[发明专利]具有降低的负温度系数效应的正温度系数材料

说明书

技术领域

本发明涉及正温度系数组合物，包括正温度系数组合物的制造制品，和制备包括正温度系数组合物的制品的方法。特别地，本发明涉及具有降低的负温度系数效应的正温度系数组合物。

背景技术

已知聚合物可以通过在其中分散适当量的导电颗粒状填料例如炭黑或细金属颗粒而制成导电物质。近些年，特别关注这样的组合物，其表现出正温度系数(PTC)特性，即，其在特定的温度范围区间表现出电阻率的快速增加。

PTC材料是导电材料，其特征在于当达到切换温度(T_s)时电阻率的急剧增加。如果电阻率的突升足够高，那么电阻率有效地阻碍电流和材料的进一步加热使得能够防止材料过热。PTC材料的主要益处之一是包括PTC材料的制品中不需要另外的电子电路，因为PTC材料本身具有类似于电子电路的特性。而且，当冷却时，材料使其本身复位。这种电阻率的突升可以时常称为PTC振幅并且可以定义为最大体积电阻率与在室温(约23℃)的体积电阻率之比。

图1是对当经受温度变化时，导电聚合物PTC组合物的性质的示意性描述。图1描述了当材料经受温度变化时电阻率的变化。电阻率从y-轴的底部升至顶部。在切换温度T_s可以看出，电阻率的变化达几个数量级。切换温度由图1中的字母(A)指示。在低于切换温度的温度，聚合物组合物的电阻率随温度的变化未表现出非常大的变化(区域1)。切换温度之前的电阻率曲线的斜率在图1中称为第一斜率。在大于切换温度的温度，随着温度的变化，电阻率存在几个数量级的变化(区域2)。这称为第二斜率。切换温度(A)定义为第一斜率切线与第二斜率切线的相交点。在电阻率随温度迅速增加之后，达到电阻率的最大值。PTC振幅通常定义为最大体积电阻率与在室温(约23℃)的体积电阻率之比。表示PTC效应的另一种方法是用在某一温度X的体积电阻率除以室温电阻率(R_X℃/R_23℃)表示。但是，当温度进一步增加时，通常聚合物组合物的电阻率随温度升高而降低(区域3)。导电聚合物组合物现在显示电阻的负温度系数(NTC)。这种从PTC性质到强NTC性质的变化通常是不期望的。已经提出几种理论以同时解释PTC和NTC效应。聚合物PTC复合材料是基于半结晶聚合物和浓度仅高于逾渗阈的导电填料的。半结晶聚合物中PTC异常的机理归因于聚合物在开始熔融时比容的相对大的变化。由于这种体积膨胀，产生应力导致移置一部分的导电填料，从而破坏导电链。除了增加的无定形体积之外并且由于增加的无定形体积，导电颗粒的浓度显著降低。两种因素都导致电阻率的急剧增加。随着温度增加，导电填料的活动性增加，导致反作用于最初接触耗损和PTC效应的导电填料的重接并对电阻率产生负温度系数(NTC)效应。

PTC材料已经用于自控加热器。当与电源接通时，PTC材料将加热至解扣温度(trip temperature)并保持在该温度而无需使用任何另外的电子控制器。

表现PTC性质的组合物也已经作为包括电源和串联的另外电部件的电路中的过电流保护件用于电力装置。在电路的正常操作条件下，负载和PTC装置的电阻使得相对很少的电流流动通过PTC装置。因此，装置的温度保持低于临界温度或解扣温度。如果负载短路或电路经历动力高峰，那么流动经过PTC装置的电流极大增加。关于这点，大量功率在PTC装置中耗散。但是，这种功率耗散仅发生短时间段(几秒)，因为功率耗散将PTC装置的温度提升至某值，在该值处PTC装置的电阻已经变得过高以致于电流限于可忽略值。这时称装置处于其″解扣″状态。流动通过电路的可忽略电流或涓滴不会毁坏与PTC装置串联连接的电部件。因此，PTC装置用作保险丝的形式，当将PTC装置加热至其临界温度范围时，PTC装置将流动通过短路负载的电流降低至安全的低值。当中断电路中的电流、或消除引起短路(或动力高峰)的条件时，PTC装置将会变凉，低于其正常操作的临界温度，处于低电阻状态。该效应是可复位的电路保护装置。

已经开发出各种显示这些特性的材料。这些材料中尤其是陶瓷以及基于聚合物的PTC材料。一个问题是大多数PTC材料在PTC特性之后立即表现负温度系数(NTC)特性。如果电阻率的突升不足够高或者如果NTC效应明显，则表示电流可以开始再次流动。这是不期望的，已经采取努力以降低或消除NTC效应。

在聚合物PTC材料中，NTC效应的降低已经通过使材料交联实现。最有效的是在形成步骤之后通过γ辐射或加速电子进行的进行后交联。在熔体中交联也可消除NTC效应但是会不利地影响PTC振幅。而且，使材料交联的步骤增加制造PTC材料的时间和生产成本。