TWI598893B - Positive temperature coefficient overcurrent protection device - Google Patents
Positive temperature coefficient overcurrent protection device Download PDFInfo
- Publication number
- TWI598893B TWI598893B TW105121500A TW105121500A TWI598893B TW I598893 B TWI598893 B TW I598893B TW 105121500 A TW105121500 A TW 105121500A TW 105121500 A TW105121500 A TW 105121500A TW I598893 B TWI598893 B TW I598893B
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- polyolefin
- temperature coefficient
- positive temperature
- unit
- polyolefin unit
- Prior art date
Links
Landscapes
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
- Thermistors And Varistors (AREA)
Description
本發明是有關於一種正溫度係數過電流保護元件，特別是指一種具有不同熔流指數範圍的一第一聚烯烴單元、一第二聚烯烴單元及一第三聚烯烴單元的正溫度係數過電流保護元件。
正溫度係數導電性高分子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。正溫度係數過電流保護元件包括一正溫度係數導電性高分子材料層及形成在該正溫度係數導電性高分子材料層之兩相對應表面上的正、負電極。該正溫度係數導電性高分子材料層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，而造成該正溫度係數導電性高分子材料之電阻急速增加，並因而形成斷電。
正溫度係數過電流保護元件主要的訴求是要同時具有高的正溫度係數效應、高導電度、高電氣穩定性。
傳統的正溫度係數導電性高分子材料層通常包括一高分子基體及一導電性碳粉填充物。該高分子基體具有一聚合物組成。該聚合物組成通常包含一重量平均分子量範圍介於50,000
g/mol至300,000g/mol的非接枝型聚烯烴[具有一在190℃與2.16kg壓力下介於0.1g/10min至10g/10min的熔流指數(melt flow index,MFI)]與可選擇地一重量平均分子量範圍介於50,000g/mol至200,000g/mol的接枝型聚烯烴(具有一在190℃與2.16kg壓力下介於0.5g/10min至10g/10min的熔流指數)。該接枝型聚烯烴的主要功能在於增強正溫度係數導電性高分子材料層與電極之間的接著性。
由於元件的承受電壓會受到導電性碳粉填充物的導電度影響而降低，因此需要較高導電度且需要承受高電壓的電流保護元件並不適用導電性碳粉填充物。在提升承受電壓上，雖然可藉由增加非導電性顆粒填充物(例如無機化合物)等方式來增加正溫度係數導電性高分子材料層的承受電壓，但其導電度無法提高，無法適用在需要較高工作電流的裝置上。
因此，本發明之目的，即在提供一種正溫度係數過電流保護元件，可以提高正溫度係數高分子材料層的承受電壓，及穩定電氣特性與可靠性。
於是，本發明正溫度係數過電流保護元件包含一正溫度係數材料層及兩個設在該正溫度係數材料層上的電極。該正溫度係數材料層包括一高分子基體及一均勻分散於該高分子基體內的導電性顆粒填充物。該高分子基體具有一異相流變性聚合物組成(hetero-phase rheological polymer composition)，該異相流變性聚合物組成包含一第一聚烯烴單元、一第二聚烯烴單元及一第
三聚烯烴單元，該第一聚烯烴單元包含一非接枝型聚烯烴，該第一聚烯烴單元與該第二聚烯烴單元及該第三聚烯烴單元是共熔融混煉後固化而形成該高分子基體。該第一聚烯烴單元具有一在190℃與2.16kg壓力下介於0.1g/10min至2.5g/10min的熔流指數；該第二聚烯烴單元具有一在190℃與2.16kg壓力下介於20g/10min至30g/10min的熔流指數；該第三聚烯烴單元具有一在190℃與2.16kg壓力下小於0.00001g/10min的熔流指數。該第一聚烯烴單元占該異相流變性聚合物組成重量的2.5-75wt%；該第二聚烯烴單元占該異相流變性聚合物組成重量的12.5-75wt%；及該第三聚烯烴單元占該異相流變性聚合物組成重量的12.5-60wt%。
本發明之功效在於：該異相流變性聚合物組成包含特定熔流指數範圍的第二聚烯烴單元及第三聚烯烴單元，經與該第一聚烯烴單元共熔融混煉後固化可形成一具有耐高電壓與高電壓可靠性佳之高分子基體，並可提高本發明正溫度係數過電流保護元件之電氣穩定性與可靠性。
以下將就本發明內容進行詳細說明：
較佳地，該第一聚烯烴單元具有一介於50,000g/mol至300,000g/mol之間的重量平均分子量。
較佳地，該第二聚烯烴單元具有一介於10,000g/mol至49,000g/mol之間的重量平均分子量。
較佳地，該第三聚烯烴單元具有一不小於5,000,000g/mol的重量平均分子量。更佳地，該第三聚烯烴單元具有一介於5,000,000g/mol至10,500,000g/mol之間的重量平均分子量。
較佳地，該第一聚烯烴單元還包含一接枝型聚烯烴。
較佳地，該導電性顆粒填充物為碳黑(carbon black)。
較佳地，該導電性顆粒填充物占該正溫度係數材料層重量的40-60wt%。
較佳地，該導電性顆粒填充物的粒徑為40-100nm、DBP吸油量為60-120cc/100g及有機揮發成分為0.2-2.0wt%。
較佳地，該非接枝型聚烯烴、該第二聚烯烴單元及該第三聚烯烴單元為聚乙烯(PE)。更佳地，該非接枝型聚烯烴、該第二聚烯烴單元及該第三聚烯烴單元是高密度聚乙烯(HDPE)，該接枝型聚烯烴是羧酸酐接枝型高密度聚乙烯。
2‧‧‧正溫度係數材料層
21‧‧‧高分子基體
22‧‧‧導電性顆粒填充物
3‧‧‧電極
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：
〔圖1〕是一示意圖，說明本發明一實施例的正溫度係數過電流保護元件的結構。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
本發明將就以下實施例來作進一步說明，但應瞭解的是，該等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。
參閱圖1，本發明正溫度係數過電流保護元件的一實施例包含：一正溫度係數材料層2，該正溫度係數材料層2具有大於零
且小於0.3Ω-cm的體積電阻率；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包括一高分子基體21及一均勻分散於該高分子基體21內的導電性顆粒填充物22。
在本發明的具體實施例中，該高分子基體21具有一異相流變性聚合物組成，該異相流變性聚合物組成是指該聚合物組成包含熔流指數具有顯著差異的聚烯烴，該異相流變性聚合物組成包含至少一可熔流的(melt-extrudable)第一聚烯烴單元、一可熔流的第二聚烯烴單元及一可熔流的第三聚烯烴單元。該第一聚烯烴單元包含一非接枝型聚烯烴及一接枝型聚烯烴。該接枝型聚烯烴的主要功能在於增強該正溫度係數材料層2與該兩個電極3之間的接著性。該第一聚烯烴單元、該第二聚烯烴單元與該第三聚烯烴單元是共熔融混煉後固化而形成該高分子基體21。該第一聚烯烴單元具有一在190℃與2.16kg壓力下介於0.1g/10min至2.5g/10min的熔流指數；該第二聚烯烴單元具有一在190℃與2.16kg壓力下介於20g/10min至30g/10min的熔流指數；該第三聚烯烴單元具有一在190℃與2.16kg壓力下小於0.00001g/10min的熔流指數。該第一聚烯烴單元占該異相流變性聚合物組成重量的2.5-75wt%；該第二聚烯烴單元占該異相流變性聚合物組成重量的12.5-75wt%；及該第三聚烯烴單元占該異相流變性聚合物組成重量的12.5-60wt%。
在本發明的具體實施例中，該導電性顆粒填充物22為碳黑，其平均粒徑為82nm、DBP吸油量為75cc/100g及有機揮發成分為1.0wt%。該導電性顆粒填充物占該正溫度係數材料層重量的40-60wt%。
<實施例1(E1)>
將7.875g做為該非接枝型聚烯烴的高密度聚乙烯(購自Formosa plastic Corp.，商品型號為HDPE9007，重量平均分子量為120,000g/mol，在190℃與2.16kg壓力下的MFI約為0.8g/10min)、7.875g做為該接枝型聚烯烴的不飽和羧酸接枝型高密度聚乙烯(購自Dupont，商品型號為MB100D，重量平均分子量為80,000g/mol，在190℃與2.16kg壓力下的MFI約為2.0g/10min)、2.625g做為該第二聚烯烴單元的高密度聚乙烯(購自Formosa plastic Corp.，商品型號為HDPE7200，重量平均分子量為40,000g/mol，在190℃與2.16kg壓力下的MFI約為22.0g/10min)、2.625g做為該第三聚烯烴單元的高密度聚乙烯(購自Ticona，商品型號為GUR4170，重量平均分子量為10,500,000g/mol，在190℃與2.16kg壓力下的MFI小於0.00001g/10min(約為0.0000001g/10min))、與29g做為導電性顆粒填充物的碳黑(購自Columbian Chemicals Company，商品型號為Raven 430UB，平均粒徑為82nm，DBP吸油量為75cc/100g，有機揮發成分為1.0wt%，導電度為2.86×104m-1Ω-1)加入一Brabender混煉機內混煉。混煉溫度為200℃；攪拌速度為50rpm；加壓重量為5kg；混煉時間為10min。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4min、熱壓壓力為80kg/cm2，以將混練後的樣品熱壓成厚度為0.35mm的薄片。之後，於薄片兩側各貼一片鍍鎳銅箔(做為電極)，再依同樣熱壓條件熱壓，形成一厚度為0.42mm的三明治結構，將此三明治結構沖切成8mm×8mm的晶片樣品。
如表1所示，實施例1的正溫度係數材料層2由31.5wt%第一聚烯烴單元(該非接枝型聚烯烴與該接枝型聚烯烴的重量比為1：1)、5.25wt%第二聚烯烴單元、5.25wt%第三聚烯烴單元及58wt%導電性顆粒填充物所組成。而其中的異相流變性聚合物組成由75wt%第一聚烯烴單元、12.5wt%第二聚烯烴單元與12.5wt%第三聚烯烴單元所組成。測量實施例1所製得樣品的電阻值及體積電阻率，結果如表2所示。
表2中的「NA」表示無法進行測試。
<實施例2-7(E2-E7)>
實施例2-7之樣品的製備程序與條件與實施例1不同之處在於材料比例不同(如表1所示)。測量實施例2-7所製得樣品的電阻值及體積電阻率如表2所示。
<實施例8-10(E8-E10)>
實施例8-10之樣品的製備程序與條件分別與實施例4-6不同之處在於做為該第三聚烯烴單元的高密度聚乙烯是使用商品型號GUR4120(購自Ticona，商品型號為GUR4120，重量平均分子量為5,000,000g/mol，在190℃與2.16kg壓力下的MFI小於0.00001g/10min(約為0.000001g/10min))取代實施例4-6的GUR4170(如表1所示)。測量實施例8-10所製得樣品的電阻值及體積電阻率如表2所示。
<比較例1(CE1)>
比較例1之樣品的製備程序與條件與實施例1不同之處在於比較例1不添加該第二聚烯烴單元與第三聚烯烴單元且材料比例不同(如表1所示)，測量比較例1所製得樣品的電阻值及體積電阻率如表2所示。
<比較例2-4(CE2-CE4)>
比較例2-4之樣品的製備程序與條件與實施例1不同之處在於比較例2-4不添加該第三聚烯烴單元且材料比例不同(如表1所示)，測量比較例2-4所製得樣品的電阻值及體積電阻率如表2所示。
<比較例5-7(CE5-CE7)>
比較例5-7之樣品的製備程序與條件與實施例1不同之處在於比較例5-7不添加該第二聚烯烴單元且材料比例不同(如表1所示)。比較例7的材料配方在混煉機內混煉後無法成型製得樣品，故無法進行後續電性功能測試。測量比較例5-6所製得樣品的電阻值及體積電阻率如表2所示
<比較例8-9(CE8-CE9)>
比較例8-9之樣品的製備程序與條件與實施例1不同之處在於材料比例不同(如表1所示)。比較例8-9的材料配方在混煉機內混煉後無法成型製得樣品，故無法進行後續電性功能測試。
<比較例10-12(CE10-CE12)>
比較例10-12之樣品的製備程序與條件分別與實施例4-6不同之處在於做為該第三聚烯烴單元的高密度聚乙烯是使用商品型號GUR4012(購自Ticona，商品型號為GUR4012，重量平均分子量為1,500,000g/mol，在190℃與2.16kg壓力下的MFI為0.00001g/10min)取代實施例4-6的GUR4170(如表1所示)。測量比較例10-12所製得樣品的電阻值及體積電阻率如表2所示。
<比較例13(CE13)>
比較例13之樣品的製備程序與條件與比較例6不同之處在於做為該第三聚烯烴單元的高密度聚乙烯是使用商品型號GUR4012取代比較例6的GUR4170(如表1所示)。測量比較例13所製得樣品的電阻值及體積電阻率如表2所示。
電性功能測試
電阻對溫度測試(Resistance vs.Temperature test,RT test)
分別對實施例1-10及比較例1-6、10-13所製得樣品進行電阻對溫度測試：將樣品放置於熱風烘箱內，以升溫速率2℃/min從25℃升溫至185℃，樣品電連接微歐姆計(不通電)收集電阻及溫度數據，每一實施例及每一比較例皆測試10個樣品，記錄不同溫度下之電阻值，結果如表2所示。
表2的結果顯示實施例1之140℃電阻值(R140)的平均值為1002.58Ω；而比較例1之140℃電阻值(R140)的平均值僅為553.8Ω，明顯小於實施例1。140℃電阻值(R140)越高表示正溫度係數過電流保護元件可承受的額定電壓會越大。實施例1-10之140℃電阻值(R140)明顯大於比較例1-6、10-13之140℃電阻值(R140)，約為2倍。
崩壞測試(Breakdown test)
分別對實施例1-10與比較例1-6、10-13所製得樣品進行崩壞測試：以32Vdc及100A通電60秒進行測試，每一實施例及每一比較例皆測試10個樣品，記錄測試後不燒燬的個數通過率，結果如表2所示。
表2的結果顯示實施例1-10的崩壞測試通過率均為100%；比較例1(不含第二聚烯烴單元及第三聚烯烴單元)的崩壞測試通過率為0%；比較例2-4(不含第三聚烯烴單元)的崩壞測試通過率為0-20%；比較例5-6及13(不含第二聚烯烴單元)的崩壞測試通過率為20%；比較例10-12(第三聚烯烴單元為GUR4012)的崩壞測試通過率只有20-30%，顯示比較例1-6、10-13皆無法達到100%通過率。
崩壞測試(32Vdc)的結果顯示，只有以含第二聚烯烴單元及第三聚烯烴單元且第三聚烯烴單元之MFI在190℃與2.16kg壓力下小於0.00001g/10min的配方所製得樣品有極佳的表現。推測為添加該第二聚烯烴單元會和該第三聚烯烴單元在混煉溫度(200℃)下產生熔流現象，而與該第一聚烯烴單元之間的分子鏈
互熔而形成穩定均相，因此可以提升高分子基體的結構強度，進而提升正溫度係數過電流保護元件的電氣穩定性。
耐久性測試(Endurance test)
分別對實施例1-10及比較例1-6、10-13所製得樣品進行耐久性測試：以32Vdc、10A通電60秒及斷電60秒的條件下，進行7200次循環測試，每一實施例及每一比較例皆測試10個樣品，記錄測試後電阻(Rf)與測試前電阻(Ri)之電阻變化率及在循環測試後樣品不燒燬的個數通過率，結果如表2所示。
表2的結果顯示比較例1及4因樣品在測試中全數燒燬而無法進行電阻變化率的測量，實施例1-10的耐久性測試通過率及電阻變化率明顯優於比較例2-3、5-6、10-13，表示實施例1-10在32Vdc下具有較佳的電氣耐久性。
熱失控測試(Thermal runaway test)
分別對實施例1-10及比較例1-6、10-13所製得樣品進行熱失控測試：以32Vdc(100A)在環境溫度23℃下開始測試，以間隔2min逐步(stepwise)上升3.2Vdc，從32Vdc升電壓至64Vdc(一旦測試到元件燒燬即中止)，每一實施例及每一比較例皆測試5個樣品，記錄測試到可承受的最大破壞電壓(最大承受電壓)，結果如表2所示。
表2的結果顯示實施例1-10直到升電壓至64Vdc後仍未燒燬，明顯優於比較例1-6、10-13的最大承受電壓32-35.2Vdc，表示實施例1-10具有較佳的耐電壓性。
綜上所述，本發明正溫度係數過電流保護元件藉由該異相流變性聚合物組成包含特定熔流指數範圍的第二聚烯烴單元及第三聚烯烴單元，經與該第一聚烯烴單元共熔融混煉後固化而形成一具有耐高電壓與高電壓可靠性佳之高分子基體，並藉此提高正溫度係數過電流保護元件之電氣穩定性與可靠性，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書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
21‧‧‧高分子基體
22‧‧‧導電性顆粒填充物
3‧‧‧電極
Claims (10)
- 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；及兩個電極，設在該正溫度係數材料層上；該正溫度係數材料層包括一高分子基體及一均勻分散於該高分子基體內的導電性顆粒填充物；該高分子基體具有一異相流變性聚合物組成，該異相流變性聚合物組成包含一第一聚烯烴單元、一第二聚烯烴單元及一第三聚烯烴單元，該第一聚烯烴單元包含一非接枝型聚烯烴，該第一聚烯烴單元與該第二聚烯烴單元及該第三聚烯烴單元是共熔融混煉後固化而形成該高分子基體；該第一聚烯烴單元具有一在190℃與2.16kg壓力下介於0.1g/10min至2.5g/10min的熔流指數；該第二聚烯烴單元具有一在190℃與2.16kg壓力下介於20g/10min至30g/10min的熔流指數，且該第二聚烯烴單元具有一介於10,000g/mol至49,000g/mol之間的重量平均分子量；該第三聚烯烴單元具有一在190℃與2.16kg壓力下小於0.00001g/10min的熔流指數；該第一聚烯烴單元占該異相流變性聚合物組成重量的2.5-75wt%；該第二聚烯烴單元占該異相流變性聚合物組成重量的12.5-75wt%；及 該第三聚烯烴單元占該異相流變性聚合物組成重量的12.5-60wt%。
- 如請求項1所述的正溫度係數過電流保護元件，其中，該第一聚烯烴單元具有一介於50,000g/mol至300,000g/mol之間的重量平均分子量。
- 如請求項2所述的正溫度係數過電流保護元件，其中，該第三聚烯烴單元具有一不小於5,000,000g/mol的重量平均分子量。
- 如請求項3所述的正溫度係數過電流保護元件，其中，該第三聚烯烴單元具有一介於5,000,000g/mol至10,500,000g/mol之間的重量平均分子量。
- 如請求項1所述的正溫度係數過電流保護元件，其中，該第一聚烯烴單元還包含一接枝型聚烯烴。
- 如請求項1所述的正溫度係數過電流保護元件，其中，該導電性顆粒填充物為碳黑。
- 如請求項1所述的正溫度係數過電流保護元件，其中，該導電性顆粒填充物占該正溫度係數材料層重量的40-60wt%。
- 如請求項6所述的正溫度係數過電流保護元件，其中，該導電性顆粒填充物的粒徑為40-100nm、DBP吸油量為60-120cc/100g及有機揮發成分為0.2-2.0wt%。
- 如請求項1所述的正溫度係數過電流保護元件，其中，該非接枝型聚烯烴、該第二聚烯烴單元及該第三聚烯烴單元為聚乙烯。
- 如請求項5所述的正溫度係數過電流保護元件，其中，該非接枝型聚烯烴、該第二聚烯烴單元及該第三聚烯烴單元是高密度聚乙烯，該接枝型聚烯烴是羧酸酐接枝型高密度聚乙烯。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW105121500A TWI598893B (zh) | 2016-07-07 | 2016-07-07 | Positive temperature coefficient overcurrent protection device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW105121500A TWI598893B (zh) | 2016-07-07 | 2016-07-07 | Positive temperature coefficient overcurrent protection device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TWI598893B true TWI598893B (zh) | 2017-09-11 |
| TW201802836A TW201802836A (zh) | 2018-01-16 |
Family
ID=60719653
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW105121500A TWI598893B (zh) | 2016-07-07 | 2016-07-07 | Positive temperature coefficient overcurrent protection device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| TW (1) | TWI598893B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI684189B (zh) * | 2018-09-27 | 2020-02-01 | 聚鼎科技股份有限公司 | 正溫度係數元件 |
| TWI822427B (zh) * | 2022-10-28 | 2023-11-11 | 聚鼎科技股份有限公司 | 過電流保護元件 |
-
2016
- 2016-07-07 TW TW105121500A patent/TWI598893B/zh active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW201802836A (zh) | 2018-01-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3930905B2 (ja) | 導電性ポリマー組成物およびデバイス | |
| TWI529753B (zh) | 過電流保護元件 | |
| JP6598231B2 (ja) | 高分子系導電性複合材料及びｐｔｃ素子 | |
| JP3558771B2 (ja) | 正の温度係数組成物 | |
| JPH07507655A (ja) | 導電性ポリマー組成物 | |
| TWI598893B (zh) | Positive temperature coefficient overcurrent protection device | |
| US9773589B1 (en) | PTC circuit protection device | |
| JP3813611B2 (ja) | Ｐｔｃ特性を有する導電性重合体、この重合体のｐｔｃ特性を制御する方法およびこの重合体を用いた電子デバイス | |
| JP2013163808A (ja) | ポリマー厚膜正温度係数炭素組成物 | |
| US6479575B1 (en) | Electrical devices comprising conductive polymer blend compositions | |
| US9455075B1 (en) | Over-current protection device | |
| TW200816233A (en) | Conductive positive temperature coefficient polymer composition and circuit protection device made therefrom | |
| TW201120922A (en) | Method for enhancing current-carrying ability of polymer thermistor. | |
| CN106548839A (zh) | 过电流保护装置 | |
| TWI744625B (zh) | Ptc電路保護裝置 | |
| US10790074B1 (en) | PTC circuit protection device | |
| TWI779155B (zh) | 過電流保護裝置 | |
| TWI634569B (zh) | 過電流保護裝置 | |
| TWI726245B (zh) | 過電流保護裝置 | |
| TWI636467B (zh) | 正溫度係數過電流保護元件 | |
| CN107591228B (zh) | 正温度系数过电流保护元件 | |
| TWI567764B (zh) | 高分子正溫度係數過電流保護裝置 | |
| JP4957439B2 (ja) | 正抵抗温度特性抵抗体 | |
| US10325701B1 (en) | Over-current protection device | |
| JP2001085203A (ja) | Ｐｔｃ組成物 |