TWI529743B

TWI529743B - 高導電性高分子正溫度係數組成及過電流保護元件

Info

Publication number: TWI529743B
Application number: TW101103575A
Authority: TW
Inventors: 陳繼聖; 江長鴻
Original assignee: 富致科技股份有限公司
Priority date: 2012-02-03
Filing date: 2012-02-03
Publication date: 2016-04-11
Also published as: TW201333977A

Description

高導電性高分子正溫度係數組成及過電流保護元件

本發明是有關於一種高導電性高分子正溫度係數組成及一正溫度係數過電流保護元件，特別是關於一種具有金屬類導電顆粒，陶瓷類導電顆粒以及碳類導電顆粒的高導電性高分子正溫度係數組成物。

導電性高分子正溫度係數元件由於具有正溫度係數效應，所以可作為過電流保護元件用途。導電性高分子正溫度係數材料包括一高分子材料及形成在該高分子材料之兩相對應表面上的正、負電極。該高分子材料包括一具晶相區及非晶相區的高分子基體及一分散於該高分子基體之非晶相區而形成一連續導電路徑之導電性顆粒填充物。正溫度係數效應是指當該高分子基體的溫度升到其熔點時，該晶相區開始融熔而產生新的非晶相區。當非晶相區增加到一程度而與原存的非晶相區相結合時，會使得該導電性顆粒填充物的導電路徑形成不連續狀，而造成該高分子材料之電阻急速增加，並因而形成斷電。

由於碳粉導電性填充物的導電度低，因此不適用於一些需要較高導電度(低電阻)的電流保護元件。在提升導電度上，雖然可藉由添加具有高導電性之非碳類導電性顆粒填充物的型態(例如金屬顆粒，導電性陶瓷顆粒及表面金屬化顆粒等)來增加高分子正溫度係數材料的導電度(從原本的約1.0ohm-cm或更高之體積電阻率下降至小於0.05ohm-cm之體積電阻率)，但如此形成的高分子正溫度係數材料具有不穩定的電性，容易在使用或儲存一段時間後，其電氣性大幅地變質。

美國專利早期公開號2008/0142494揭露一種可用於製作一座椅加熱器的高分子正溫度係數材料。該高分子正溫度係數材料具有一高分子正溫度係數組成。該高分子正溫度係數組成可包括5-70wt%的有機高分子及30-95wt%的導電填充物，且較佳為包括15-60wt%有機高分子及40-90wt%的導電填充物。該導電填充物可包括10-100wt%的陶瓷導電顆粒，及或15-90wt%的金屬粉末，且較佳為包括40-65wt%的陶瓷導電顆粒，及或35-60wt%的金屬粉末。該導電填充物也可另外包括0.01-15wt%的碳類導電顆粒，且較佳為包括1-10wt%的碳類導電顆粒。如此形成的高分子正溫度係數材料具有自我控制及調整座椅溫度的功能而可以克服傳統加熱器所造成的過熱問題及排除溫度控制器的須要。

上述高分子正溫度係數材料的用途是做為座椅的加熱器，使座椅可以被自動控制在對人體舒適的溫度範圍。當高分子正溫度係數材料的溫度超過一跳脫溫度(trip temperature)時，高分子正溫度係數材料的電阻會急遽增加，導致電流幾乎為零，而形成斷電及不加熱狀態，而當高分子正溫度係數材料的溫度低於跳脫溫度，電流又可通過而繼續加熱。

上述高分子正溫度係數材料是做為加熱器使用，其材料成份是根據所欲之跳脫溫度而調配。至於如何調配材料成份以得到高電氣穩定性的高分子正溫度係數材料以做為過電流保護元件，則未有任何教示。在做為過電流保護元件的應用上，高分子正溫度係數材料必須具備相當高的電氣穩定性，以保護下游的電子元件不受燒毀。因此，如何製備出具高導電及高電氣穩定的電流保護元件對於業界而言仍有需要。

因此，本發明之目的，即在提供一種可以提高導電性高分子正溫度係數材料之電氣穩定性與使用壽命的高導電性高分子正溫度係數組成，及一種利用該高導電性高分子正溫度係數材料所製作的正溫度係數過電流保護元件。

於是，本發明一種高導電性高分子正溫度係數組成，包含：一高分子組份，包括至少一聚合物；及一導電填充物組份。該導電填充物組份包括一金屬類導電顆粒，一陶瓷類導電顆粒，以及一碳類導電顆粒。其中，該高分子組份與該導電填充物組份的重量比係介於1:13~1:5.5，該金屬類導電顆粒的重量高於該陶瓷類導電顆粒者，且該陶瓷類導電顆粒的重量高於該碳類導電顆粒者，及該碳類導電顆粒佔該導電填充物組份重量的2.8wt%~7.3wt%。

又，本發明一種正溫度係數過電流保護元件，包含：一正溫度係數材料層；以及兩個電極，設在該正溫度係數材料層上。其中，該正溫度係數材料層具有一高分子正溫度係數組成，該高分子正溫度係數組成包含：一高分子組份，包括至少一聚合物；及一導電填充物組份。該導電填充物組份包括一金屬類導電顆粒，一陶瓷類導電顆粒，以及一碳類導電顆粒。其中，該高分子組份與該導電填充物組份的重量比係介於1:13~1:5.5，該金屬類導電顆粒的重量高於該陶瓷類導電顆粒者，且該陶瓷類導電顆粒的重量高於該碳類導電顆粒者，及該碳類導電顆粒佔該導電填充物組份重量的2.8wt%~7.3wt%。

本發明之功效在於：調配該高分子組份與該導電填充物組份的重量比及該碳類導電顆粒的重量百分比而可得到高電氣穩定性的正溫度係數過電流保護元件。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖1，本發明之一種正溫度係數過電流保護元件的一較佳實施例包含：一正溫度係數材料層2，該正溫度係數材料層2較佳下具有小於或約略等於0.05ohm-cm之體積電阻率；及兩個電極3，設在該正溫度係數材料層2上。該正溫度係數材料層2具有一高分子正溫度係數組成，該高分子正溫度係數組成包含：一高分子組份，包括至少一聚合物；及一導電填充物組份。該導電填充物組份包括一金屬類導電顆粒，一陶瓷類導電顆粒，以及一碳類導電顆粒。其中，該高分子組份與該導電填充物組份的重量比較家下係介於1:13~1:5.5，更佳為介於1:11.5~1:6.1，該金屬類導電顆粒的重量高於該陶瓷類導電顆粒者，且該陶瓷類導電顆粒的重量高於該碳類導電顆粒者。

較佳下，該碳類導電顆粒佔該導電填充物組份重量的2.8wt%~7.3wt%，該金屬類導電顆粒佔該導電填充物組份重量的56wt%~90wt%，且該陶瓷類導電顆粒佔該導電填充物組份重量的7.0wt%~40wt%。更佳下，該碳類導電顆粒佔該導電填充物組份重量的3.4wt%~6.8wt%，該金屬類導電顆粒佔該導電填充物組份重量的59.6wt%~85.4wt%，且該陶瓷類導電顆粒佔該導電填充物組份重量的11.2wt%~33.7wt%。

較佳下，該金屬類導電顆粒為球狀，該陶瓷類導電顆粒為片狀，且該碳類導電顆粒具有一介於0.1至3.0之間的吸油量與顆粒粒徑之比值。

較佳下，該金屬類導電顆粒係選自金屬顆粒、表面處理型金屬顆粒、合金顆粒及表面金屬化之顆粒及其等組合之一者。典型的例子包括金、銀、銅、鋁、及鎳粉、表面鍍鎳玻璃球、表面鍍鎳石墨、鈦鉭固熔體、鎢鈦鉭鉻固熔體、鎢鉭固熔體、鎢鈦鉭鈮固熔體、鎢鈦鉭固熔體、鎢鈦固熔體、及鉭鈮固熔體。

較佳下，該陶瓷類導電顆粒係選自導電性氧化物、導電性碳化物、導電性氮化物、導電性硼化物、導電性硫化物、導電性矽化物及其等組合之一者。典型的例子包括碳化鈦、碳化鋯，碳化釩、碳化鈮、碳化鉭、碳化鉻、碳化鉬、碳化鎢、氮化鈦、氮化鋯、氮化釩、氮化鈮、氮化鉭、氮化鉻、二矽化鈦、二矽化鋯、二矽化鈮、及二矽化鎢。

較佳下，該碳類導電顆粒係選自碳粉、石墨、碳纖維及其等組合之一者。

較佳下，該聚合物為聚烯烴。該高分子組份還可包含一不飽和羧酸接枝型聚烯烴。該聚烯烴與該不飽和羧酸接枝型聚烯烴共熔融混煉後固化而形成一高分子基體。

較佳下，該聚烯烴為高密度聚乙烯，及該不飽和羧酸接枝型聚烯烴為不飽和羧酸接枝高密度聚乙烯。

較佳下，該聚烯烴具有一介於50,000 g/mole至300,000 g/mole之間的重量平均分子量。

以下將以實施例與比較例來說明本發明各目的之實施方式與功效。須注意的是，該實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。

<實施例1(E1)>

將9.63g高密度聚乙烯、9.63g不飽和羧酸接枝型高密度聚乙烯、5.25g碳粉(商品型號：Raven 430UB，DBP/D=0.95，Bulk Density=0.53g/cm³，導電度=2.86×10⁴m^-1Ω^-1，購自Columbian Chemicals Company)、133g鎳粉(商品型號：Ni-124，球狀，Density=8.9g/cm³，導電度=1430×10⁴m^-1Ω^-1，購自Atlantic Equipment Engineers)與17.5g碳化鈦(片狀，Density: 4.92g/cm³，結構含氧量=0.4%，起始氧化溫度=450℃，導電度=164×10⁴m^-1Ω^-1)加入一Brabender混煉機內混煉。混煉溫度為200℃；攪拌速度為60rpm；混煉時間為10分鐘。將混煉後所得的混合物置於一模具中，之後，以熱壓機對混合物樣品進行熱壓，熱壓溫度為200℃、熱壓時間為4分鐘、熱壓壓力為80kg/cm²，將混練後之樣品熱壓成厚度為0.28mm薄片形成一正溫度係數材料之後，於薄片兩側各貼一片鍍鎳銅箔，再依同樣熱壓條件熱壓，形成一三明治結構，將此三明治結構沖切成4.5mmX3.2mm之晶片。實施例1所製得的正溫度係數材料的組成及其晶片的測試電阻值及體積電阻值列在表1中。表一中的G-HDPE代表不飽和羧酸接枝型高密度聚乙烯，CB代表碳粉(carbon black)，V-R代表體積電阻(ohm-cm)。實施例1之該高分子組份與該導電填充物組份的重量比(P：F)及該碳類導電顆粒，該金屬類導電顆粒以及該陶瓷類導電顆粒佔該導電填充物組份重量的重量百分率均列在表2中。

<實施例2-8(E2-E8)>

實施例2-8之正溫度係數材料及其晶片的製備程序與條件與實施例1不同之處在於該高導電性高分子正溫度係數組成中成份的用量不同。實施例2-6所製得的正溫度係數材料的組成及其晶片的測試電阻值及體積電阻值列在表1中。實施例2-8之該高分子組份與該導電填充物組份的重量比(P：F)及該碳類導電顆粒，該金屬類導電顆粒以及該陶瓷類導電顆粒佔該導電填充物組份重量的重量百分率均列在表2中。

<比較例1-17(CE1-CE17)>

比較例1-17之正溫度係數材料及其晶片的製備程序與條件與實施例1不同之處在於該高導電性高分子正溫度係數組成中成份的用量不同。比較例1-17所製得的正溫度係數材料的組成及其晶片的測試電阻值及體積電阻值列在表1中。

功能測試

耐久性測試

對實施例(E1-E8)及比較例(CE1-CE17)進行耐久性測試(Endurance test)，以6Vdc/100A、16Vdc/100A與32Vdc/100A及通電60秒斷電60秒的條件下，進行720次循環測試，每一實施例或比較例均測試10個晶片樣品，記錄測試後電阻(Rf)/測試前電阻(Ri)之電阻變化率及在周期次數下晶片樣品通過率，結果如表3所示。表3的結果顯示實施例E1-E8具有優於比較例CE10-CE17的電氣耐久性。為凸顯本發明的不可預期性，實施例E1-E6(E1-E3含10wt%TiC，E4-E6含30wt%TiC)及比較例CE10-CE12(含10wt%TiC)與CE14-CE16(含30wt%TiC)的耐久性測試結果的比較另以圖2來呈現。圖2的結果顯示正溫度係數材料含有3.4wt%-6.8wt%(基於該導電填充物組份重量)的碳類導電顆粒在電氣耐久性上具有不可預期的優異性。

老化測試

對實施例(E1-E8)及比較例(CE1-CE17)進行老化測試(Aging test)，其以6Vdc/100A、16Vdc/100A與32Vdc/100A持續通電72小時的條件下進行，每一實施例或比較例均測試10個晶片樣品，記錄測試後電阻(Rf)/測試前電阻(Ri)之電阻變化率及在周期次數下晶片樣品通過率，結果如表4所示。表4的結果顯示實施例E1-E8具有優於比較例CE10-CE17的抗老化性。為凸顯本發明的不可預期性，實施例E1-E6及比較例CE10-CE12與CE14-CE16的老化性測試結果的比較另以圖3來呈現。圖3的結果顯示正溫度係數材料含有3.4wt%-6.8wt%(基於該導電填充物組份重量)的碳類導電顆粒在抗老化性上具有不可預期的優異性。

過電壓測試

對實施例(E1-E8)及比較例(CE1-CE17)進行過電壓測試(Thermal Runaway test)，其測試條件為，施加的外加直流電壓是在一100 A的固定電流下階段式地自一6 Vdc的起始電壓增加至一60 Vdc的最終電壓、該固定電流足以使待測樣品在該起始外加電壓時發生斷電、該外加電壓是以一每階段6 Vdc的增加量被增加、兩相鄰階段間的時間間隔是2分鐘，且每一階段的時間為2分鐘。每一實施例或比較例均測試10個晶片樣品，記錄測試樣品抵抗電壓能力(晶片燒毀)，結果如表5所示。為凸顯本發明的不可預期性，實施例E1-E6及比較例CE10-CE12與CE14-CE16的耐電壓性測試結果的比較另以圖4來呈現。圖4的結果顯示正溫度係數材料含有3.4wt%-6.8wt%(基於該導電填充物組份重量)的碳類導電顆粒在耐電壓性上具有不可預期的優異性。

綜上所述，藉由混合金屬類導電顆粒，陶瓷類導電顆粒，以及碳類導電顆粒形成該導電填充物及限制碳類導電顆粒的重量百分率，而可提高高分子正溫度係數材料之電氣穩定性與使用壽命。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2．．．正溫度係數材料層

3．．．電極

圖1是一示意圖，說明本發明一較佳實施例的一種正溫度係數過電流保護元件的結構；

圖2是一實驗數據圖，說明正溫度係數過電流保護元件之實施例與比較例的耐久性測試的電阻變化率與碳類導電顆粒含量之間的關係；

圖3是一實驗數據圖，說明正溫度係數過電流保護元件之實施例與比較例的老化性測試的電阻變化率與碳類導電顆粒含量之間的關係；以及

圖4是一實驗數據圖，說明正溫度係數過電流保護元件之實施例與比較例的耐電壓性測試的最大忍受電壓與碳類導電顆粒含量之間的關係。

2．．．正溫度係數材料層

3．．．電極

Claims

一種高導電性高分子正溫度係數組成，包含：一高分子組份，包括至少一聚合物；及一導電填充物組份，包括一金屬類導電顆粒，一陶瓷類導電顆粒，以及一碳類導電顆粒；其中，該高分子組份與該導電填充物組份的重量比係介於1:13~1:5.5；其中，該金屬類導電顆粒的重量高於該陶瓷類導電顆粒者，且該陶瓷類導電顆粒的重量高於該碳類導電顆粒者；及其中，該碳類導電顆粒佔該導電填充物組份重量的2.8wt%~7.3wt%。
依據申請專利範圍第1項所述之高導電性高分子正溫度係數組成，其中，該碳類導電顆粒佔該導電填充物組份重量的3.4wt%~6.8wt%。
依據申請專利範圍第1項所述之高導電性高分子正溫度係數組成，其中，該金屬類導電顆粒佔該導電填充物組份重量的56wt%~90wt%，且該陶瓷類導電顆粒佔該導電填充物組份重量的7.0wt%~40wt%。
依據申請專利範圍第3項所述之高導電性高分子正溫度係數組成，其中，該碳類導電顆粒佔該導電填充物組份重量的3.4wt%~6.8wt%，該金屬類導電顆粒佔該導電填充物組份重量的59.6wt%~85.4wt%，且該陶瓷類導電顆粒佔該導電填充物組份重量的11.2wt%~33.7wt%。
依據申請專利範圍第1項所述之高導電性高分子正溫度係數組成，其中，該高分子組份與該導電填充物組份的重量比係介於1:11.5~1:6.1。
依據申請專利範圍第1項所述之高導電性高分子正溫度係數組成，其中，該金屬類導電顆粒為球狀，該陶瓷類導電顆粒為片狀，且該碳類導電顆粒具有一介於0.1至3.0之間的吸油量與顆粒粒徑之比值。
依據申請專利範圍第1項所述之高導電性高分子正溫度係數組成，其中，該金屬類導電顆粒係選自金屬顆粒、表面處理型金屬顆粒、合金顆粒及表面金屬化之顆粒及其等組合之一者。
依據申請專利範圍第7項所述之高導電性高分子正溫度係數組成，其中，該金屬類導電顆粒係鎳粉。
依據申請專利範圍第1項所述之高導電性高分子正溫度係數組成，其中，該陶瓷類導電顆粒係選自導電性氧化物、導電性碳化物、導電性氮化物、導電性硼化物、導電性硫化物、導電性矽化物及其等組合之一者。
依據申請專利範圍9項所述之高導電性高分子正溫度係數組成，其中，該陶瓷類導電顆粒係碳化鈦。
依據申請專利範圍第1項所述之高導電性高分子正溫度係數組成，其中，該碳類導電顆粒係選自碳粉、石墨、碳纖維及其等組合之一者。
依據申請專利範圍第11項所述之高導電性高分子正溫度係數組成，其中，該碳類導電顆粒係碳粉。
依據申請專利範圍第1項所述之高導電性高分子正溫度係數組成，其中，該聚合物為聚烯烴。
依據申請專利範圍第13項所述之高導電性高分子正溫度係數組成，其中，該高分子組份還包括不飽和羧酸接枝型聚烯烴。
一種正溫度係數過電流保護元件，包含：一正溫度係數材料層；以及兩個電極，設在該正溫度係數材料層上；其中，該正溫度係數材料層具有一高分子正溫度係數組成，該高分子正溫度係數組成包含：一高分子組份，包括至少一聚合物；及一導電填充物組份，包括一金屬類導電顆粒，一陶瓷類導電顆粒，以及一碳類導電顆粒；其中，該高分子組份與該導電填充物組份的重量比係介於1:13~1:5.5；其中，該金屬類導電顆粒的重量高於該陶瓷類導電顆粒者，且該陶瓷類導電顆粒的重量高於該碳類導電顆粒者；及其中，該碳類導電顆粒佔該導電填充物組份重量的2.8wt%~7.3wt%。
依據申請專利範圍第15項所述之正溫度係數過電流保護元件，其中，該碳類導電顆粒佔該導電填充物組份重量的3.4wt%~6.8wt%。
依據申請專利範圍第15項所述之正溫度係數過電流保護元件，其中，該金屬類導電顆粒佔該導電填充物組份重量的59.6wt%~85.4wt%，且該陶瓷類導電顆粒佔該導電填充物組份重量的11.2wt%~33.7wt%。
依據申請專利範圍第15項所述之正溫度係數過電流保護元件，其中，該高分子組份與該導電填充物組份的重量比係介於1:11.5~1:6.1。