CN1412782A

CN1412782A - 具有正温度系数的导电复合材料

Info

Publication number: CN1412782A
Application number: CN 01136491
Authority: CN
Inventors: 朱复华; 王绍裘; 马云晋
Original assignee: Polytronics Technology Corp
Current assignee: Polytronics Technology Corp
Priority date: 2001-10-19
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2003-04-23

Abstract

本发明公开一种具有正温度系数的导电复合材料，包含：(a)至少一种聚合物；(b)至少一种导电填料，均匀分散于所述聚合物之中；及(c)一偶合剂，是以下列结构式表示，其中，M表示一金属原子或硅原子；R¹及R²可为相同或不同的取代基，为经取代或未经取代的烷基；X表示硫或磷原子；a、m、n分别为0至2的整数。

Description

具有正温度系数的导电复合材料

发明领域

本发明是涉及一种具有正温度系数的导电复合材料，更具体地说，涉及一种应用于过电流保护元件的具有正温度系数的导电复合材料。

发明背景

由于具有正温度系数特性的导电复合材料的电阻值具有对温度变化反应敏感的特性，可作为电流感测元件，且目前已被广泛应用于过电流保护元件上以保护电池或电路元件。由于该正温度系数导电复合材料在正常温度下的电阻可维持极低值，使电路或电池得以正常运作。但是，当电路或电池发生过电流或过高温的现象时，其电阻值会瞬间提高至一高电阻状态(至少10⁴欧姆以上)，而将过量的电流反向抵销，以达到保护电池或电路元件的目的。

一般而言，正温度系数导电复合材料是由一种或一种以上具结晶性的聚合物及一导电填料所组成，该导电填料是均匀分散于该聚合物之中。该聚合物一般为聚烯烃类聚合物，例如：聚乙烯，而导电填料一般为碳黑、金属颗粒或无氧陶瓷粉末，例如：碳化钛或碳化钨等。

该导电复合材料的导电度视导电填料的种类及含量而定。一般而言，由于碳黑表面呈凹凸状，与聚烯烃类聚合物的附着性较佳，所以具有较佳的电阻再现性。然而，碳黑所能提供的导电度较金属颗粒低，而金属颗粒密度较大，分散较不均匀且易被氧化，所以，为有效降低过电流保护元件的电阻值且避免氧化，逐渐趋向以无氧陶瓷粉末作为低阻值导电复合材料的导电填料。但由于无氧陶瓷粉末不象碳黑那样具有凹凸表面，与聚烯烃类等聚合物的附着性较碳黑差，所以其电阻再现性也较难控制。为增加聚烯烃类聚合物及金属颗粒之间的附着性，通常以无氧陶瓷粉末为导电填料的导电复合材料会再添加一偶合剂，例如：酐类化合物或是硅烷类化合物，以加强聚烯烃类聚合物与金属颗粒之间的附着性，然而加入偶合剂后却不能有效地降低整体的电阻值。

为此，本发明公开一种具有正温度系数的导电复合材料，不仅可增加聚合物、导电填料及电极箔之间的附着性且提高其电阻再现性之外，当该导电复合材料应用于过电流保护元件上时，更可增加其循环寿命及耐电压时间。发明简述

本发明的第一目的是提供一种具有正温度系数的导电复合材料，可增强聚合物与导电填料之间的附着性，加强电阻再现性且不影响其体电阻率。

本发明的第二目的是提供一种具有正温度系数的导电复合材料，当应用于电池或电路元件的过电流保护元件上时，可增加该过电流保护元件的循环寿命及耐电压时间。

为达到上述目的并避免已有技术的缺点，本发明提供一具有正温度系数的导电复合材料，其包含：

(a)一种或一种以上的聚合物；

(b)一种或一种以上的导电填料，均匀分散于所述聚合物之中；及

(c)一偶合剂，可以下列结构式表示：

其中，M表示一金属原子或硅原子；R¹及R²可为相同或不同的取代基，为经取代或未经取代的烷基；X表示硫或磷原子；a、m、n分别0至2的整数。较佳实施例说明

(a)一种或一种以上的聚合物；

(c)一偶合剂，可以下列结构式表示：

其中，M表示一金属原子或硅原子；R¹及R²可为相同或不同的取代基，为经取代或未经取代的烷基；X表示硫或磷原子；a、m、n分别0至2的整数。

于成分(a)中，该聚合物为一具有结晶性或非结晶性的高分子聚合物，其是选自于：环氧树脂、聚乙烯、聚丙烯、聚辛烯及其共聚物或混合物，该聚合物所占的体积百分比是介于20％至80％之间，优选是介于30％至70％之间。

于成分(b)中，该导电填料可为碳黑、金属或陶瓷性材质等，其是选自于：导电碳黑、镍粉、银粉、金粉、石墨、碳化钛、碳化钨及其混合物，其形状可为颗粒状、片状、纤维状或是粉状，该导电填料所占的体积百分比是介于20％至90％之间，优选是介于30％至70％之间。

于成分(c)中，该偶合剂为一络合物，为本发明的技术特征所在，其是利用该络合物具有不同配位基的特性，以增加导电填料与聚合物之间的附着性。

其中，于成份(c)中R¹、R²、M、X、a、m及n的定义如前所述。M是选自于：钛、钴、锆、镍、硅、钯及铂。R¹及R²是为相同或不同的取代基，包含直链或支链的烷基，例如：丁基、戊基、辛基、癸基等；烯基，例如：丁烯基、戊烯基等。当R¹及R²为直链烷基时，其极性与聚合物相近，例如：聚乙烯、聚丙烯或聚辛烯等，可增加聚合物与导电填料之间的相容性，相对地也增强其附着性。

再者，为增进该具有正温度系数导电复合材料的韧度及强度，本发明的导电复合材料可进一步包含交联剂、光引发剂、抗氧化剂、稳定剂或非导电填料等。

实施例

在下述实施例或比较例中所使用的成分分别为：

成分	商品名	特性
成分	商品名	特性	高密度聚乙烯		熔融指数为1.0g/10min；密度为0.96；熔点为129～131℃(其是利用差式扫描分析仪(DSC)量测)
碳化钛	(CERAC)	粒径为2μm	高密度聚乙烯		熔融指数为1.0g/10min；密度为0.96；熔点为129～131℃(其是利用差式扫描分析仪(DSC)量测)
碳化钛	(CERAC)	粒径为2μm	偶合剂1(硅化物)	KBM503(shin Etsu)	沸点为255℃密度为1.04
偶合剂2(锆络合物)	capow12(kenrich)	粉末状密度为1.29	偶合剂1(硅化物)	KBM503(shin Etsu)	沸点为255℃密度为1.04
偶合剂2(锆络合物)	capow12(kenrich)	粉末状密度为1.29	偶合剂3(锆络合物)	capow38(kenrich)	粉末状密度为1.30

实施例1

于实施例1中所使用的配方成分如表一所示。将批式混炼机(Hakke-600)进料温度设定在160℃，进料时间为2分钟，进料程序为先加入定量的高密度聚乙烯，搅拌数秒钟，再加入偶合剂2，搅拌数秒钟之后加入碳化钛，混炼的转速设定在40rpm。2分钟后，立即将转速提升到70rpm，继续混炼20分钟之后下料，而形成一具有正温度系数的导电复合材料。

将上述导电复合材料以上下对称方式置入外层为钢板、中间厚度为0.25mm的模具中，模具上下各置一层特氟隆脱膜布，先预压3分钟，预压操作压力50kg/cm²，温度为180℃，排气与补压约4-5次。再进行压合，时间为3分钟，压合压力控制在150kg/cm²，温度为180℃。每次压合约为3分钟，压合次数约为2-3次，形成一正温度系数板材。将该正温度系数板材裁切成20×20厘米的正方形，再利用压合于该正温度系数板材上下表面分别形成一金属箔片，其是于该正温度系数板材表面以上下对称方式依序覆盖金属箔片、特氟隆脱膜布、压合专用缓冲材、特氟隆脱膜布及钢板而形成一多层结构再进行压合，压合时间为3分钟，操作压力为70kg/cm²，温度为180℃。之后，以钴60的γ-射线照射，照射计量为5Mrad。最后，以模具冲切形成5×12mm的正温度系数元件，并于其长边方向上下表面分别焊接一镍片作为电极。此正温度系数元件电阻是以微电阻计四线式方法量测的，其量测结果如表一所示。

实施例2

制备正温度系数元件的步骤与实施例1相同，只是将偶合剂2的体积百分比增加至0.5％，其导电复合材料的配方及正温度系数元件的电气性质如表一所示。

实施例3

制备正温度系数元件的步骤与实施例1相同，只是将偶合剂2改为偶合剂3，其导电复合材料的配方及正温度系数元件的电气性质如表一所示。

实施例4

制备正温度系数元件的步骤与实施例1相同，只是将偶合剂2改为偶合剂1，且进料与混炼温度提升至200℃，其导电复合材料的配方及正温度系数元件的电气性质如表一所示。比较例1

其制备正温度系数元件的步骤与实施例1相同，只是其导电复合材料的配方中并未加入任何偶合剂，其导电复合材料的配方及正温度系数元件的电气性质如表一所示。

表一

配方成份⁽¹⁾		实施例				比较例
		实施例				比较例	1	2	3	4	1
		聚乙烯		49.75	49.50	49.50	1	2	3	4	1	49.50	50
碳化钛		聚乙烯		49.75	49.50	49.50	50	50	50	50	50	49.50	50
碳化钛		偶合剂1		-	-	-	50	50	50	50	50	0.5	-
偶合剂2		偶合剂1		-	-	-	0.25	0.50	-	-	-	0.5	-
偶合剂2		偶合剂3		-	-	0.50	0.25	0.50	-	-	-	-	-
电气特性		偶合剂3		-	-	0.50						-	-
电气特性		1.	Rmin(mΩ)⁽²⁾	2.97	1.56	2.4						1.8	1.7
2.	Rlmax(mΩ)⁽³⁾	1.	Rmin(mΩ)⁽²⁾	2.97	1.56	2.4	13.58	10.7	12.4	12.52	22(剥离)	1.8	1.7
2.	Rlmax(mΩ)⁽³⁾	3.	Rlmax/Rmin	4.57	6.86	5.17	13.58	10.7	12.4	12.52	22(剥离)	6.98	12.94
4.	循环寿命⁽⁴⁾R300/R1	3.	Rlmax/Rmin	4.57	6.86	5.17	220	75	130	256	剥离	6.98	12.94
4.	循环寿命⁽⁴⁾R300/R1	5.	持久度⁽⁵⁾R48/R0	2.17	1.09	1.93	220	75	130	256	剥离	1.56	剥离

注：(1)各成分以体积百分比(vol％)表示。

(2)常温阻值(mΩ)。

(3)于回焊炉焊接镍片电极后经1小时后所测的阻值(mΩ)

(4)元件经通电断电(电压/电流值为18V/100A)，300次与第1次的比值。

(5)在元件通电(电压/电流为18V/100A)，经48小时后与起始阻值之比。

由上述表一的结果可知，于比较例1中所形成的正温度系数元件在经过回焊炉的高温(200-330℃，8分钟)下，正温度系数导电复合材料会与金属箔片发生剥离现象而实施例1～4则无此情况发生。又于实施例1～4中，以实施例2的循环寿命的老化测试最稳定(R300/R1的比值最小)而其他电气特性相似。

由表一显示，本发明所公开的导电复合材料所使用的偶合剂可增强聚合物、导电填料与电极箔的间的附着性，使其电阻再现性增加。再者，利用本发明所揭示的导电复合材料所制备的正温度系数元件不仅具有较低的电阻值，并有优良的耐久特性。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而熟悉本项技术的人士仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示者，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为以下的权利要求所涵盖。

Claims

1、一种具有正温度系数的导电复合材料，其包含：

(a)至少一聚合物；

(b)至少一导电填料，分散于所述聚合物之中；及

(c)一偶合剂，是为增加该聚合物和导电填料间及电极箔间的附着性，且以下列结构式表示：

其中，M表示一金属原子或硅原子；R¹及R²分别为一经取代或未经取代的烷基；X表示硫或磷原子；a、m、n为0至2的整数。

2、如权利要求1所述的具有正温度系数的导电复合材料，其中所述聚合物是选自：环氧树脂、聚乙烯、聚丙烯、聚辛烯及其共聚物或混合物。

3、如权利要求1所述的具有正温度系数的导电复合材料，其中所述导电填料为碳黑、金属或陶瓷性材质。

4、如权利要求1所述的具有正温度系数的导电复合材料，其中所述导电填料是选自于：导电碳黑、镍粉、银粉、金粉、石墨、碳化钛、碳化钨及其混合物。

5、如权利要求1所述的具有正温度系数的导电复合材料，其中所述导电填料为颗粒状、片状、纤维状或粉末状。

6、如权利要求1所述的具有正温度系数的导电复合材料，其中所述偶合剂的M是选自于：钛、锆、钼、铂、硅、钯及镍。

7、如权利要求1所述的具有正温度系数的导电复合材料，其中所述偶合剂优选为钛或锆过渡金属络合物。

8、如权利要求1所述的具有正温度系数的导电复合材料，其中所述偶合剂的含量是介于0.05％至5％之间。

9、如权利要求1所述的具有正温度系数的导电复合材料，其中所述偶合剂的含量优选是介于0.1％至1％之间。