[发明专利]导热率改善的聚合物正温度系数组合物

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求2006年8月8日提交的美国临时专利申请第60/821,751号 的优先权。

发明领域

本发明涉及正温度系数组合物，包含正温度系数组合物的制品，和制 备包含正温度系数组合物的制品的方法。

发明背景

近些年，正温度系数(PTC)聚合物材料已广泛应用于自限制加热电缆、 过电流保护装置如热敏电阻器、接触控制元件等。由于电子产品的大规模 发展、应用和传播，如计算机及其外围设备、便携式电话、二次可充电电 池、网络接口板/机、调制解调器和电子设备等等，对于过电流保护装置的 需求已显著增加。特别地，目前电子产品的趋势是轻质和/或精密的，正在 利用由PTC聚合物材料制得的过电流保护装置的特性来满足这种趋势。

PTC材料是导电材料，其特征在于达到切换温度(switching temperature， Ts)时电阻率急剧增加。如果电阻率跃迁足够高，该电阻率将有效阻断电流 和材料的进一步加热，使得避免了材料的过热。PTC材料的一种主要益处 在于，在包含PTC材料的制品中无需额外的电路，因为该PTC材料本身具 有类似于电路的特性。另外，在冷却时，该材料自己复位。这种电阻率跃 迁有时可以称作PTC振幅，可以定义为最大体积电阻率与室温(大约23℃) 体积电阻率的比值。在许多现有技术的实施方式中，PTC聚合物材料主要 通过将导电添加剂如炭黑和金属粉加到聚合物材料来制备。也可以采用化 学品或辐射交联导电聚合物、或者加入无机填料或有机添加剂来改善电学 稳定性。

如前所述，炭黑是已用于PTC材料的一种材料。炭黑是一种最常用的 用于聚合物基PTC材料的导电填料。相对于导电金属填料，使用炭黑的一 些优点包括成本价格较低和密度较低。依据现有技术，中等尺度、低结构 化的炭黑产生具有导电率与PTC振幅之间良好平衡的PTC材料。典型地， 这些基于炭黑的聚合物PTC材料用于断路器和(可复位的)熔断器。然而， 这些PTC材料作为实际加热器的使用由于基于“纯”炭黑的聚合物PTC的有 限导热率而受到限制。任何加热器需要将产生的热量传递到另一介质。导 热率越高，热量到期望变热的外侧/介质的传递越好。

一种现有技术实施方式中，炭黑用于提供导热率。依据一些现有技术 教导，中等尺度低结构化的炭黑产生具有导热率与PTC振幅之间良好平衡 的PTC材料。典型地，这些基于炭黑的聚合物PTC材料用于断路器和(可 复位的)熔断器。然而，这些PTC材料作为实际加热器的使用由于基于“纯” 炭黑的聚合物PTC的有限导热率而受到限制。基于这些PTC材料的加热器 需要将产生的热量传递到另一介质。导热率越高，热量到期望变热的外侧/ 另一介质的传递越好，该加热器越有效。另外，优良的导热率可以防止或 者弱化在电极之间材料横截面变化时可能发生的热点。

替换的现有技术实施方式利用小的石墨颗粒(即平均直径小于10微米) 作为PTC材料中的导电填料。但是，小直径的石墨颗粒由于与制备这些小 颗粒相关的成本而较昂贵，且这种小颗粒的使用由于健康和环境安全问题 而在制造环境中也更加困难。

由此可以看出，期望有利地提供PTC材料，其相对于现有技术PTC材 料具有改进的导热率且不存在与现有技术材料相关的缺陷。

发明概述

本发明通过提供具有改进的导热率的正温度系数(PTC)材料，解决了与 现有技术相关的问题。本发明的组合物包括热塑性聚合物、炭黑和石墨， 其中石墨的量改进了PTC组合物的导热率(与不包含石墨的组合物相比)。 该石墨是粒度较大的材料(即平均直径大于10微米)以有助于降低填料的成 本以及提高在制造环境中的使用方便性。本发明的组合物也可以包括一种 或多种添加剂以改进PTC组合物的选择特性，使得它们可以用于多种应用。 本发明的PTC组合物在大多数任意温度提供改进的导热率，且使得待设计 的PTC材料可以基于所用的热塑性聚合物和/或炭黑和/或石墨的用量适应 于在不同温度操作。

由此，一方面，本发明提供了正温度系数材料，其具有30～90wt％的 半结晶热塑性聚合物，其具有至少5％的结晶度；5～50wt％的炭黑；和5～ 50wt％的石墨，其具有至少99％的碳含量和至少10微米的粒度。该正温度 系数组合物相对于由热塑性聚合物和炭黑组成的组合物具有改进的导热 率。