TWI674593B - Ptc電流保護裝置 - Google Patents

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Abstract

一種PTC電流保護裝置，包含一PTC聚合物材料及兩個電極。該PTC聚合物材料包括一聚合物基材及一分散在該聚合物基材中的顆粒狀導電填料。該兩個電極貼附於該PTC聚合物材料。該聚合物基材是由一含有一非接枝的聚烯烴的聚合物組成物所製成；且該導電填料包括第一碳化鎢顆粒，基於該等第一碳化鎢顆粒的總重，該等第一碳化鎢顆粒的總碳含量低於6.0 wt%。該PTC電流保護裝置可在12 Vdc的電壓下操作，並展現出良好的可靠度。

Description

PTC電流保護裝置
本發明是有關於一種PTC電流保護裝置，特別是指一種包含一PTC聚合物材料的PTC電流保護裝置。
正溫度係數(Positive temperature coefficient, PTC)元件展現出等效於電路保護元件(例如可復式保險絲)的正溫度係數效應。該PTC元件包括一PTC聚合物材料，及接觸該PTC聚合物材料兩相反表面的一第一電極及一第二電極。
該PTC聚合物材料包括一含有一晶體區域及一非晶體區域的聚合物基材，及一顆粒狀導電填料。該顆粒狀導電填料分散於該聚合物基體之非晶體區域，並形成一用於電連接該第一電極及該第二電極之間的連續導電路徑。該正溫度係數效應指的是一種現象，該現象是當該晶體區域的溫度被升高至其熔點時，該晶體區域中的結晶開始熔化，從而產生一新的非晶體區域。當該非晶體區域增加至一合併至該原非晶體區域的程度時，該顆粒狀導電填料的導電路徑會轉變為非連續且該PTC聚合物材料的阻值會大幅增加，造成該第一電極及該第二電極之間電不導通。
碳化鎢(WC)顆粒適用在PTC元件中作為顆粒狀導電填料，現有含有碳化鎢顆粒的PTC元件通常在6 Vdc的電壓下操作。然而，當這類PTC元件在較高的電壓(例如12 Vdc)下操作時，其穩定性仍顯不足而有待提升。
因此，本發明之目的，即在提供一種PTC電流保護裝置，可以克服上述先前技術的缺點。
於是，本發明PTC電流保護裝置包含一PTC聚合物材料及兩個電極。該PTC聚合物材料包括一聚合物基材及一分散在該聚合物基材中的顆粒狀導電填料。該兩個電極貼附於該PTC聚合物材料。該聚合物基材是由一含有一非接枝的聚烯烴的聚合物組成物所製成；且該導電填料包括第一碳化鎢顆粒，基於該等第一碳化鎢顆粒的總重，該等第一碳化鎢顆粒的總碳含量低於6.0 wt%。
本發明之功效在於：該PTC電流保護裝置可在12 Vdc的電壓下操作，並展現出良好的可靠度。
以下將就本發明內容進行詳細說明：
較佳地，基於該等第一碳化鎢顆粒的總重，該等第一碳化鎢顆粒的總碳含量介於大於5.0 wt%至低於6.0 wt%。
較佳地，基於該等第一碳化鎢顆粒的總重，該等第一碳化鎢顆粒的總碳含量介於5.5 wt%至5.9 wt%。
較佳地，該導電填料還包括第二碳化鎢顆粒，基於該等第二碳化鎢顆粒的總重，該等第二碳化鎢顆粒的總碳含量為6.1 wt%。
較佳地，基於該PTC聚合物材料的總重，該PTC聚合物材料包括至少2.0 wt%的該等第一碳化鎢顆粒。
較佳地，基於該PTC聚合物材料的總重，該聚合物基材的含量介於4 wt%至8 wt%，該導電填料的含量介於92 wt%至96 wt%。
較佳地，該非接枝的聚烯烴是非接枝的聚乙烯。在本發明的具體實施例中，該非接枝的聚烯烴是高密度聚乙烯(HDPE)。
較佳地，該聚合物組成物還含有一經接枝的聚烯烴。更佳地，該經接枝的聚烯烴是經羧酸酐接枝的聚乙烯。該經羧酸酐接枝的聚乙烯可為經羧酸酐接枝的高密度聚乙烯。在本發明的具體實施例中，該經羧酸酐接枝的高密度聚乙烯是經馬來酸酐接枝的高密度聚乙烯。
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。
參閱圖1，本發明PTC電流保護裝置的一實施例包含一PTC聚合物材料2及兩個電極3。
該PTC聚合物材料2包括一聚合物基材21及一分散在該聚合物基材21中的顆粒狀導電填料22。該兩個電極3分別貼附於該PTC聚合物材料2的兩相反表面。
該聚合物基材21是由一含有一非接枝的聚烯烴的聚合物組成物所製成；且該導電填料22包括第一碳化鎢顆粒，基於該等第一碳化鎢顆粒的總重，該等第一碳化鎢顆粒的總碳含量低於6.0 wt%。
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。
實施例
＜實施例1 (E1) ＞
將10.5 g HDPE(購自台灣塑膠工業股份有限公司，產品型號：HDPE9002，作為非接枝的聚烯烴)、10.5 g經馬來酸酐接枝的HDPE(購自杜邦，產品型號：MB100D，作為經羧酸酐接枝的聚烯烴)、及279 g碳化鎢顆粒[在約1750℃及氫氣存在下的環境中所製得，總碳含量為5.9 wt%，平均粒徑為2.0 μm(以費氏微篩分粒器FSSS量測)，作為顆粒狀導電填料22的第一碳化鎢顆粒]在一混煉機(廠牌：Brabender)中混合配料，以溫度200℃、攪拌轉速50 rpm及加壓重量5 kg的條件混合配料10 min，以得到一混合物。
將該混合物進行熱壓，以溫度200℃及壓力80 kg/cm2 的條件熱壓4 min，以形成一厚度為0.28 mm的PTC聚合物材料2之薄片。
將兩銅箔片(作為電極3)分別與該薄片的兩個相反表面以面對面接觸，並以溫度200℃及壓力80 kg/cm2 的條件進行熱壓4 min，以形成一三明治構造的PTC層板。再將該PTC層板裁切成多個尺寸為4.5 mm × 3.2 mm的測試樣品後，用Co-60 γ射線以總輻射劑量150 kGy照射每一測試樣品。
＜實施例2 及3 (E2 及E3) ＞
實施例2及3 (E2及E3)之測試樣品的製程條件與實施例1相似，差異之處在於將第一碳化鎢顆粒、HDPE及經接枝的HDPE的使用量分別改變如表1所示。
＜實施例4 至8 (E4-E8) ＞
實施例4至8 (E4-E8)之測試樣品的製程條件與實施例2相似，差異之處在於將該等第一碳化鎢顆粒的總碳含量分別改變如表1所示。
＜實施例9 至12 (E9-E12) ＞
實施例9至12 (E9-E12)之測試樣品的製程條件與實施例2相似，差異之處在於實施例9至12的顆粒狀導電填料包括第一碳化鎢顆粒及第二碳化鎢顆粒，使用量分別如表1所示。
在實施例9至12中，基於該等第二碳化鎢顆粒的總重，該等第二碳化鎢顆粒的總碳含量為6.1 wt%。
＜比較例1 (CE1) ＞
比較例1 (CE1)之測試樣品的製程條件與實施例1相似，差異之處在於將顆粒狀導電填料、HDPE及經接枝的HDPE的使用量分別改變如表1所示。
在比較例1中，該顆粒狀導電填料是碳化鈦顆粒(TiC，平均粒徑為1.35 μm，殘氧量為0.9%)，不含第一碳化鎢顆粒。
＜比較例2 至7 (CE2-CE7) ＞
比較例2至7 (CE2-CE7)之測試樣品的製程條件與實施例1相似，差異之處在於將顆粒狀導電填料、HDPE及經接枝的HDPE的使用量分別改變如表1所示。
在比較例2至5中，該顆粒狀導電填料是第二碳化鎢顆粒(總碳含量為6.1 wt%)，不含第一碳化鎢顆粒。在比較例6及7中，該顆粒狀導電填料是總碳含量為6.0 wt%的碳化鎢顆粒，不含第一碳化鎢顆粒。
性能測試
將兩錫箔片分別焊接至實施例E1-E12及比較例CE1-CE7之每一測試樣品的該等銅箔片上，分別對每一實施例E1-E12及比較例CE1-CE7各取十片測試樣品，以進行下述的切換循環(switching cycle)測試；並分別對每一實施例E1-E12及比較例CE1-CE7各另取十片測試樣品，以進行下述的老化(aging)測試。
[ 切換循環測試 ]
以12 Vdc的電壓及10 A的電流接通每一測試樣品60秒，接著切斷60秒，如此進行7200次切換循環。分別測量開始前及7200次循環後的每一測試樣品的電阻(Rei 及Ref )，測定每一實施例E1-E12及比較例CE1-CE7的平均電阻變化百分率(Ref /Rei ×100%)，並計算每一實施例E1-E12及比較例CE1-CE7的切換循環通過率(pass ratio)(n/10×100%，n表示通過切換循環測試而沒有燒毀的測試樣品數量)。切換循環測試的結果顯示於表1。
表1結果顯示實施例E1-E12的切換循環通過率(70%-100%)明顯高於比較例CE1-CE7的切換循環通過率(10%-40%)。
[ 老化測試 ]
施加12 Vdc的電壓及10 A的電流於每一測試樣品1000小時。分別測量開始前及施加1000小時後的每一測試樣品的電阻(Rai 及Raf )，測定每一實施例E1-E12及比較例CE1-CE7的平均電阻變化百分率(Raf /Rai ×100%)，並計算每一實施例E1-E12及比較例CE1-CE7的老化通過率(n/10×100%，n表示通過老化測試而沒有燒毀的測試樣品數量)。老化測試的結果顯示於表1。
表1結果顯示實施例E1-E12的老化通過率(80%-100%)明顯高於比較例CE1-CE7的老化通過率(10%-50%)。
綜上所述，本發明PTC電流保護裝置藉由包含該等總碳含量低於6.0 wt%的第一碳化鎢顆粒，可在12 Vdc的電壓下操作，並展現出良好的可靠度，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‧‧‧PTC聚合物材料
21‧‧‧聚合物基材
22‧‧‧顆粒狀導電填料
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］是本發明PTC電流保護裝置的一實施例的一剖視示意圖。

Claims (8)

  1. 一種PTC電流保護裝置，包含：一PTC聚合物材料，包括一聚合物基材及一分散在該聚合物基材中的顆粒狀導電填料；及兩個電極，貼附於該PTC聚合物材料；其中，該聚合物基材是由一含有一非接枝的聚烯烴的聚合物組成物所製成；該導電填料包括第一碳化鎢顆粒，基於該等第一碳化鎢顆粒的總重，該等第一碳化鎢顆粒的總碳含量低於6.0wt%；且基於該PTC聚合物材料的總重，該聚合物基材的含量介於4wt%至8wt%，該導電填料的含量介於92wt%至96wt%。
  2. 如請求項1所述的PTC電流保護裝置，其中，基於該等第一碳化鎢顆粒的總重，該等第一碳化鎢顆粒的總碳含量介於大於5.0wt%至低於6.0wt%。
  3. 如請求項1所述的PTC電流保護裝置，其中，基於該等第一碳化鎢顆粒的總重，該等第一碳化鎢顆粒的總碳含量介於5.5wt%至5.9wt%。
  4. 如請求項1所述的PTC電流保護裝置，其中，該導電填料還包括第二碳化鎢顆粒，基於該等第二碳化鎢顆粒的總重，該等第二碳化鎢顆粒的總碳含量為6.1wt%。
  5. 如請求項1所述的PTC電流保護裝置，其中，基於該PTC聚合物材料的總重，該PTC聚合物材料包括至少2.0wt%的該等第一碳化鎢顆粒。
  6. 如請求項1所述的PTC電流保護裝置，其中，該非接枝的聚烯烴是高密度聚乙烯。
  7. 如請求項1所述的PTC電流保護裝置，其中，該聚合物組成物還含有一經接枝的聚烯烴。
  8. 如請求項7所述的PTC電流保護裝置，其中，該經接枝的聚烯烴是經羧酸酐接枝的高密度聚乙烯。
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