JP2016524779A - ポリマー厚膜正温度係数カーボン組成物 - Google Patents
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Abstract
本発明は、ポリマー厚膜正温度係数カーボン抵抗体組成物であって、（ａ）（ｉ）二フッ化ビニリデンとヘキサフロオロプロピレンとのコポリマーからなるフルオロポリマー樹脂と、（ｉｉ）トリエチルホスフェートとからなる有機媒体と、（ｂ）導電性カーボン粉末とから本質的になるポリマー厚膜正温度係数カーボン抵抗体組成物に関する。組成物は、全ての溶剤を除去するために必要な時間および温度で加工されてもよい。本発明はさらに、乾燥されて溶剤を除去した本発明の組成物を含む正温度係数（ＰＴＣ）回路、およびこのようなＰＴＣ回路を備える物品、例えばミラーヒーターおよびシートヒーター、ならびにこのようなＰＴＣ回路を製造するための方法に関する。
Description
本発明は、自己制御ヒーター回路内で使用するためのポリマー厚膜（ＰＴＦ）正温度係数（ＰＴＣ）カーボン抵抗体組成物に関する。このような組成物は、ＰＴＦ銀導体組成物上にスクリーン印刷される層として使用され得る。
導電性ポリマーの電気的性質がしばしばそれらの温度によって変わることは、当技術分野で公知である。非常に少ない割合の導電性ポリマーは、正温度係数（ＰＴＣ）、すなわち、特定の温度での、または特定の温度範囲を超える場合の急速な抵抗率の増加を示す。ＰＴＣ挙動を示す材料は、回路を流れる電流の大きさが、回路の一部を形成するＰＴＣ素子の温度によって制御される多数の用途において有用である。
ＰＴＣ回路は典型的に、自動車などで見られるミラーヒーターおよびシートヒーターなどにおいて、自動的に温度調節する回路として使用される。それらは、外付けのサーモスタットの代わりに使用される。それらは、これらの種類の用途において長年使用されてきたが、ＰＴＣ回路には典型的に、抵抗シフト安定性、電源の入／切サイクル不整合性、および製造時に使用される接着剤に対する感受性などの問題がある。全てのこれらの問題点は、機能上のＰＴＣ回路に悪影響を与える可能性があり、また実際に悪影響を与える。これらの問題点を軽減するのに役立ち、且つより効率的でより信頼性が高いＰＴＣ回路を製造するのに役立つことが、本発明の目的である。
本発明は、ポリマー厚膜正温度係数カーボン抵抗体組成物であって、
（ａ）
（ｉ）二フッ化ビニリデンとヘキサフロオロプロピレンとのコポリマーからなるフルオロポリマー樹脂と、
（ｉｉ）トリエチルホスフェートからなる有機溶剤と
からなる５０〜９９重量パーセントの有機媒体であって、フルオロポリマー樹脂が有機媒体の全重量の１０〜５０重量パーセントであり且つ有機溶剤中に溶解される、有機媒体と、
（ｂ）有機媒体中に分散される、１〜５０重量パーセントの導電性カーボン粉末とから本質的になり、有機媒体と導電性カーボン粉末との重量パーセントが、ポリマー厚膜正温度係数カーボン抵抗体組成物の全重量に基づいているポリマー厚膜正温度係数カーボン抵抗体組成物に関する。
（ａ）
（ｉ）二フッ化ビニリデンとヘキサフロオロプロピレンとのコポリマーからなるフルオロポリマー樹脂と、
（ｉｉ）トリエチルホスフェートからなる有機溶剤と
からなる５０〜９９重量パーセントの有機媒体であって、フルオロポリマー樹脂が有機媒体の全重量の１０〜５０重量パーセントであり且つ有機溶剤中に溶解される、有機媒体と、
（ｂ）有機媒体中に分散される、１〜５０重量パーセントの導電性カーボン粉末とから本質的になり、有機媒体と導電性カーボン粉末との重量パーセントが、ポリマー厚膜正温度係数カーボン抵抗体組成物の全重量に基づいているポリマー厚膜正温度係数カーボン抵抗体組成物に関する。
組成物は、全ての溶剤を除去するために必要な時間および温度で加工されてもよい。
本発明はさらに、乾燥されて溶剤を除去した本発明の組成物を含むＰＴＣ回路、このようなＰＴＦ回路の形成のための方法、およびこのようなＰＴＣ回路を備える物品、例えばミラーヒーターおよびシートヒーターに関する。
本発明は、ＰＴＣ加熱回路内で使用するための、ポリマー厚膜正温度係数カーボン抵抗体組成物を記載する。これは典型的に、回路全体を加熱するために使用される。封入剤の層を能動ＰＴＣカーボン抵抗体の上に印刷して乾燥させる場合がある。
本発明において使用されるフルオロポリマー樹脂は、二フッ化ビニリデン（ＶＦ２）とヘキサフロオロプロピレン（ＨＦＰ）とのコポリマー（ＶＦ２／ＨＦＰ）である。このフルオロポリマー樹脂は、試験された他のフルオロポリマーに比べて抵抗率シフトが改善されたペーストを提供する。使用される溶剤は、トリエチルホスフェートである。フルオロポリマー樹脂（ＶＦ２／ＨＦＰ）とトリエチルホスフェート溶剤との組み合わせは、抵抗率シフトがさらに低いカーボン抵抗体、および安定性が改善されたペーストを提供する。
一般的に、厚膜組成物は、適切な電気的機能性を組成物に与える機能相を含む。機能相は、機能相のためのキャリアとして作用する有機媒体中に分散された電気的機能性粉末を含む。一般的に、組成物を焼成して有機化合物を焼尽し、電気的機能性を与える。しかしながら、ポリマー厚膜組成物の場合、ポリマーまたは樹脂成分は乾燥および溶剤の除去後に組成物の一体部分として残る。
厚膜封入剤組成物の主成分は、ポリマー樹脂と溶剤とを含有する有機媒体である。
ポリマー厚膜正温度係数カーボン抵抗体組成物の成分は、以下に考察される。
有機媒体
ポリマー樹脂を溶剤に添加して、印刷のための適した稠度およびレオロジーを有する「有機媒体」を製造する。有機媒体は、十分な安定度を有して固形分が分散し得る有機媒体でなければならない。媒体のレオロジー性質は、それらが組成物に良好な適用性を与えるものでなければならない。このような性質には、十分な安定度を有する固形分の分散、組成物の良好な適用、適切かつ比較的安定している粘度、チキソトロピー、基材および固形分の適切な湿潤性、良好な乾燥速度、および荒い取扱いに耐える十分な乾燥膜強度などが含まれる。
ポリマー樹脂を溶剤に添加して、印刷のための適した稠度およびレオロジーを有する「有機媒体」を製造する。有機媒体は、十分な安定度を有して固形分が分散し得る有機媒体でなければならない。媒体のレオロジー性質は、それらが組成物に良好な適用性を与えるものでなければならない。このような性質には、十分な安定度を有する固形分の分散、組成物の良好な適用、適切かつ比較的安定している粘度、チキソトロピー、基材および固形分の適切な湿潤性、良好な乾燥速度、および荒い取扱いに耐える十分な乾燥膜強度などが含まれる。
本発明において使用されるフルオロポリマー樹脂（ＶＦ２／ＨＦＰ）は、二フッ化ビニリデン（ＶＦ２）とヘキサフロオロプロピレン（ＨＦＰ）とのコポリマーであり、ＰＴＣ組成物に重要な性質を与える。具体的には、確認された溶剤中の樹脂の溶解度および温度安定性は、試験された他のフルオロポリマーの溶解度および温度安定性に比べて異なっていた。二フッ化ビニリデンとヘキサフロオロプロピレンとのコポリマーは、ＰＴＦ銀層と下にある基材との両方に対する良い付着性を達成するのに両方とも役立ち、また、ＰＴＣ性能、ＰＴＣ回路についての二つの決定的に重要な性質に適合しており、したがってこれらに悪影響を及ぼさないであろう。一実施形態において、このフルオロポリマー樹脂は、有機媒体の全重量の１０〜５０重量パーセント（重量％）、２５〜４５重量％、または３０〜４０重量％であってもよい。
ポリマー厚膜正温度係数カーボン抵抗体組成物中で使用される溶剤は、トリエチルホスフェートである。
本発明のＰＴＦ ＰＴＣ組成物を含有するＰＴＣ回路の経時的な抵抗率シフトは大幅に低減され、組成物の粘度はより少ない経時変化を示した。
本発明のＰＴＦ ＰＴＣ組成物は、５０〜９９重量パーセントの有機媒体を有する。一実施形態において、本発明のＰＴＦ ＰＴＣ組成物は、８０〜９５重量パーセントの有機媒体を有する。
導電性粉末
本発明のＰＴＦ ＰＴＣ組成物において使用される導電性粉末は、目標抵抗（１〜５０Ｋｏｈｍ／ｓｑ）および所望のＰＴＣ作用を達成するために必要とされる導電性カーボンまたはカーボンブラックである。他のカーボン粉末および／または黒鉛を用いてもよい。また、銀および金などの一般的な導電性粉末をカーボン粉末と組合せて使用してもよい。
本発明のＰＴＦ ＰＴＣ組成物において使用される導電性粉末は、目標抵抗（１〜５０Ｋｏｈｍ／ｓｑ）および所望のＰＴＣ作用を達成するために必要とされる導電性カーボンまたはカーボンブラックである。他のカーボン粉末および／または黒鉛を用いてもよい。また、銀および金などの一般的な導電性粉末をカーボン粉末と組合せて使用してもよい。
本発明のＰＴＦ ＰＴＣ組成物は、１〜５０重量パーセントの導電性カーボン粉末を有する。一実施形態において、本発明のＰＴＦ ＰＴＣ組成物は、５〜２０重量パーセントの導電性カーボン粉末を有する。
厚膜の適用
「ペースト」としても知られるポリマー厚膜組成物は典型的に、ガスおよび湿気に対して不透過性であるポリエステルなどの基材上に堆積される。また、基材は、プラスチックシートとその上に堆積された任意選択的である金属または誘電体層との組み合わせから構成された複合材料のシートであり得る。
「ペースト」としても知られるポリマー厚膜組成物は典型的に、ガスおよび湿気に対して不透過性であるポリエステルなどの基材上に堆積される。また、基材は、プラスチックシートとその上に堆積された任意選択的である金属または誘電体層との組み合わせから構成された複合材料のシートであり得る。
ＰＴＦ ＰＴＣ組成物の堆積は好ましくはスクリーン印刷によって行われるが、ステンシル印刷、シリンジ分配または他のコーティング技術などの他の堆積技術を利用することができる。スクリーン印刷の場合、スクリーン網目の大きさが、堆積された厚膜の厚さを制御する。
堆積された厚膜を乾燥させ、すなわち、溶剤を典型的に１０〜１５分間１４０℃における熱暴露によって除去する。
一実施形態において、ＰＴＦ ＰＴＣカーボン抵抗体組成物は、ＤｕＰｏｎｔ ５０６４銀導電性インク（本件特許出願人）などのＰＴＦ銀組成物の上のスクリーン印刷された層として使用される。
本発明は実用的な実施例を示すことによってさらに詳細に説明される。しかしながら、本発明の範囲はこの実用的な実施例に決して限定されるものではない。
実施例１ならびに比較実験ＡおよびＢ
比較実験Ａ
ＰＴＦ ＰＴＣカーボン抵抗体組成物（ペースト）を調製するために、最初に有機媒体を以下のように調製した：二フッ化ビニリデンとヘキサフロオロプロピレン樹脂とのコポリマー（Ｋｙｎａｒ（登録商標） ＡＤＳ２ Ａｒｋｅｍａ Ｉｎｃ．Ｋｉｎｇ ｏｆ Ｐｒｕｓｓｉａ，ＰＡ）２５．０重量％を７５．０重量％の二塩基性エステルＤＢＥ（登録商標）−９（Ｉｎｖｉｓｔａ（登録商標）， Ｗｌｍｉｎｇｔｏｎ，ＤＥ）有機溶剤と混合した。樹脂の分子量は約２０，０００であった。上記の混合物を９０℃において１〜２時間加熱して全ての樹脂を溶解し、有機媒体を形成した。次に、導電性カーボンブラックＭｏｎａｒｃｈ（登録商標）１２０（Ｃａｂｏｔ Ｃｏｒｐ．，Ｂｏｓｔｏｎ，ＭＡ）を有機媒体に添加した。
比較実験Ａ
ＰＴＦ ＰＴＣカーボン抵抗体組成物（ペースト）を調製するために、最初に有機媒体を以下のように調製した：二フッ化ビニリデンとヘキサフロオロプロピレン樹脂とのコポリマー（Ｋｙｎａｒ（登録商標） ＡＤＳ２ Ａｒｋｅｍａ Ｉｎｃ．Ｋｉｎｇ ｏｆ Ｐｒｕｓｓｉａ，ＰＡ）２５．０重量％を７５．０重量％の二塩基性エステルＤＢＥ（登録商標）−９（Ｉｎｖｉｓｔａ（登録商標）， Ｗｌｍｉｎｇｔｏｎ，ＤＥ）有機溶剤と混合した。樹脂の分子量は約２０，０００であった。上記の混合物を９０℃において１〜２時間加熱して全ての樹脂を溶解し、有機媒体を形成した。次に、導電性カーボンブラックＭｏｎａｒｃｈ（登録商標）１２０（Ｃａｂｏｔ Ｃｏｒｐ．，Ｂｏｓｔｏｎ，ＭＡ）を有機媒体に添加した。
ＰＴＦ ＰＴＣカーボン抵抗体組成物は、以下の通りであった。
８２．７２％ 有機媒体
８．１８ 導電性カーボンブラック粉末
９．１０ ＤＢＥ（登録商標）−９溶剤
この組成物を遊星形ミキサーで３０分間混合した。次に、組成物を三本ロール練り機に移し、そこでそれを０ｐｓｉで１回および１５０ｐｓｉで１回送った。その結果、ＰＴＦ ＰＴＣカーボン抵抗体組成物が得られた。
８．１８ 導電性カーボンブラック粉末
９．１０ ＤＢＥ（登録商標）−９溶剤
この組成物を遊星形ミキサーで３０分間混合した。次に、組成物を三本ロール練り機に移し、そこでそれを０ｐｓｉで１回および１５０ｐｓｉで１回送った。その結果、ＰＴＦ ＰＴＣカーボン抵抗体組成物が得られた。
次に、回路を以下のように製造した：２８０メッシュのステンレス鋼スクリーンを使用して、一連の相互にかみ合わせた銀線を、ＤｕＰｏｎｔ ５０６４銀導電性インク（本件特許出願人）を使用してポリエステル基材上に印刷した。この銀導体を押込空気箱形炉内で１４０℃において１５分間乾燥させた。次に、上記のＰＴＦ ＰＴＣカーボン抵抗体組成物で製造された相互にかみ合わせた線のＰＴＣ回路パターンを銀導体の上に印刷した。次に、それを押込空気箱形炉内で１４０℃において１５分間乾燥させ、ＰＴＣ回路を形成した。
ＰＴＣ回路の抵抗を測定し、次に、３０日後に再び測定した。抵抗シフトのパーセントを計算し、表Ｉに示す。ＰＴＦ ＰＴＣカーボン抵抗体組成物の粘度を測定し、次に、３０日後に再び測定した。粘度の変化のパーセントを計算し、表Ｉに示す。
比較実験Ｂ
ＰＴＣ回路を、本質的に比較実験Ａにおいて上述したように製造した。比較実験Ａとの唯一の相違は、比較実験ＡのＰＴＦ ＰＴＣカーボン抵抗体組成物の代わりにＤｕＰｏｎｔ ７２８２カーボン抵抗体厚膜組成物（本件特許出願人）を使用したことであった。
ＰＴＣ回路を、本質的に比較実験Ａにおいて上述したように製造した。比較実験Ａとの唯一の相違は、比較実験ＡのＰＴＦ ＰＴＣカーボン抵抗体組成物の代わりにＤｕＰｏｎｔ ７２８２カーボン抵抗体厚膜組成物（本件特許出願人）を使用したことであった。
ＰＴＣ回路の抵抗を測定し、次に、３０日後に再び測定した。抵抗シフトのパーセントを計算し、表Ｉに示す。ＰＴＦ ＰＴＣカーボン抵抗体組成物の粘度を測定し、次に、３０日後に再び測定した。粘度の変化のパーセントを計算し、表Ｉに示す。
実施例１
ＰＴＣ回路を、本質的に比較実験Ａにおいて上述したように製造した。比較実験Ａとの唯一の相違は、比較実験ＡのＰＴＦ ＰＴＣカーボン抵抗体組成物の代わりに本発明のＰＴＦ ＰＴＣカーボン抵抗体組成物を使用したことであった。本発明のＰＴＦ ＰＴＣカーボン抵抗体組成物は、９２．０重量パーセントの有機媒体と８．０重量パーセントの導電性カーボン粉末とを使用して製造された。有機媒体は、二フッ化ビニリデンとヘキサフロオロプロピレン樹脂とのコポリマー（Ｋｙｎａｒ（登録商標） ＡＤＳ２ Ａｒｋｅｍａ Ｉｎｃ．Ｋｉｎｇ ｏｆ Ｐｒｕｓｓｉａ，ＰＡ）３５重量パーセントとトリエチルホスフェート６５重量パーセントとからなっていた。相違は比較実験Ａの二塩基性エステルＤＢＥ（登録商標）−９ではなくトリエチルホスフェートが溶剤として使用されたことである。
ＰＴＣ回路を、本質的に比較実験Ａにおいて上述したように製造した。比較実験Ａとの唯一の相違は、比較実験ＡのＰＴＦ ＰＴＣカーボン抵抗体組成物の代わりに本発明のＰＴＦ ＰＴＣカーボン抵抗体組成物を使用したことであった。本発明のＰＴＦ ＰＴＣカーボン抵抗体組成物は、９２．０重量パーセントの有機媒体と８．０重量パーセントの導電性カーボン粉末とを使用して製造された。有機媒体は、二フッ化ビニリデンとヘキサフロオロプロピレン樹脂とのコポリマー（Ｋｙｎａｒ（登録商標） ＡＤＳ２ Ａｒｋｅｍａ Ｉｎｃ．Ｋｉｎｇ ｏｆ Ｐｒｕｓｓｉａ，ＰＡ）３５重量パーセントとトリエチルホスフェート６５重量パーセントとからなっていた。相違は比較実験Ａの二塩基性エステルＤＢＥ（登録商標）−９ではなくトリエチルホスフェートが溶剤として使用されたことである。
ＰＴＣ回路の抵抗を測定し、次に、３０日後に再び測定した。抵抗シフトのパーセントを計算し、表Ｉに示す。ＰＴＦ ＰＴＣカーボン抵抗体組成物の粘度を測定し、次に、３０日後に再び測定した。粘度の変化のパーセントを計算し、表Ｉに示す。
Claims (9)
- ポリマー厚膜正温度係数カーボン抵抗体組成物であって、
（ａ）５０〜９９重量パーセントの有機媒体であって、前記有機媒体は、
（ｉ）二フッ化ビニリデンとヘキサフロオロプロピレンとのコポリマーからなるフルオロポリマー樹脂と、
（ｉｉ）トリエチルホスフェートからなる有機溶剤と
からなり前記フルオロポリマー樹脂が前記有機媒体の全重量の１０〜５０重量パーセントであり、かつ前記有機溶剤中に溶解されている、有機媒体と、
（ｂ）１〜５０重量パーセントの導電性カーボン粉末と
から本質的になり、
前記導電性カーボン粉末は、前記有機媒体中に分散されており、
前記有機媒体と前記導電性カーボン粉末との前記重量パーセントが、前記ポリマー厚膜正温度係数カーボン抵抗体組成物の全重量に基づいく
ことを特徴とするポリマー厚膜正温度係数カーボン抵抗体組成物。 - 前記導電性カーボン粉末が導電性カーボンブラック粉末であることを特徴とする請求項１に記載のポリマー厚膜正温度係数カーボン抵抗体組成物。
- 前記有機媒体が前記ポリマー厚膜正温度係数カーボン抵抗体組成物全体の８０〜９５重量パーセントであり、前記フルオロポリマー樹脂が前記有機媒体全体の３０〜４０重量パーセントであることを特徴とする請求項１に記載のポリマー厚膜正温度係数カーボン抵抗体組成物。
- 請求項１〜３のいずれか一項に記載のポリマー厚膜正温度係数カーボン抵抗体組成物を含み、前記ポリマー厚膜正温度係数カーボン抵抗体組成物は乾燥されて溶剤が除去されていることを特徴とする正温度係数回路。
- 請求項４に記載の正温度回路を含有する物品。
- ミラーヒーターの形態の請求項５に記載の物品。
- シートヒーターの形態の請求項５に記載の物品。
- 正温度係数回路の形成のための方法であって、基材を提供する工程と、請求項１〜３のいずれか一項に記載のポリマー厚膜正温度係数カーボン抵抗体組成物を前記基材上に堆積する工程とを含み、前記ポリマー厚膜正温度係数カーボン抵抗体組成物を乾燥して溶剤を除去することを特徴とする方法。
- 前記基材が、乾燥されたＰＴＦ銀組成物を含有する、請求項８に記載の方法。
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