CN1844232A - 正温度系数聚合物组合物及由其制得的电路保护元件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种正温度系数聚合物组合物包含：(a)一占该聚合物组合物20至78重量百分比的非弹性聚合物混合物、(b)一占该聚合物组合物20至60重量百分比的导电性颗粒材料、(c)一占该聚合物组合物1至30重量百分比的含有颗粒金属氧化物材料的耐电压增强剂，及(d)一占该聚合物组合物1至30重量百分比的含有热塑性弹性体的聚合物稳定剂。

Description

正温度系数聚合物组合物及由其制得的电路保护元件
技术领域
本发明涉及一种正温度系数(positive temperature coefficient，PTC)聚合物组合物，特别是指一种具有耐电压增强剂(voltage resistance-enhancing agent)和聚合物稳定剂(polymer stabilizer)的正温度系数聚合物组合物及由其制成的电路保护元件。
背景技术
美国专利第6,238,598号揭露一种包含一结晶性接枝聚合物(crystalline graftedpolymer)及一结晶性未接枝聚合物(crystalline non-grafted polymer)的正温度系数聚合物组合物。在该聚合物组合物中加入该接枝聚合物能增进由其所制成的正温度系数元件的特性，例如拉伸强度(peel strength)、低接触阻抗(contact resistance)、低初始阻抗(initial resistance)、高跳脱电流(trip current)，及高峰值体积阻抗(peak volumeresistance)等。
美国专利第6,359,053号揭露一种包含一结晶性接枝聚合物、一结晶性非接枝聚合物及一离子键聚体(ionomer)的正温度系数聚合物组合物。该离子键聚体为结晶性末接枝聚合物与离子化的不饱和羧酸(ionized unsaturated carboxylic acid)所形成的离子共聚物(ionic copolymer)。该聚合物组合物中加入该离子共聚物能增进由其所制成的正温度系数组件的机械特性，例如韧性、良好低温韧性、高冲击强度及较佳弹性等。
由前述现有的正温度系数聚合物组合物所制成的电路保护元件通常具有低耐电压。例如一种由前述现有的正温度系数聚合物组合物所制成的电路保护元件，其具有低于50欧姆-公分(ohm-cm)的体积电阻值并且使用在10-40伏特(volts)的工作电压。一般而言，其所具有最大电压范围大约为60伏特，当操作电压达到该最大电压时，该电路保护元件可能损坏或烧毁。因此，有需要增加前述现有的正温度系数聚合物组合物的耐电压，但是却不牺牲该电路保护元件的其它特性。
商业的聚合物正温度系数加热元件是由体积电阻值大于50欧姆-公分且通常介于200-1000欧姆-公分之间的聚合物组合物所制成。此加热元件一般使用于高电压状况下，例如110-240交流电压(Vac)或更高(大于600Vac)。因此，此种聚合物组合物具有相对较高的耐电压，并不需要如电路保护元件增强其耐电压以满足要求。
在一与本发明相关且于2003年5月8日在美国提出申请，申请案号第10/435,065号，尚在审查中的专利案中揭露一种正温度系数聚合物组合物，其包含一聚合混合物、一导电性颗粒材料及一含有颗粒金属氧化物材料的耐电压增强剂。虽然借由该耐电压增强剂可以增加该正温度系数聚合物组合物的耐电压，但是仍有需要增加其使用寿命(Life Cycle)以供高电压的使用。
上述专利案所揭露的全部内容在此一并列为参考。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种可以增进使用寿命并含有聚合物稳定剂的正温度系数聚合物组合物。
本发明的又一目的在于提供一种由本发明的聚合物组合物所制成的电路保护元件。
本发明所提供的一种正温度系数聚合物组合物包含：(a)一占该聚合物组合物20至78重量百分比(wt％)的非弹性聚合物混合物(non-elastomeric polymer mixture)、(b)一占该聚合物组合物20至60重量百分比的导电性颗粒材料(conductive particulatematerial)、(c)一占该聚合物组合物1至30重量百分比的含有颗粒金属氧化物材料(particulate metal oxide material)的耐电压增强剂，及(d)一占该聚合物组合物1至30重量百分比的含有热塑性弹性体(thermoplastic elastomer)的聚合物稳定剂。
本发明的聚合物组合物中该聚合混合物与该聚合物稳定剂的结合意外地提供综合的效应，使得由该聚合物组合物所制成的正温度系数电路保护元件与由包含聚合物稳定剂及只具非接枝聚合物的聚合物的组合物所制成的电路保护元件相比较有较佳的使用寿命。
具体实施方式
本发明正温度系数聚合物组合物，特别地适用于制造正温度系数电路保护元件，例如在23℃具有体积电阻值低于50ohm-cm的正温度系数保护元件。该正温度系数聚合物组合物包含：(a)一占该聚合物组合物20至78重量百分比(wt％)的非弹性聚合物混合物(non-elastomeric polymer mixture)、(b)一占该聚合物组合物20至60重量百分比(wt％)的导电性颗粒材料(conductive particulate material)、(c)一占该聚合物组合物1至30重量百分比(wt％)的含有颗粒金属氧化物材料(particulate metal oxide material)的耐电压增强剂(voltage resistance-enhancing agent)，及(d)一占该聚合物组合物1至30重量百分比(wt％)的含有热塑性弹性体(thermoplastic elastomer)的聚合物稳定剂(polymerstabilizer)。
较佳地，该非弹性聚合物混合物含有(i)一结晶性接枝聚合物(crystalline graftedpolymer)、(ii)一结晶性未接枝聚合物(crystalline non-grafted polymer)，及可选择地(iii)一由该结晶性未接枝聚合物与离子化的不饱和羧酸(ionized unsaturated carboxylic acid)所形成的离子共聚物(ionic copolymer)。值得注意的是，在本发明的聚合物组合物中该聚合混合物与该聚合物稳定剂的结合意外地提供综合的效应，使得由该聚合物组合物所制成的正温度系数电路保护元件与由包含聚合物稳定剂及只具非接枝聚合物的聚合物的组合物所制成的电路保护元件相比较有较佳的使用寿命。
该结晶性接枝聚合物是选自于接枝聚烯烃(grafted polyolefin)、接枝聚烯烃衍生物(grafted polyolefin derivatives)及聚烯烃与聚烯烃衍生物的接枝共聚物(graftedcopolymer)所组成的群组。该接枝聚合物是经由一极性基团(polar group)接枝，该极性基团是选自于羧酸(carboxylic acids)及其衍生物所组成的群组。
该结晶性未接枝聚合物是选自于未接枝聚烯烃(non-grafted polyolefin)、未接枝聚烯烃衍生物(non-grafted polyolefin derivatives)及聚烯烃与聚烯烃衍生物的未接枝共聚物(non-grafted copolymer)所组成的群组。该未接枝聚合物的熔点大致与该接枝聚合物的熔点相同。
该耐电压增强剂包含一散布于该聚合物混合物中的颗粒金属氧化物材料，借以增加该聚合物组合物的耐电压性(即毁损导因于施加的电压)。更明白的说，该电路保护元件的最大耐电压定义为在此电压值该电路保护元件将损坏或烧毁。
较佳地，该接枝聚烯烃是选自于接枝高密度聚乙烯(high density polyethylene，HDPE)、接枝低密度聚乙烯(low density polyethylene，LDPE)、接枝线形低密度聚乙烯(linear low density polyethylene，LLDPE)、接枝中密度聚乙烯(medium densitypolyethylene，MDPE)，及接枝聚丙烯(polypropylene，PP)所组成的群组。更佳地，该接枝聚烯烃为接枝高密度聚乙烯(HDPE)。较佳地，该聚烯烃及聚烯烃衍生物的接枝共聚物是选自于接枝乙烯-乙酸乙烯(ethylene vinyl acetate，EVA)共聚物、接枝乙烯-丙烯酸丁酯(ethylene butyl acrylate，EBA)共聚物、接枝乙烯-丙烯酸(ethylene acrylicacid，EAA)共聚物、接枝乙烯-甲基丙烯酸(ethylene methyl acrylic acid，EMAA)共聚物及接枝乙烯-丙烯酸甲酯(ethylene methyl acrylic，EMA)共聚物所组成的群组。
较佳地，该未接枝聚烯烃是选自于未接枝高密度聚乙烯(HDPE)、未接枝低密度聚乙烯(LDPE)、未接枝线形低密度聚乙烯(LLDPE)、未接枝中密度聚乙烯(MDPE)，以及未接枝聚丙烯(PP)所组成的群组。更佳地，该未接枝聚烯烃为未接枝高密度聚乙烯(HDPE)。较佳地，该聚烯烃及聚烯烃衍生物的未接枝共聚物是选自于末接枝乙烯-乙酸乙烯(EVA)、未接枝乙烯-丙烯酸丁酯(EBA)、未接枝乙烯-丙烯酸(EAA)、未接枝乙烯-甲基丙烯酸(EMAA)及未接枝乙烯-丙烯酸甲酯(EMA)所组成的群组。
该导电性颗粒材料是选于碳黑(carbon black)、石墨(graphite)、碳纤维(carbonfiber)及金属粉末颗粒(metal powder)所组成的群组。
该包含于离子键聚体中的不饱和羧酸是选自于顺丁烯二酸酐(maleic anhydride)、丙烯酸(acrylic acid)，以及乙酸(acetic acid)所组成的群组。较佳地，该不饱和羧酸为丙烯酸。
该耐电压增强剂的金属氧化物材料较佳地是选自于氧化锌(zinc oxide)、氧化铝(aluminum oxide)，以及氧化镁(magnesium oxide)所组成的群组。
本发明的聚合物组合物较佳地包含0.5至10重量百分比(wt％)的接枝聚合物、30至60重量百分比(wt％)的非接枝聚合物、5至30重量百分比(wt％)的耐电压增强剂，及2至10重量百分比的热塑性弹性体；且更佳地包含3至5重量百分比(wt％)的接枝聚合物、35至50重量百分比(wt％)的非接枝聚合物、10至20重量百分比(wt％)的耐电压增强剂，及3至5重量百分比(wt％)的热塑性弹性体。
该热塑性弹性体较佳地是选自于含氟高分子(fluoropolymer)弹性体、烯烃(olefinic)弹性体、聚酰胺(polyamide)弹性体、聚酯(polyester)弹性体、聚氨酯(polyurethane)弹性体、聚氨酯/聚碳酸酯(polyurethane/polycarbonate)弹性体、苯乙烯类(styrenic)弹性体，及乙烯基(vinyl)弹性体所组成的群组；且更佳地是选自于烯烃弹性体。
该烯烃弹性体可包括硬段及软段(hard and soft segments)，且该烯烃弹性体的硬段是选自于聚丙烯(PP)、聚乙烯(polyethylene，PE)及其类似物所组成的群组，而该烯烃弹性体的软段是选自于聚丁二烯(polybutadiene)、聚异戊二烯(polyisoprene)、聚辛烯(polyoctene)、氢化聚丁二烯(hydrogenated polybutadiene)、氢化聚异戊二烯(hydrogenated polyisoprene)、氢化聚辛烯(hydrogenated polyoctene)、乙烯丙烯二烯单体(ethylene-propylene diene monomer，EPDM)及其类似物所组成的群组。
在一较佳具体例中，该烯烃弹性体是乙烯-辛烯共聚物。
本发明的聚合物的组合物的优点将能借由参考下述实例更加清楚明白。
                                               表1
                   聚合物组合物   电阻ohm   使用寿命   测试条件
  高密度聚乙烯wt％   接枝聚乙烯wt％   碳黑wt％   氧化铝wt％   弹性体#wt％
  实施例1   42   4   35   17   2   3.93   3.4   3A/600Vac
  实施例2   40   4   35   17   4   3.47   7.8   3A/600Vac
  实施例3   38   4   35   17   6   3.94   6.6   3A/600Vac
  实施例4   36   4   35   17   8   4.32   6.0   3A/600Vac
  实施例5   34   4   35   17   10   4.91   6.4   3A/600Vac
  实施例6   43   1   33   17   4   3.65   4   3A/600Vac
  实施例7   33.5   10   35.5   17   4   4.24   2   3A/600Vac
  比较例1   44   4   35   17   0   5.44   1.4   3A/600Vac
#在每一实施例及比较例中所使用的弹性体是Engage，此为DuPont Dow Elastomers的产品，主要包含乙烯-辛烯共聚物。
测试结果显示当弹性体与聚合物混合物混合后能显著改善正温度系数片状元件的使用寿命。
<实施例8-12及比较例2>
表2显示实施例8-12(具有弹性体及颗粒金属氧化物材料)及比较例2(具有弹性体但是没有颗粒金属氧化物材料)的不同聚合物组合物及使用寿命测试结果。测试样本是由列于表2中的聚合物组合物所制备，以供使用寿命的测试，且借由在高电压下于该等样本通过电流来测试使用寿命。每一测试样本借由加压与热塑该聚合物组合物以制备形成一正温度系数片状元件，随后使该正温度系数片状元件两相反侧边与二铜箔连接，借以于该正温度系数片状元件上形成电极。
                                                  表2
                   聚合物组合物   电阻ohm   使用寿命   测试条件
  高密度聚乙烯wt％   接枝聚乙烯wt％   碳黑wt％   氧化铝wt％   弹性体#wt％
  实施例8   47   4   40   5   4   5.48   1.6   3A/600Vac
  实施例9   45   4   37   10   4   4.87   3.8   3A/600Vac
  实施例10   42   4   35   15   4   5.05   7.0   3A/600Vac
  实施例11   39   4   33   20   4   5.27   5.8   3A/600Vac
  实施例12   31   4   31   30   4   4.85   3.0   3A/600Vac
 比较例2   50   4   42   0   4   3.07   0   3A/600Vac
#在每一实施例及比较例中所使用的弹性体是Engage。
测试结果显示当颗粒金属氧化物材料与聚合物混合物及弹性体混合后能显著改善正温度系数片状元件的使用寿命。
<比较例3-5>
表3显示比较例3-5(在聚合物混合物中没有接枝聚合物)的不同聚合物组合物及使用寿命测试结果。测试样本是由列于表3中的聚合物组合物所制备，以供使用寿命的测试，且借由在高电压下于该等样本通过电流来测试使用寿命。每一测试样本借由加压与热塑该聚合物组合物以制备形成一正温度系数片状元件，随后使该正温度系数片状元件两相反侧边与二铜箔连接，借以于该正温度系数片状元件上形成电极。
                                            表3
                   聚合物组合物   电阻ohm   使用寿命   测试条件
  高密度聚乙烯wt％   接枝聚乙烯wt％   碳黑wt％   氧化铝wt％   弹性体#wt％
  比较例3   46   0   33   17   4   3.52   0   1.5A/600Vac
  比较例4   38   0   28   30   4   3.73   0   1.5A/600Vac
  比较例5   58   0   33   5   4   5.45   0   1.5A/600Vac
#在每一实施例及比较例中所使用的弹性体是Engage。

Claims (32)

1.一种正温度系数聚合物组合物，其特征在于其包含：
(a)一占该聚合物组合物20至78重量百分比的非弹性聚合物混合物；
(b)一占该聚合物组合物20至60重量百分比的导电性颗粒材料；
(c)一占该聚合物组合物1至30重量百分比的含有颗粒金属氧化物材料的抗电压增强剂；及
(d)一占该聚合物组合物1至30重量百分比的含有热塑性弹性体的聚合物稳定剂。
2.如权利要求1所述的正温度系数聚合物组合物，其特征在于：
该非弹性聚合物混合物包含一聚合物混合物，该聚合物混合物含有：
(i)一结晶性接枝聚合物，选自于由接枝聚烯烃、接枝聚烯烃衍生物，及聚烯烃与聚烯烃衍生物的接枝共聚物组成的群组，该接枝聚合物是经由一选自于羧酸及其衍生物组成的群组的极性基团接枝，及
(ii)一结晶性未接枝聚合物，选自于未接枝聚烯烃、未接枝聚烯烃衍生物，及聚烯烃及聚烯烃衍生物的未接枝共聚物组成的群组，该未接枝聚合物的熔点大致与上述接枝聚合物相同。
3.如权利要求2所述的正温度系数聚合物组合物，其特征在于：
该接枝聚合物占该聚合物组合物0.5至10重量百分比。
4.如权利要求2所述的正温度系数聚合物组合物，其特征在于：
该接枝聚烯烃是选自于接枝高密度聚乙烯、接枝低密度聚乙烯、接枝线形低密度聚乙烯、接枝中密度聚乙烯及接枝聚丙烯所组成的群组。
5.如权利要求2所述的正温度系数聚合物组合物，其特征在于：
该未接枝聚烯烃是选自于未接枝高密度聚乙烯、未接枝低密度聚乙烯、未接枝线形低密度聚乙烯、未接枝中密度聚乙烯及未接枝聚丙烯所组成的群组。
6.如权利要求2所述的正温度系数聚合物组合物，其特征在于：
该导电性颗粒材料是选自于碳黑、石墨、碳纤维及金属粉末颗粒所组成的群组。
7.如权利要求2所述的正温度系数聚合物组合物，其特征在于：
该金属氧化物材料是选自于氧化锌、氧化铝，及氧化镁所组成的群组。
8.如权利要求2所述的正温度系数聚合物组合物，其特征在于：
该聚合物混合物更含有一由该结晶性未接枝聚合物与一离子化的不饱和羧酸形成的离子共聚物。
9.如权利要求8所述的正温度系数聚合物组合物，其特征在于：
该不饱和羧酸是选自于顺丁烯二酸酐、丙烯酸，及乙酸所组成的群组。
10.如权利要求2所述的正温度系数聚合物组合物，其特征在于：
该聚烯烃及聚烯烃衍生物的接枝共聚物是选自于接枝乙烯-乙酸乙烯共聚物、接枝乙烯-丙烯酸丁酯共聚物、接枝乙烯-丙烯酸共聚物、接枝乙烯-甲基丙烯酸共聚物及接枝乙烯-丙烯酸甲酯共聚物所组成的群组。
11.如权利要求2所述的正温度系数聚合物组合物，其特征在于：
该聚烯烃及聚烯烃衍生物的未接枝共聚物是选自于未接枝乙烯-乙酸乙烯、未接枝乙烯-丙烯酸丁酯、未接枝乙烯-丙烯酸、未接枝乙烯-甲基丙烯酸及未接枝乙烯-丙烯酸甲酯所组成的群组。
12.如权利要求3所述的正温度系数聚合物组合物，其特征在于：
该热塑性弹性体占该聚合物组合物2至10重量百分比。
13.如权利要求12所述的正温度系数聚合物组合物，其特征在于：
该热塑性弹性体是选自于含氟高分子弹性体、烯烃弹性体、聚酰胺弹性体、聚酯弹性体、聚氨酯弹性体、聚氨酯/聚碳酸酯弹性体、苯乙烯类弹性体，及乙烯基弹性体所组成的群组。
14.如权利要求13所述的正温度系数聚合物组合物，其特征在于：
该热塑性弹性体是一烯烃弹性体。
15.如权利要求14所述的正温度系数聚合物组合物，其特征在于：
该烯烃弹性体包括硬段及软段，且该烯烃弹性体的硬段是选自于聚丙烯及聚乙烯所组成的群组，而该烯烃弹性体的软段是选自于聚丁二烯、聚异戊二烯、聚辛烯、氢化聚丁二烯、氢化聚异戊二烯、氢化聚辛烯及乙烯丙烯二烯单体所组成的群组。
16.如权利要求14所述的正温度系数聚合物组合物，其特征在于：
该烯烃弹性体是乙烯-辛烯共聚物。
17.一种电路保护元件，其特征在于其包含：
一正温度系数单元，其在摄氏23度具有低于50欧姆-公分的体积电阻值，并具有一聚合物组合物，该聚合物组合物包含：
(a)一占该聚合物组合物20至78重量百分比的非弹性聚合物混合物，
(b)一占该聚合物组合物20至60重量百分比的导电性颗粒材料，
(c)一占该聚合物组合物1至30重量百分比的含有颗粒金属氧化物材料的抗电压增强剂，及
(d)一占该聚合物组合物1至30重量百分比的含有热塑性弹性体的聚合物稳定剂；及
二电极，分别连接至该正温度系数单元的二相反侧边。
18.如权利要求17所述的电路保护元件，其特征在于：
该非弹性聚合物混合物包含一聚合物混合物，该聚合物混合物含有：
(i)一结晶性接枝聚合物，选自于由接枝聚烯烃、接枝聚烯烃衍生物，及聚烯烃与聚烯烃衍生物的接枝共聚物组成的群组，该接枝聚合物是经由一选自于羧酸及其衍生物组成的群组的极性基团接枝，及
(ii)一结晶性未接枝聚合物，选自于未接枝聚烯烃、未接枝聚烯烃衍生物，及聚烯烃及聚烯烃衍生物的未接枝共聚物组成的群组，该未接枝聚合物的熔点大致与上述接枝聚合物相同。
19.如权利要求18所述的电路保护元件，其特征在于：
该结晶性接枝聚合物占该聚合物组合物0.5至10重量百分比。
20.如权利要求18所述的电路保护元件，其特征在于：
该接枝聚烯烃是选自于接枝高密度聚乙烯、接枝低密度聚乙烯、接枝线形低密度聚乙烯、接枝中密度聚乙烯及接枝聚丙烯所组成的群组。
21.如权利要求18所述的电路保护元件，其特征在于：
该未接枝聚烯烃是选自于未接枝高密度聚乙烯、未接枝低密度聚乙烯、
未接枝线形低密度聚乙烯、未接枝中密度聚乙烯及未接枝聚丙烯所组成的群组。
22.如权利要求18所述的电路保护元件，其特征在于：
该导电性颗粒材料是选自于碳黑、石墨、碳纤维及金属粉末颗粒所组成的群组。
23.如权利要求18所述的电路保护元件，其特征在于：
该金属氧化物材料是选自于氧化锌、氧化铝，及氧化镁所组成的群组。
24.如权利要求18所述的电路保护元件，其特征在于：
该聚合物混合物更含有一由该结晶性未接枝聚合物与一离子化的不饱和羧酸形成的离子共聚物。
25.如权利要求24所述的电路保护元件，其特征在于：
该不饱和羧酸是选自于顺丁烯二酸酐、丙烯酸，及乙酸所组成的群组。
26.如权利要求18所述的电路保护元件，其特征在于：
该聚烯烃及聚烯烃衍生物的接枝共聚物是选自于接枝乙烯-乙酸乙烯共聚物、接枝乙烯-丙烯酸丁酯共聚物、接枝乙烯-丙烯酸共聚物、接枝乙烯-甲基丙烯酸共聚物及接枝乙烯-丙烯酸甲酯共聚物所组成的群组。
27.如权利要求18所述的电路保护元件，其特征在于：
该聚烯烃及聚烯烃衍生物的未接枝共聚物是选自于未接枝乙烯-乙酸乙烯、未接枝乙烯-丙烯酸丁酯、未接枝乙烯-丙烯酸、未接枝乙烯-甲基丙烯酸及未接枝乙烯-丙烯酸甲酯所组成的群组。
28.如权利要求19所述的电路保护元件，其特征在于：
该热塑性弹性体占该聚合物组合物2至10重量百分比。
29.如权利要求28所述的电路保护元件，其特征在于：
该热塑性弹性体是选自于含氟高分子弹性体、烯烃弹性体、聚酰胺弹性体、聚酯弹性体、聚氨酯弹性体、聚氨酯/聚碳酸酯弹性体、苯乙烯类弹性体，及乙烯基弹性体所组成的群组。
30.如权利要求29所述的电路保护元件，其特征在于：
该热塑性弹性体是一烯烃弹性体。
31.如权利要求30所述的电路保护元件，其特征在于：
该烯烃弹性体包括硬段及软段，且该烯烃弹性体的硬段是选自于聚丙烯及聚乙烯所组成的群组，而该烯烃弹性体的软段是选自于聚丁二烯、聚异戊二烯、聚辛烯、氢化聚丁二烯、氢化聚异戊二烯、氢化聚辛烯及乙烯丙烯二烯单体所组成的群组。
32.如权利要求30所述的电路保护元件，其特征在于：
该烯烃弹性体是乙烯-辛烯共聚物。
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