高导电性高分子正温度系数组成及过电流保护元件

技术领域

本发明涉及一种高导电性高分子正温度系数组成及一种正温度 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0.05 ohm-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成。该高分子正温度系数组成可包括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10-100 wt％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1～10 wt％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成，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成，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成，该高分子正温度系 数组成包含：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 度系数组成，该高分子正温度系数组成包含：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％～7.3 wt％，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％～33.7 wt％。

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，Bulk Density＝0.53g/cm³，导电度＝2.86×10⁴m^-1Ω^-1，购自Columbian  Chemicals Company)、133g镍粉(商品型号：Ni-124，球状，Density＝8.9 g/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80 kg/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-em)。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成中成份的用量不 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成中成份的用量不 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％～6.8 wt％(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(Thermal  Runaway 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。