CN1050926C - 一种高分子热敏元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有阶跃型正温度系数的、由高分子热敏元件基体1与金属电极2相结合而制得的高分子热敏元件及其制造方法。所述的高分子热敏元件的电极2由金属导线盘绕而成。所述的制造方法包括基体的制备、电极的制备、基体和电极的结合、交联处理和热处理工序。本发明提供的高分子热敏元件基体1与金属电极2结合牢固，性能稳定，明显优于现有技术的同类产品，其制造方法工艺简单，生产效率高，适于工业化生产。
Description
本发明涉及热敏元件制备技术，具体是指一种具有阶跃型正温度系数的、由高分子热敏元件基体与金属电极相结合而制得的高分子热敏元件(简称高分子PTC)及其制造方法。
具有阶跃型正温度系数的热敏元件是指具有一个开关温度Ts的元件，在常温和Ts之间，元件的电阻值很小(R25可小于5Ω)，到达Ts后，电阻值会突然有几个数量级的增加(Rmax≥104Ω)，而当温度降到常温后，元件的电阻值又会回到低阻态，故特别适用于电路的过热过流保护。现有的热敏元件包括陶瓷热敏元件与高分子热敏元件两大类。与陶瓷热敏元件相比，由高分子热敏元件基体和至少两个电极二者热压而成的高分子热敏元件具有许多优点，如可以达到很小的常温阻值，而且开关特性好，韧性大，同时成型工艺简单，成本低以及可以成型形状复杂的元件等。但是由于高分子热敏元件基体对金属箔电极的粘结性差，二者的热膨胀系数又不同，加上使用中频繁受到高低温的冲击，因此，高分子热敏元件基体与电极接触不良甚至脱落，导致元件在使用过程中常温阻值变大以至丧失使用性能，从而严重地影响着元件的性能稳定性和使用寿命。为了提高高分子热敏元件基体与金属箔电极的结合强度，目前主要有两种方法，日本专利特开平4-7802公开了一种使金属箔形成凹凸不平的粗糙面的技术，该技术效果并不显著；美国专利U.S.4,314,230公开了另一种将高分子热敏元件基体穿过网孔把金属箔电极包覆起来的技术，该技术能使高分子热敏元件基体与金属电极结合牢固，但焊接电极引线时却遇到了麻烦，因为必须先将电极外表面的高分子热敏元件基体包覆物清除后才能进行，这对工业化生产极为不利。
本发明的目的，在于克服现有技术的不足之处，提供一种高分子热敏元件基体与金属电极牢固结合的、开关特性好且性能稳定的高分子热敏元件，并提供一种生产该高分子热敏元件的制造方法，所提供的制造方法工艺简单，生产效率高，且适于工业化生产。
本发明设计的高分子热敏元件由高分子热敏元件基体和金属电极组成，其电极是由金属导线盘绕而成，可以是由直径为0.2～0.5mm的镍、铜、铬、铁等导线盘绕而成。
本发明所提出的高分子热敏元件的制造方法包括基体的制备、电极的制备、基体和电极的结合工序、以及交联处理和热处理工序，其各工序工艺条件如下：
基体的制备工序是将导电粒子分散于结晶性高分子中而制得基体材料，然后将基体材料裁制成形状和大小与模具一致的基体。可供选择的结晶性高分子有聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃类、聚酯类、聚酰胺类以及含氟类树脂等。导电粒子可以是Ni、Cu、Al、Mg、Zn、Fe、Co、Ag等金属粒子，也可以是炭黑、石墨等炭系粒子。结晶性高分子与导电粒子的相对比例，在30∶70～70∶30(重量比)的范围内选择。
电极制备工序是将金属导线盘绕成其形状与基体相似、面积略小于基体的电极，且其导线的外端作为电极引线。
基体和电极结合工序采用热压模塑法进行，将两个或两个以上电极分别夹装在基体与基体之间，然后装入模具中成型，成型温度在结晶高分子熔点Tm～Tm+80℃之间，压力为50～500kg/cm2，时间10～30分钟，经保压冷却后脱模。
交联处理工序采用射线辐照法交联或化学法交联，所述的射线辐照法交联条件为50～150Mrad，时间5～20分钟，所述的化学法交联条件为有机过氧化物交联剂分解温度Td～Td+50℃范围内，时间30分钟～1小时。
热处理工序是将交联后的高分子热敏元件置于结晶高分子熔点Tm±30℃之间的温度下放置1～5小时。
本发明与现有技术相比具有如下突出的优点：
1.本发明设计的高分子热敏元件基体与金属电极牢固结合，开关特性好且性能稳定，有效地克服了金属电极与高分子热敏元件基体接触不良甚至脱落的现象；
2.本发明提供的一种生产该高分子热敏元件的制造方法工艺简单，生产效率高，不需要电极引线焊接工序，适于工业化生产。
3.本发明设计的高分子热敏元件具有优良的热稳定性，如按照实施例二制造的元件，经140℃热冲击100次后其R25的值才增大了13％，而在应用了相同基体的对比实施例中，将电极改变为由镍箔制造，元件经140℃热冲击才10次，其R25的值便增大了246％，可见本发明设计的高分子热敏元件的耐热冲击性能明显优于现有技术的同类产品。
图1是本发明设计的高分子热敏元件的结构示意图；
图2是本发明设计的高分子热敏元件中的金属电极的结构示意图。
下面将结合附图及其实施例进一步说明本发明的实施方式及效果：实施例一
基体的制备工序：将100份(重量)高密度聚乙烯(熔融指数＝1)和100份(重量)炭黑(试剂级)在双辊炼塑机上于150℃混炼均匀，然后用平板硫化机于170℃热压成0.4mm左右厚度的薄片，冷却，裁制成直径为6.5mm的圆片状基体1；
电极制备工序：将直径为0.3mm的镍丝盘绕成直径约为5mm的圆片状电极2，其导线外端作为电极引线3；
基体和电极结合工序：，将两个电极2分别夹装在三个基体1之间，装入直径6.5mm、深度1.0mm的模具，然后在平板硫化机上热压成型，成型温度170℃，压力100kg/cm2，时间30分钟，在加压下冷却至室温后脱模；
交联处理工序：在100Mrad剂量放射线辐照下交联10分钟；
热处理工序：在150℃温度下放置3小时。实施例二
基体的制备工序：将100份(重量)高密度聚乙烯(熔融指数＝1)、100份(重量)炭黑(试剂级)和1.5份(重量)异丙基过氧化氢(交联剂，化学纯)，在双辊炼塑机上于150℃混炼均匀，然后用平板硫化机于170℃热压成0.4mm左右厚度的薄片，冷却，裁制成直径为6.5mm的圆片状基体1；
电极制备工序：将直径为0.3mm的镍丝盘绕成直径约为5mm的圆片状电极2，其导线外端作为电极引线3；
基体和电极结合工序：将两个电极2分别夹装在三个基体1之间，装入直径6.5mm、深度1.0mm的模具，然后在平板硫化机上热压成型，成型温度170℃，压力100kg/cm2，时间30分钟，在加压下冷却至室温后脱模；
交联处理工序：在230℃温度下进行化学法交联反应，时间60min；
热处理工序：在150℃温度下放置3小时。实施例三
基体的制备工序：将100份(重量)高密度聚乙烯(熔融指数＝1)、120份(重量)镍粉(试剂级)和1.5份(重量)异丙基过氧化氢(交联剂，化学纯)在双辊炼塑机上于150℃混炼均匀，然后用平板硫化机于180℃热压成0.4mm左右厚度的薄片，冷却，裁制成直径为6.5mm的圆片状基体1；
电极制备工序：将直径为0.3mm.的铬丝盘绕成直径约为5mm的圆片状电极2，其导线外端作为电极引线3；
基体和电极结合工序：将两个电极2分别夹装在三个基体1之间，装入直径6.5mm、深度1.0mm的模具，然后在平板硫化机上热压成型，成型温度180℃，压力150kg/cm2，时间10分钟，在加压下冷却至室温后脱模；
交联处理工序：在230℃温度下进行化学法交联反应，时间60min；
热处理工序：在150℃温度下放置3小时。实施例四
基体的制备工序：将100份(重量)高密度聚乙烯(熔融指数＝1)、50份(重量)炭黑(试剂级)和1.5份(重量)异丙基过氧化氢(交联剂，化学纯)在双辊炼塑机上于150℃混炼均匀，然后用平板硫化机于160℃热压成0.4mm左右厚度的薄片，冷却，裁制成直径为6.5mm的圆片状基体1；
电极制备工序：将直径为0.3mm的铜丝盘绕成直径约为5mm的圆片状电极2，其导线外端作为电极引线3；
基体和电极结合工序：将两个电极2分别夹装在三个基体1之间，装入直径6.5mm、深度1.0mm的模具，然后在平板硫化机上热压成型，成型温度160℃，压力120kg/cm2，时间20分钟，在加压下冷却至室温后脱模；
交联处理工序：在230℃温度下进行化学法交联反应，时间60min；
热处理工序：在150℃温度下放置3小时。对比实施例
基体的制备工序：将100份(重量)高密度聚乙烯(熔融指数＝1)、100份(重量)炭黑(试剂级)和1.5份(重量)异丙基过氧化氢(交联剂，化学纯)，在双辊炼塑机上于150℃混炼均匀，然后用平板硫化机于170℃热压成0.4mm左右厚度的薄片，冷却，裁制成直径为6.5mm的圆片状基体；
电极制备工序：将厚度为0.04mm的镍箔裁制成直径为6.5mm的圆片，表面经粗砂纸粗化处理；
基体和电极结合工序：将两个电极夹在一个基体的两边，装入直径6.5mm、深度0.4mm的模具，然后在平板硫化机上热压成型，成型温度170℃，压力100kg/cm2，时间30分钟，在加压下冷却至室温后脱模；
交联处理工序：在230℃温度下进行化学法交联反应，时间60min；
热处理工序：在150℃温度下放置3小时；
焊接电极引线。
上述制得的高分子热敏元件的开关温度Ts约为125℃，其25℃时的电阻R25、最大转变电阻值Rmax以及经100次(实施例一、二、三、四)或10次(对比实施例)140℃热冲击后的测试结果如附表所示。25℃、30min→140℃、30min→25℃、30min作为一个热冲击周期。
附表
| 样 品 | 初次测试值 | 100次热冲击后测试值 | ||
| R25/Ω | Rmax/Ω | R25/Ω | Rmax/Ω | |
| 实施例一 | 5.2 | 7.4×104 | 5.6 | 8.0×104 |
| 实施例二 | 1.5 | 1.2×105 | 1.7 | 1.5×105 |
| 实施例三 | 0.4 | 1.0×104 | 0.5 | 1.2×104 |
| 实施例四 | 1.2 | 9.0×104 | 1.3 | 9.5×104 |
| 初次测试值 | 10次热冲击后测试值 | |||
| 对比实施例 | 4.5 | 6.8×104 | 15.6 | 1.2×105 |
Claims (3)
1.一种高分子热敏元件，由高分子热敏元件基体(1)和金属电极(2)组成，其特征在于所述的高分子热敏元件电极(2)由金属导线盘绕而成。
2.按照权利要求1所述的高分子热敏元件，其特征在于所述的高分子热敏元件电极(2)由直径为0.2～0.5mm的镍、铜、铬或铁导线盘绕而成。
3.一种高分子热敏元件的制造方法，它包括基体的制备、电极的制备、基体和电极的结合工序，其特征在于它还包括交联处理和热处理工序，其各工序工艺条件包括：
1)所述的电极制备工序是将金属导线盘绕成其形状与基体(1)相似、面积略小于基体(1)的电极(2)，且其导线的外端作为电极引线(3)；
2)所述的基体和电极结合工序采用热压模塑法进行，将两个或两个以上电极(2)分别夹装在基体(1)与基体(1)之间，然后装入模具中成型，成型温度在结晶高分子熔点Tm～Tm+80℃之间，压力为50～500kg/cm2，时间10～30分钟，经保压冷却后脱模；
3)所述的交联处理工序采用射线辐照法交联或化学法交联，所述的射线辐照法交联条件为50～150Mrad，时间5～20分钟，所述的化学法交联条件为有机过氧化物交联剂分解温度Td～Td+50℃范围内，时间30分钟～1小时；
4)所述的热处理工序是将交联后的高分子热敏元件置于结晶高分子熔点Tm±30℃之间的温度下放置1～5小时。
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