TWI822427B - 過電流保護元件 - Google Patents
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Abstract
一種過電流保護元件，包含第一金屬層、第二金屬層以及疊設於第一金屬層與第二金屬層間的熱敏材料層。熱敏材料層具有正溫度係數特性且包含高分子聚合物基材及導電填料。高分子聚合物基材包含聚烯烴類聚合物及含氟聚合物。含氟聚合物的熔流指數(melt flow index)大於1.9 g/10min，且聚烯烴類聚合物與含氟聚合物形成互穿聚合物網路(interpenetrating polymer networks，IPN)的結構。導電填料包含金屬陶瓷材料並散佈於高分子聚合物基材。
Description
本發明係關於一種過電流保護元件，更具體而言，關於一種低體積電阻率且耐高壓的過電流保護元件。
習知具有正溫度係數(Positive Temperature Coefficient，PTC)特性之導電複合材料之電阻對於特定溫度之變化相當敏銳，可作為電流感測元件的材料，且目前已被廣泛應用於過電流保護元件或電路元件上。具體而言，PTC導電複合材料在正常溫度下之電阻可維持極低值，使電路或電池得以正常運作。但是，當電路或電池發生過電流(over-current)或過高溫(overtemperature)的現象時，其電阻值會瞬間提高至一高電阻狀態(至少10
4Ω以上)，即所謂之觸發(trip)，而將過電流截斷，以達到保護電池或電路元件之目的。
就過電流保護元件的最基本結構而言，是由PTC材料層及黏附於其兩側的金屬電極所構成。PTC材料層至少會包含基材及導電填料。基材由高分子聚合物所組成，而導電填料則散佈於高分子聚合物中作為導電通道。就溫度而言，有許多電子設備所需的保護溫度約落在120℃左右，故高分子聚合物會選用觸發(trip)溫度也約略為120℃的聚乙烯。並且，為使過電流保護元件於未觸發時具有良好的電導通特性，且因此承受大電流和高功率，導電填料則會選用含金屬特性的材料為主成分，藉此製作成低體積電阻率的過電流保護元件。傳統上，在不影響觸發溫度的情形下，在低體積電阻率的過電流保護元件中僅會添加微量的高熔點聚合物(例如：熔點大於聚乙烯的聚偏二氟乙烯)以增加熱穩定性，進而提升耐電壓特性。若欲針對耐電壓特性再做進一步的改良，往往需額外加入其他添加劑。然而，加入其他添加劑常使得配方設計複雜化。例如，添加劑於選擇上須考量其與高分子聚合物及導電填料的相容性。並且，選定添加劑之後，更需精確地調整高分子聚合物及導電填料的比例以維持良好的電氣特性。再者，為了因應快速變遷的產業需求，配方常有改良的可能。每多增加一種化學組成，未來改良時的複雜度會更為驟增。
綜上，習知低體積電阻率的過電流保護元件，在耐電壓上的特性仍有相當的改善空間。
本發明提供一種低體積電阻率的過電流保護元件，並導入互穿聚合物網路(interpenetrating polymer networks，IPN)的概念，藉此改良低體積電阻率的過電流保護元件的耐電壓特性。
根據本發明之一實施態樣，一種過電流保護元件，包含第一金屬層、第二金屬層以及疊設於第一金屬層與第二金屬層之間的熱敏材料層。熱敏材料層具有正溫度係數特性且包含高分子聚合物基材及導電填料。高分子聚合物基材包含聚烯烴類聚合物及含氟聚合物。含氟聚合物的熔流指數(melt flow index)大於1.9 g/10min，且聚烯烴類聚合物與含氟聚合物形成互穿聚合物網路(interpenetrating polymer networks，IPN)的結構。導電填料的體積電阻值小於 500μΩ·cm並散佈於高分子聚合物基材中，用於形成熱敏材料層的導電通道。
根據一些實施例，含氟聚合物的熔流指數介於1.9 g/10min與30 g/10min之間。
根據一些實施例，以熱敏材料層之體積為100%計，聚烯烴類聚合物所佔的體積百分比為42%至51%，而含氟聚合物所佔的體積百分比為2%至11%。
根據一些實施例，熱敏材料層之體積為100%計，高分子聚合物基材所佔的體積百分比為50%至60%。
根據一些實施例，聚烯烴類聚合物選自由高密度聚乙烯、中密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚乙烯蠟、乙烯聚合物、聚丙烯、聚丁烯、聚氯乙烯及其任意組合之混合物或共聚物所組成的群組。
根據一些實施例，含氟聚合物選自由聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、乙烯-四氟乙烯共聚物、全氟烴氧改質四氟乙烯、聚(氯三-氟四氟乙烯)、二氟乙烯-四氟乙烯聚合物、四氟乙烯-全氟間二氧雜環戊烯共聚物、二氟乙烯-六氟丙烯共聚物、二氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯三聚物及其任意組合之混合物或共聚物所組成的群組。
根據一些實施例，導電填料為金屬陶瓷材料。以熱敏材料層之體積為100%計，金屬陶瓷材料所佔的體積百分比為35%至45%，且金屬陶瓷材料選自由碳化鎢、碳化鈦、碳化釩、碳化鋯、碳化鈮、碳化鉭、碳化鉬、碳化鉿、硼化鈦、硼化釩、硼化鋯、硼化鈮、硼化鉬、硼化鉿、氮化鋯及其任意組合所組成的群組。
根據一些實施例，熱敏材料層更包含另一導電填料，該另一導電填料為碳黑，且以熱敏材料層之體積為100%計，碳黑所佔的體積百分比為4%至6%。
根據一些實施例，更包含阻燃劑。阻燃劑為非金屬氮化物，且以熱敏材料層之體積為100%計，阻燃劑所佔的體積百分比為1%至3%。
根據一些實施例，阻燃劑為氮化硼。
根據一些實施例，過電流保護元件的體積電阻率(ρ)為0.015 Ω·cm至0.019 Ω·cm。
根據一些實施例，過電流保護元件具有第一電氣特性。第一電氣特性為耐電壓值，為至少48V。
根據一些實施例，過電流保護元件具有第二電氣特性。第二電氣特性為電阻躍升率，為4.8至6.2。
根據一些實施例，過電流保護元件具有第三電氣特性。第三電氣特性為過電流保護元件之單位面積可承受功率，為6.7 W/mm
2至7.5 W/mm
2。
為讓本發明之上述和其他技術內容、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出相關實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
請參照圖1， 顯示本發明之過電流保護元件的基本態樣。過電流保護元件10包含第一金屬層12、第二金屬層13，以及疊設於第一金屬層12與第二金屬層13之間的熱敏材料層11。第一金屬層12及第二金屬層13皆可由鍍鎳銅箔或其他導電金屬所組成。熱敏材料層11具有正溫度係數特性，且包含高分子聚合物基材及導電填料。導電填料包含金屬陶瓷材料並散布於高分子聚合物基材中，形成熱敏材料層11的導電通道。須注意的是，在本發明中，熱敏材料層11為具有正溫度係數(Positive Temperature Coefficient，PTC)特性的正溫度係數材料層。而為了降低過電流保護元件10的體積電阻率，導電填料具有小於500μΩ·cm的體積電阻值，例如可選用金屬陶瓷材料、金屬、金屬合金或上述混合物作為導電填料的主要成分。換句話說，本發明是針對低體積電阻率類型的過電流保護元件進行改良。
在熱敏材料層11中，高分子聚合物基材包含聚烯烴類聚合物及含氟聚合物。本發明是選用熔點較低的聚烯烴類聚合物為高分子聚合物基材的主成分，而熔點較高的含氟聚合物為高分子聚合物基材的次成分。並且，在不影響觸發電流或溫度的情況下，將含氟聚合物的熔流指數(melt flow index)調整為大於1.9 g/10min，使得聚烯烴類聚合物與含氟聚合物形成良好的互穿聚合物網路(interpenetrating polymer networks，IPN)的結構(下文亦簡稱為IPN結構)。透過互穿聚合物網路的結構，除了可增加熱敏材料層11的結構穩定性，使過電流保護元件10不易受到觸發而膨脹變形，並可進而提升耐電壓特性。
更具體而言，熔流指數亦可稱為熔體流動速率(melt flow rate)，係指聚合物每十分鐘流經標準毛細管的熔體克數，可用於評估聚合物熔融狀態時的流動性。熔流指數越高，意味著熔體流動性越佳。相反地，熔流指數越低，意味著熔體流動性越差。按ASTM D1238的標準規範進行測試，於230℃之溫度下，含氟聚合物的熔流指數介於1.9 g/10min與30 g/10min之間。當含氟聚合物的熔流指數低於1.9 g/10min時，含氟聚合物於高溫時的流動性過差，會造成聚烯烴類聚合物與含氟聚合物之間的相分離(phase separation)。更詳細而言，聚烯烴類聚合物與含氟聚合物於高溫混練時，含氟聚合物會因為流動性差而分散的較為不均。在前述分散不均勻的情況下，意味著部分聚烯烴類聚合物較為集中於某一區域，而部分含氟聚合物較為集中於另一區域。進行交聯的過程中，各自會交聯成獨立的網狀結構，而非相互穿透的網狀結構(即IPN結構)。應理解的是，IPN結構為穩固的網狀結構，使聚烯烴類聚合物與含氟聚合物彼糾纏在一起而無法進行大尺度的運動，故有助於兩者呈現穩定的相容狀態。而在沒有IPN結構的情況下，聚烯烴類聚合物與含氟聚合物容易產生相分離。另外，當含氟聚合物的熔流指數高於30 g/10min時，含氟聚合物於高溫時的流動性太高，同樣也會有相分離的問題產生。其因在於，含氟聚合物的流動性過佳，意味著運動能力較佳的小分子量鏈段較多。然而，小分子量的鏈段長度過短，這些短鏈段彼此難以交聯成網狀結構。在這種情況下，即使含氟聚合物均勻地混練於聚烯烴類聚合物之中，也難以形成IPN結構。換句話說，含氟聚合物的熔流指數不宜太高或太低，含氟聚合物的熔流指數太高或太低於交聯反應過程中均會造成聚烯烴類聚合物與含氟聚合物之間的相分離問題，不易或甚至無法形成IPN結構。
此外，如上文所提，聚烯烴類聚合物為高分子聚合物基材的主成分，而含氟聚合物為高分子聚合物基材的次成分。本發明主要是應用於低溫(約110℃至140℃)保護的電子設備，所以熔點較高的含氟聚合物不宜添加過多。故於本發明中，以熱敏材料層11之體積為100%計，聚烯烴類聚合物所佔的體積百分比為42%至51%，而含氟聚合物所佔的體積百分比為2%至11%。並且，為保有良好的觸發特性，高分子聚合物基材在熱敏材料層11中所佔的體積百分比較佳為至少一半，如50%至60%。故於一實施例中，若以高分子聚合物基材之體積為100%計，聚烯烴類聚合物所佔的體積百分比為78%至97%，而含氟聚合物所佔的體積百分比為3%至22%。而在較佳的一實施例中，若以高分子聚合物基材之體積為100%計，聚烯烴類聚合物所佔的體積百分比為81%至95%，而含氟聚合物所佔的體積百分比為5%至19%。若含氟聚合物在高分子聚合物基材中所佔的體積百分比超過低於5%，會因含量過少而無法與聚烯烴類聚合物有效地形成穩固的IPN結構。若含氟聚合物在高分子聚合物基材中所佔的體積百分比超過19%，會導致觸發的溫度點明顯攀升至過高，不適用於對與過電流保護元件連接的電子設備起到低溫保護作用。
在本發明中，聚烯烴類聚合物選自由高密度聚乙烯、中密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚乙烯蠟、乙烯聚合物、聚丙烯、聚丁烯、聚氯乙烯及其任意組合之混合物或共聚物所組成的群組。在一實施例中，聚烯烴類聚合物可依保護溫度的需求而進行選擇，例如選擇熔點較低的低密度聚乙烯，或選擇熔點較高的高密度聚乙烯。至於含氟聚合物，則選自由聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、乙烯-四氟乙烯共聚物、全氟烴氧改質四氟乙烯、聚(氯三-氟四氟乙烯)、二氟乙烯-四氟乙烯聚合物、四氟乙烯-全氟間二氧雜環戊烯共聚物、二氟乙烯-六氟丙烯共聚物、二氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯三聚物及其任意組合之混合物或共聚物所組成的群組。在一實施例中，含氟聚合物為聚偏二氟乙烯。並且，聚偏二氟乙烯可視需求調整其本身的物化特性，以獲得具有相同熔點但不同熔流指數的數種聚偏二氟乙烯。舉例來說，藉由分子量大小的調整，偏二氟乙烯單體或寡聚物可聚合成熔流指數為1.8 g/10min 至2 g/10min的第一聚偏二氟乙烯(下文亦稱PVDF-1)；偏二氟乙烯單體或寡聚物可聚合成熔流指數為2.5 g/10min至3.5 g/10min的第二聚偏二氟乙烯(下文亦稱PVDF-2)；偏二氟乙烯單體或寡聚物可聚合成熔流指數為6 g/10min至7 g/10min的第三聚偏二氟乙烯(下文亦稱PVDF-3)；或偏二氟乙烯單體或寡聚物可聚合成熔流指數為21 g/10min至23 g/10min的第四聚偏二氟乙烯(下文亦稱PVDF-4)。無論是PVDF-1、PVDF-2、PVDF-3或PVDF-4，只要熔流指數落於1.9 g/10min與 30 g/10min 之間，高分子聚合物基材皆可具有良好的IPN結構。有鑑於此，在一實施例中，聚偏二氟乙烯的熔流指數亦可為2.5 g/10min、3.5 g/10min、7 g/10min、7.5 g/10min、7.9 g/10min、10 g/10min、15 g/10min、17 g/10min、19 g/10min、25 g/10min或28 g/10min。在某些情況下，更可將兩種(或超過兩種)不同熔流指數的聚偏二氟乙烯混合使用，例如將PVDF-1與PVDF-2混合。又例如，將PVDF-1、PVDF-2及PVDF-3混合使用。據此，根據一些實施例，含氟聚合物選自由第一聚偏二氟乙烯、第二聚偏二氟乙烯、第三聚偏二氟乙烯、第四聚偏二氟乙烯及其組合所組成的群組。
至於導電填料，本發明為提高電導度係以體積電阻值小於500 μΩ·cm的金屬陶瓷材料為主，非如傳統採用純碳黑為導電填料的組成。據此，以熱敏材料層11之體積為100%計，金屬陶瓷材料所佔的體積百分比為35%至45%。而在材料的選擇上，金屬陶瓷材料可選自由碳化鎢、碳化鈦、碳化釩、碳化鋯、碳化鈮、碳化鉭、碳化鉬、碳化鉿、硼化鈦、硼化釩、硼化鋯、硼化鈮、硼化鉬、硼化鉿、氮化鋯及其任意組合所組成的群組。若為使過電流保護元件10具有較佳的耐電壓特性，熱敏材料層11更可包含少量的另一導電填料，該另一導電填料可以是碳黑，其可使過電流保護元件10承受高電壓。例如，以熱敏材料層之體積為100%計，金屬陶瓷材料所佔的體積百分比為35%至45%，而碳黑所佔的體積百分比為4%至6%。較佳地，本發明觀察到在導電填料的組合中，選用金屬碳化物(例如碳化鎢)搭配碳黑可使過電流保護元件10保有低體積電阻率的同時具有較佳的耐電壓特性。
除此之外，為提高過電流保護元件10的耐燃性，熱敏材料層11更可包含阻燃劑。以熱敏材料層之體積為100%計，阻燃劑所佔的體積百分比為1%至3%。阻燃劑可選用氮化硼、氮化鋁、氧化鋁或氫氧化鎂。在高分子聚合物基材以高密度聚乙烯為主，而導電填料為低體積電阻率的系統中，阻燃劑較佳可選用非金屬氮化物，例如前述的氮化硼。
透過含氟聚合物的熔流指數的調整，過電流保護元件10的體積電阻率(ρ)為0.015 Ω·cm至0.019 Ω·cm，並可具有其他數種優良的電氣特性。舉例來說，過電流保護元件10可具有以下至少三種優良的電氣特性(下文稱第一電氣特性、第二電氣特性及第三電氣特性)。前述第一電氣特性為耐電壓值，為至少48V。就低體積電阻率的過電流保護元件10而言，若高分子聚合物基材僅由聚烯烴類聚合物組成時(如採用純高密度聚乙烯的聚合物系統)，其耐電壓值頂多約為30 V。相較之下，本發明添加少量具有特定熔流指數的含氟聚合物，得以使過電流保護元件10的耐電壓值提升至48V。第二電氣特性為電阻躍升率，為4.8至6.2。前述電阻躍升率係用於評估電阻穩定性的指標之一。舉例來說，於室溫時，過電流保護元件10在經循環壽命測試前具有第一電阻值。接著，過電流保護元件10經循環壽命測試的數次觸發後再冷卻至室溫時會具有第二電阻值。將第二電阻值除以第一電阻值所得的數值即為電阻躍升率。電阻躍升率越低意味著過電流保護元件10的電阻值恢復能力或電阻回復性越佳，保護元件具有越佳的電阻再現性。在最佳的實施例中，循環壽命測試為300次循環，而電阻躍升率為4.8。第三電氣特性為過電流保護元件10之單位面積可承受功率，以下搭配圖2進行說明。圖2顯示圖1之過電流保護元件10的上視圖。過電流保護元件10具有長度A及寬度B，而面積“A×B”亦等同於熱敏材料層11的面積。熱敏材料層11依產品型號不同可具有上視面積為30 mm
2至72 mm
2。舉例而言，面積“A×B”可為5×6 mm
2、5.1×6.1 mm
2、5×7 mm
2、7.62×7.62 mm
2、8.2×7.15 mm
2、7.62×9.35 mm
2或8×9 mm
2。相較於傳統的低體積電阻率的過電流保護元件，本發明過電流保護元件10的單位面積可承受的功率大出許多。例如，以5.1×6.1 mm
2的尺寸而言，過電流保護元件10之單位面積可承受功率為6.7 W/mm
2至7.5 W/mm
2。
如上所述，本發明可使過電流保護元件10於高溫下具有良好的電氣特性。下表一至表三進一步以實際的驗證數據進行說明。
表一、熱敏材料層11的配方比例(vol %)
| 組別 | HDPE | PVDF-1 | PVDF-2 | PVDF-3 | PVDF-4 | PVDF-5 | BN | CB | WC |
| E1 | 46.0 | 7.0 | 2.0 | 5.0 | 40.0 | ||||
| E2 | 46.0 | 7.0 | 2.0 | 5.0 | 40.0 | ||||
| E3 | 46.0 | 7.0 | 2.0 | 5.0 | 40.0 | ||||
| E4 | 46.0 | 7.0 | 2.0 | 5.0 | 40.0 | ||||
| E5 | 50.0 | 3.0 | 2.0 | 5.0 | 40.0 | ||||
| E6 | 43.0 | 10.0 | 2.0 | 5.0 | 40.0 | ||||
| C1 | 46.0 | 7.0 | 2.0 | 5.0 | 40.0 | ||||
| C2 | 53.0 | 2.0 | 5.0 | 40.0 | |||||
| C3 | 53.0 | 2.0 | 5.0 | 40.0 |
表二、含氟聚合物的熔流指數
| 聚合物 | 熔流指數 (g/10min) |
| PVDF-1 | 1.958 |
| PVDF-2 | 3 |
| PVDF-3 | 6.5 |
| PVDF-4 | 22 |
| PVDF-5 | 1.602 |
如表一所示，以體積百分比顯示各實施例(組別E1至組別E6)及比較例(組別C1至組別C3)於熱敏材料層11的配方成份。第一欄由上至下顯示各組別，為E1至C3。第一列由左至右顯示熱敏材料層11中的各種材料成份，分別為高密度聚乙烯(High density polyethylene，HDPE)、聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene difluoride，PVDF)、氮化硼(Boron nitride，BN)、碳黑(Carbon black，CB)及碳化鎢(Tungsten carbide，WC)。需特別注意的是，上述作為試驗的聚偏二氟乙烯有五種(即PVDF-1、PVDF-2、PVDF-3、PVDF-4及PVDF-5)，各具有不同的熔流指數。如表二所示，第一種聚偏二氟乙烯(PVDF-1)具有熔流指數為1.958 g/10min。第二種聚偏二氟乙烯(PVDF-2)具有熔流指數為3 g/10min。第三種聚偏二氟乙烯(PVDF-3)具有熔流指數為6.5 g/10min。第四種聚偏二氟乙烯(PVDF-4)具有熔流指數為22 g/10min。第五種聚偏二氟乙烯(PVDF-4)具有熔流指數為1.602 g/10min。熔流指數係按ASTM D1238的標準規範，於230℃之溫度量測而得。此外，各組別皆以氮化硼作為阻燃劑。至於導電填料，為提升元件導電性，係以碳化鎢為主，而碳黑為次，因此碳化鎢及碳黑的組合大致上可稱為低體積電阻率系統的導電填料。由以上可知，此配方主要針對聚偏二氟乙烯本身的物化特性進行調整，並驗證此種調整在高分子聚合物基材以HDPE為主，而導電填料為低體積電阻率系統時的表現。
實施例E1至實施例E6，高分子聚合物基材的主成分皆為HDPE，而次要成分則為PVDF。由於PVDF的熔點約170℃至178℃，遠高於HDPE，故PVDF於比例上不可過大，避免影響過電流保護元件的保護溫度及其他觸發特性。也就是說，HDPE與PVDF的相對比例須經適度調整。具體來說，HDPE：PVDF的體積百分比例為約81：19至95：5。意即，當HDPE及PVDF的體積總和以100%計時，聚烯烴類聚合物所佔的體積百分比為81%至95%，而含氟聚合物所佔的體積百分比為5%至19%。另須注意到，高分子聚合物基材(即HDPE及PVDF)在熱敏材料層11所佔的體積百分比也需調整在適當的範圍，太低則觸發時無法完全截斷電流，太高又會使導電情形不良。在此配方中，高分子聚合物基材在熱敏材料層11中所佔的體積百分比為至少一半，如53%。應理解的是，高分子聚合物基材所佔的體積百分比在50%至60%皆可達相同的技術功效。
比較例C1中，高分子聚合物基材的成分與實施例E1至實施例E6類似，同樣也是選用HDPE及PVDF。不同的是，比較例C1的PVDF-5具有較低的熔流指數，故比較例C1在熔體狀態時的流動性優於實施例。據此，比較例C1可用於比較低熔流指數之PVDF與本發明高熔流指數之PVDF的差異。
至於比較例C2及比較例C3，與實施例E1至實施例E6的差異主要在於聚合物系統所含有的聚合物種類。比較例C2中的高分子聚合物基材僅由HDPE組成，而比較例C3的高分子聚合物基材僅由PVDF(即PVDF-5)組成。據此，比較例C2及比較例C3中的聚合物僅會形成單一的網狀結構，未有IPN結構。
基於表一所呈現的配方，將配方中的材料加入HAAKE公司生產之雙螺桿混練機中進行混練。混練之溫度設定為215℃，預混之時間為3分鐘，而混練之時間則為15分鐘。混練完成後可獲得導電性聚合物，並以熱壓機於210℃及150 kg/cm
2之壓力壓成薄片，再將薄片切成約20公分×20公分之正方形。接著，再同樣用熱壓機以210℃之溫度及150kg/cm
2之壓力將兩鍍鎳銅箔壓合至導電性聚合物之薄片的兩面，形成具有三層結構的板材。最後，以沖床將此板材沖壓出多個PTC晶片，而這些PTC晶片即為過電流保護元件。過電流保護元件的長及寬分別為5.1mm及6.1 mm (即上視面積為31.11 mm
2)，而厚度為0.82 mm。接著，將實施例及比較例所製得的PTC晶片經過300kGy的照光劑量照射後(照光劑量可視需求調整，並非本發明的限制條件)，各取5個做為測試樣本，進行後續試驗。
本試驗主要透過循環壽命測試來評估過電流保護元件的耐電壓特性。循環壽命測試是以48V/20A的電壓/電流施加10秒後，關閉60秒為一個循環。如此，反覆300個循環後，觀察過電流保護元件是否有燒毀的情形，藉此評估過電流保護元件的相關電氣特性。應注意的是，下述測試僅供作為示範目的，而非限制本發明。結果如下表三。
表三、循環壽命測試
| 組別 | R i(Ω) | ρ_R i(Ω·cm) | I-T 25℃(A) | I-T 25℃/area (A/mm 2) | P 25℃/area (W/mm 2) | R 300C(Ω) | R 300C/R i |
| E1 | 0.00482 | 0.0183 | 4.40 | 0.141 | 6.79 | 0.02302 | 4.8 |
| E2 | 0.00428 | 0.0163 | 4.48 | 0.144 | 6.91 | 0.02495 | 5.8 |
| E3 | 0.00436 | 0.0165 | 4.58 | 0.147 | 7.07 | 0.02645 | 6.1 |
| E4 | 0.00408 | 0.0155 | 4.80 | 0.154 | 7.41 | 0.02470 | 6.0 |
| E5 | 0.00402 | 0.0152 | 4.43 | 0.142 | 6.84 | 0.02298 | 5.7 |
| E6 | 0.00421 | 0.0160 | 4.38 | 0.141 | 6.76 | 0.02593 | 6.2 |
| C1 | 0.00442 | 0.0168 | 4.48 | 0.144 | - | - | - |
| C2 | 0.00438 | 0.0166 | 4.20 | 0.135 | - | - | - |
| C3 | 0.00614 | 0.0233 | 3.90 | 0.125 | - | - | - |
如表三所示，第一列由左至右顯示各驗證項目。
R
i，係指於室溫下過電流保護元件的初始電阻值。另外，根據體積電阻率的公式ρ = R×A/L，R為電阻值，L為厚度，而A為面積。據此，可求得R
i的體積電阻率為ρ_R
i。
I-T
25℃，係指於25℃環境下，過電流保護元件的觸發電流的大小。
I-T
25℃/area，係指於25℃環境下，過電流保護元件之單位面積的觸發電流的大小。
P
25℃/area，係指於25℃環境下，過電流保護元件之單位面積可承受的功率。
R
300C，係指過電流保護元件經300次循環壽命測試後冷卻至室溫所測得的電阻值。據此，可進一步算得300次循環壽命測試後的電阻躍升率(即R
300C/ R
i)，其比值越低意味著過電流保護元件恢復至低電阻狀態的能力或電阻回復性越佳。換句話說，電阻躍升率可用於評估電阻穩定性。
在實施例E1至實施例E6，是選用熔流指數至少大於1.9 g/10min的PVDF做為高分子聚合物基材的次要成分，如此HDPE與PVDF得以形成穩固的IPN結構，並通過300次循環的循環壽命測試。並且，IPN結構並未產生其他不利因素而影響電導通情形(即ρ_R
i)及觸發閾值(即I-T
25℃)。更詳細而言，實施例E1至實施例E6雖額外添加具有特定熔流指數的PVDF，仍可維持與傳統過電流保護元件(比較例C1至比較例C3)類似的低體積電阻率，約0.0152 Ω·cm至0.0183 Ω·cm；並且，在室溫下的觸發電流大小(I-T
25℃)保持在類似範圍為4.38 A至4.80 A，故可應用於具有相同保護需求(即需求的觸發電流)的設備中。更有益的是，在具有相同保護需求的設備中，實施例E1至實施例E6可承受更高電壓的衝擊，且循環衝擊至少300次不會燒毀。故於表三中，可相應算得實施例E1至實施例E6於48V/20A之下單位面積可承受的功率(P
25℃/area)、循環壽命測試後的電阻值(R
300C)及電阻躍升率(R
300C/ R
i)。實施例E1至實施例E6的單位面積可承受的功率(P
25℃/area)為約6.7 W/mm
2至7.5 W/mm
2；循環壽命測試後的電阻值(R
300C) 為約0.022 Ω至0.027 Ω；而電阻躍升率(R
300C/ R
i)為約4.8至6.2。並且，實施例E1具有最佳的電阻躍升率(R
300C/ R
i)為4.8，意即電阻回復性最佳，具有最佳的電阻穩定性。而比較例C1至比較例C3無法通過48V/20A的循環壽命測試而燒毀，故無法算得前述三者數值。
可再注意到，比較例C1的高分子聚合物基材雖同樣具有PVDF，然而其熔流指數過低，HDPE與PVDF沒辦法形成IPN結構(或IPN結構佔熱敏材料層的比例太低)而有相分離的情形。因此，比較例C1雖具有低體積電阻率及與其他組別類似的需求觸發電流，但無法通過循環壽命測試。比較例C2，高分子聚合物基材皆由HDPE組成，並無PVDF的存在。在缺少PVDF的情況下，會顯著降低過電流保護元件的熱穩定性，易因觸發時的高溫而影響整體結構及電阻穩定性，進而無法承受高電壓的反覆衝擊。至於比較例C3，高分子聚合物基材皆由PVDF組成，並無HDPE的存在。在缺少HDPE的情況下，會使高分子聚合物基材的結晶性回復能力不佳。原因在於，PVDF的結晶度遠低於HDPE的結晶度。HDPE的結晶度為約70%，而PVDF的結晶度則約30%至50%。過電流保護元件觸發時的高溫會使高分子聚合物基材的非晶態比例上升，而非晶態是無序排列的結構狀態，較為不穩定。結晶度過低，會使高分子聚合物基材從非晶態回復至結晶態的情況較差，進而影響過電流保護元件整體的耐電壓特性。
綜合上述，本發明提供一種低體積電阻率的過電流保護元件，並針對高分子聚合物基材進行改良。高分子聚合物基材以聚烯烴類聚合物為主成分，另添加含氟聚合物為次成分以提升熱穩定性。除此之外，更選用具有特定熔流指數的含氟聚合物，使聚烯烴類聚合物與含氟聚合物形成良好的IPN結構，進而提升聚烯烴類聚合物與含氟聚合物的相容性。如此，可避免聚烯烴類聚合物與含氟聚合物之間相分離的問題。過電流保護元件的整體結構的穩定性得以提升，藉此改善耐電壓特性。
本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而本領域具有通常知識之技術人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。 因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。
10:過電流保護元件
11:熱敏材料層
12:第一金屬層
13:第二金屬層
A:長度
B:寬度
圖1顯示本發明一實施例之過電流保護元件；以及
圖2顯示圖1之過電流保護元件之上視圖。
10:過電流保護元件
11:熱敏材料層
12:第一金屬層
13:第二金屬層
Claims (14)
- 一種過電流保護元件，包含： 一第一金屬層； 一第二金屬層；以及 一熱敏材料層，疊設於該第一金屬層與該第二金屬層之間，該熱敏材料層具有正溫度係數特性且包含： 一高分子聚合物基材，包含一聚烯烴類聚合物及一含氟聚合物，其中該含氟聚合物的熔流指數(melt flow index)大於1.9 g/10min，且該聚烯烴類聚合物與該含氟聚合物形成互穿聚合物網路(interpenetrating polymer networks，IPN)的結構；以及 一導電填料，該導電填料的體積電阻值小於500 μΩ·cm並散佈於該高分子聚合物基材中，用於形成該熱敏材料層的導電通道。
- 根據請求項1之過電流保護元件，其中該含氟聚合物的熔流指數介於1.9 g/10min與30 g/10min之間。
- 根據請求項2之過電流保護元件，其中以該熱敏材料層之體積為100%計，該聚烯烴類聚合物所佔的體積百分比為42%至51%，而該含氟聚合物所佔的體積百分比為2%至11%。
- 根據請求項3之過電流保護元件，其中以該熱敏材料層之體積為100%計，該高分子聚合物基材所佔的體積百分比為50%至60%。
- 根據請求項3或請求項4之過電流保護元件，其中該聚烯烴類聚合物選自由高密度聚乙烯、中密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚乙烯蠟、乙烯聚合物、聚丙烯、聚丁烯、聚氯乙烯及其任意組合之混合物或共聚物所組成的群組。
- 根據請求項5之過電流保護元件，其中該含氟聚合物選自由聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、乙烯-四氟乙烯共聚物、全氟烴氧改質四氟乙烯、聚(氯三-氟四氟乙烯)、二氟乙烯-四氟乙烯聚合物、四氟乙烯-全氟間二氧雜環戊烯共聚物、二氟乙烯-六氟丙烯共聚物、二氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯三聚物及其任意組合之混合物或共聚物所組成的群組。
- 根據請求項4之過電流保護元件，其中該導電填料為一金屬陶瓷材料，而該熱敏材料層之體積為100%計，該金屬陶瓷材料所佔的體積百分比為35%至45%，且該金屬陶瓷材料選自由碳化鎢、碳化鈦、碳化釩、碳化鋯、碳化鈮、碳化鉭、碳化鉬、碳化鉿、硼化鈦、硼化釩、硼化鋯、硼化鈮、硼化鉬、硼化鉿、氮化鋯及其任意組合所組成的群組。
- 根據請求項7之過電流保護元件，其中該熱敏材料層更包含另一導電填料，該另一導電填料為碳黑，且以該熱敏材料層之體積為100%計，該碳黑所佔的體積百分比為4%至6%。
- 根據請求項8之過電流保護元件，更包含一阻燃劑，該阻燃劑為一非金屬氮化物，且以該熱敏材料層之體積為100%計，該阻燃劑所佔的體積百分比為1%至3%。
- 根據請求項9之過電流保護元件，其中該阻燃劑為氮化硼。
- 根據請求項1之過電流保護元件，其中該過電流保護元件的體積電阻率(ρ)為0.015 Ω·cm至0.019 Ω·cm。
- 根據請求項11之過電流保護元件，其中該過電流保護元件具有一第一電氣特性，該第一電氣特性為耐電壓值，為至少48V。
- 根據請求項12之過電流保護元件，其中該過電流保護元件具有一第二電氣特性，該第二電氣特性為電阻躍升率，為4.8至6.2。
- 根據請求項13之過電流保護元件，其中該過電流保護元件具有一第三電氣特性，該第三電氣特性為該過電流保護元件之單位面積可承受功率，為6.7 W/mm 2至7.5 W/mm 2。
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