CN112094449A - 一种居里点可调控的ptc聚合物导电复合材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种居里点可调控的PTC聚合物导电复合材料,其特征在于,按重量计,包括30~70%的聚合物基体,35~60%的导电填料,1~3%的抗氧剂,0.1~4%的润滑剂,2~8%的耐压增强填料。本发明所得PTC聚合物导电复合材料通过改变聚合物基体的组分数及各组分比例,其PTC居里点在60~110℃转变。本发明实现了对PTC聚合物导电复合材料居里点的调控、缩短了动作时间,同时具有低成本、优异稳定性和耐压特性、无NTC效应,温度适用范围广,提高了PTC热敏电阻的安全性,能够对电路进行良好的过流与过温保护。本发明在过流及过热保护元件、温度传感器及汽车启动装置等领域有极大的发展应用潜力。
Description
技术领域
本发明属于功能高分子材料技术领域,具体地说,涉及一种居里点可调控的PTC聚合物导电复合材料及制备方法。
背景技术
聚合物基PTC(Positive Temperature Coefficient)材料是指电阻率随温度升高而增加的一类导电高分子复合材料。聚合物基PTC导电复合材料的电阻率在居里点之前变化微小或基本保持不变,当达到居里点时,复合材料的电阻率急剧增加。由于其具有温度敏感的典型特征,该复合材料已广泛应用于过流及过热保护元件、温度传感器、汽车启动装置及抗电磁屏蔽材料等领域。聚合物基PTC材料由于成本低廉、化学稳定性好、易于成型加工等优点,同时具有电导率和外观的可设计性、电阻可恢复性,已成为国内外研究开发的热点之一。目前聚合物基PTC材料还存在很多问题,例如动作时间长、电阻稳定性差、耐压特性差、存在NTC(Negative temperature Coefficient)效应,这大大制约其在各个领域的广泛应用。其中动作时间过长将导致PTC热敏电阻不能有效的发挥过流或过温保护作用,这对所保护的元件是致命的。然而,动作响应时间与聚合物基PTC材料居里点密切相关,因此对聚合物基PTC材料居里点的调控具有极大的实际应用价值和意义。
目前,大多数研究是通过选择不同单一组分聚合物基体改变PTC复合材料的居里点。例如,Liang等人(Effects of heat treatment on electrical conductivity ofHDPE/CB composites.Polymer Testing.2017,62:224)所制备的聚合物PTC复合材料的居里点温度约为110℃;Zhang等人(Influence of CF on PTC Properties of LDPE/CarbonFiber Composites.Advanced Materials Research.2014,1056:24)所制备的聚合物PTC复合材料的居里点温度约为70℃;窦强(PVDF/炭黑导电复合材料的PTC性能研究.工程塑料应用.2000,28:3)所制备的PTC材料居里温度约100℃;这种方法既增加了选择成本、又耗费大量的时间精力,且居里点范围窄,导致PTC复合材料应用局限性大。然而,通过系统研究聚合物基体的组分数及各组分比例对PTC聚合物基体居里点调控方面的研究却鲜有报道。
发明内容
为解决上述问题,本发明旨在提供一种居里点可调控的PTC聚合物导电复合材料及制备方法。本发明通过改变聚合物基体的组分数及各组分比例实现了对居里点的调控,且具有动作时间短、无NTC效应的优点,并通过添加耐压增强填料使得复合材料具有优异的耐压特性和电阻稳定性。
为解决上述问题,本发明提出以下技术方案:一种居里点可调控的PTC聚合物导电复合材料,按重量计,包括30~70%的聚合物基体,35~60%的导电填料,1~3%的抗氧剂,0.1~4%的润滑剂,2~8%的耐压增强填料。
优选的,一种居里点可调控的PTC聚合物导电复合材料,按重量计,包括35~60%的聚合物基体,35~55%的导电填料,1~3%的抗氧剂,0.1~3%的润滑剂,2~6%的耐压增强填料。
优选的,所述聚合物基体是一种或多种结晶或半结晶聚合物。
优选的,所述聚合物基体选自高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)中的一种或几种。
在上述PTC聚合物导电复合材料中,聚合物基体在复合材料中所占重量比不变,通过改变组分数及各组分比例实现对居里点在60~110℃调控。所述聚合物基体分为双组分和三组分。双组分聚合物基体为HDPE和LDPE,LDPE和EVA,HDPE和EVA,且固定前者与后者比例为(1~10):(1~9);三组分聚合物基体为HDPE、LDPE和EVA,且固定三者的比例为(2~10):(1~6):(1~5)。
优选的,导电填料为炭黑、碳纤维、金属粉或其氧化物、碳纳米管中的一种或几种。所述金属粉或其氧化物为铜粉、银粉、氧化锌粉末和氧化镁粉末中的至少一种。
所述的导电填料为炭黑时,其特征在于,炭黑的平均粒径在20~60nm,所述炭黑的吸油值在50cm3/100g~140cm3/100g。
优选的,所述抗氧剂为受阻酚类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂、胺类抗氧剂中的一种或几种。
优选的,所述润滑剂选自氧化聚乙烯蜡、硬脂酸锌、聚乙烯蜡中的一种或者几种。
优选的,所述耐压增强剂为氢氧化镁、氢氧化铝、微胶囊红磷、硼酸锌中的一种或几种。
所述氢氧化镁的平均粒径在1~6μm;所述微胶囊红磷的粒度D100<25μm,D50<10μm。
一种居里点可调控的PTC聚合物导电复合材料的制备方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
a、按比例称取所述导电填料,抗氧剂,润滑剂,耐压增强填料,初步预混;
b、按所述比例将聚合物基体加入密炼机中,温度控制在130~180℃,转速控制在40~70rpm,使树脂完全熔融,再将步骤(a)中分散均匀的预混料分多次加入,每次加入间隔时间为2~4min,共混总时间为10~20min;
c、将步骤(b)所得的混合物料用双螺杆挤出机挤出,并通过压延机延成一定厚度的片材;
d、将步骤(c)所得片材置入60~110℃的真空烘箱中热处理1~6h,最后用剂量为80~300KGy电子束辐照交联,得到PTC聚合物导电复合材料。
与现有技术相比,本发明具有以下优势:
(1)本发明为PTC聚合物基体居里点的调控方面提供了新的途径;
(2)本发明实现了对PTC聚合物导电复合材料居里点的调控,同时具有优良的电阻稳定性和耐压特性、无NTC效应、动作时间短的优点。居里点温度可调控范围广60~110℃,能够满足目前市场上常见PTC热敏电阻高、中、低温需求。本发明在过流及过热保护元件、温度传感器、汽车启动装置及抗电磁屏蔽材料等领域有极大的发展应用潜力;
(3)该方法减少了材料的选择成本,仅通过目前PTC热敏电阻常用聚合物HDPE、LDPE和EVA就能实现高、中、低温居里点调控,同时降低了加工工艺难度,重复性好,且电气特性优异有望实现大规模应用。
附图说明
图1是实施例1~6所制备的复合材料电阻-温度曲线图。
图2是实施例1~6和比较例1~5所制备的复合材料耐压电阻变化率图。
图3是实施例1~6和比较例1~5所制备的复合材料经100cycles电阻变化率图。
具体实施方式
以下是本发明的实施例,并结合附图对本发明技术方案作进一步地详细描述,对本发明不构成任何限制。
实施例中的PTC聚合物导电复合材料的成份及来源如下:
HDPE(密度0.96g/cm3,熔融指数0.35g/10min,北京燕山石化公司);LDPE(密度0.92g/cm3,熔融指数0.3g/10min,茂名石油化工有限公司);EVA(密度0.94g/cm3,熔融指数2g/10min,中国石化);炭黑(N660,潍坊科伦比恩化工有限公司);抗氧剂1010和抗氧剂168(德国巴斯夫);氧化聚乙烯蜡(密度0.95g/cm3,江西宏远化工有限公司);耐压增强填料氢氧化镁和微胶囊红磷(东莞市宏泰基阻燃材料有限公司);各实施例中材料的详细成份及重量比见表1。
实施例1
一种居里点可调控的PTC聚合物导电复合材料的制备,包括以下步骤:
(1)按比例称取48wt%的炭黑、2wt%的抗氧剂1010和1wt%的抗氧剂168、0.2wt%的氧化聚乙烯蜡、2wt%的氢氧化镁和1wt%的微胶囊红磷,加入高速混合机中进行预混,使上述原料形成均匀的混合物;其中,炭黑的平均粒径为20~100nm,炭黑的吸油值为100cm3/100g,氢氧化镁的平均粒径为4μm;微胶囊红磷的粒度D100<35μm,D50<20μm。
(2)按比例称取4.2wt%的HDPE和41.6wt%的LDPE加入密炼机中,温度控制在170℃,转速控制在50rpm,使树脂完全熔融,再将步骤(1)中分散均匀的预混料分三次加入,每次加入间隔时间为3min,共混总时间为15min;
(3)将步骤(2)所得的混合物料用双螺杆挤出机挤出,并通过压延机延成厚度为0.33±0.15的片材,片材上下两面为镀镍铜箔;
(4)将步骤(3)所得片材置入100℃的真空烘箱中热处理3h,最后用剂量为200KGy电子束辐照交联,经辐照后冲制成Φ12.13mm的芯片,最后经超声波清洗、烘干得到PTC热敏电阻,其电气特性测试结果见表2。
电气特性测试:
采用电阻测试仪AT510SE测试实施例1PTC热敏电阻的室温阻值;采用可程式直流稳压仪PPS3005S测试实施例1PTC热敏电阻在4安培时的动作时间;采用热敏电阻R/T特性测试系统测试实施例1PTC热敏电阻的电阻-温度曲线得到居里点温度,其中升降温速率为2℃/min;采用可程式直流稳压仪PPS3005S测试实施例1PTC热敏电阻在16V/40A下耐压24小时后的电阻变化。采用CL测试仪在16V/40A下测100次循环后的电阻变化,上述实施例1PTC热敏电阻的电气特性测试结果见表2.
实施例2
聚合物基体在复合材料中所占重量比固定不变,按表1称取41.2wt%的HDPE、4.6wt%的LDPE、48wt%的炭黑、2wt%的抗氧剂1010和1wt%的抗氧剂168、0.2wt%的氧化聚乙烯蜡、2wt%的氢氧化镁和1wt%的微胶囊红磷。
复合材料的加工工艺及电气特性测试同实施例1,其电气特性测试结果见表2。
实施例3
聚合物基体在复合材料中所占重量比固定不变,按表1称取30.5wt%的HDPE、15.3wt%的LDPE、48wt%的炭黑、2wt%的抗氧剂1010和1wt%的抗氧剂168、0.2wt%的氧化聚乙烯蜡、2wt%的氢氧化镁和1wt%的微胶囊红磷。
复合材料的加工工艺及电气特性测试同实施例1,其电气特性测试结果见表2。
实施例4
聚合物基体在复合材料中所占重量比固定不变,按表1称取30.5wt%的LDPE、15.3wt%的EVA、48wt%的炭黑、2wt%的抗氧剂1010和1wt%的抗氧剂168、0.2wt%的氧化聚乙烯蜡、2wt%的氢氧化镁和1wt%的微胶囊红磷。
复合材料的加工工艺及电气特性测试同实施例1,其电气特性测试结果见表2。
实施例5
聚合物基体在复合材料中所占重量比固定不变,按表1称取30.5wt%的HDPE、15.3wt%的EVA、48wt%的炭黑、2wt%的抗氧剂1010和1wt%的抗氧剂168、0.2wt%的氧化聚乙烯蜡、2wt%的氢氧化镁和1wt%的微胶囊红磷。
复合材料的加工工艺及电气特性测试同实施例1,其电气特性测试结果见表2。
实施例6
聚合物基体在复合材料中所占重量比固定不变,按表1称取26.1wt%的HDPE、13.1wt%的LDPE、6.6wt%的EVA、48wt%的炭黑、2wt%的抗氧剂1010和1wt%的抗氧剂168、0.2wt%的氧化聚乙烯蜡、2wt%的氢氧化镁和1wt%的微胶囊红磷。
复合材料的加工工艺及电气特性测试同实施例1,其电气特性测试结果见表2。
比较例1
聚合物基体在复合材料中所占重量比固定不变,不添加耐压增加填料,按表1称取45.8wt%的HDPE、48wt%的炭黑、2wt%的抗氧剂1010和1wt%的抗氧剂168、0.2wt%的氧化聚乙烯蜡、2wt%的氢氧化镁和1wt%的微胶囊红磷。
复合材料的加工工艺及电气特性测试同实施例1,其电气特性测试结果见表2。
比较例2
聚合物基体在复合材料中所占重量比固定不变,不添加耐压增加填料,按表1称取40wt%的HDPE、53.8wt%的炭黑、2wt%的抗氧剂1010和1wt%的抗氧剂168、0.2wt%的氧化聚乙烯蜡、2wt%的氢氧化镁和1wt%的微胶囊红磷。
复合材料的加工工艺及电气特性测试同实施例1,其电气特性测试结果见表2。
比较例3
聚合物基体在复合材料中所占重量比固定不变,不添加耐压增加填料,按表1称取33wt%的HDPE、60.8wt%的炭黑、2wt%的抗氧剂1010和1wt%的抗氧剂168、0.2wt%的氧化聚乙烯蜡、2wt%的氢氧化镁和1wt%的微胶囊红磷。
复合材料的加工工艺及电气特性测试同实施例1,其电气特性测试结果见表2。
比较例4
聚合物基体在复合材料中所占重量比固定不变,不添加耐压增加填料,按表1称取4.5wt%的HDPE、44.3wt%的LDPE、48wt%的炭黑、2wt%的抗氧剂1010和1wt%的抗氧剂168、0.2wt%的氧化聚乙烯蜡。
复合材料的加工工艺及电气特性测试同实施例1,其电气特性测试结果见表2。
比较例5
聚合物基体在复合材料中所占重量比固定不变,不添加耐压增加填料,按表1称取27.8wt%的HDPE、14.0wt%的LDPE、7.0wt%的EVA、48wt%的炭黑、2wt%的抗氧剂1010和1wt%的抗氧剂168、0.2wt%的氧化聚乙烯蜡。
复合材料的加工工艺及电气特性测试同实施例1,其电气特性测试结果见表2。
实施例7
一种居里点可调控的PTC聚合物导电复合材料的制备,包括以下步骤:
(1)按比例称取50wt%的碳纤维、1wt%的抗氧剂1010和1wt%的二苯胺类抗氧剂、1wt%的硬脂酸锌、3wt%的氢氧化铝和3wt%的硼酸锌,加入高速混合机中进行预混,使上述原料形成均匀的混合物;
(2)按比例称取21wt%的HDPE和20wt%的EVA加入密炼机中,温度控制在160℃,转速控制在60rpm,使树脂完全熔融,再将步骤(1)中分散均匀的预混料分三次加入,每次加入间隔时间为4min,共混总时间为18min;
(3)将步骤(2)所得的混合物料用双螺杆挤出机挤出,并通过压延机延成厚度为0.33±0.15的片材,片材上下两面为镀镍铜箔;
(4)将步骤(3)所得片材置入90℃的真空烘箱中热处理2h,最后用剂量为100KGy电子束辐照交联,经辐照后冲制成Φ12.13mm的芯片,最后经超声波清洗、烘干得到PTC热敏电阻。
实施例8
一种居里点可调控的PTC聚合物导电复合材料的制备,包括以下步骤:
(1)按比例称取40wt%的碳纳米管、0.5wt%的抗氧剂1010和1.5wt%的对本二胺类抗氧剂、3wt%的聚乙烯蜡、1wt%的氢氧化镁和4wt%的硼酸锌,加入高速混合机中进行预混,使上述原料形成均匀的混合物;其中,氢氧化镁的平均粒径为5μm。
(2)按比例称取25wt%的LDPE和25wt%的EVA加入密炼机中,温度控制在140℃,转速控制在45rpm,使树脂完全熔融,再将步骤(1)中分散均匀的预混料分三次加入,每次加入间隔时间为4min,共混总时间为20min;
(3)将步骤(2)所得的混合物料用双螺杆挤出机挤出,并通过压延机延成厚度为0.33±0.15的片材,片材上下两面为镀镍铜箔;
(4)将步骤(3)所得片材置入100℃的真空烘箱中热处理1.5h,最后用剂量为150KGy电子束辐照交联,经辐照后冲制成Φ12.13mm的芯片,最后经超声波清洗、烘干得到PTC热敏电阻。
实施例9
一种居里点可调控的PTC聚合物导电复合材料的制备,包括以下步骤:
(1)按比例称取45wt%的铜粉、0.5wt%的抗氧剂1076和2wt%的对本二胺类抗氧剂、3.5wt%的氧化聚乙烯蜡、2wt%的氢氧化镁和4wt%的氢氧化铝,加入高速混合机中进行预混,使上述原料形成均匀的混合物;其中,氢氧化镁的平均粒径为6μm。
(2)按比例称取15wt%的LDPE和28wt%的EVA加入密炼机中,温度控制在145℃,转速控制在55rpm,使树脂完全熔融,再将步骤(1)中分散均匀的预混料分三次加入,每次加入间隔时间为4.5min,共混总时间为20min;
(3)将步骤(2)所得的混合物料用双螺杆挤出机挤出,并通过压延机延成厚度为0.33±0.15的片材,片材上下两面为镀镍铜箔;
(4)将步骤(3)所得片材置入70℃的真空烘箱中热处理5h,最后用剂量为170KGy电子束辐照交联,经辐照后冲制成Φ12.13mm的芯片,最后经超声波清洗、烘干得到PTC热敏电阻。
实施例10
一种居里点可调控的PTC聚合物导电复合材料的制备,包括以下步骤:
(1)按比例称取42wt%的银粉、0.5wt%的抗氧剂1024和2.5wt%的三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯、2.5wt%的氧化聚乙烯蜡、2.5wt%的微胶囊红磷和3wt%的氢氧化铝,加入高速混合机中进行预混,使上述原料形成均匀的混合物;其中,微胶囊红磷的粒度D100<35μm,D50<20μm。
(2)按比例称取10wt%的HDPE和37wt%的EVA加入密炼机中,温度控制在155℃,转速控制在65rpm,使树脂完全熔融,再将步骤(1)中分散均匀的预混料分三次加入,每次加入间隔时间为3.5min,共混总时间为20min;
(3)将步骤(2)所得的混合物料用双螺杆挤出机挤出,并通过压延机延成厚度为0.33±0.15的片材,片材上下两面为镀镍铜箔;
(4)将步骤(3)所得片材置入75℃的真空烘箱中热处理4.5h,最后用剂量为120KGy电子束辐照交联,经辐照后冲制成Φ12.13mm的芯片,最后经超声波清洗、烘干得到PTC热敏电阻。
表1实施例和比较例中PTC聚合物导电复合材料的成份及重量比
注:物料组成单位:重量百分比wt%
表2实施例和比较例PTC聚合物导电复合材料的电气特性
注:表中数据为测试平均值
由表2知,采用本发明制备的PTC聚合物导电复合材料的室温电阻较低,耐压稳定性好,且动作时间短。在聚合物基体在复合材料中所占重量比不变前提下,通过改变聚合物基体的组分数及各组分比例,实现了对居里点在60~110℃调控。其中双组分聚合物基体为HDPE和LDPE,LDPE和EVA,HDPE和EVA,且固定前者与后者比例为(1~10):(1~9);三组分聚合物基体为HDPE、LDPE和EVA,且固定三者的比例为(2~10):(1~6):(1~5)。居里点温度可调控范围广,能够满足目前市场上常见PTC热敏电阻高、中、低温需求。图1显示,实施例1~6中PTC聚合物导电复合材料的室温阻值低,且阻值随着温度的升高而升高,当温度升高到居里点时,电阻随温度的升高呈阶跃性的增加,即PTC效应;当电阻升高到聚合物熔点之后,复合材料的电阻没有降低,即未出现NTC现象。通过电阻-温度曲线更直观的观察到,随着聚合物基体的改变,复合材料居里点也发生改变。如图2所示,比较例1~3仅通过改变单组分HDPE的重量比其居里点变化范围较窄,且在实际应用中单组分重量比过高或过低均会影响复合材料的固有特性,从而影响PTC特性。比较例4、5耐压电阻变化率比实施例大,表明当聚合物导电复合材料中添加耐压填料氢氧化镁和微胶囊红磷能够提高复合材料的耐压特性。如图3所示,实施例1~6和比较例1~3经100cycles电阻变化率较小,而比较例4、5电阻变化率较大,表明聚合物导电复合材料中添加耐压填料使得复合材料具有优异的耐压特性和电阻稳定性。
综上所述,本发明实现了对PTC聚合物导电复合材料居里点的调控、具有动作时间短,成本低、优异稳定性和耐压特性、无NTC效应的优点,且居里点可调范围广,同时加工工艺难度低有望实现大规模应用。
以上所述仅为本发明的优选实施例,本发明并不局限于上述具体实施例。凡是未脱离本发明构思的前提下,依据本发明的技术实质所做的任何简单推演、等同替换与修饰,均应属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种居里点可调控的PTC聚合物导电复合材料,其特征在于,按重量百分比计,包括30~70%的聚合物基体,35~60%的导电填料,1~3%的抗氧剂,0.1~4%的润滑剂,2~8%的耐压增强填料。
2.根据权利要求1所述的居里点可调控的PTC聚合物导电复合材料,其特征在于,所述聚合物基体是一种或多种结晶或半结晶聚合物。
3.根据权利要求2所述的居里点可调控的PTC聚合物导电复合材料,其特征在于,所述聚合物基体选自聚偏氟乙烯(PVDF)、高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、茂金属聚乙烯(mLLDPE)、线性低密度聚乙烯(LLDPE)、氯化聚乙烯(CPE)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)和乙烯丙烯酸共聚物(EAA)中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的居里点可调控的PTC聚合物导电复合材料,其特征在于,所述聚合物基体为双组分或三组分,双组分聚合物基体为质量比例在(1~10):(1~10)之间的HDPE与LDPE的混合物,LDPE与EVA的混合物,HDPE与EVA的混合物;三组分聚合物基体为HDPE、LDPE和EVA的混合物,且三者的比例为(2~10):(1~8):(1~6)。
5.根据权利要求1所述的居里点可调控的PTC聚合物导电复合材料,其特征在于,所述导电填料选自炭黑、碳纤维、金属粉或其氧化物和碳纳米管中的至少一种;所述金属粉或其氧化物为铜粉、银粉、氧化锌粉末和氧化镁粉末中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的居里点可调控的PTC聚合物导电复合材料,其特征在于,所述炭黑的平均粒径为20~100nm,所述炭黑的吸油值为50cm3/100g~180cm3/100g。
7.根据权利要求1所述的居里点可调控的PTC聚合物导电复合材料,其特征在于,所述抗氧剂选自受阻酚类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂和胺类抗氧剂中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的居里点可调控的PTC聚合物导电复合材料,其特征在于,所述润滑剂选自氧化聚乙烯蜡、硬脂酸锌和聚乙烯蜡中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的居里点可调控的PTC聚合物导电复合材料,其特征在于,所述耐压增强材料为氢氧化镁、氢氧化铝、微胶囊红磷和硼酸锌中的至少一种;所述氢氧化镁的平均粒径为1~8μm;所述微胶囊红磷的粒度D100<35μm,D50<20μm。
10.根据权利要求1~9任一项所述的居里点可调控的PTC聚合物导电复合材料的制备方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:
a、按比例称取所述导电填料、抗氧剂、润滑剂和耐压增强填料,初步预混;
b、按所述比例将聚合物基体加入密炼机中,温度控制在130~180℃,转速控制在40~70rpm,使树脂完全熔融,再将步骤(a)中分散均匀的预混料分多次加入,每次加入间隔时间为2~4min,共混总时间为10~20min;
c、将步骤(b)所得的混合物料用双螺杆挤出机挤出,并通过压延机压延成片材;
d、将步骤(c)所得片材置入60~110℃的真空烘箱中热处理1~6h,最后用剂量为80~300KGy电子束辐照交联,得到PTC聚合物导电复合材料。
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