CN111834072B - Ptc电路保护装置 - Google Patents

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Abstract

一种PTC电路保护装置，包含正温度系数聚合物材料及贴附在该正温度系数聚合物材料上的两个电极。该正温度系数聚合物材料包括聚合物基材及分散在该聚合物基材中的颗粒状导电填料。该聚合物基材是由聚合物组合物所制成，该聚合物组合物含有非接枝的聚烯烃。该颗粒状导电填料包括第一碳化钨颗粒，所述第一碳化钨颗粒具有小于2.5μm的第一平均费氏微筛粒径，及一第一粒径分布，该第一粒径分布的D10粒径小于2.0μm，该第一粒径分布的D100粒径小于10.0μm。本发明的PTC电路保护装置在高电压下具有极佳的电稳定性。

Description

PTC电路保护装置
技术领域
本发明涉及一种正温度系数(PTC)电路保护装置，特别是涉及一种在高电压下具有极佳电稳定性的PTC电路保护装置。
背景技术
正温度系数(Positive temperature coefficient,PTC)元件展现出等效于电路保护装置(例如可复式保险丝)的正温度系数效应。该PTC元件包括PTC聚合物材料，及贴附该PTC聚合物材料两相反表面的第一电极及第二电极。
该PTC聚合物材料包括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体的非晶体区域，并形成用于电连接该第一电极及该第二电极之间的连续导电路径。该正温度系数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聚合物材料的阻值会大幅增加，造成该第一电极及该第二电极之间电不导通。
虽然该PTC聚合物材料的导电性可通过使用颗粒状非碳颗粒(例如金属颗粒)而显著提升，但所述导电非碳颗粒具有的高导电性容易导致使用该PTC聚合物材料时在其中产生不希望有的电弧。电弧会使该PTC聚合物材料的分子结构恶化而造成该PTC元件的电性不稳定，并使该PTC元件的使用年限减低。
美国专利US 10,147,525 B1公开一种PTC聚合物材料。该PTC聚合物材料包括聚合物基材及分散在该聚合物基材中的碳化钨颗粒。基于所述碳化钨颗粒的总重，该碳化钨颗粒的总碳含量的范围为5.0-6.0wt％，因此含有该PTC聚合物材料的装置可在12Vdc中操作且电稳定性可获得改善。然而，仍有需要进一步提升在较高电压(例如30Vdc)中的电稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种PTC电路保护装置，可以克服上述背景技术的至少一个缺点。
本发明的PTC电路保护装置包含正温度系数聚合物材料及贴附在该正温度系数聚合物材料上的两个电极。该正温度系数聚合物材料包括聚合物基材及分散在该聚合物基材中的颗粒状导电填料。
该聚合物基材是由聚合物组合物所制成，该聚合物组合物含有非接枝的聚烯烃。该颗粒状导电填料包括第一碳化钨颗粒，所述第一碳化钨颗粒具有小于2.5μm的第一平均费氏微筛粒径(Fisher sub-sieve particle size,FSSS)，及一第一粒径分布，该第一粒径分布的D10粒径小于2.0μm，该第一粒径分布的D100粒径小于10.0μm。
本发明的有益效果在于：本发明的PTC电路保护装置在高电压下具有极佳的电稳定性。
以下将就本发明内容进行详细说明：
在某些具体实施例中，该非接枝的聚烯烃是非接枝的聚乙烯。在某些具体实施例中，该非接枝的聚烯烃是高密度聚乙烯(HDPE)。
在某些具体实施例中，该聚合物组合物还包括经接枝的聚烯烃。在某些具体实施例中，该经接枝的聚烯烃是经羧酸酐接枝的聚乙烯。该经羧酸酐接枝的聚乙烯可为经羧酸酐接枝的高密度聚乙烯。在本实施例中，该经羧酸酐接枝的高密度聚乙烯是经马来酸酐接枝的高密度聚乙烯。
在某些具体实施例中，所述第一碳化钨颗粒的第一平均费氏微筛粒径大于1.9μm。在某些具体实施例中，所述第一碳化钨颗粒的第一平均费氏微筛粒径小于2.0μm。
在某些具体实施例中，该第一粒径分布的D10粒径大于0.9μm。在某些具体实施例中，该第一粒径分布的D10粒径小于1.0μm。
在某些具体实施例中，该第一粒径分布的D100粒径大于7.0μm。在某些具体实施例中，该第一粒径分布的D100粒径小于8.0μm。
优选地，所述第一碳化钨颗粒具有一总碳含量，基于所述第一碳化钨颗粒的总重，该总碳含量的范围为5.0-6.1wt％。在某些具体实施例中，所述第一碳化钨颗粒具有一总碳含量，基于所述第一碳化钨颗粒的总重，该总碳含量的范围为5.6-6.1wt％。在某些具体实施例中，所述第一碳化钨颗粒具有一总碳含量，基于所述第一碳化钨颗粒的总重，该总碳含量的范围为5.6-5.9wt％。
在某些具体实施例中，基于该正温度系数聚合物材料的总重，该聚合物基材的含量范围为4-6wt％，该颗粒状导电填料的含量范围为94-96wt％。在某些具体实施例中，基于该正温度系数聚合物材料的总重，所述第一碳化钨颗粒的含量至少为48wt％。
在某些具体实施例中，该颗粒状导电填料还包括第二碳化钨颗粒，所述第二碳化钨颗粒具有大于该第一平均费氏微筛粒径的第二平均费氏微筛粒径，及一第二粒径分布，该第二粒径分布的D10粒径大于该第一粒径分布的D10粒径，且该第二粒径分布的D100粒径大于该第一粒径分布的D100粒径。
在某些具体实施例中，所述第一碳化钨颗粒的含量大于或等于所述第二碳化钨颗粒的含量。在某些具体实施例中，如前所述，基于该正温度系数聚合物材料的总重，所述第一碳化钨颗粒的含量至少为48wt％。
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是本发明PTC电路保护装置的实施例的剖视示意图。
具体实施方式
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。
参阅图1，本发明PTC电路保护装置的实施例包含正温度系数聚合物材料2及分别贴附在该正温度系数聚合物材料2的两相反面上的两个电极3。
该正温度系数聚合物材料2包括聚合物基材21及分散在该聚合物基材21中的颗粒状导电填料22。该聚合物基材21是由聚合物组合物所制成，该聚合物组合物含有非接枝的聚烯烃。
根据本发明，该颗粒状导电填料包括第一碳化钨颗粒，所述第一碳化钨颗粒具有小于2.5μm的第一平均费氏微筛粒径，及一第一粒径分布，该第一粒径分布的D10粒径小于2.0μm，该第一粒径分布的D100粒径小于10.0μm。
实施例
＜实施例1(E1)＞
在Brabender混炼机中混炼9g HDPE(购自于台湾塑胶工业股份有限公司，型号为HDPE 9002)作为非接枝的聚烯烃、9g经马来酸酐接枝的HDPE(购自于Dupont，型号为MD100D)作为经接枝的聚烯烃、及282g碳化钨颗粒(WC-1颗粒)作为颗粒状导电填料的第一碳化钨颗粒。
如表1所示，所述WC-1颗粒的平均费氏微筛粒径为1.96μm，总碳含量为5.6wt％，粒径分布的D10粒径为0.97μm，粒径分布的D100粒径为7.09μm。所述WC-1颗粒通过使钨金属及碳颗粒接触并在约1750℃中及氢气存在下碳化，接着以高压空气粉碎成颗粒所制成。该混炼温度为200℃，搅拌速度为50rpm，加压重量为5kg，混炼时间为10min。
所得的混炼混合物经热压而压制成该正温度系数聚合物材料2的薄片，其厚度为0.28mm。该热压温度为200℃，热压时间为4min，该热压压力为80kg/cm2。两个铜箔片(作为电极)贴附至该薄片的两个相反侧，并在热压温度为200℃、热压时间为4min、热压压力为80kg/cm2的环境下热压以形成厚度为0.35mm三明治结构的正温度系数层合体。该正温度系数层合体被裁切成多个尺寸为4.5mm×3.2mm×0.35mm的测试样品，并用Co-60γ射线以总辐射剂量150kGy照射。
＜实施例2及3(E2及E3)＞
实施例2及3(E2及E3)的测试样品的工艺条件与实施例1相似，差异处在于将所述第一碳化钨颗粒、HDPE及经接枝的HDPE的使用量分别改变如表1所示。
＜实施例4及5(E4及E5)＞
实施例4及5(E4及E5)的测试样品的工艺条件与实施例3相似，差异处在于将作为第一碳化钨颗粒的所述碳化钨颗粒类型分别改变为WC-2颗粒及WC-3颗粒。
如表1所示，所述WC-2颗粒的平均费氏微筛粒径为2.45μm，总碳含量为5.9wt％，粒径分布的D10粒径为1.90μm，粒径分布的D100粒径为9.86μm。所述WC-3颗粒的平均费氏微筛粒径为2.40μm，总碳含量为6.1wt％，粒径分布的D10粒径为1.52μm，粒径分布的D100粒径为8.92μm。
＜实施例6及7(E6及E7)＞
实施例6及7(E6及E7)的测试样品的工艺条件与实施例3相似，差异处在于该颗粒状导电填料还包括不同量的碳化钨颗粒(WC-4颗粒)作为第二碳化钨颗粒。
如表1所示，所述WC-4颗粒的平均费氏微筛粒径为3.10μm，总碳含量为5.6wt％，粒径分布的D10粒径为2.56μm，粒径分布的D100粒径为18.50μm。所述WC-4颗粒通过使钨金属及碳颗粒接触并在约1750℃中及氢气存在下碳化所制成。HDPE、经接枝的HDPE、所述第一碳化钨颗粒及所述第二碳化钨颗粒的使用量分别如表1所示。
＜比较例1至5(CE1至CE5)＞
比较例1至5(CE1至CE5)的测试样品的工艺条件分别与实施例1至5相似，差异处在于比较例1至3将作为第一碳化钨颗粒的所述碳化钨颗粒类型改变为WC-4颗粒，比较例4及5将作为第一碳化钨颗粒的所述碳化钨颗粒类型分别改变为WC-5颗粒及WC-6颗粒。
如表1所示，所述WC-5颗粒的平均费氏微筛粒径为2.93μm，总碳含量为5.9wt％，粒径分布的D10粒径为2.45μm，粒径分布的D100粒径为16.21μm。所述WC-6颗粒的平均费氏微筛粒径为2.91μm，总碳含量为6.1wt％，粒径分布的D10粒径为2.08μm，粒径分布的D100粒径为15.34μm。
表1
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-E7及CE1-CE5的测试样品在25℃中的初始电阻(Ri,ohm)及体积电阻率(V-R,ohm-cm)，其平均值分别如表2所示。
性能测试
将两个锡箔片分别贴附至E1-E7及CE1-CE5的每一测试样品的所述铜箔片上，以进行下述的崩坏(breakdown)测试、切换循环(switching cycle)测试及老化(aging)测试。
[崩坏测试(Breakdown test)]
分别对E1-E7及CE1-CE5所制得样品进行崩坏测试：每一实施例及每一比较例皆先测试10个样品，以起始电压8Vdc及定电流10A通电60s后断电60s循环10次进行测试。若10个样品皆没有烧毁(表示通过率为100％)，另取10个样品，并将电压改变为12Vdc循环10次进行测试。若皆没有烧毁，逐次电压改变为增加4Vdc。分别记录E1-E7及CE1-CE5的测试样品测试后10个样品皆不烧毁的最高耐受电压(即崩坏电压)，结果如表2所示。
由表2可以看出，E1-E7的测试样品的崩坏电压(40-48Vdc)明显高于对应的CE1-CE5的测试样品的崩坏电压(8-12Vdc)。此结果显示含有平均费氏微筛粒径小于2.5μm、粒径分布的D10粒径小于2.0μm且粒径分布的D100粒径小于10.0μm的碳化钨颗粒的PTC装置可有效抵挡在较高电压中崩坏。
此外，相较于CE3的测试样品，E6及E7的测试样品除了含有粒径较大的WC-4以外，还含有粒径较小的WC-1(且其含量不小于WC-4的含量)，展现出较高的崩坏电压。
因此，粒径较小的碳化钨颗粒在高电压及高电流中的互相接触较少(即倾向分散)，可避免不希望有的电弧及闪络(flashover)，进而防止PTC装置损毁或烧毁。
[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30Vdc的电压及10A的电流接通E1-E7及CE1-CE5的测试样品60s，接着切断60s，如此进行7200次切换循环。分别测量开始前及7200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×100％)，并计算每一实施例及每一比较例的切换循环通过率(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-E7的测试样品全部通过切换循环测试(切换循环通过率100％)。而CE1-CE5的测试样品的切换循环通过率皆在20％以下，其表示CE1-CE5的测试样品在30Vdc的电压下容易损毁。此外，E1-E7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30Vdc的电压及10A的电流于E1-E7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×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-E7的测试样品全部通过老化测试(老化通过率100％)。CE1-CE5的测试样品的老化通过率皆在20％以下，其表示CE1-CE5的测试样品在30Vdc的电压下容易损毁。此外，E1-E7的测试样品的平均电阻变化率明显低于CE1-CE5。
表2
在表2中，“NA”表示无法获得。
综上所述，通过含有平均费氏微筛粒径小于2.5μm、粒径分布的D10粒径小于2.0μm且粒径分布的D100粒径小于10.0μm的碳化钨颗粒，本发明PTC电路保护装置可在较高电压(例如30Vdc)中操作并展现良好的电稳定性，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 (14)

1.一种PTC电路保护装置，其特征在于，其包含：
正温度系数聚合物材料，包括聚合物基材及分散在该聚合物基材中的颗粒状导电填料；及
贴附在该正温度系数聚合物材料上的两个电极；
其中，该聚合物基材是由聚合物组合物所制成，该聚合物组合物含有非接枝的聚烯烃；及
其中，该颗粒状导电填料包括第一碳化钨颗粒，所述第一碳化钨颗粒具有小于2.5μm的第一平均费氏微筛粒径，及一第一粒径分布，该第一粒径分布的D10粒径小于2.0μm，该第一粒径分布的D100粒径大于7.0μm且小于8.0μm。
2.根据权利要求1所述的PTC电路保护装置，其特征在于：所述第一碳化钨颗粒的第一平均费氏微筛粒径大于1.9μm。
3.根据权利要求1所述的PTC电路保护装置，其特征在于：所述第一碳化钨颗粒的第一平均费氏微筛粒径小于2.0μm。
4.根据权利要求1所述的PTC电路保护装置，其特征在于：该第一粒径分布的D10粒径大于0.9μm。
5.根据权利要求1所述的PTC电路保护装置，其特征在于：该第一粒径分布的D10粒径小于1.0μm。
6.根据权利要求1所述的PTC电路保护装置，其特征在于：该颗粒状导电填料还包括第二碳化钨颗粒，所述第二碳化钨颗粒具有大于该第一平均费氏微筛粒径的第二平均费氏微筛粒径，及一第二粒径分布，该第二粒径分布的D10粒径大于该第一粒径分布的D10粒径，且该第二粒径分布的D100粒径大于该第一粒径分布的D100粒径。
7.根据权利要求6所述的PTC电路保护装置，其特征在于：所述第一碳化钨颗粒的含量大于或等于所述第二碳化钨颗粒的含量。
8.根据权利要求7所述的PTC电路保护装置，其特征在于：基于该正温度系数聚合物材料的总重，所述第一碳化钨颗粒的含量至少为48wt％。
9.根据权利要求1所述的PTC电路保护装置，其特征在于：基于该正温度系数聚合物材料的总重，该聚合物基材的含量范围为4-6wt％，该颗粒状导电填料的含量范围为94-96wt％。
10.根据权利要求1所述的PTC电路保护装置，其特征在于：该非接枝的聚烯烃是高密度聚乙烯。
11.根据权利要求1所述的PTC电路保护装置，其特征在于：该聚合物组合物还包括经接枝的聚烯烃。
12.根据权利要求11所述的PTC电路保护装置，其特征在于：该经接枝的聚烯烃是经羧酸酐接枝的高密度聚乙烯。
13.根据权利要求1所述的PTC电路保护装置，其特征在于：所述第一碳化钨颗粒具有一总碳含量，基于所述第一碳化钨颗粒的总重，该总碳含量的范围为5.0-6.1wt％。
14.根据权利要求1所述的PTC电路保护装置，其特征在于：所述第一碳化钨颗粒具有总碳含量，基于所述第一碳化钨颗粒的总重，该总碳含量的范围为5.6-5.9wt％。
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