CN111029066A - 过电流保护装置 - Google Patents

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Abstract

一种过电流保护装置包含第一电极、第二电极及包括第一聚合物层、第二聚合物层及第三聚合物层的正温度系数多层结构。该第一聚合物层接合于该第一电极且具有由第一聚合物组合物所制成的第一聚合物基材。该第二聚合物层具有穿孔且具有由第二聚合物组合物所制成的第二聚合物基材。该第三聚合物层接合于该第二电极且具有由第三聚合物组合物所制成的第三聚合物基材。本发明的过电流保护装置兼具低初始电阻及足够的剥离强度。

Description

过电流保护装置
技术领域
本发明涉及一种过电流保护装置，特别是涉及一种包含三个聚合物层的过电流保护装置，所述聚合物层具有的聚合物基材是由不同的聚合物组合物所制成。
背景技术
参阅图1，由于正温度系数(positive temperature coefficient,PTC)过电流保护装置具有PTC效应，使其可用作为电路保护装置1。现有电路保护装置1包含PTC聚合物层11及两个贴附在该PTC聚合物层11的两相反表面的电极12，该PTC聚合物层11包含含有晶体区域及非晶体区域的聚合物基材，及颗粒状导电填料，该颗粒状导电填料分散于该聚合物基材的非晶体区域，并形成用于电连接所述电极12之间的连续导电路径。该PTC效应指的是一种现象，该现象是当该晶体区域的温度被升高至其熔点时，该晶体区域中的结晶开始熔化，从而产生新的非晶体区域。当该新的非晶体区域增加至合并至该原非晶体区域的程度时，该颗粒状导电填料的导电路径会转变为非连续且该PTC聚合物层11的电阻会大幅增加，造成所述电极12之间电不导通。
该电路保护装置1适用于保护电子设备，且该聚合物基材的材料是基于电子设备的操作电流及操作电压而选择，该PTC聚合物层11的聚合物基材通常是由以聚烯烃为基底的组合物所制成。然而，该电路保护装置1可能因为该PTC聚合物层11与所述电极12之间的贴合度较低而导致其导电度不理想。
美国专利US 6,238,598记载一种PTC聚合物掺合组合物及一种电路保护装置。该PTC聚合物掺合组合物包含非接枝的聚烯烃、经接枝的聚烯烃及导电性颗粒状材料。该电路保护装置包含包括该PTC聚合物掺合组合物的PTC元件，及两个连接该PTC元件的两相反侧的电极。通过该PTC聚合物掺合组合物包含的经接枝的聚烯烃，该电路保护装置具有较好的电稳定性，且该PTC元件与所述电极之间的贴合度较好。
然而，上述美国专利US 6,238,598记载的电路保护装置的体积电阻不低于0.15ohm-cm。若在该PTC聚合物掺合组合物中排除使用经接枝的聚烯烃，其体积电阻虽可降低至接近0.1ohm-cm，但该PTC元件与所述电极之间的剥离强度会随其降低至0.4kg/cm2，进而使得该PTC元件与所述电极可被轻易分离，造成电路保护装置故障或损毁。
因此，兼具良好导电性及良好贴合度的过电流保护装置仍有待开发。
发明内容
本发明的目的在于提供一种过电流保护装置，可以克服上述背景技术的至少一个缺点。
本发明的过电流保护装置包含第一电极、第二电极及正温度系数(PTC)多层结构。
该正温度系数多层结构设置于该第一电极与该第二电极之间，且包括第一聚合物层、第二聚合物层及第三聚合物层。
该第一聚合物层接合于该第一电极，该第一聚合物层具有第一聚合物基材及分散在该第一聚合物基材中的第一颗粒状导电填料，该第一聚合物基材是由第一聚合物组合物所制成。
该第二聚合物层接合于该第一聚合物层，该第二聚合物层具有第二聚合物基材及分散在该第二聚合物基材中的第二颗粒状导电填料，该第二聚合物基材是由第二聚合物组合物所制成，该第二聚合物层具有至少一个穿孔。
该第三聚合物层接合且设置于该第二聚合物层与该第二电极之间，该第三聚合物层具有第三聚合物基材及分散在该第三聚合物基材中的第三颗粒状导电填料，该第三聚合物基材是由第三聚合物组合物所制成。
该第二聚合物组合物含有非接枝的聚烯烃且基本上不含有经接枝的聚烯烃。
该第一聚合物组合物及该第三聚合物组合物各自含有经接枝的聚烯烃。
本发明的另一个目的在于提供一种过电流保护装置，包含第一电极、第二电极及正温度系数多层结构。
该正温度系数多层结构设置于该第一电极与该第二电极之间，且包括第一聚合物层、第二聚合物层及第三聚合物层。
该第一聚合物层接合于该第一电极，该第一聚合物层具有第一聚合物基材及分散在该第一聚合物基材中的第一颗粒状导电填料，该第一聚合物基材是由第一聚合物组合物所制成。
该第二聚合物层接合于该第一聚合物层，该第二聚合物层具有第二聚合物基材及分散在该第二聚合物基材中的第二颗粒状导电填料，该第二聚合物基材是由第二聚合物组合物所制成。
该第三聚合物层接合且设置于该第二聚合物层与该第二电极之间，该第三聚合物层具有第三聚合物基材及分散在该第三聚合物基材中的第三颗粒状导电填料，该第三聚合物基材是由第三聚合物组合物所制成。
该第二聚合物组合物含有非接枝的聚烯烃且基本上不含有经接枝的聚烯烃。
该第一聚合物组合物及该第三聚合物组合物各自含有经接枝的聚烯烃。
以下将就本发明内容进行详细说明：
优选地，该穿孔的孔径范围为0.8-1.2mm。
优选地，该第二聚合物层具有多个该穿孔且穿孔密度范围为4-16孔/cm2。
优选地，该第一聚合物组合物及该第三聚合物组合物各自含有经不饱和羧酸酐接枝的聚烯烃。
优选地，该第一聚合物组合物及该第三聚合物组合物中至少其中一者还含有非接枝的聚烯烃。
优选地，该非接枝的聚烯烃是高密度聚乙烯(HDPE)。
优选地，以该第一聚合物组合物的总重为100wt％，该第一聚合物组合物的经接枝的聚烯烃的含量范围为25-100wt％。
优选地，以该第三聚合物组合物的总重为100wt％，该第三聚合物组合物的经接枝的聚烯烃的含量范围为25-100wt％。
优选地，该第一颗粒状导电填料、该第二颗粒状导电填料及该第三颗粒状导电填料是各自选自于碳黑粉末、金属粉末、导电陶瓷粉末或其组合。更优选地，该第一颗粒状导电填料、该第二颗粒状导电填料及该第三颗粒状导电填料皆是碳黑粉末。
本发明的有益效果在于：本发明的过电流保护装置兼具低初始电阻及足够的剥离强度。
附图说明
本发明的其他的特征及功效，将于参照附图的实施方式中清楚地呈现，其中：
图1是现有过电流保护装置的横截面示意图；
图2是本发明过电流保护装置的第一具体实施例的爆炸透视图；
图3是本发明过电流保护装置的第二具体实施例的横截面示意图；
图4是该第二具体实施例的爆炸透视图；及
图5是实施例6及比较例1的测试样品的温度-电阻关系图。
具体实施方式
在本发明被详细描述前，应当注意在以下的说明内容中，类似的元件是以相同的编号来表示。
参阅图2，本发明过电流保护装置的第一实施例包含第一电极2、第二电极4及设置于该第一电极2与该第二电极4之间的正温度系数(PTC)多层结构3。
该正温度系数多层结构3包括第一聚合物层31、第二聚合物层32及第三聚合物层33。
该第一聚合物层31接合于该第一电极2，该第一聚合物层31具有第一聚合物基材及分散在该第一聚合物基材中的第一颗粒状导电填料，该第一聚合物基材是由第一聚合物组合物所制成。
该第二聚合物层32接合于该第一聚合物层31，该第二聚合物层32具有第二聚合物基材及分散在该第二聚合物基材中的第二颗粒状导电填料，该第二聚合物基材是由第二聚合物组合物所制成。进一步地，该第二聚合物层32可进一步具有至少一个穿孔320。该穿孔320的孔径(d)范围为0.8-1.2mm，且其面积范围为0.5026-1.1310mm2。
该第三聚合物层33接合且设置于该第二聚合物层32与该第二电极4之间，该第三聚合物层33具有第三聚合物基材及分散在该第三聚合物基材中的第三颗粒状导电填料，该第三聚合物基材是由第三聚合物组合物所制成。
该第二聚合物组合物含有非接枝的聚烯烃且基本上不含有经接枝的聚烯烃。
进一步地，该第二聚合物组合物的非接枝的聚烯烃是高密度聚乙烯(HDPE)。
在本发明的某些具体实施例中，该第二聚合物层32设置于该第一聚合物层31与该第三聚合物层33之间，其可为多层结构，且可具有多个自该第一聚合物层31朝该第三聚合物层33的方向延伸互相堆叠的层状部分(layered portions)。该第二聚合物层32的所述层状部分可由相同或不同的材料所制成。
该第一聚合物组合物及该第三聚合物组合物各自含有经接枝的聚烯烃。
进一步地，该第一聚合物组合物及该第三聚合物组合物各自含有经不饱和羧酸酐接枝的聚烯烃。于是，包含上述正温度系数多层结构的过电流保护装置可被称为鸡尾酒式的过电流保护装置。
在本发明的某些具体实施例中，该第一聚合物组合物还含有非接枝的聚烯烃。该第一聚合物组合物的非接枝的聚烯烃可为高密度聚乙烯。
在本发明的某些具体实施例中，该第三聚合物组合物还含有非接枝的聚烯烃。该第三聚合物组合物的非接枝的聚烯烃可为高密度聚乙烯。
在本发明的某些具体实施例中，以该第一聚合物组合物的总重为100wt％，该第一聚合物组合物的经接枝的聚烯烃的含量范围为25-100wt％。以该第三聚合物组合物的总重为100wt％，该第三聚合物组合物的经接枝的聚烯烃的含量范围为25-100wt％。
该第一颗粒状导电填料、该第二颗粒状导电填料及该第三颗粒状导电填料的例子包括碳黑粉末、金属粉末、导电陶瓷粉末或其组合。
在本发明的某些具体实施例中，该第一颗粒状导电填料、该第二颗粒状导电填料及该第三颗粒状导电填料皆是碳黑粉末。
参阅图3及图4，本发明过电流保护装置的第二实施例如图所示。该第二实施例的过电流保护装置与该第一实施例相似，差异处在于在该第二实施例中，该第二聚合物层32具有多个穿孔320且穿孔密度范围为4-16孔/cm2。
本发明将就以下实施例来作进一步说明，但应了解的是，所述实施例仅为例示说明用，而不应被解释为本发明实施的限制。
实施例
＜实施例1(E1)＞
10g HDPE(购自台湾塑胶工业股份有限公司，产品型号：HDPE9002)作为非接枝的聚烯烃，及10g经马来酸酐接枝的HDPE(MA-g-HDPE，购自杜邦，产品型号：MB100D)作为经不饱和羧酸酐接枝的聚烯烃，供作为该第一聚合物层31的第一聚合物组合物及该第三聚合物层33的第三聚合物组合物。30g碳黑粉末(购自Columbian Chemicals Co.，产品型号：Raven430UB，DBP/D为0.95，体密度为0.53g/cm3)供作为该第一聚合物层31及该第三聚合物层33的颗粒状导电填料。20g HDPE(购自台湾塑胶工业股份有限公司，产品型号：HDPE9002)供作为该第二聚合物层32的第二聚合物组合物。30g碳黑粉末(购自Columbian Chemicals Co.，产品型号：Raven 430UB)供作为该第二聚合物层32的颗粒状导电填料。上述聚合物组合物及碳黑粉末的配比如表1所示。
将上述聚合物组合物分别与碳黑粉末在混炼机(厂牌：Brabender)中混合配料，以温度为200℃、搅拌转速为30rpm的条件混合配料10min，以分别得到三个混合物。接着以热压温度为200℃及热压压力为80kg/cm2的条件，将所述混合物各自置于模具中进行热压4min，以分别形成厚度为0.12mm的第一聚合物层31、第二聚合物层32及第三聚合物层33。该第一聚合物层31及该第三聚合物层33贴附在该第二聚合物层32的两相反表面。
接着，将两片镀镍铜箔(作为该第一电极2及该第二电极4)分别贴附在该第一聚合物层31及该第三聚合物层33相反于该第二聚合物层32的表面上，并在200℃及80kg/cm2下进行热压4min，以形成厚度为0.42mmPTC聚合物层板。再将该PTC聚合物层板切成多个面积为8mm×8mm的小片后，用Co-60γ射线以总辐射剂量150kGy照射每一小片，以形成多个实施例1(E1)的测试样品。
Figure BDA0001823118640000071
＜实施例2至4(E2-E4)＞
实施例2至4(E2-E4)的测试样品的制程条件与实施例1相似，差异处在于将该第一聚合物组合物及该第三聚合物组合物的HDPE及MA-g-HDPE的使用量分别改变如表1所示。
＜实施例5至8(E5-E8)＞
实施例5至8(E5-E8)的测试样品的制程条件分别依序与实施例1至4相似，差异处在于在堆叠该第一聚合物层31、该第二聚合物层32及该第三聚合物层33之前，该第二聚合物层32形成有多个穿孔320(每一穿孔的孔径为1.0mm，其面积为0.7854mm2)，且穿孔密度为9孔/cm2。
＜比较例1(CE1)＞
比较例1(CE1)的测试样品的制程条件与实施例1相似，差异处在于比较例1的测试样品不具有该第一聚合物层31及该第三聚合物层33，该第二聚合物层32的厚度为0.36mm，且两片镀镍铜箔分别贴附在该第二聚合物层32的两相反表面上。
＜比较例2及3(CE2及CE3)＞
比较例2及3(CE2及CE3)的测试样品的制程条件分别依序与实施例1及2相似，差异处在于比较例2及3的测试样品不具有该第二聚合物层32及该第三聚合物层33，该第一聚合物层31的厚度为0.36mm，且两片镀镍铜箔分别贴附在该第一聚合物层31的两相反表面上。
＜比较例4(CE4)＞
比较例4(CE4)的测试样品的制程条件与实施例1相似，差异处在于在比较例4的测试样品中，该第一聚合物组合物、该第二聚合物组合物及该第三聚合物组合物是由HDPE及碳黑粉末所组成，并将HDPE及碳黑粉末的使用量改变如表1所示。
＜比较例5(CE5)＞
比较例5(CE5)的测试样品的制程条件与实施例1相似，差异处在于在比较例5的测试样品中，将该第一聚合物组合物、该第二聚合物组合物及该第三聚合物组合物的HDPE、MA-g-HDPE及碳黑粉末的使用量改变如表1所示。
性能测试
[初始电阻测试(Initail resistance at room temperature test)]
每一实施例及每一比较例皆使用微欧姆计测试10个样品。分别测量E1-E8及CE1-CE5的测试样品在25℃中的初始电阻，其平均值如表2所示。
结果显示E1的初始电阻低于CE2及CE5，且E2的初始电阻低于CE3，其表示借由包含该第二聚合物层32，可以有效降低过电流保护装置的电阻。此外，结果显示E5的初始电阻低于E1，E6的初始电阻低于E2，E7的初始电阻低于E3，E8的初始电阻低于E4，其表示在该第二聚合物层32中形成所述穿孔320可降低过电流保护装置的电阻。
表2
Figure BDA0001823118640000091
[剥离强度测试(Peel strength test)]
每一实施例及每一比较例皆进行剥离强度测试10个样品。分别以拉力机夹住该第一电极2及该第二电极4，以2mm/s的速度拉伸该第一电极2及该第二电极4，记录E1-E8及CE1-CE5的测试样品的剥离强度，其平均值如表2所示。
结果显示E1-E8的剥离强度大于1.5kg/cm2，其中E2及E6的初始电阻及剥离强度同时较低。虽然CE1及CE4的初始电阻也较低，但其剥离强度则小于0.4kg/cm2，其表示该第一电极2及该第二电极4容易从聚合物层被分离。
综上所述，借由包含分别由特定聚合物组合物所制成的第一聚合物层31、第二聚合物层32、第三聚合物层33，过电流保护装置兼具低初始电阻及足够的剥离强度。
[不同温度的电阻]
每一实施例及每一比较例皆在25-185℃中进行电阻测试10个样品。分别以2℃/min的升温速率逐步测量E1-E8及CE1-CE5的测试样品从25℃升温至185℃的电阻，其在140℃时的电阻的平均值如表2所示，且E6及CE1的测试样品的温度与电阻的关系图如图5所示。
结果显示CE1、CE3及CE4的测试样品在140℃时的电阻的平均值低于E2及E6。此外，结果显示E6及CE1的测试样品在25℃时的电阻是相当的，但E6在140℃时的电阻高于CE1。
[切换循环测试(Switching cycle test)]
每一实施例及每一比较例皆进行切换循环测试10个样品。分别以16Vdc的电压及100A的电流接通E1-E8及CE1-CE5的测试样品60秒，接着切断60秒，如此进行6000次切换循环。分别测量开始前及6000次循环后的每一测试样品的电阻(Ri及Rf)，测定每一实施例及每一比较例的平均电阻变化率[(Rf-Ri)/Ri×100％]，并计算每一实施例及每一比较例的切换循环通过率(pass ratio)(n/10×100％，n表示通过切换循环测试而没有烧毁的测试样品数量)。切换循环测试的结果显示于表2。
结果显示E1-E8的测试样品全部通过切换循环测试(切换循环通过率100％)。CE1、CE3及CE4的测试样品的切换循环通过率仅为20％-30％且其在140℃时的电阻也较低，其表示CE1、CE3及CE4的测试样品在16Vdc的电压下容易损毁。此外，E1-E8的测试样品的平均电阻变化率明显低于CE1-CE5。
[老化测试(Aging test)]
每一实施例及每一比较例皆进行老化测试10个样品。分别施加16Vdc的电压及100A的电流于E1-E8及CE1-CE5的测试样品1000小时。分别测量开始前及施加1000小时后的每一测试样品的电阻(Ri及Rf)，测定每一实施例及每一比较例的平均电阻变化率[(Rf-Ri)/Ri×100％]，并计算每一实施例及每一比较例的老化通过率(n/10×100％，n表示通过老化测试而没有烧毁的测试样品数量)。老化测试的结果显示于表2。
结果显示E1-E8的测试样品全部通过老化测试(老化通过率100％)。CE1、CE3及CE4的测试样品的老化通过率仅为10％-20％且其在140℃时的电阻也较低，其表示CE1、CE3及CE4的测试样品在16Vdc的电压下容易损毁。此外，E1-E8的测试样品的平均电阻变化率明显低于CE1-CE5。
综上所述，借由包含分别由特定聚合物组成物所制成的第一聚合物层31、第二聚合物层32、第三聚合物层33，本发明的过电流保护装置兼具低初始电阻及足够的剥离强度，所以确实能达成本发明的目的。
以上所述，仅为本发明的实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明的范围。

Claims (16)

1.一种过电流保护装置，其特征在于其包含：
第一电极及第二电极；及
正温度系数多层结构，设置于该第一电极与该第二电极之间，该正温度系数多层结构包括：
第一聚合物层，接合于该第一电极，该第一聚合物层具有第一聚合物基材及分散在该第一聚合物基材中的第一颗粒状导电填料，该第一聚合物基材是由第一聚合物组合物所制成，
第二聚合物层，接合于该第一聚合物层，该第二聚合物层具有第二聚合物基材及分散在该第二聚合物基材中的第二颗粒状导电填料，该第二聚合物基材是由第二聚合物组合物所制成，该第二聚合物层具有至少一个穿孔，及
第三聚合物层，接合且设置于该第二聚合物层与该第二电极之间，该第三聚合物层具有第三聚合物基材及分散在该第三聚合物基材中的第三颗粒状导电填料，该第三聚合物基材是由第三聚合物组合物所制成；
其中，该第二聚合物组合物含有非接枝的聚烯烃且基本上不含有经接枝的聚烯烃；及
其中，该第一聚合物组合物及该第三聚合物组合物各自含有经接枝的聚烯烃。
2.根据权利要求1所述的过电流保护装置，其特征在于：该穿孔的孔径范围为0.8-1.2mm。
3.根据权利要求1所述的过电流保护装置，其特征在于：该第二聚合物层具有多个该穿孔且穿孔密度范围为4-16孔/cm2。
4.根据权利要求1所述的过电流保护装置，其特征在于：该第一聚合物组合物及该第三聚合物组合物各自含有经不饱和羧酸酐接枝的聚烯烃。
5.根据权利要求1所述的过电流保护装置，其特征在于：该第一聚合物组合物及该第三聚合物组合物中至少其中一者还含有非接枝的聚烯烃。
6.根据权利要求1或5所述的过电流保护装置，其特征在于：该非接枝的聚烯烃是高密度聚乙烯。
7.根据权利要求1所述的过电流保护装置，其特征在于：以该第一聚合物组合物的总重为100wt％，该第一聚合物组合物的经接枝的聚烯烃的含量范围为25-100wt％。
8.根据权利要求1所述的过电流保护装置，其特征在于：以该第三聚合物组合物的总重为100wt％，该第三聚合物组合物的经接枝的聚烯烃的含量范围为25-100wt％。
9.根据权利要求1所述的过电流保护装置，其特征在于：该第一颗粒状导电填料、该第二颗粒状导电填料及该第三颗粒状导电填料是各自选自于碳黑粉末、金属粉末、导电陶瓷粉末或其组合。
10.根据权利要求9所述的过电流保护装置，其特征在于：该第一颗粒状导电填料、该第二颗粒状导电填料及该第三颗粒状导电填料皆是碳黑粉末。
11.一种过电流保护装置，其特征在于其包含：
第一电极及第二电极；及
正温度系数多层结构，设置于该第一电极与该第二电极之间，该正温度系数多层结构包括：
第一聚合物层，接合于该第一电极，该第一聚合物层具有第一聚合物基材及分散在该第一聚合物基材中的第一颗粒状导电填料，该第一聚合物基材是由第一聚合物组合物所制成，
第二聚合物层，接合于该第一聚合物层，该第二聚合物层具有第二聚合物基材及分散在该第二聚合物基材中的第二颗粒状导电填料，该第二聚合物基材是由第二聚合物组合物所制成，及
第三聚合物层，接合且设置于该第二聚合物层与该第二电极之间，该第三聚合物层具有第三聚合物基材及分散在该第三聚合物基材中的第三颗粒状导电填料，该第三聚合物基材是由第三聚合物组合物所制成；
其中，该第二聚合物组合物含有非接枝的聚烯烃且基本上不含有经接枝的聚烯烃；及
其中，该第一聚合物组合物及该第三聚合物组合物各自含有经接枝的聚烯烃。
12.根据权利要求11所述的过电流保护装置，其特征在于：该第二聚合物组合物的非接枝的聚烯烃是高密度聚乙烯。
13.根据权利要求11所述的过电流保护装置，其特征在于：该第一聚合物组合物及该第三聚合物组合物各自含有经不饱和羧酸酐接枝的聚烯烃。
14.根据权利要求11所述的过电流保护装置，其特征在于：该第一聚合物组合物及该第三聚合物组合物中至少其中一者还含有非接枝的聚烯烃。
15.根据权利要求11所述的过电流保护装置，其特征在于：以该第一聚合物组合物的总重为100wt％，该第一聚合物组合物的经接枝的聚烯烃的含量范围为25-100wt％。
16.根据权利要求11所述的过电流保护装置，其特征在于：以该第三聚合物组合物的总重为100wt％，该第三聚合物组合物的经接枝的聚烯烃的含量范围为25-100wt％。
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