CN117285767A - 高分子基导电复合材料及过流保护元件 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种高分子基导电复合材料及由其制备的过流保护元件。所述高分子基导电复合材料包含高分子基材和分散于高分子基材中的导电陶瓷粉末填料。高分子基材占所述高分子基导电复合材料的体积分数的38％～54％，其中高分子基材包含第一高分子基材和第二高分子基材。第一高分子基材占高分子基导电复合材料的体积分数的23％～51％。第二高分子基材占高分子基导电复合材料的体积分数的3％～15％。导电陶瓷粉末填料占高分子基导电复合材料的体积分数的46％～62％。利用所述高分子基导电复合材料制备的过流保护元件包含至少两个金属电极片，高分子基导电复合材料与所述金属电极片之间通过热压紧密结合。由该高分子基导电复合材料制备的过流保护元件具有低室温电阻率、突出的耐候性能和优良的电阻稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种高分子基导电复合材料及过流保护元件，具体指一种具有低室温电阻率、突出的耐候性能和电阻再现性的高分子基导电复合材料及由其制备的过流保护元件。
背景技术
高分子基导电复合材料在正常温度下可维持较低的电阻值，具有对温度变化反应敏锐的特性，即当电路中发生过电流或过高温现象时，其电阻会瞬间增加到一高阻值，使电路处于断路状态，以达到保护电路中其他电子元件的目的。因此可把高分子基导电复合材料连接到电路中，作为电子线路保护元件。
高分子基导电复合材料一般由高分子和导电填料复合而成，导电填料宏观上均匀分布于所述高分子基材中。高分子基体一般为聚乙烯、聚偏氟乙烯等结晶性非极性材料，这类材料在与导电填料以及金属电极片的结合上面表现欠佳。如果高分子基体与导电填料以及金属电极片的结合力不佳，那么在过流保护元件使用过程中，随着时间的增加或者在电流、温度冲击下，其电阻会逐渐升高，最终可能导致元件失效，电路出现断路的情况。因此需要改善高分子基体与导电填料以及金属电极片的结合力，以降低或消除由此带来的不良影响。
由于氟树脂具有比较高的熔融温度，且耐候性能非常好，通过在聚烯烃基体中加入氟树脂，可以改善过流保护元件对温度冲击的耐候性。同时采用丙烯酸基团改性的氟树脂，可以改善高分子基体与导电填料及金属电极片之间的结合力，从而达到改善过流保护元件对抗电流、温度冲击的能力，使过流保护元件电阻稳定性更强，耐候性更加优异。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种高分子基导电复合材料。
本发明的再一目的在于：提供一种由上述高分子基导电复合材料制备的过流保护元件，该过流保护元件具有低室温电阻率、突出的耐候性能、优良的电阻稳定性。
为达到上述目的，本发明揭示一种高分子基导电复合材料，其包含：
一种高分子基导电复合材料，其特征在于其包含：
第一高分子基材，为聚烯烃树脂，占所述高分子基导电复合材料的体积分数的23％～51％；所述聚烯烃树脂为：聚乙烯、聚丙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、乙烯-丙烯酸共聚物、乙烯-丙烯酸酯共聚物、聚1-丁烯、聚4-甲基-1-戊烯、环烯烃中的一种及其混合物。
第二高分子基材，为丙烯酸基团改性的氟树脂，占所述高分子基导电复合材料的体积分数的3％～15％；所述氟树脂为聚四氟乙烯(PTFE)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)、聚氟乙烯(PVF)中的一种及其混合物。
导电陶瓷粉末填料，其D50粒径为0.5μm～10μm，D90粒径为2μm～15μm，占所述高分子基导电复合材料的体积分数的46％～62％，分散于所述高分子基材中。
所述导电陶瓷粉末填料为金属硼化物、金属氮化物、金属碳化物、金属硅化物中的一种及其混合物。
所述金属硼化物为硼化钽、二硼化钽、硼化钒、二硼化钒、二硼化锆、二硼化钛、硼化铌、二硼化铌、硼化二钼、五硼化二钼、二硼化铪、硼化二钨、硼化钨、硼化二铬、硼化铬、二硼化铬或三硼化五铬之中的一种。
所述金属氮化物为氮化钽、氮化钒、氮化锆、氮化钛、氮化铌或氮化铪之中的一种。
所述金属碳化物为碳化钽、碳化钒、碳化锆、碳化钛、碳化铌、碳化二钼、碳化铪、碳化钨、碳化二钨或二碳化三铬之中的一种。
所述金属硅化物为二硅化钽、三硅化五钽、硅化三钒、二硅化钒、二硅化锆、二硅化钛、三硅化五钛、二硅化铌、二硅化钼、二硅化铪、二硅化钨、硅化三铬或二硅化铬之中的一种。
所述高分子基导电复合材料可含有其他助剂，如抗氧剂、辐射交联剂(常称为辐照促进剂、交联剂或交联促进剂，例如三烯丙基异氰脲酸酯)、偶联剂、分散剂、稳定剂、非导电性填料(如氢氧化镁，碳酸钙)、阻燃剂、弧光抑制剂或其他组分。这些组分通常至多占高分子基导电复合材料总体积的10％，例如3％体积百分比。
本发明还提供采用上述高分子基导电复合材料制备的过流保护元件，通过热辊压在高分子基导电复合材料片材两面复合金属电极片构成过流保护元件芯片，所述的高分子基导电复合材料片材的厚度为0.05-2.0mm，优选为0.1-1.0mm。所述金属电极片的厚度不大于0.1mm。所述芯片在后续工序中根据需要被加工成各种形式的过流保护元件。所述各种形式的过流保护元件包括SMD、SMT、插件、引脚、光片等。所述的金属电极片包括镍和铜中的一种及其复合物。所述金属电极片最少有一面的粗糙度Ra>1.0微米。该过流保护元件具有低室温电阻率、突出的耐候性能、优良的电阻稳定性。
由所述高分子基导电复合材料制备的过流保护元件的方法包括下述步骤：
1)将高分子基材和导电填料按一定比例投入双螺杆挤出机中，在高于高分子熔融温度以上的温度下进行熔融混合，然后将混合好的高分子基导电复合材料通过单螺杆挤出机挤出成片材，当片材还处于熔融状态时，在片材上下两面通过辊压紧密压合上金属电极片，然后裁切成合适尺寸的芯片待用。
芯片可以通过蚀刻、层压、钻孔、沉铜、镀锡和划片等一系列PCB工艺加工成SMD式过流保护元件，也可以分割成单个元件后连接其他金属部件加工成SMT、引脚、插件形式的过流保护元件。
其中，把芯片分割成单个元件的方法包括裁切、冲切、划片和激光切割等。所述单个元件可以是任何形状，如正方形、三角形、圆形、矩形、环形、多边形或其它不规则形状。
所述的金属电极片包括铜箔、镍箔、单面镀镍铜箔、双面镀镍铜箔等。
所述的过流保护元件中的两个金属电极片通过导电部件串接于被保护电路中形成导电通路。其他金属部件，可以通过点焊、回流焊或导电粘合剂连接在金属电极片上，从而将热敏电阻连接进电路中。所述金属部件包括任何能与金属电极片导通的结构部件，它可以是任何形状，例如，点状，线状、带状、片状、柱状、其他不规则形状及它们的组合体。所述“金属部件”的基材可为任何能导电的金属及其合金，如镍、铜、铝、锌、锡及其合金。
通常可借助交联和/或热处理的方法来提高过流保护元件性能的稳定性。交联可以是化学交联或辐照交联，例如可利用交联促进剂、电子束辐照或Co60辐照来实现。过流保护元件所需的辐照剂量一般小于50Mrad，优选为1-20Mrad。热处理可以是退火、热循环、高低温冲击，例如+85℃/-40℃高低温冲击。所述退火的温度环境可以是高分子基材分解温度以下的任何温度，例如高于高分子基材熔融温度的高温退火和低于高分子基材熔融温度的低温退火。
本发明的优越性在于：高分子基导电复合材料电阻率低，耐候性优良，由该高分子基导电复合材料制备的过流保护元件在具有极低室温电阻率的同时，仍具有良好的耐候性能，和优良的电阻再现性。
附图说明
图1是本发明的过流保护元件芯片的示意图；
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
制备过流保护元件的高分子基导电复合材料的配方如表一所示。其中高分子1为高密度聚乙烯，其熔融温度为131℃，密度为0.951g/cm3；高分子2为丙烯酸基团改性的PVDF，其熔融温度为163℃，密度为1.76g/cm3；高分子3为PVDF，不含丙烯酸基团，其熔融温度为165℃，密度为1.78g/cm3；高分子4为PVDF，不含丙烯酸基团，其熔融温度为173℃，密度为1.78g/cm3；导电填料1为碳化钛，其D50＝2.3μm，D90＝5.6μm；导电填料2为碳化钛，其D50＝4.1μm，D90＝7.3μm；导电填料3为碳化钨，其D50＝4.3μm，D90＝7.6μm；导电填料4为碳化钨，其D50＝2.1μm，D90＝4.3μm。
过流保护元件的制备过程如下：将高分子基材和导电填料按一定比例投入双螺杆挤出机中，在高于高分子熔融温度以上的温度下进行熔融混合，然后将混合好的高分子基导电复合材料通过单螺杆挤出机挤出成片材，当片材还处于熔融状态时，在片材上下两面通过辊压紧密压合上金属电极片，金属电极片与高分子基导电复合材料的结合面的粗糙度Ra＝1.5μm，然后根据需要裁切成合适尺寸的芯片待用。
如图1是本发明的过流保护元件芯片的示意图。高分子基导电复合材料11层置于上下对称的两金属电极片12之间，金属电极片12与高分子基导电复合材料层11紧密结合。将过流保护元件芯片通过PCB工艺制成SMD式过流保护元件。
实施例2-17
过流保护元件的制备过程和实施例1相同，只是高分子基导电复合材料的配比不同，实施例2-17的高分子基导电复合材料的配比和过流保护元件的电气特性如表一所示。
比较例1
过流保护元件的制备过程和实施例1相同，但将高分子2改为高分子3。比较例1的高分子基导电复合材料的配方和过流保护元件的电气特性如表一所示。
比较例2
过流保护元件的制备过程和实施例1相同，但将高分子2改为高分子4。比较例2的高分子基导电复合材料的配方和过流保护元件的电气特性如表一所示。
比较例3
过流保护元件的制备过程和实施例1相同，但将导电填料1改为导电填料2。比较例3的高分子基导电复合材料的配方和过流保护元件的电气特性如表一所示。
比较例4
过流保护元件的制备过程和实施例1相同，但将高分子2改为高分子3。比较例4的高分子基导电复合材料的配方和过流保护元件的电气特性如表一所示。
比较例5
过流保护元件的制备过程和实施例1相同，但将高分子2改为高分子4。比较例5的高分子基导电复合材料的配方和过流保护元件的电气特性如表一所示。
比较例6
过流保护元件的制备过程和实施例1相同，但将导电填料3改为导电填料4。比较例6的高分子基导电复合材料的配方和过流保护元件的电气特性如表一所示。
表一中的R0表示过流保护元件的初始电阻；耐电流冲击R1表示过流保护元件持续通电(6V/50A)6秒后，在25℃的温度环境里放置1小时后所测得的电阻值；耐电流冲击R100表示过流保护元件持续通电(6V/50A)6秒后，断电60秒，如此循环100次，然后在25℃的温度环境里放置1小时后所测得的电阻值。高低温冲击R100表示过流保护元件在+85℃环境中放置30分钟，然后在-40℃环境中放置30分钟，如此循环100次，然后在25℃的温度环境里放置1小时后所测得的电阻值。剥离力是指将金属电极片和高分子基导电复合材料剥离所需的力，测量剥离力的样品尺寸为10mm*100mm。
表一
从表一可以看出：高分子基导电复合材料中加入丙烯酸基团改性的氟树脂可以改善高分子导电复合材料和金属电极片之间的结合力，可以降低过流保护元件经过6V/50A电流冲击100次后的电阻，同时可以降低过流保护元件高低温冲击100次后的电阻，说明其电阻再现性较好，改善了过流保护元件对抗电流、温度冲击的能力，使过流保护元件电阻稳定性更强，耐候性更加优异。
本发明的内容和特点已揭示如上，然而前面叙述的本发明仅仅简要地或只涉及本发明的特定部分，本发明的特征可能比在此公开的内容涉及的更多。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应该包括在不同部分中所体现的所有内容的组合，以及各种不背离本发明的替换和修饰，并为本发明的权利要求书所涵盖。
Claims (10)
1.一种高分子基导电复合材料，其特征在于其包含：
第一高分子基材，为聚烯烃树脂，占所述高分子基导电复合材料的体积分数的23％～51％；
第二高分子基材，丙烯酸基团改性的氟树脂，占所述高分子基导电复合材料的体积分数的3％～15％；
导电陶瓷粉末填料，其D50粒径为0.5μm～10μm，D90粒径为2μm～15μm，占所述高分子基导电复合材料的体积分数的46％～62％，分散于所述高分子基材中。
2.根据权利要求1所述的高分子基导电复合材料，其特征在于，所述第一高分子基材为聚烯烃树脂。
3.根据权利要求1所述的高分子基导电复合材料，其特征在于，所述聚烯烃树脂为：聚乙烯、聚丙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、乙烯-丙烯酸共聚物、乙烯-丙烯酸酯共聚物、聚1-丁烯、聚4-甲基-1-戊烯、环烯烃中的一种及其混合物。
4.根据权利要求1所述的高分子基导电复合材料，其特征在于，所述第二高分子基材为丙烯酸基团改性的氟树脂。
5.根据权利要求1所述的高分子基导电复合材料，其特征在于，所述氟树脂为聚四氟乙烯(PTFE)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)、聚氟乙烯(PVF)中的一种及其混合物。
6.根据权利要求1所述的高分子基导电复合材料，其特征在于，所述导电陶瓷粉末填料为金属硼化物、金属氮化物、金属碳化物、金属硅化物中的一种及其混合物。所述金属硼化物为硼化钽、二硼化钽、硼化钒、二硼化钒、二硼化锆、二硼化钛、硼化铌、二硼化铌、硼化二钼、五硼化二钼、二硼化铪、硼化二钨、硼化钨、硼化二铬、硼化铬、二硼化铬或三硼化五铬之中的一种。所述金属氮化物为氮化钽、氮化钒、氮化锆、氮化钛、氮化铌或氮化铪之中的一种。所述金属碳化物为碳化钽、碳化钒、碳化锆、碳化钛、碳化铌、碳化二钼、碳化铪、碳化钨、碳化二钨或二碳化三铬之中的一种。所述金属硅化物为二硅化钽、三硅化五钽、硅化三钒、二硅化钒、二硅化锆、二硅化钛、三硅化五钛、二硅化铌、二硅化钼、二硅化铪、二硅化钨、硅化三铬或二硅化铬之中的一种。
7.根据权利要求1至6之一所述高分子基导电复合材料制备的过流保护元件，其特征在于，通过热辊压在高分子基导电复合材料片材两面复合金属电极片构成过流保护元件芯片，所述的高分子基导电复合材料片材的厚度为0.05-2.0mm，优选为0.1-1.0mm。所述金属电极片的厚度不大于0.1mm。所述芯片在后续工序中根据需要被加工成各种形式的过流保护元件。
8.根据权利要求7所述的过流保护元件，其特征在于：所述各种形式的过流保护元件包括SMD、SMT、插件、引脚、光片等。
9.根据权利要求7所述的过流保护元件，其特征在于：所述的金属电极片包括镍和铜中的一种及其复合物。
10.根据权利要求7所述的过流保护元件，其特征在于：所述金属电极片最少有一面的粗糙度Ra>1.0微米。
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