JP2000173804A - Composit ptc material - Google Patents

Composit ptc material

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JP2000173804A
JP2000173804A JP35012298A JP35012298A JP2000173804A JP 2000173804 A JP2000173804 A JP 2000173804A JP 35012298 A JP35012298 A JP 35012298A JP 35012298 A JP35012298 A JP 35012298A JP 2000173804 A JP2000173804 A JP 2000173804A
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Japan
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ptc
base material
composite
resin
cristobalite
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JP35012298A
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Japanese (ja)
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Chikafumi Ihara
爾史 井原
Takeyoshi Togashi
武義 富樫
Shunichi Igami
俊市 伊神
Hiroaki Sakai
博明 阪井
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NGK Insulators Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable repeated use as a current-limiting element by dispersing conductive material composed of metal or alloy whose volume is rapidly reduced at the fusing point in electric insulating resin, setting the room temperature resistance to at most a specified value and setting resistance increasing rate to at least a specified value. SOLUTION: This composit PTC material in which conductive material composed of metal or alloy whose volume is rapidly reduced at the fusing point is dispersed in base material of electric insulating resin can be practically used as a current-limiting element whose room temperature resistance is at most 10 Ωcm, and resistance increasing rate is has at lest three-digit number. This base material may be composed of electric insulating resin and high thermal expansion insulating substance like cristobalite. Cristobalite has characteristic that rapid expansion is generated when crystal structure changes from a αtype to a β type. The cristobalite whose grain diameter is 0.1-100 μm is used in the state being dispersed in resin, and its vol.% is in a range of 40-85 vol.%.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】 本発明は、事故電流を抑制
する限流素子等に好適に用いられるコンポジットPTC
材料に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a composite PTC suitably used for a current limiting element for suppressing a fault current, and the like.
It is about materials.

【0002】[0002]

【従来の技術】 PTC(positive temperature coeff
icient of resistance)材料は、特定温度において急激
に電気抵抗値が増加する性質を有するため、例えばブレ
ーカーにおいて事故電流を抑制する限流素子として利用
される。従来、PTC材料としては、キュリー点で電気
的特性が変化するチタン酸バリウム系セラミックスが最
もよく知られていたが、室温抵抗率が高いために通電損
失が大きいこと、あるいは製造コストが高いことによ
り、他の物質についてのPTC特性が探索されていた。
2. Description of the Related Art PTC (positive temperature coeff)
Since the material has a property that the electric resistance value rapidly increases at a specific temperature, the material is used as a current limiting element for suppressing a fault current in a breaker, for example. Conventionally, as a PTC material, barium titanate-based ceramics, whose electrical properties change at the Curie point, are best known. However, due to high room temperature resistivity, high power loss or high manufacturing cost. PTC properties of other substances have been searched.

【0003】 その結果、結晶性樹脂を母材とし、当該
母材に導電性物質の粒子を分散させたコンポジット材料
にチタン酸バリウム系セラミックスと同様のPTC特性
が見出された。例えば、高密度ポリエチレン等の結晶性
樹脂からなる母材に、カーボン等の導電性物質の粒子を
混合していくと、特定の混合比において母材中に導電パ
スが形成されるため、電気抵抗が急激に減少して絶縁体
−導電体転移が起き、導電性のコンポジット材料が形成
される。
As a result, a PTC characteristic similar to that of barium titanate-based ceramics has been found in a composite material using a crystalline resin as a base material and particles of a conductive substance dispersed in the base material. For example, when particles of a conductive substance such as carbon are mixed with a base material made of a crystalline resin such as high-density polyethylene, a conductive path is formed in the base material at a specific mixing ratio, so that the electric resistance is reduced. Decreases sharply, causing an insulator-conductor transition to form a conductive composite material.

【0004】 このようなコンポジット材料は、結晶性
樹脂が、その融点において無定形に変化する際に急激に
膨張する。即ち、結晶性樹脂の融点における母材の熱膨
張が、導電性物質の粒子に比して極端に大きい。従っ
て、常温においては導電性を示す一方、結晶性樹脂の融
点まで温度が上昇すると、母材中で導電性物質の粒子同
士が引き離されて導電パスが一挙に切断され、電気抵抗
が急激に上昇するPTC特性が発現するのである。
[0004] Such a composite material expands rapidly when the crystalline resin changes amorphously at its melting point. That is, the thermal expansion of the base material at the melting point of the crystalline resin is extremely large as compared with the particles of the conductive substance. Therefore, while showing conductivity at room temperature, when the temperature rises to the melting point of the crystalline resin, the particles of the conductive material are separated from each other in the base material, the conductive paths are cut at once, and the electrical resistance rises sharply. That is, the PTC characteristics that can be exhibited.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】 上述のような樹脂系
PTC材料は、室温抵抗率が低く、かつ、抵抗上昇率が
高いものが得られる点において、チタン酸バリウム系セ
ラミックスより優れているものの、母材が樹脂であるこ
とに起因して、第1に、耐熱性や耐電圧(即ち、絶縁破
壊強度)が低いため、事故電流による高温状態が長時間
継続すると限流素子としての動作が保持できないこと、
第2に、可燃物であるため、温度上昇による燃焼のおそ
れがあること、第3に、弾性率が低いため圧力を加えら
れると抵抗上昇率が減少すること、等の問題点があっ
た。
The above-mentioned resin-based PTC material is superior to barium titanate-based ceramics in that a low room temperature resistivity and a high resistance increase rate can be obtained. First, since the base material is a resin, heat resistance and withstand voltage (that is, dielectric breakdown strength) are low, so that operation as a current limiting element is maintained when a high-temperature state due to an accident current continues for a long time. Things impossible,
Secondly, there is a problem that there is a risk of combustion due to temperature rise due to combustibles, and thirdly, the resistance rise rate decreases when pressure is applied due to its low elastic modulus.

【0006】 また、母材自体の性状変化を利用した作
動機構に起因して、第1に、母材の選択に制約があり、
母材の性質によって素子の作動温度等が限定されるこ
と、第2に、母材が融解して限流素子が作動する際に、
母材内での導電性物質粒子の再配列によるNTC(nega
tive temperature coefficient of resistance)現象、
即ち、抵抗の低下が起こること、第3に、一旦限流素子
が作動すると温度が常温まで低下しても初期の室温抵抗
率まで低下せず、限流素子としての繰り返し使用が困難
であること、等の問題点があった。
[0006] Further, firstly, there is a limitation in selection of a base material due to an operation mechanism utilizing a change in properties of the base material itself.
The operating temperature and the like of the element are limited by the properties of the base material. Second, when the base material is melted and the current limiting element is operated,
NTC (nega) due to rearrangement of conductive material particles in the base material
tive temperature coefficient of resistance) phenomenon,
Third, once the current-limiting element operates, even if the temperature decreases to room temperature, the resistance does not decrease to the initial room temperature resistivity, and it is difficult to repeatedly use the current-limiting element. , Etc.

【0007】 上述の問題点を回避する方法の1つとし
て、母材の膨張ではなく、導電性物質の収縮を利用した
作動機構とする方法が考えられる。このような作動機構
を有するPTC材料としては、アルミナ、チタニア等の
セラミックスからなる母材に、その融点において急激に
体積が減少する性質を有するビスマスを導電性物質とし
て分散させたコンポジット材料が提案されている(セラ
ミックス協会第10回秋季シンポジウム予稿集2C1
0)。
As one of the methods for avoiding the above-mentioned problems, a method is conceivable in which an operating mechanism uses contraction of a conductive material instead of expansion of a base material. As a PTC material having such an operation mechanism, a composite material in which bismuth having a property of rapidly decreasing its volume at its melting point is dispersed as a conductive substance in a base material made of ceramics such as alumina and titania has been proposed. (Ceramics Association 10th Autumn Symposium Preliminary Book 2C1
0).

【0008】 しかしながら、当該コンポジット材料に
おいては、室温抵抗率が低い材料、或いは抵抗上昇率が
高い材料も得られているものの、低い室温抵抗率と高い
抵抗上昇率を兼ね備えた、実用可能なレベルのPTC材
料は得られていない。また、母材はあくまでセラミック
スを前提としており、樹脂系PTC材料における適用の
可否については言及されていない。
[0008] However, in the case of the composite material, although a material having a low room temperature resistivity or a material having a high resistance rise rate has been obtained, a practically usable level having both a low room temperature resistivity and a high resistance rise rate has been obtained. No PTC material has been obtained. Further, the base material is based on ceramics to the last, and there is no mention of the applicability of the resin-based PTC material.

【0009】 本発明は、このような従来技術に鑑みて
なされたものであって、その目的とするところは、室温
抵抗率が低く、かつ、抵抗上昇率が高いことに加えて、
耐熱性や耐電圧が高く、限流素子としての繰り返し使用
が可能なコンポジットPTC材料を提供することにあ
る。
The present invention has been made in view of such a conventional technique, and aims at low room temperature resistivity and high resistance increase rate.
An object of the present invention is to provide a composite PTC material which has high heat resistance and withstand voltage and can be used repeatedly as a current limiting element.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】 即ち、本発明によれ
ば、電気絶縁性樹脂からなる母材に、その融点において
急激に体積が減少する金属若しくは合金からなる導電性
物質を分散させたコンポジットPTC材料であって、室
温抵抗率が10Ωcm以下であり、かつ、抵抗上昇率が
3桁以上であることを特徴とするコンポジットPTC材
料が提供される。
That is, according to the present invention, a composite PTC in which a conductive material made of a metal or an alloy whose volume rapidly decreases at its melting point is dispersed in a base material made of an electrically insulating resin. A composite PTC material is provided, wherein the composite PTC material has a room temperature resistivity of 10 Ωcm or less and a resistance increase rate of 3 digits or more.

【0011】 また、本発明によれば、電気絶縁性樹脂
と高熱膨張性絶縁性物質とからなる母材に、その融点に
おいて急激に体積が減少する金属若しくは合金からなる
導電性物質を分散させたコンポジットPTC材料であっ
て、室温抵抗率が10Ωcm以下であり、かつ、抵抗上
昇率が3桁以上であることを特徴とするコンポジットP
TC材料が提供される。当該コンポジットPTC材料に
おいては、高熱膨張性絶縁性物質として、クリストバラ
イトを用いることが好ましく、コンポジットPTC材料
全体に対し、高熱膨張性絶縁性物質が40〜80体積%
の範囲内で含まれていることが好ましい。
Further, according to the present invention, a conductive material made of a metal or an alloy whose volume decreases sharply at its melting point is dispersed in a base material made of an electrically insulating resin and a high thermal expansion insulating material. A composite PTC material having a room temperature resistivity of 10 Ωcm or less and a resistance increase rate of 3 digits or more.
A TC material is provided. In the composite PTC material, it is preferable to use cristobalite as the high thermal expansion insulating material, and the high thermal expansion insulating material is 40 to 80% by volume based on the entire composite PTC material.
Is preferably included within the range.

【0012】 また、上述のいずれのコンポジットPT
C材料においても、導電性物質の融点における体積減少
率が1%以上であることが好ましく、具体的には、ビス
マス或いはビスマスを含む合金を導電性物質として用い
ることが好ましい。また、コンポジットPTC材料全体
に対し、導電性物質が5〜40体積%の範囲内で含まれ
ていることが好ましい。
Further, any of the above composite PTs
Also in the C material, it is preferable that the volume reduction rate at the melting point of the conductive substance is 1% or more, and specifically, it is preferable to use bismuth or an alloy containing bismuth as the conductive substance. Further, it is preferable that the conductive substance is contained in the range of 5 to 40% by volume based on the entire composite PTC material.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】 本発明のコンポジットPTC材
料(以下、単に「PTC材料」という。)は、電気絶縁
性樹脂からなる母材に、その融点において急激に体積が
減少する金属若しくは合金からなる導電性物質を分散さ
せてなるものであり、更に、室温抵抗率10Ωcm以
下、抵抗上昇率3桁以上という限流素子として実用可能
なレベルを達成したものである。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The composite PTC material of the present invention (hereinafter, simply referred to as “PTC material”) is made of a metal or an alloy whose volume rapidly decreases at the melting point of a base material made of an electrically insulating resin. A conductive material is dispersed therein, and furthermore, a room-temperature resistivity of 10 Ωcm or less and a resistance rise rate of 3 digits or more, which achieve a practical level as a current limiting element.

【0014】(導電性物質)本発明における導電性物質
としては、導電性を有し、かつ、その融点において急激
に体積が減少する物質であれば足り、例えば金属単体の
他、合金であっても良い。このような導電性物質によれ
ば、導電性物質の収縮を利用した作動機構を備えた樹脂
系PTC材料が構成できる。
(Electrically Conductive Substance) The electrically conductive substance in the present invention may be any substance which has electrical conductivity and whose volume decreases sharply at its melting point. Is also good. According to such a conductive substance, a resin-based PTC material having an operation mechanism utilizing contraction of the conductive substance can be configured.

【0015】 従って、当該PTC材料は、母材の種類
によって素子の作動温度等が限定されることがなく、導
電性物質の融点を調整することにより、素子の作動温度
を所望の値に設計できる利点がある。また、母材の融解
を利用しない作動機構であるため、融解した母材内での
導電性物質粒子の再配列によるNTC(negative tempe
rature coefficient of resistance)現象、即ち抵抗の
低下を防止することも可能である。
Therefore, the operating temperature of the PTC material is not limited by the type of the base material, and the operating temperature of the element can be designed to a desired value by adjusting the melting point of the conductive substance. There are advantages. In addition, since the operation mechanism does not use melting of the base material, NTC (negative tempe) due to rearrangement of conductive material particles in the melted base material is performed.
It is also possible to prevent a phenomenon (rature coefficient of resistance), that is, a decrease in resistance.

【0016】 PTC特性を備えた材料を構成するため
には導電性物質の融点における体積減少率が1%以上で
あることが好ましい。このような特性を有する導電性物
質としては、具体的にはビスマスが挙げられる。ビスマ
スは、融点の271.3℃において2.9〜3.4%程
度の体積減少を示すため、本発明において好適に用いる
ことができる。
In order to constitute a material having PTC characteristics, it is preferable that the volume reduction rate at the melting point of the conductive substance is 1% or more. A specific example of the conductive substance having such characteristics is bismuth. Bismuth exhibits a volume reduction of about 2.9 to 3.4% at a melting point of 271.3 ° C., and thus can be suitably used in the present invention.

【0017】 導電性物質として、ビスマスに他の金属
を添加した合金を使用してもよい。他の金属を添加した
ビスマス合金はビスマス単体と比較して低融点とするこ
とができるため、他の金属の添加率を調整することによ
り素子の作動温度を所望の値に設計することが可能とな
る。
As the conductive substance, an alloy obtained by adding another metal to bismuth may be used. Since the bismuth alloy to which other metals are added can have a lower melting point than bismuth alone, it is possible to design the operating temperature of the element to a desired value by adjusting the addition rate of other metals. Become.

【0018】 ビスマスに添加する金属としては、ビス
マスと合金化し、かつ、低融点であるインジウム、鉛、
スズ、或いはガリウム等を用いることが好ましい。但
し、これらの金属を過剰に添加すると、ビスマスの体積
減少率が小さくなることに起因して素子が抵抗変化を起
こさなくなる場合があるため、導電性物質全体としての
体積減少率を1%以上に維持することが好ましい。
The metal to be added to bismuth is indium, lead, which is alloyed with bismuth and has a low melting point.
It is preferable to use tin, gallium, or the like. However, when these metals are excessively added, the element may not cause a change in resistance due to a decrease in the volume reduction rate of bismuth, so that the volume reduction rate of the conductive material as a whole is 1% or more. It is preferable to maintain.

【0019】 導電性物質は粒子状として母材中に分散
させるが、その粒径は0.1〜100μmの範囲とする
ことが好ましく、1〜5μmの範囲とすることが更に好
ましい。粒径が小さ過ぎるとPTC材料における抵抗上
昇率が小さくなるとともに室温抵抗率が大きくなる点に
おいて好ましくなく、粒径が大き過ぎれば母材中におい
て導電性物質を均一に分散させることが困難となるた
め、PTC材料中に均一な導電パスを形成し難くなる点
において好ましくないからである。更に、導電性物質の
含有率を同一として粒径を大きくした場合には導電性物
質の粒子数が減少し、当該粒子同士の接点が少なくなる
ところ、当該接点における通電時の発熱が問題となる場
合も生じ得る。
The conductive material is dispersed in the base material in the form of particles, and the particle size is preferably in the range of 0.1 to 100 μm, and more preferably in the range of 1 to 5 μm. If the particle size is too small, it is not preferable in that the resistance rise rate of the PTC material decreases and the room temperature resistivity increases. If the particle size is too large, it becomes difficult to uniformly disperse the conductive substance in the base material. Therefore, it is not preferable in that it is difficult to form a uniform conductive path in the PTC material. Furthermore, when the particle size is increased while the content of the conductive material is the same, the number of particles of the conductive material decreases, and the number of contacts between the particles decreases. Cases can also occur.

【0020】 本発明における導電性物質の含有率につ
いては、導電性物質の粒径、粒子分散性等により異なる
が、コンポジットPTC材料全体に対し、5〜40体積
%の範囲内で含まれていることが好ましい。導電性物質
の体積百分率が5%未満であれば材料の抵抗率が大きく
なる点で不具合があり、40%を超えると抵抗上昇率が
小さくなるという点で好ましくない。
The content of the conductive substance in the present invention varies depending on the particle diameter, particle dispersibility, etc. of the conductive substance, but is contained within the range of 5 to 40% by volume based on the entire composite PTC material. Is preferred. If the volume percentage of the conductive substance is less than 5%, there is a problem in that the resistivity of the material increases, and if it exceeds 40%, the rate of increase in resistance decreases, which is not preferable.

【0021】 なお、セラミックスの母材にビスマスを
分散させた後、焼成する従来公知のPTC材料において
は、上述のような導電性物質の体積百分率の制御は困難
である。ビスマスの沸点が1560℃と金属にしては低
いため、焼成の際に、ビスマスが揮発して体積百分率が
変動するからである。このような場合には、揮発分を想
定してビスマスの添加量を増量する等の必要がある。
It is difficult to control the volume percentage of the above-described conductive substance in a conventionally known PTC material in which bismuth is dispersed in a ceramic base material and then fired. This is because the boiling point of bismuth is 1560 ° C., which is low for a metal, so that bismuth is volatilized and the volume percentage fluctuates during firing. In such a case, it is necessary to increase the amount of bismuth added, assuming volatile components.

【0022】 これに対し、本発明のように母材を樹脂
とすれば、セラミックスのような焼成は不要であり成形
温度も低いため、ビスマスの揮発を抑制し導電性物質の
組成が制御されたPTC材料を構成することが容易であ
る。また、焼成工程を必要としないため製造コストを低
減できる利点もある。
On the other hand, if the base material is a resin as in the present invention, firing such as ceramics is unnecessary and the molding temperature is low, so that the volatilization of bismuth is suppressed and the composition of the conductive substance is controlled. It is easy to construct a PTC material. In addition, there is also an advantage that the manufacturing cost can be reduced because a firing step is not required.

【0023】(母材)従前のPTC材料における樹脂
は、母材(いわゆるマトリックス)としての機能の他、
その体積膨張により導電パスを切断する機能をも備えて
いる必要があった。しかしながら、本発明のPTC材料
は、導電性物質の性状変化を利用した作動機構を備えた
ものであるため、樹脂はマトリックスとしての機能のみ
を果たせばよいことになる。
(Base Material) The resin in the conventional PTC material has a function as a base material (so-called matrix),
It was also necessary to have a function of cutting the conductive path due to the volume expansion. However, since the PTC material of the present invention is provided with an operation mechanism utilizing a change in the properties of a conductive substance, the resin only has to function as a matrix.

【0024】 従って、本発明における母材としては、
電気絶縁性の樹脂である限りにおいて特に限定されず、
必ずしも結晶性の樹脂を使用する必要はない。更には、
従前は、樹脂の耐熱性や耐電圧、可燃性、或いは構造強
度に起因して限流素子とした際に、不具合を生じること
があったが、樹脂の選択幅が広がったことでこれらの不
具合をも回避できる可能性がある。
Therefore, as a base material in the present invention,
It is not particularly limited as long as it is an electrically insulating resin,
It is not necessary to use a crystalline resin. Furthermore,
Previously, when the current limiting element was used due to the heat resistance, withstand voltage, flammability, or structural strength of the resin, problems sometimes occurred. May be avoided.

【0025】 例えば、耐熱性が高い母材としてフェノ
ール樹脂、ポリイミド等、耐電圧が高い母材として塩化
ビニル、ポリフェニレンオキサイド等、難燃性の母材と
してフェノール樹脂、シリコーン樹脂等、構造強度が高
い母材としてポリカーボネート、ポリアミド等を用いる
ことにより、従前の樹脂系PTC材料にはない種々の機
能を付加することが可能となる。
For example, a phenol resin, a polyimide or the like having a high heat resistance, a vinyl chloride or polyphenylene oxide having a high withstand voltage, a phenol resin or a silicone resin having a flame-retardant base material having a high structural strength. By using polycarbonate, polyamide, or the like as the base material, it becomes possible to add various functions not available in the conventional resin-based PTC materials.

【0026】 なお、電気絶縁性樹脂の形状、状態は特
に限定されず、液状やペレット状の樹脂を用いることが
できる。但し、導電性粒子をより均一に分散させること
ができる点において原料混合時には液状であることが好
ましく、更にPTC材料とした後は溶融せず構造強度が
高いことが好ましい。このような樹脂の例としては、常
温時には液状であるが、加熱により硬化するフェノール
樹脂等が挙げられる。
The shape and state of the electrically insulating resin are not particularly limited, and a liquid or pellet resin can be used. However, it is preferable that the material is liquid at the time of mixing the raw materials from the viewpoint that the conductive particles can be more uniformly dispersed, and it is preferable that the material does not melt and has high structural strength after the PTC material is used. Examples of such a resin include a phenolic resin which is in a liquid state at room temperature but is cured by heating.

【0027】 本発明の母材は電気絶縁性樹脂のみで構
成する必要はなく、他の電気絶縁性の物質を加えて構成
しても良い。例えば、電気絶縁性樹脂と高熱膨張性絶縁
性物質とから母材を構成しても良い。本発明において高
熱膨張性絶縁性物質というときは、絶縁性を有し、か
つ、特定温度において急激に体積が増加(即ち、膨張)
する物質を意味し、具体的にはSiO2鉱物の多形の一
種であるクリストバライト(方珪石)が挙げられる。
The base material of the present invention does not need to be composed of only an electrically insulating resin, and may be composed of another electrically insulating substance. For example, the base material may be composed of an electrically insulating resin and a high thermal expansion insulating material. In the present invention, when a high thermal expansion insulating material is used, it has insulating properties and its volume rapidly increases (ie, expands) at a specific temperature.
And specifically, cristobalite (diaphragmite), which is a kind of polymorph of SiO 2 mineral.

【0028】 クリストバライトは、絶縁体であり、か
つ、230℃前後で結晶構造がアルファ型(正方晶形)
からベータ型(立方晶形)に変化することに伴い急激に
膨張する性質を有する。従って、導電性物質の収縮と相
俟って、より鋭敏なPTC特性を備えた材料を構成する
ことが可能である。
Cristobalite is an insulator and has an alpha-type (tetragonal) crystal structure at about 230 ° C.
Has a property of rapidly expanding as it changes from a to a beta type (cubic crystal form). Therefore, in combination with the contraction of the conductive substance, it is possible to form a material having more sensitive PTC characteristics.

【0029】 また、融点が1730℃と高く、耐熱
性、耐電圧、構造強度に優れるクリストバライトを加
え、母材中の樹脂の配合量を減ずることにより、母材が
樹脂であることに起因する、耐熱性や耐電圧の低さ、温
度上昇による燃焼のおそれ、加圧時の抵抗上昇率の減少
等の不具合を抑制することができる。
Further, by adding cristobalite having a high melting point of 1730 ° C. and having excellent heat resistance, withstand voltage, and structural strength, and reducing the amount of the resin in the base material, the base material is a resin. Problems such as low heat resistance, low withstand voltage, risk of combustion due to temperature rise, and a decrease in resistance rise rate during pressurization can be suppressed.

【0030】 クリストバライトは粒径が0.1〜10
0μmのものを好適に用いることができ、母材となる樹
脂に分散した状態で用いる。この場合における、コンポ
ジットPTC材料全体に対する高熱膨張性絶縁性物質の
体積百分率は40〜85体積%の範囲内であることが好
ましい。
Cristobalite has a particle size of 0.1 to 10
A material having a thickness of 0 μm can be suitably used, and is used in a state of being dispersed in a resin as a base material. In this case, it is preferable that the volume percentage of the high thermal expansion insulating material with respect to the entire composite PTC material is in the range of 40 to 85% by volume.

【0031】 体積百分率を40%未満とするとクリス
トバライトの抵抗変化に対する寄与率が低下し、素子作
動時の抵抗変化が緩やかになる点で好ましくない。一
方、85%を超える場合にはPTC材料の相対密度が低
下(即ち、気孔率が増加)することに起因して、PTC
材料が高抵抗化し、抵抗変化が不安定化し、或いは素子
の繰り返し使用が困難となる点で好ましくない。
If the volume percentage is less than 40%, the contribution rate of cristobalite to the change in resistance decreases, and the change in resistance during operation of the element becomes unfavorable. On the other hand, if it exceeds 85%, the relative density of the PTC material decreases (that is, the porosity increases),
It is not preferable because the resistance of the material becomes high, the resistance change becomes unstable, or it becomes difficult to use the element repeatedly.

【0032】 なお、クリストバライトは、石英粉末を
高温で仮焼する方法、或いは石英をアルカリ金属、アル
カリ土類金属の存在下で仮焼してクリストバライト化し
た後、湿式ポットミルで粉砕する方法等により得ること
ができる。
Cristobalite is obtained by calcining quartz powder at a high temperature, or calcining quartz in the presence of an alkali metal or alkaline earth metal to form cristobalite, and then pulverizing it with a wet pot mill. be able to.

【0033】(製造方法)上述した本発明のPTC材料
は、例えば以下のような方法により製造できる。まず、
主原料を調製する。母材となる樹脂については市販の液
状のもの、或いはペレット状のもの等を適宜使用する。
導電性物質、高熱膨張性絶縁性物質についてはポットミ
ル、ジェットミル等で粉砕し、好ましくは分級すること
により平均粒径0.1〜100μm程度の粉末を調製す
る。
(Production Method) The above-mentioned PTC material of the present invention can be produced, for example, by the following method. First,
Prepare the main raw material. As the resin serving as the base material, a commercially available liquid resin or pellet-like resin is appropriately used.
The conductive substance and the high thermal expansion insulating substance are pulverized by a pot mill, a jet mill or the like, and preferably classified to prepare a powder having an average particle size of about 0.1 to 100 μm.

【0034】 このように調製した主原料を所定の比率
となるように計量し、ミキシングミル、ニーダ等により
母材中の導電性物質、高熱膨張性絶縁性物質の分布状態
を均一化させるべく分配混合を行う。導電性物質等を母
材を介して粉砕しながら分散混合し、分布状態の均一化
を図ってもよい。
The main raw material thus prepared is weighed so as to have a predetermined ratio, and is distributed by a mixing mill, a kneader, or the like so that the distribution of the conductive material and the high thermal expansion insulating material in the base material is uniform. Mix. A conductive material or the like may be dispersed and mixed while being crushed via a base material, so as to make the distribution state uniform.

【0035】 母材と導電性物質、高熱膨張性絶縁性物
質を均一に混合した後、例えば加熱プレス機を用いたホ
ットプレス成形等により所望形状に成形したPTC材料
を得ることができる。
After uniformly mixing the base material, the conductive substance, and the high thermal expansion insulating substance, a PTC material formed into a desired shape by, for example, hot press molding using a heating press machine can be obtained.

【0036】[0036]

【実施例】 以下、本発明を具体的な実施例により説明
するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものでは
ない。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described with reference to specific examples, but the present invention is not limited to these examples.

【0037】(実施例1)市販の液状のフェノール樹脂
260gと、平均粒径10μm程度の金属ビスマス粉末
740gとを混練機により混合分散し、次いで加熱プレ
ス機によりホットプレス成形することにより成形体を得
た。フェノール樹脂と金属ビスマスの体積百分率は各々
73%、27%であった。得られた成形体は、5×5×
30mmの柱状体に加工し、直流四端子法により室温抵
抗率及び抵抗率の温度依存性を測定した。成形体の組成
比を表1に、評価結果を表2及び図1に示す。
Example 1 A commercially available liquid phenol resin (260 g) and a metal bismuth powder (740 g) having an average particle size of about 10 μm were mixed and dispersed by a kneader and then hot-pressed by a hot press to obtain a molded product. Obtained. The volume percentages of the phenolic resin and the metal bismuth were 73% and 27%, respectively. The obtained molded body is 5 × 5 ×
It was processed into a 30 mm column, and the room temperature resistivity and the temperature dependency of the resistivity were measured by a DC four-terminal method. Table 1 shows the composition ratio of the molded body, and Table 2 and FIG. 1 show the evaluation results.

【0038】[0038]

【表1】 [Table 1]

【0039】[0039]

【表2】 [Table 2]

【0040】(実施例2)石英粉末を、当該石英粉末の
1mol%の炭酸水素ナトリウムの存在下において湿式
ボールミルにより粉砕し、分級することにより平均粒径
10μmのクリストバライトを調製した。
Example 2 A quartz powder was pulverized by a wet ball mill in the presence of 1 mol% of sodium hydrogencarbonate of the quartz powder and classified to prepare cristobalite having an average particle diameter of 10 μm.

【0041】 市販の液状のフェノール樹脂60g、平
均粒径10μm程度の金属ビスマス粉末640g、及び
平均粒径10μmのクリストバライト300gをニーダ
により混合分散し、次いで加熱プレス機によりホットプ
レス成形することにより成形体を得た。フェノール樹
脂、金属ビスマス、クリストバライトの体積百分率は各
々20%、27%、53%であった。以下、実施例1と
同様に成形体について評価を行った。成形体の組成比を
表1に、評価結果を表2及び図2に示す。
60 g of a commercially available liquid phenolic resin, 640 g of metal bismuth powder having an average particle diameter of about 10 μm, and 300 g of cristobalite having an average particle diameter of 10 μm are mixed and dispersed by a kneader, and then hot-pressed by a heating press to form a molded article. I got The volume percentages of the phenolic resin, bismuth metal, and cristobalite were 20%, 27%, and 53%, respectively. Hereinafter, the molded body was evaluated in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the composition ratio of the molded body, and Table 2 and FIG. 2 show the evaluation results.

【0042】(実施例3)市販の液状のフェノール樹脂
139g、平均粒径10μm程度の金属ビスマス粉末6
81g、及び実施例2と同様に調製した平均粒径10μ
mのクリストバライト180gをニーダにより混合分散
し、次いで加熱プレス機によりホットプレス成形するこ
とにより成形体を得た。フェノール樹脂、金属ビスマ
ス、クリストバライトの体積百分率は各々43%、27
%、30%であった。以下、実施例1と同様に成形体に
ついて評価を行った。成形体の組成比を表1に、評価結
果を表2及び図3に示す。
Example 3 139 g of commercially available liquid phenol resin, metal bismuth powder 6 having an average particle size of about 10 μm
81 g, and an average particle size of 10 μm prepared in the same manner as in Example 2.
180 g of cristobalite m were mixed and dispersed by a kneader, and then hot-pressed by a heating press machine to obtain a molded body. The phenol resin, bismuth metal, and cristobalite have a volume percentage of 43% and 27%, respectively.
% And 30%. Hereinafter, the molded body was evaluated in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the composition ratio of the molded body, and Table 2 and FIG. 3 show the evaluation results.

【0043】(比較例1)市販の液状のフェノール樹脂
755gと、平均粒径10μm程度の金属ビスマス粉末
245gとを混練機により混合分散し、次いで加熱プレ
ス機によりホットプレス成形することにより成形体を得
た。フェノール樹脂と金属ビスマスの体積百分率は各々
96%、4%であった。以下、実施例1と同様に成形体
について評価を行った。成形体の組成比を表1に、評価
結果を表2及び図4に示す。
Comparative Example 1 755 g of a commercially available liquid phenol resin and 245 g of a metal bismuth powder having an average particle diameter of about 10 μm were mixed and dispersed by a kneader, and then subjected to hot press molding by a heating press to form a molded body. Obtained. The volume percentages of the phenolic resin and the metal bismuth were 96% and 4%, respectively. Hereinafter, the molded body was evaluated in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the composition ratio of the compact, and Table 2 and FIG. 4 show the evaluation results.

【0044】(比較例2)市販の液状のフェノール樹脂
114gと、平均粒径10μm程度の金属ビスマス粉末
886gとを混練機により混合分散し、次いで加熱プレ
ス機によりホットプレス成形することにより成形体を得
た。フェノール樹脂と金属ビスマスの体積百分率は各々
50%、50%であった。以下、実施例1と同様に成形
体について評価を行った。成形体の組成比を表1に、評
価結果を表2及び図5に示す。
Comparative Example 2 114 g of a commercially available liquid phenol resin and 886 g of a metal bismuth powder having an average particle size of about 10 μm were mixed and dispersed by a kneader, and then hot-pressed by a heating press to obtain a molded article. Obtained. The volume percentages of the phenol resin and the metal bismuth were 50% and 50%, respectively. Hereinafter, the molded body was evaluated in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the composition ratio of the compact, and Table 2 and FIG. 5 show the evaluation results.

【0045】(比較例3)市販の液状のフェノール樹脂
15g、平均粒径10μm程度の金属ビスマス粉末61
6g、及び実施例2と同様に調製した平均粒径10μm
のクリストバライト369gをニーダにより混合分散
し、次いで加熱プレス機によりホットプレス成形するこ
とにより成形体を得た。フェノール樹脂、金属ビスマ
ス、クリストバライトの体積百分率は各々5%、27
%、68%であった。以下、実施例1と同様に成形体に
ついて評価を行った。成形体の組成比を表1に、評価結
果を表2及び図6に示す。
Comparative Example 3 15 g of a commercially available liquid phenolic resin, metal bismuth powder 61 having an average particle size of about 10 μm
6 g, and an average particle size of 10 μm prepared in the same manner as in Example 2.
Was mixed and dispersed with a kneader, and then hot-pressed with a heating press to obtain a molded product. The volume percentages of phenolic resin, metallic bismuth and cristobalite are 5% and 27%, respectively.
%, 68%. Hereinafter, the molded body was evaluated in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the composition ratio of the molded body, and Table 2 and FIG. 6 show the evaluation results.

【0046】(評価結果)実施例1については、低室温
抵抗率、かつ、高抵抗上昇率のものが得られ、実用可能
な限流素子を構成することができた。また、従前の結晶
性ポリエチレンを母材としたPTC材料は耐熱性が低
く、温度上昇による燃焼のおそれがあったが、実施例1
では母材として、耐熱性が高く、難燃性のフェノール樹
脂を使用したため、このような問題がなくなった。ま
た、ホットプレスの温度は180℃であるため、従前の
セラミックを母材としたPTC材料のようにビスマスが
揮発して添加量が制御できないという事態は生じなかっ
た。
(Evaluation Result) In Example 1, a low room temperature resistivity and a high resistance rise rate were obtained, and a practicable current limiting device could be constructed. Further, the conventional PTC material using crystalline polyethylene as a base material had low heat resistance, and there was a risk of combustion due to a rise in temperature.
Thus, such a problem was eliminated because a phenol resin having high heat resistance and flame retardancy was used as the base material. Further, since the temperature of the hot press is 180 ° C., unlike the conventional PTC material using a ceramic as a base material, bismuth is volatilized and the amount of addition cannot be controlled.

【0047】 実施例2についても、低室温抵抗率、か
つ、高抵抗上昇率のものが得られ、実用可能な限流素子
を構成することができた。実施例2では、クリストバラ
イトを添加したことにより、実施例1と比較して更に急
峻な抵抗変化を得ることができた。実施例3について
も、実施例2よりクリストバライトの添加率が低いこと
に起因して、やや抵抗上昇率が低いものの、低室温抵抗
率、かつ、高抵抗上昇率のものが得られ、実用可能な限
流素子を構成することができた。
Also in Example 2, a low room temperature resistivity and a high resistance rise rate were obtained, and a practicable current limiting element could be constructed. In Example 2, by adding cristobalite, a steeper change in resistance than in Example 1 could be obtained. Also in Example 3, although the rate of increase in resistance was slightly lower due to the lower addition rate of cristobalite than that in Example 2, a material having a low room temperature resistivity and a high rate of resistance increase was obtained, and was practicable. A current limiting element could be constructed.

【0048】 一方、比較例1のように導電性物質の体
積百分率が本発明の範囲より低い場合には導電パスが形
成されないため室温抵抗率が高く、比較例2のように導
電性物質の体積百分率が本発明の範囲より高い場合には
温度を上昇させても導電パスを切断できないため、抵抗
値が上昇しなかった。
On the other hand, when the volume percentage of the conductive material is lower than the range of the present invention as in Comparative Example 1, no conductive path is formed, and thus the room temperature resistivity is high. When the percentage was higher than the range of the present invention, the resistance did not increase because the conductive path could not be cut even when the temperature was increased.

【0049】 なお、比較例3に示すように、高熱膨張
性絶縁性物質の体積百分率が本発明の範囲を超える場合
には、PTC材料の相対密度が低下(即ち、気孔率が増
加)することに起因して、PTC材料が高抵抗化し、ま
た、一旦素子を作動させると温度が低下しても初期の室
温抵抗率まで抵抗率が低下せず、素子の繰り返し使用が
できなかった。
As shown in Comparative Example 3, when the volume percentage of the high thermal expansion insulating material exceeds the range of the present invention, the relative density of the PTC material decreases (that is, the porosity increases). As a result, the resistance of the PTC material increased, and once the element was operated, even if the temperature was lowered, the resistivity did not decrease to the initial room temperature resistivity, and the element could not be used repeatedly.

【0050】[0050]

【発明の効果】 以上説明したように、本発明のコンポ
ジットPTC材料によれば、室温抵抗率が低く、かつ、
抵抗上昇率が高いことに加えて、耐熱性や耐電圧が高
く、限流素子としての繰り返し使用が可能なコンポジッ
トPTC材料が提供される。
As described above, according to the composite PTC material of the present invention, the room temperature resistivity is low, and
Provided is a composite PTC material which has a high resistance rise rate, a high heat resistance and a high withstand voltage, and which can be used repeatedly as a current limiting element.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 実施例1のPTC材料における電気抵抗の温
度依存性を示すグラフである。
FIG. 1 is a graph showing the temperature dependence of electric resistance of a PTC material of Example 1.

【図2】 実施例2のPTC材料における電気抵抗の温
度依存性を示すグラフである。
FIG. 2 is a graph showing the temperature dependence of the electric resistance of the PTC material of Example 2.

【図3】 実施例3のPTC材料における電気抵抗の温
度依存性を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing the temperature dependence of electric resistance of the PTC material of Example 3.

【図4】 比較例1のPTC材料における電気抵抗の温
度依存性を示すグラフである。
FIG. 4 is a graph showing the temperature dependence of electric resistance of the PTC material of Comparative Example 1.

【図5】 比較例2のPTC材料における電気抵抗の温
度依存性を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing the temperature dependence of electric resistance of the PTC material of Comparative Example 2.

【図6】 比較例3のPTC材料における電気抵抗の温
度依存性を示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing the temperature dependence of electric resistance of the PTC material of Comparative Example 3.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊神 俊市 愛知県名古屋市瑞穂区須田町2番56号 日 本碍子株式会社内 (72)発明者 阪井 博明 愛知県名古屋市瑞穂区須田町2番56号 日 本碍子株式会社内 Fターム(参考) 5E034 AA07 AB01 AC10 AC17 DA10 5G502 AA05 BB01 BE03  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Shun Igami 2-56 Sudacho, Mizuho-ku, Nagoya, Aichi Prefecture Inside Nihon Insulators Co., Ltd. No. 56 F insulator in Japan Insulator Co., Ltd. (reference) 5E034 AA07 AB01 AC10 AC17 DA10 5G502 AA05 BB01 BE03

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電気絶縁性樹脂からなる母材に、 その融点において急激に体積が減少する金属若しくは合
金からなる導電性物質を分散させたコンポジットPTC
材料であって、 室温抵抗率が10Ωcm以下であり、かつ、抵抗上昇率
が3桁以上であることを特徴とするコンポジットPTC
材料。
A composite PTC comprising a base material made of an electrically insulating resin and a conductive material made of a metal or an alloy whose volume rapidly decreases at the melting point thereof dispersed therein.
A composite PTC, wherein the composite material has a room temperature resistivity of 10 Ωcm or less and a resistance increase rate of 3 digits or more.
material.
【請求項2】 電気絶縁性樹脂と高熱膨張性絶縁性物質
とからなる母材に、 その融点において急激に体積が減少する金属若しくは合
金からなる導電性物質を分散させたコンポジットPTC
材料であって、 室温抵抗率が10Ωcm以下であり、かつ、抵抗上昇率
が3桁以上であることを特徴とするコンポジットPTC
材料。
2. A composite PTC in which a base material made of an electrically insulating resin and a high thermal expansion insulating material is dispersed with a conductive material made of a metal or an alloy whose volume decreases rapidly at its melting point.
A composite PTC, wherein the composite material has a room temperature resistivity of 10 Ωcm or less and a resistance increase rate of 3 digits or more.
material.
【請求項3】 高熱膨張性絶縁性物質として、クリスト
バライトを用いた請求項2に記載のコンポジットPTC
材料。
3. The composite PTC according to claim 2, wherein cristobalite is used as the high thermal expansion insulating material.
material.
【請求項4】 コンポジットPTC材料全体に対し、高
熱膨張性絶縁性物質が40〜80体積%の範囲内で含ま
れている請求項2又は3に記載のコンポジットPTC材
料。
4. The composite PTC material according to claim 2, wherein the high thermal expansion insulating material is contained in the range of 40 to 80% by volume based on the entire composite PTC material.
【請求項5】 導電性物質の融点における体積減少率が
1%以上である請求項1〜4のいずれか一項に記載のコ
ンポジットPTC材料。
5. The composite PTC material according to claim 1, wherein a volume reduction rate of the conductive substance at a melting point is 1% or more.
【請求項6】 導電性物質として、ビスマス或いはビス
マスを含む合金を用いた請求項1〜5のいずれか一項に
記載のコンポジットPTC材料。
6. The composite PTC material according to claim 1, wherein bismuth or an alloy containing bismuth is used as the conductive substance.
【請求項7】 コンポジットPTC材料全体に対し、導
電性物質が5〜40体積%の範囲内で含まれている請求
項1〜6のいずれか一項に記載のコンポジットPTC材
料。
7. The composite PTC material according to claim 1, wherein the conductive substance is contained in the range of 5 to 40% by volume based on the entire composite PTC material.
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