CN103242579B - 高导电性高分子正温度系数组合物及过电流保护元件 - Google Patents
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Abstract
一种高导电性高分子正温度系数组合物，包含：高分子组份，包括至少一种聚合物；及导电填充物组份，包括金属类导电颗粒，陶瓷类导电颗粒，以及碳类导电颗粒。其中，该高分子组份与该导电填充物组份的重量比是介于1:13～1:5.5，该金属类导电颗粒的重量高于该陶瓷类导电颗粒，且该陶瓷类导电颗粒的重量高于该碳类导电颗粒，及该碳类导电颗粒占该导电填充物组份重量的2.8wt％～7.3wt％。
Description
技术领域
本发明涉及一种高导电性高分子正温度系数组合物及一种正温度系数过电流保护元件，特别是涉及一种具有金属类导电颗粒，陶瓷类导电颗粒以及碳类导电颗粒的高导电性高分子正温度系数组成物。
背景技术
导电性高分子正温度系数元件由于具有正温度系数效应，所以可作为过电流保护元件用途。导电性高分子正温度系数材料包括高分子材料及形成在该高分子材料的两相对应表面上的正、负电极。该高分子材料包括具有晶相区及非晶相区的高分子基体及分散于该高分子基体的非晶相区而形成连续导电路径的导电性颗粒填充物。正温度系数效应是指当该高分子基体的温度升到其熔点时，该晶相区开始融熔而产生新的非晶相区。当非晶相区增加到一程度而与原存的非晶相区相结合时，会使得该导电性颗粒填充物的导电路径形成不连续状，而造成该高分子材料的电阻急速增加，并因而形成断电。
由于碳粉导电性填充物的导电度低，因此不适用于一些需要较高导电度(低电阻)的电流保护元件。在提升导电度上，虽然可通过添加具有高导电性的非碳类导电性颗粒填充物的型态(例如金属颗粒，导电性陶瓷颗粒及表面金属化颗粒等)来增加高分子正温度系数材料的导电度(从原本的1.0ohm-cm或更高的体积电阻率下降至小于0.05ohm-cm的体积电阻率)，但如此形成的高分子正温度系数材料具有不稳定的电性，容易在使用或储存一段时间后，其电气性大幅地变质。
美国专利早期公开号2008/0142494公开一种可用于制作一座椅加热器的高分子正温度系数材料。该高分子正温度系数材料具有一种高分子正温度系数组合物。该高分子正温度系数组合物可包括5～70wt％的有机高分子及30～95wt％的导电填充物，且较佳为包括15～60wt％有机高分子及40～90wt％的导电填充物。该导电填充物可包括10-100wt％的陶瓷导电颗粒，及/或15～90wt％的金属粉末，且较佳为包括40～65wt％的陶瓷导电颗粒，及/或35～60wt％的金属粉末。该导电填充物也可另外包括0.01～15wt％的碳类导电颗粒，且较佳为包括1～10wt％的碳类导电颗粒。如此形成的高分子正温度系数材料具有自我控制及调整座椅温度的功能而可以克服一般加热器所造成的过热问题及排除温度控制器的需要。
上述高分子正温度系数材料的用途是做为座椅的加热器，使座椅可以被自动控制在对人体舒适的温度范围。当高分子正温度系数材料的温度超过跳脱温度(trip temperature)时，高分子正温度系数材料的电阻会急遽增加，导致电流几乎为零，而形成断电及不加热状态，而当高分子正温度系数材料的温度低于跳脱温度，电流又可通过而继续加热。
上述高分子正温度系数材料是做为加热器使用，其材料成份是根据所需的跳脱温度而调配。至于如何调配材料成份以得到高电气稳定性的高分子正温度系数材料以做为过电流保护元件，则未有任何教示。在做为过电流保护元件的应用上，高分子正温度系数材料必须具备相当高的电气稳定性，以保护下游的电子元件不受烧毁。因此，如何制备出具高导电及高电气稳定的电流保护元件对于业界而言仍有需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以提高导电性高分子正温度系数材料的电气稳定性与使用寿命的高导电性高分子正温度系数组合物，及一种利用该高导电性高分子正温度系数材料所制作的正温度系数过电流保护元件。
本发明所述的高导电性高分子正温度系数组合物，包含：高分子组份，包括至少一种聚合物；及导电填充物组份。该导电填充物组份包括金属类导电颗粒，陶瓷类导电颗粒，以及碳类导电颗粒。其中，该高分子组份与该导电填充物组份的重量比是介于1:13～1:5.5，该金属类导电颗粒的重量高于该陶瓷类导电颗粒，且该陶瓷类导电颗粒的重量高于该碳类导电颗粒，及该碳类导电颗粒占该导电填充物组份重量的2.8wt％～7.3wt％。
本发明所述的正温度系数过电流保护元件，包含：一个正温度系数材料层；以及两个电极，设在该正温度系数材料层上。其中，该正温度系数材料层具有一种高分子正温度系数组合物，该高分子正温度系数组合物包含：高分子组份，包括至少一种聚合物；及导电填充物组份。该导电填充物组份包括金属类导电颗粒，陶瓷类导电颗粒，以及碳类导电颗粒。其中，该高分子组份与该导电填充物组份的重量比是介于1:13～1:5.5，该金属类导电颗粒的重量高于该陶瓷类导电颗粒，且该陶瓷类导电颗粒的重量高于该碳类导电颗粒，及该碳类导电颗粒占该导电填充物组份重量的2.8wt％～7.3wt％。
本发明的有益的效果在于：调配该高分子组份与该导电填充物组份的重量比及该碳类导电颗粒的重量百分比而可得到高电气稳定性的正温度系数过电流保护元件。
附图说明
图1是一个示意图，说明本发明较佳实施例的一种正温度系数过电流保护元件的结构；
图2是一个实验数据图，说明正温度系数过电流保护元件的实施例与比较例的耐久性测试的电阻变化率与碳类导电颗粒含量间的关系；
图3是一个实验数据图，说明正温度系数过电流保护元件的实施例与比较例的老化性测试的电阻变化率与碳类导电颗粒含量间的关系；
图4是一个实验数据图，说明正温度系数过电流保护元件的实施例与比较例的耐电压性测试的最大忍受电压与碳类导电颗粒含量间的关系。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
参阅图1，本发明的一种正温度系数过电流保护元件的一较佳实施例包含：一个正温度系数材料层2，该正温度系数材料层2较佳下具有小于或等于0.05ohm-cm的体积电阻率；及两个电极3，设在该正温度系数材料层2上。该正温度系数材料层2具有一种高分子正温度系数组合物，该高分子正温度系数组合物包含：高分子组份，包括至少一种聚合物；及导电填充物组份。该导电填充物组份包括金属类导电颗粒，陶瓷类导电颗粒，以及碳类导电颗粒。其中，该高分子组份与该导电填充物组份的重量比是介于1:13～1:5.5，更佳为介于1:11.5～1:6.1，该金属类导电颗粒的重量高于该陶瓷类导电颗粒，且该陶瓷类导电颗粒的重量高于该碳类导电颗粒。
较佳下，该碳类导电颗粒占该导电填充物组份重量的2.8wt％～7.3wt％，该金属类导电颗粒占该导电填充物组份重量的56wt％～90wt％，且该陶瓷类导电颗粒占该导电填充物组份重量的7.0wt％～40wt％。更佳下，该碳类导电颗粒占该导电填充物组份重量的3.4wt％～6.8wt％，该金属类导电颗粒占该导电填充物组份重量的59.6wt％～85.4wt％，且该陶瓷类导电颗粒占该导电填充物组份重量的11.2wt％～33.7wt％。
较佳下，该金属类导电颗粒为球状，该陶瓷类导电颗粒为片状，且该碳类导电颗粒的吸油量与颗粒粒径的比值是介于0.1～3.0。
较佳下，该金属类导电颗粒是选自金属颗粒、表面处理型金属颗粒、合金颗粒及表面金属化的颗粒及它们的组合所组成的群组。典型的例子包括金、银、铜、铝、及镍粉、表面镀镍玻璃球、表面镀镍石墨、钛钽固熔体、钨钛钽铬固熔体、钨钽固熔体、钨钛钽铌固熔体、钨钛钽固熔体、钨钛固熔体、及钽铌固熔体。
较佳下，该陶瓷类导电颗粒是选自导电性氧化物、导电性碳化物、导电性氮化物、导电性硼化物、导电性硫化物、导电性硅化物及它们的组合所组成的群组。典型的例子包括碳化钛、碳化锆，碳化钒、碳化铌、碳化钽、碳化铬、碳化钼、碳化钨、氮化钛、氮化锆、氮化钒、氮化铌、氮化钽、氮化铬、二硅化钛、二硅化锆、二硅化铌、及二硅化钨。
较佳下，该碳类导电颗粒是选自碳粉、石墨、碳纤维及它们的组合所组成的群组。
较佳下，该聚合物为聚烯烃。该高分子组份还可包含不饱和羧酸接枝型聚烯烃。该聚烯烃与该不饱和羧酸接枝型聚烯烃共熔融混炼后固化而形成高分子基体。
较佳下，该聚烯烃为高密度聚乙烯，及该不饱和羧酸接枝型聚烯烃为不饱和羧酸接枝高密度聚乙烯。
较佳下，该聚烯烃具有介于50,000g/mole至300,000g/mole间的重量平均分子量。
以下将以实施例与比较例来说明本发明各目的的实施方式与功效。须注意的是，该实施例仅为例示说明用，而不应被解释为本发明实施的限制。
<实施例1(E1)>
将9.63g高密度聚乙烯、9.63g不饱和羧酸接枝型高密度聚乙烯、5.25g碳粉(商品型号：Raven 430UB，DBP/D＝0.95，BulkDensity＝0.53g/cm3，导电度＝2.86×104m-1Ω-1，购自ColumbianChemicals Company)、133g镍粉(商品型号：Ni-124，球状，Density＝8.9g/cm3，导电度＝1430×104m-1Ω-1，购自Atlantic Equipment Engineers)与17.5g碳化钛(片状，Density:4.92g/cm3，结构含氧量＝0.4％，起始氧化温度＝450℃，导电度＝164×104m-1Ω-1)加入Brabender混炼机内混炼。混炼温度为200℃；搅拌速度为60rpm；混炼时间为10分钟。将混炼后所得的混合物置于一模具中，之后，以热压机对混合物样品进行热压，热压温度为200℃、热压时间为4分钟、热压压力为80kg/cm2，将混炼后的样品热压成厚度为0.28mm薄片形成正温度系数材料后，于薄片两侧各贴一片镀镍铜箔，再依同样热压条件热压，形成三明治结构，将此三明治结构冲切成4.5mm×3.2mm的芯片。实施例1所制得的正温度系数材料的组成及其芯片的测试电阻值及体积电阻值列在表1中。表1中的G-HDPE代表不饱和羧酸接枝型高密度聚乙烯，CB代表碳粉(carbon black)，V-R代表体积电阻(ohm-cm)。实施例1的高分子组份与该导电填充物组份的重量比(P:F)及该碳类导电颗粒，该金属类导电颗粒以及该陶瓷类导电颗粒占该导电填充物组份重量的重量百分率均列在表2中。
表1
表2
<实施例2-8(E2-E8)>
实施例2-8的正温度系数材料及其芯片的制备程序与条件与实施例1不同处在于该高导电性高分子正温度系数组合物中成份的用量不同。实施例2-8所制得的正温度系数材料的组成及其芯片的测试电阻值及体积电阻值列在表1中。实施例2-8的高分子组份与该导电填充物组份的重量比(P:F)及该碳类导电颗粒，该金属类导电颗粒以及该陶瓷类导电颗粒占该导电填充物组份重量的重量百分率均列在表2中。
<比较例1-17(CE1-CE17)>
比较例1-17的正温度系数材料及其芯片的制备程序与条件与实施例1不同处在于该高导电性高分子正温度系数组合物中成份的用量不同。比较例1-17所制得的正温度系数材料的组成及其芯片的测试电阻值及体积电阻值列在表1中。
功能测试
耐久性测试
对实施例(E1-E8)及比较例(CE1-CE17)进行耐久性测试(Endurance test)，以6Vdc/100A、16Vdc/100A与32Vdc/100A及通电60秒断电60秒的条件下，进行720次循环测试，每一个实施例或比较例均测试10个芯片样品，记录测试后电阻(Rf)/测试前电阻(Ri)的电阻变化率及在周期次数下芯片样品通过率，结果如表3所示。表3的结果显示实施例E1-E8具有优于比较例CE10-CE17的电气耐久性。为凸显本发明的不可预期性，实施例E1-E6(E1-E3含10wt％TiC，E4-E6含30wt％TiC)及比较例CE10-CE12(含10wt％TiC)与CE14-CE16(含30wt％TiC)的耐久性测试结果的比较另以图2来呈现。图2的结果显示正温度系数材料含有3.4wt％～6.8wt％(基于该导电填充物组份重量)的碳类导电颗粒在电气耐久性上具有不可预期的优异性。
表3
老化测试
对实施例(E1-E8)及比较例(CE1-CE17)进行老化测试(Aging test)，其以6Vdc/100A、16Vdc/100A与32Vdc/100A持续通电72小时的条件下进行，每一个实施例或比较例均测试10个芯片样品，记录测试后电阻(Rf)/测试前电阻(Ri)的电阻变化率及在周期次数下芯片样品通过率，结果如表4所示。表4的结果显示实施例E1-E8具有优于比较例CE10-CE17的抗老化性。为凸显本发明的不可预期性，实施例E1-E6及比较例CE10-CE12与CE14-CE16的老化性测试结果的比较另以图3来呈现。图3的结果显示正温度系数材料含有3.4wt％～6.8wt％(基于该导电填充物组份重量)的碳类导电颗粒在抗老化性上具有不可预期的优异性。
表4
过电压测试
对实施例(E1-E8)及比较例(CE1-CE17)进行过电压测试(ThermalRunaway test)，其测试条件为，施加的外加直流电压是在100A的固定电流下阶段式地自6Vdc的起始电压增加至60Vdc的最终电压、该固定电流足以使待测样品在该起始外加电压时发生断电、该外加电压是以一每阶段6Vdc的增加量被增加、两相邻阶段间的时间间隔是2分钟，且每一阶段的时间为2分钟。每一个实施例或比较例均测试10个芯片样品，记录测试样品抵抗电压能力(芯片烧毁)，结果如表5所示。为凸显本发明的不可预期性，实施例E1-E6及比较例CE10-CE12与CE14-CE16的耐电压性测试结果的比较另以图4来呈现。图4的结果显示正温度系数材料含有3.4wt％～6.8wt％(基于该导电填充物组份重量)的碳类导电颗粒在耐电压性上具有不可预期的优异性。
表5
综上所述，通过混合金属类导电颗粒，陶瓷类导电颗粒，以及碳类导电颗粒形成该导电填充物及限制碳类导电颗粒的重量百分率，而可提高高分子正温度系数材料的电气稳定性与使用寿命。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍在本发明专利涵盖的范围内。
Claims (17)
1.一种高导电性高分子正温度系数组合物，其特征在于其包含：
高分子组份，包括至少一种聚合物；导电填充物组份，包括金属类导电颗粒，陶瓷类导电颗粒，以及碳类导电颗粒；
其中，该高分子组份与该导电填充物组份的重量比是介于1:13～1:5.5；
其中，该金属类导电颗粒的重量高于该陶瓷类导电颗粒，且该陶瓷类导电颗粒的重量高于该碳类导电颗粒；其中，该碳类导电颗粒占该导电填充物组份重量的2.8wt％～7.3wt％。
2.根据权利要求1所述的高导电性高分子正温度系数组合物，其特征在于：该碳类导电颗粒占该导电填充物组份重量的3.4wt％～6.8wt％。
3.根据权利要求1所述的高导电性高分子正温度系数组合物，其特征在于：该金属类导电颗粒占该导电填充物组份重量的56wt％～90wt％，且该陶瓷类导电颗粒占该导电填充物组份重量的7.0wt％～40wt％。
4.根据权利要求3所述的高导电性高分子正温度系数组合物，其特征在于：该碳类导电颗粒占该导电填充物组份重量的3.4wt％～6.8wt％，该金属类导电颗粒占该导电填充物组份重量的59.6wt％～85.4wt％，且该陶瓷类导电颗粒占该导电填充物组份重量的11.2wt％～33.7wt％。
5.根据权利要求1所述的高导电性高分子正温度系数组合物，其特征在于：该高分子组份与该导电填充物组份的重量比是介于1:11.5～1:6.1。
6.根据权利要求1所述的高导电性高分子正温度系数组合物，其特征在于：该金属类导电颗粒是选自金属颗粒、表面处理型金属颗粒、合金颗粒及表面金属化的颗粒及它们的组合所组成的群组。
7.根据权利要求6所述的高导电性高分子正温度系数组合物，其特征在于：该金属类导电颗粒是镍粉。
8.根据权利要求1所述的高导电性高分子正温度系数组合物，其特征在于：该陶瓷类导电颗粒是选自导电性氧化物、导电性碳化物、导电性氮化物、导电性硼化物、导电性硫化物、导电性硅化物及它们的组合所组成的群组。
9.根据权利要求8所述的高导电性高分子正温度系数组合物，其特征在于：该陶瓷类导电颗粒是碳化钛。
10.根据权利要求1所述的高导电性高分子正温度系数组合物，其特征在于：该碳类导电颗粒是选自碳粉、石墨、碳纤维及它们的组合所组成的群组。
11.根据权利要求10所述的高导电性高分子正温度系数组合物，其特征在于：该碳类导电颗粒是碳粉。
12.根据权利要求1所述的高导电性高分子正温度系数组合物，其特征在于：该聚合物为聚烯烃。
13.根据权利要求12所述的高导电性高分子正温度系数组合物，其特征在于：该高分子组份还包括不饱和羧酸接枝型聚烯烃。
14.一种正温度系数过电流保护元件，其特征在于其包含：
一个正温度系数材料层；以及
两个电极，设在该正温度系数材料层上；
其中，该正温度系数材料层具有一种高分子正温度系数组合物，该高分子正温度系数组合物包含：
高分子组份，包括至少一种聚合物；及
导电填充物组份，包括金属类导电颗粒，陶瓷类导电颗粒，以及碳类导电颗粒；
其中，该高分子组份与该导电填充物组份的重量比是介于1:13～1:5.5；
其中，该金属类导电颗粒的重量高于该陶瓷类导电颗粒，且该陶瓷类导电颗粒的重量高于该碳类导电颗粒；及
其中，该碳类导电颗粒占该导电填充物组份重量的2.8wt％～7.3wt％。
15.根据权利要求14所述的正温度系数过电流保护元件，其特征在于：该碳类导电颗粒占该导电填充物组份重量的3.4wt％～6.8wt％。
16.根据权利要求14所述的正温度系数过电流保护元件，其特征在于：该金属类导电颗粒占该导电填充物组份重量的59.6wt％～85.4wt％，且该陶瓷类导电颗粒占该导电填充物组份重量的11.2wt％～33.7wt％。
17.根据权利要求14所述的正温度系数过电流保护元件，其特征在于：该高分子组份与该导电填充物组份的重量比是介于1:11.5～1:6.1。
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