在5℃至60℃范围内，以1.2℃/min加热速率给PTC材料样品加热，测得其电阻率ρ随温度T变化曲线，如图1所示。纵坐标取ρ的以十为底的对数形式表示。从图中可以看出，该PTC样品的居里温度在25℃左右，略低于石蜡的第一个相变峰温度28.5℃(固固相变)，并且曲线在44℃左右再次出现电阻率随温度升高而陡升的现象，在48℃左右电阻率达到峰值，在峰值之后电阻率随温度升高有略微下降，但并没有持续急剧下降，NTC现象在50℃后得到有效抑制。
实施例2
1）将45g低密度聚乙烯（LDPE）和105g正十八烷加入不锈钢釜体中，盖上密封盖封紧，然后将不锈钢釜体放入恒温油浴槽中，将真空泵通过橡胶管连接上不锈钢釜体的抽气口，对釜体腔内进行抽真空，在温度130~170℃、转速60转/分钟条件下，用数显恒速搅拌机搅拌混合均匀；
2）再加入100g石墨粉末（GP），在温度130~170℃、真空条件下，以转速60转/分钟搅拌，搅拌混合均匀，得到混合料；
3）将混合料通过压机压制成直径为30mm的圆柱体，冷却至室温定型，静置24小时，待其结构稳定，即得棒状的正十八烷基复合PTC材料；以专用工具切割打磨，加工成直径30mm，厚度5mm的圆片样品；在圆片样品两面上涂上导电银胶作为电极，待导电银胶干燥，即得常温热控用复合PTC材料产品。
表2
表2为所制备的正十八烷基复合PTC材料的各组分质量比例及其PTC强度。
在5℃至60℃范围内，以1.2℃/min加热速率给PTC材料样品加热，测得其电阻率ρ随温度T变化曲线，如图2所示。纵坐标取ρ的以十为底的对数形式表示。从图中可以看出，该PTC样品的居里温度在25℃左右，略低于正十八烷的熔点28.2℃。当温度低于25℃时，材料的电阻率随温度变化保持稳定；当温度高于25℃时，材料的电阻率随温度的升高急剧上升；温度升到28.5℃后，材料的电阻率不再随温度的升高急剧上升，而是缓慢的升高，没有出现NTC效应。
实施例3
1）将36g低密度聚乙烯（LDPE）和144g正二十烷加入不锈钢釜体中，盖上密封盖封紧，然后将不锈钢釜体放入恒温油浴槽中，将真空泵通过橡胶管连接上不锈钢釜体的抽气口，对釜体腔内进行抽真空，在温度130~170℃、转速60转/分钟条件下，用数显恒速搅拌机搅拌混合均匀；
2）再加入60g炭黑（CB），在温度130~170℃、真空条件下，以转速60转/分钟搅拌，搅拌混合均匀，得到混合料；
3）将混合料通过压机压制成直径为30mm的圆柱体，冷却至室温定型，静置24小时，待其结构稳定，即得棒状的正二十烷基复合PTC材料；以专用工具切割打磨，加工成直径30mm，厚度5mm的圆片样品；在圆片样品两面上涂上导电银胶作为电极，待导电银胶干燥，即得常温热控用复合PTC材料产品。
表3
表3为所制备的正二十烷基复合PTC材料的各组分质量比例及其PTC强度。
实施例4
1）将60g低密度聚乙烯（LDPE）和90g正十七烷加入不锈钢釜体中，盖上密封盖封紧，然后将不锈钢釜体放入恒温油浴槽中，将真空泵通过橡胶管连接上不锈钢釜体的抽气口，对釜体腔内进行抽真空，在温度130~170℃、转速60转/分钟条件下，用数显恒速搅拌机搅拌混合均匀；
2）再加入50g炭黑（CB），在温度130~170℃、真空条件下，以转速60转/分钟搅拌，搅拌混合均匀，得到混合料；
3）将混合料通过压机压制成直径为30mm的圆柱体，冷却至室温定型，静置24小时，待其结构稳定，即得棒状的正十七烷基复合PTC材料；以专用工具切割打磨，加工成直径30mm，厚度5mm的圆片样品；在圆片样品两面上涂上导电银胶作为电极，待导电银胶干燥，即得常温热控用复合PTC材料产品。
表4
表4为所制备的正十七烷基复合PTC材料的各组分质量比例及其PTC强度。
Claims (4)
1.常温热控用复合PTC材料，其特征在于含有以下质量的物质：
A.石墨粉末或炭黑，B.石蜡或烷烃类物质，C.低密度聚乙烯；低密度聚乙烯与石蜡或烷烃类物质的质量比例为20:80至40:60；所述石墨粉末或炭黑在所述常温热控用复合PTC材料中的质量分数为25%至45%；
常温热控用复合PTC材料的具体制备操作步骤如下：
（1）在温度130~170℃条件下，将设定比例的石蜡或烷烃类物质与低密度聚乙烯在真空条件下熔融混合，并搅拌均匀；
（2）再加入石墨粉末或炭黑，并在温度130~170℃、真空条件下，搅拌混合均匀，得到混合料；
（3）将混合料放入模具中压制成型，冷却至室温，即得棒状的常温热控用复合PTC材料；将棒状的常温热控用复合PTC材料制备成片状的片材，在片材的两侧面涂上导电银胶作为电极，待导电银胶干燥，即得常温热控用复合PTC产品。
2.根据权利要求1所述的常温热控用复合PTC材料，其特征在于：所述石蜡为固体石蜡；所述烷烃类物质为正十三烷～正二十二烷中的一种。
3.根据权利要求1所述的常温热控用复合PTC材料，其特征在于：所述低密度聚乙烯的密度为0.915～0.925g／cm3。
4.根据权利要求1所述的常温热控用复合PTC材料，其特征在于：所述石墨粉末的颗粒度≥ 95%，粒径≤ 30 um；所述炭黑的比表面积为10～3000m2/g。
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