JP2003318006A

JP2003318006A - 高分子ｐｔｃ組成物及び高分子ｐｔｃ素子

Info

Publication number: JP2003318006A
Application number: JP2002125676A
Authority: JP
Inventors: Mitsumune Kataoka; 光宗片岡
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2002-04-26
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2003-11-07

Abstract

(57)【要約】【課題】結晶性高分子を主成分とする結合材と金属系
の導電性粉末からなる高分子ＰＴＣ組成物を、シート状
として両面に電極を形成した構造を有する高分子ＰＴＣ
素子において、スイッチング動作を繰り返した際の、電
気抵抗の安定性を向上すること。【解決手段】結合材１００重量部に対して、熱可塑性
エラストマーを０.００１〜１０重量部添加すること
で、高分子ＰＴＣ組成物と電極の界面の接着性が向上
し、高分子ＰＴＣ組成物自体の安定性も向上するので、
素子特性の安定性を確保できる。また、帯電防止剤の添
加により結合材の熱劣化を抑制でき、さらに素子特性の
安定性が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、いわゆるＰＴＣ
（Positive Temperature Coefficient；正温度係数）
特性を有するＰＴＣ素子に関し、特に結晶性高分子に導
電性粉末を充填したＰＴＣ組成物からなる成形体に、電
極を設けた構造の高分子ＰＴＣ素子に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】特定の温度領域において、電気抵抗が急
激に増大する正の温度特性を示すＰＴＣ素子は、自動的
に温度を制御するヒータや、自己復帰型の過電流保護素
子などとして多用されている。そして、ＰＴＣ素子に用
いる組成物としては、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）を
微量添加したチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）などの
セラミックス系ＰＴＣ組成物、カーボンブラックなどの
導電性粒子を結晶性高分子中に分散した高分子ＰＴＣ組
成物が知られている。

【０００３】セラミックス系ＰＴＣ組成物を用いたＰＴ
Ｃ素子では、キュリー点での急激な抵抗値上昇を利用し
ているが、定常状態における抵抗率が、約１００Ω・ｃ
ｍと高いために、数Ａ程度の比較的大きな電流を流すこ
とができない。このことは、セラミック系ＰＴＣ組成物
を用いたＰＴＣ素子が、過電流保護素子として利用する
のが困難であることを意味している。また、セラミック
系ＰＴＣ組成物は、所望の形状に成形、加工するのに多
くの工程を要し、耐衝撃性に劣るという問題がある。

【０００４】これに対し、高分子ＰＴＣ組成物を用いた
高分子ＰＴＣ素子では、室温における抵抗率が低いため
に、過電流保護素子に適していて、耐衝撃性が優れ、成
形、加工が容易である。

【０００５】高分子ＰＴＣ素子の動作原理は、結晶性高
分子の結晶融点での大きな熱膨張を利用して、室温でネ
ットワークを形成している導電性粒子を切り離すことに
よるものである。このために、規定値以上の電流により
過度に発熱した際に、結晶融点近傍の温度で、抵抗率が
急激に上昇し、室温に戻ると、導電性粒子のネットワー
クが再形成され、抵抗率も低下する。

【０００６】そして、高分子ＰＴＣ素子の一般的な製造
方法には、ロールなどを用いて結晶性高分子に導電性粒
子を分散させて高分子ＰＴＣ組成物を得、これを加熱プ
レスやロールなどでシート成形し、金属箔などからなる
電極を圧着した後、所要の形状に打ち抜くという、乾式
法がある。

【０００７】また、高分子ＰＴＣ組成物のシートを得る
方法として、結晶性高分子の溶液に導電性フィラーを分
散させたペーストを用いて成膜する湿式法もあり、この
場合は、電極を構成する金属箔の上に成膜して、成膜し
た側を対向させて一体化するという方法もある。

【０００８】そして、近年の二次電池を始めとする、電
気電子機器やそれらに用いられる部品の小型が進むに従
い、高分子ＰＴＣ素子についても、抵抗値の低減が要求
され、用いる導電性粉末として、カーボン系に替えて、
金属や金属炭化物が用いられていて、その中でも炭化チ
タンのような金属炭化物が、導電性が高いことや凝集が
生じ難いことなどから多用される傾向にある。

【０００９】しかしながら、前記のような金属系の導電
性粉末を用いた高分子ＰＴＣ組成物では、導電性粉末の
占積率が一定値以上でないと、所要の導電性が得られな
いため、相対的に結合材の量が少なくなることに繋が
る。これは、高分子ＰＴＣ素子が繰り返しの熱履歴を受
けると、電極と高分子ＰＴＣ組成物の界面で、徐々にで
はあるが剥離が生じる原因となる。

【００１０】このために、前記の高分子ＰＴＣ素子は、
一定以上の温度における急峻な電気抵抗の上昇、即ちス
イッチング動作の繰り返しで、常温における電気抵抗が
上昇し、その特性が必ずしも安定したものではなかっ
た。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の技術
的な課題は、スイッチング動作を繰り返しても、安定し
たＰＴＣ効果を発現し、常温における電気抵抗の変化が
少ない高分子ＰＴＣ素子を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、結合材の接着
性や可撓性を改善するための、結合材への種々の高分子
化合物添加の検討により、ある種の熱可塑性エラストマ
ーが有用で、前記課題を解決できることが見出された結
果なされたものである。

【００１３】即ち、本発明は、結晶性高分子を含む結合
材１００重量部と、金属系導電性粉末３００〜５５０重
量部からなるＰＴＣ組成物に、熱可塑性エラストマーが
添加されてなることを特徴とする高分子ＰＴＣ組成物で
ある。

【００１４】また、本発明は、前記の高分子ＰＴＣ組成
物において、前記熱可塑性エラストマーの添加量が、
０.００１〜１０重量部であることを特徴とする高分子
ＰＴＣ組成物である。

【００１５】また、本発明は、前記の高分子ＰＴＣ組成
物において、前記熱可塑性エラストマーがスチレンを含
むブロック共重合体であることを特徴とする高分子ＰＴ
Ｃ組成物である。

【００１６】また、本発明は、前記の高分子ＰＴＣ組成
物に、帯電防止剤を添加してなることを特徴とする高分
子ＰＴＣ組成物である。

【００１７】また、本は発明は、前記の高分子ＰＴＣ組
成物のシート状成形体の両面に、電極が配置されてなる
ことを特徴とする高分子ＰＴＣ素子である。

【００１８】高分子ＰＴＣ組成物の結合材には、結晶性
高分子として、高密度ポリエチレン（以下、ＨＤＰＥと
記す）が多用されるが、一般に熱可塑性エラストマー
は、ＨＤＰＥよりも接着性や可撓性が高い。このため、
熱可塑性エラストマーの添加によって、温度変化に伴う
膨張収縮によって生じる応力が速やかに緩和され、高分
子ＰＴＣ組成物と電極の界面での剥離が極めて生じ難く
なる。

【００１９】そして、熱可塑性エラストマーとして、多
様な商品が市販されていて、その中でスチレンを含むブ
ロック共重合体は、常温で加硫ゴムと同じような物性を
持ちながら、高温では可塑性を発現してプラスチックと
同様に成形が可能となる。つまり、高分子ＰＴＣ組成物
に添加して、特性を改善する効果を有する。このような
スチレンを含むブロック共重合体には、スチレンとブタ
ジエンを共重合させたブロック共重合体、スチレンとイ
ソプレンを共重合させたブロック共重合体などがある。

【００２０】これらに含まれる高分子化合物の単独での
ガラス転移温度は、ポリスチレンが、約１００℃、ポリ
ブタジエンが、約−５５℃、ポリイソプレンが、約−７
３℃である。従って、ポリスチレン領域は、常温では流
動性を持たないので、架橋点と同様に機能し、１００℃
以上の高温では熱可塑性を発現する。つまり、常温では
加硫ゴム、高温では通常の熱可塑性のプラスチックと同
様の物性を示す。

【００２１】このため、高分子ＰＴＣ組成物に適宜加え
ることで、電極との接着性向上に効果があり、しかも高
温では、可塑性を発現するから、加工を行う上で、何ら
支障をきたすことがない。しかし、添加量が過剰である
と、ＰＴＣ特性を減殺するので、その添加量には適正値
があり、結晶性高分子が１００重量部に対して、０.０
０１〜１０重量部が好ましい。

【００２２】また、本発明の高分子ＰＴＣ組成物におい
ては、ある種の帯電防止剤の添加が、スイッチング動作
を繰り返した際の特性劣化防止に効果を奏する。帯電防
止剤は、静電気に起因する障害を防止するために、種々
の方面で用いられていて、帯電防止剤の化学的な構造を
みると、界面活性剤と同様に、親水性基と疎水性基の両
方を同一分子が具備した構造である。

【００２３】このため、帯電防止剤は、高分子ＰＴＣ組
成物では導電性粉末と結合材の界面に介在し、導電性粉
末に含まれる金属の、結合材の劣化を助長する作用を、
封じ込めるように機能する結果となる。帯電防止剤とし
ては、具体的に、塩化アルキルトリメチルアンモニウ
ム、塩化ステアリルジメチルベンジルアンモニウムなど
が挙げられるが、これらに限定されるものでない。

【００２４】また、本発明では、導電性粉末の量を、結
合材１００重量部に対して、３００〜５５０重量部に限
定している。その理由は、この範囲以下では、所要の電
気抵抗を得ることができないこと、この範囲以上では、
相対的に結合材の量が不足となり、安定したＰＴＣ特性
が得られず、甚だしい場合は、高分子ＰＴＣ組成物の成
形が不可能となることである。

【００２５】そして、本発明によって得られる高分子Ｐ
ＴＣ組成物は、２０℃における抵抗率が、概ね１Ω・ｃ
ｍ以下であり、スイッチング動作で１０⁹Ω・ｃｍ以上
の抵抗率を示す。

【００２６】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て説明する。

【００２７】本発明の高分子ＰＴＣ素子の作製では、ま
ず結晶性高分子に熱可塑性エラストマーを添加した結合
材と、導電性粉末とを所要量秤量し、結合材の軟化点以
上の温度で混練し、高分子ＰＴＣ組成物とする。混練に
は加圧ニーダーや、ロールが用いられる。

【００２８】結晶性高分子としては、高分子ＰＴＣ素子
の温度上昇に際して、所要温度で電気抵抗が急激に増加
する、即ちスイッチング動作が起こる温度付近に、融点
を有するものであれば、特に限定されるものではない。
一般的には、融点が１３０℃以上であるＨＤＰＥなどが
好適である。

【００２９】また、電極には、厚さが２０〜１００μｍ
程度の金属箔が用いられ、高分子ＰＴＣ組成物との密着
性を考慮して、高分子ＰＴＣ組成物が配置される側に、
粗面化加工を施しておくことが望ましい。電極の接着
は、高分子ＰＴＣ組成物の熱可塑性を利用して、熱プレ
スで行うのが最も簡便で確実である。

【００３０】

【実施例】次に、実施例を挙げ、さらに具体的に説明す
る。

【００３１】（実施例１）まず、第１の実施例として、
融点が１３７℃のＨＤＰＥ（三菱化学製；ＨＹ５４０）
を１００重量部、平均粒径が１.５μｍの炭化チタン粉
末（新日本金属製）を５２５重量部、スチレン−イソプ
レンブロック共重合体（クラレ製；セプトン）を１重量
部、それぞれ秤量し、ロールを用いて１６０℃で２０分
間混練を行い、高分子ＰＴＣ組成物を得た。

【００３２】この高分子ＰＴＣ組成物をシート状に成形
した後、片面に粗面化加工を施した、厚さが７０μｍの
銅箔を粗面化側をシートの方に向けて配置し、２００℃
で１０分間熱プレスを施すことで、全体の厚さが１.１
４ｍｍとなるように電極を圧着した。次に、電極形成後
のシートを、５ｍｍ×１０ｍｍの大きさに切断し、電極
のリードを接合して、高分子ＰＴＣ素子の試料を得た。

【００３３】また、比較に供するため、熱可塑性エラス
トマーを添加しない他は、前記実施例とまったく同様に
して高分子ＰＴＣ素子の試料を調製した。これらの試料
１００個について、電気抵抗の初期値、スイッチング動
作を１００回繰り返した後の値を測定した。表１は、実
施例と比較例の結果をまとめて示したものである。

【００３４】

【表１】

【００３５】（実施例２）次に、第２の実施例として、
第１の実施例の高分子ＰＴＣ組成物に、塩化ジステアリ
ルジメチルアンモニウムを、帯電防止剤として０.５重
量部添加した他は、第１の実施例とまったく同様にして
高分子ＰＴＣ素子を調製した。これについても前記と同
様に評価を行い、結果を表１にまとめて示した。

【００３６】（実施例３）次に、熱可塑性エラストマー
の添加量の適正値を検証するために、熱可塑性エラスト
マーの添加量を、結合材１００重量部に対して、０.０
０１〜２０重量部に設定した高分子ＰＴＣ組成物を調製
し、それぞれについて高分子ＰＴＣ素子の試料を作製し
た。これらの試料についても、第１の実施例と同様の評
価を行った。表２はそれらの結果を示したものである。

【００３７】

【表２】

【００３８】表１に示したように、実施例１の試料の電
気抵抗は、初期値が０.７Ω、スイッチング動作後が１.
４Ωであり、その変化率は１.８倍であるのに対し、比
較例の試料は、スイッチング動作後の電気抵抗の変化率
が１６７０倍であった。この結果から、熱可塑性エラス
トマーの添加が、高分子ＰＴＣ素子のスイッチング動作
後の電気抵抗の安定性に、著しい効果があることが認め
られる。また、帯電防止剤の添加も、電気抵抗の安定性
向上に明らかな効果が認められる。

【００３９】また、表２に示した結果から、熱可塑性エ
ラストマーの添加は、添加量が０.００１重量部程度で
も、無添加に比較すると、明らかに効果が認められる。
しかし、その効果を確実にするには、添加量を１重量部
以上とするのが好ましいことが明らかである。これに対
し、添加量が２０重量部では、電気抵抗の安定性向上へ
の寄与は認められるものの、初期値が高く、所要の特性
が得られない。これは、結合材全体の量が多過ぎること
によると考えられる。

【００４０】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、金属系の導電性粉末と、結晶性高分子を主成分とす
る結合材からなる、高分子ＰＴＣ組成物の、熱履歴に対
する安定性を向上することができる。これによって、ス
イッチング動作を繰り返しても、電気抵抗の変化が少な
く、安定した特性を発現する高分子ＰＴＣ素子を提供す
ることが可能となる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】結晶性高分子を含む結合材１００重量部
と、金属系導電性粉末３００〜５５０重量部からなるＰ
ＴＣ組成物に、熱可塑性エラストマーが添加されてなる
ことを特徴とする高分子ＰＴＣ組成物。
【請求項２】請求項１に記載の高分子ＰＴＣ組成物に
おいて、前記熱可塑性エラストマーの添加量が、０.０
０１〜１０重量部であることを特徴とする高分子ＰＴＣ
組成物。
【請求項３】請求項１もしくは請求項２のいずれかに
記載の高分子ＰＴＣ組成物において、前記熱可塑性エラ
ストマーがスチレンを含むブロック共重合体であること
を特徴とする高分子ＰＴＣ組成物。
【請求項４】請求項１ないし請求項３のいずれかに記
載の高分子ＰＴＣ組成物に、帯電防止剤を添加してなる
ことを特徴とする高分子ＰＴＣ組成物。
【請求項５】請求項１ないし請求項４のいずれかに記
載の高分子ＰＴＣ組成物のシート状成形体の両面に、電
極が配置されてなることを特徴とする高分子ＰＴＣ素
子。