TWI480384B - 用於製造過電流保護元件的正溫度係數材料組成及正溫度係數過電流保護元件 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種用於製造過電流保護元件的正溫度係數材料組成及一種正溫度係數過電流保護元件，特別是關於一種具有碳化鈦顆粒的正溫度係數材料組成。
正溫度係數導電性高分子元件由於具有正溫度係數效應，所以可作為過電流保護元件用途。正溫度係數導電性高分子元件包括一正溫度係數導電性高分子材料及形成在該正溫度係數導電性高分子材料之兩相對應表面上的正、負電極。該正溫度係數導電性高分子材料包括一具晶相區及非晶相區的高分子基體及一分散於該高分子基體之非晶相區而形成一連續導電路徑之導電性顆粒填充物。正溫度係數效應是指當該高分子基體的溫度升到其熔點時，該晶相區開始融熔而產生新的非晶相區。當非晶相區增加到一程度而與原存的非晶相區相結合時，會使得該導電性顆粒填充物的導電路徑形成不連續狀，而造成該正溫度係數導電性高分子材料之電阻急速增加，並因而形成斷電。
正溫度係數導電性高分子元件主要的訴求是要同時具有高的正溫度係數效應、高導電度、高電氣穩定性、高環境穩定性。
傳統的正溫度係數導電性高分子材料的組成通常包括一正溫度係數導電性高分子單元及一碳粉(carbon black)導電性填充物。該正溫度係數導電性高分子單元通常包含一重量平均分子量範圍介於50,000 g/mole至300,000 g/mole的聚烯烴(具有介於0.01g/10min至10g/10min的熔流速率@190℃/2.16Kg)與可選擇地一重量平均分子量範圍介於50,000 g/mole至200,000 g/mole的接枝型聚烯烴(具有介於0.5g/10min至10g/10min的熔流速率@190℃/2.16Kg)。該接枝型聚烯烴的主要功能在於增加正溫度係數導電性高分子單元與電極之間的接著性。
由於碳粉導電性填充物的導電度低，因此不適用於一些需要較高導電度(低電阻)的電流保護元件。在提升導電度上，雖然可藉由增加具有高導電性之非碳類導電性顆粒填充物的型態(例如金屬顆粒，導電性陶瓷顆粒及表面金屬化顆粒等)來增加正溫度係數導電性高分子元件的導電度(從原本的約1.0ohm-cm或更高之體積電阻率下降至小於0.05ohm-cm之體積電阻率)，但該等非碳粉導電性填充物與正溫度係數導電性高分子的物理性質差異過大，導致導電性填充物在導電性高分子基體中容易發生潛變(creeping)，致使導電性高分子正溫度係數元件之電氣穩定性與使用壽命因此而降低。
因此，本發明之目的，即在提供一種可以提高導電性高分子正溫度係數過電流元件之電氣穩定性與使用壽命的正溫度係數材料組成。
於是，本發明一種用於製造過電流保護元件的正溫度係數材料組成，包含：一正溫度係數聚合物單元；以及一導電性填充物，含多數碳化鈦顆粒。該等碳化鈦顆粒基於其重量具有一大於0.3wt%的殘氧含量。
又，本發明一種正溫度係數過電流保護元件，包含：一正溫度係數材料層；及兩個電極，設在該正溫度係數材料層上；其中，該正溫度係數材料層具有一正溫度係數材料組成，該正溫度係數材料組成包含一正溫度係數聚合物單元，以及一含多數碳化鈦顆粒的導電性填充物，該等碳化鈦顆粒基於其重量具有一大於0.3wt%的殘氧含量。
本發明之功效在於：以具有大於0.3wt%的殘氧含量的碳化鈦顆粒做為導電性填充物的一成份可以提高正溫度係數過電流元件之電氣穩定性。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
如圖1所示，本發明一種正溫度係數過電流保護元件包含：一正溫度係數材料層2；及兩個電極3，設在該正溫度係數材料層2上；其中，該正溫度係數材料層2具有一正溫度係數材料組成。
該正溫度係數材料組成包含：一正溫度係數聚合物單元；以及一導電性填充物，含多數碳化鈦顆粒。該等碳化鈦顆粒基於其重量具有一大於0.3wt%的殘氧含量。碳化鈦顆粒的殘氧含量的定義為：一具有含鈦物質(顆粒狀)與含碳物質(粉末狀)的混合物在高溫下進行碳化(carbiding)後而得到的碳化鈦顆粒產物中所含有的氧量。碳化溫度越高，殘氧含量越低。當碳化鈦顆粒的殘氧含量低於0.3wt%時，正溫度係數材料的電氣穩定性會有顯著的變差。
較佳下，該等碳化鈦顆粒的殘氧含量為藉由在1700℃~2000℃下碳化(carbiding)該具有含鈦物質與含碳物質的混合物而得到的碳化鈦顆粒產物中的氧含量。更佳下，該等碳化鈦顆粒基於其重量具有一不小於(亦即大於或等於)0.5wt%而小於1.0wt%的殘氧含量。
較佳下，該等碳化鈦顆粒之粒徑範圍較佳為大於0.1um且小於200um。
較佳下，該含鈦物質係選自二氧化鈦、四氯化鈦、氫化鈦、鐵鈦礦(Ferro titanium ore)或鈦顆粒。更佳下，該含鈦物質是選自二氧化鈦。
較佳下，該含碳物質為碳黑(carbon black)或石墨粉末。
該正溫度係數聚合物單元可為一般傳統的正溫度係數聚合物或聚合物的摻合物(polymer blend)。較佳下，該正溫度係數聚合物單元包含一聚烯烴摻合物。較佳下，該聚烯烴摻合物包含高密度聚乙烯及不飽和羧酸接枝型高密度聚乙烯。
較佳下，該正溫度係數聚合物單元占該正溫度係數材料組成的10-30wt%，該導電性填充物占該正溫度係數材料組成的70-90wt%。
較佳下，該導電性填充物還包含一導電性粉末。該導電性粉末係選自一由碳化鋯，碳化釩、碳化铌、碳化鉭、碳化鉻、碳化鉬、碳化鎢、氮化鈦、氮化鋯、氮化釩、氮化铌、氮化鉭、氮化鉻、二矽化鈦、二矽化鋯、二矽化铌、二矽化鎢、金、銀、銅、鋁、鎳、表面度鎳玻璃球、表面鍍鎳石墨、鈦鉭固熔體、鎢鈦鉭鉻固熔體、鎢鉭固熔體、鎢鈦鉭铌固熔體、鎢鈦鉭固熔體、鎢鈦固熔體、鉭铌固熔體、及其等的組合所組成的群組。更佳下，該導電性粉末係鎳粉。
以下將以實施例與比較例來說明本發明各目的之實施方式與功效。須注意的是，該實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。
將10g高密度聚乙烯(商品型號：HDPE9002，購自Formosa plastic Corp.，重量平均分子量150000g/mole，在230℃，12.6kg下的M. F. I約為45g/10min)、10g不飽和羧酸接枝型聚乙烯(商品型號：MB100D，購自Dupont，重量平均分子量80000g/mole，在230℃，12.6kg下的M. F. I.約為75g/10min)、與80g碳化鈦粉末A(TiC-A，具有0.9wt%的殘氧含量，碳化鈦粉末A的製備是藉由在1850℃下碳化一具有二氧化鈦與碳黑的混合物而得到的)加入一Brabender混煉機內混煉。混煉溫度為200℃；攪拌速度為60rpm；加壓重量為5kg；混煉時間為10分鐘。將混煉後所得的混合物置於一模具中，之後，以熱壓機對混合物樣品進行熱壓，熱壓溫度為200℃、熱壓時間為4分鐘、熱壓壓力為80kg/cm2
，將混練後之樣品熱壓成厚度為0.12mm薄片之後，於薄片兩側各貼一片鍍鎳銅箔，再依同樣熱壓條件熱壓，形成一三明治結構，將此三明治結構沖切成4.5mmX3.2mm之晶片。測量實施例1所製得的正溫度係數材料的電阻值(見表1)。表一中的G-HDPE代表接枝型高密度聚乙烯，V-R代表體積電阻(ohm-cm)。
實施例2之樣品的製備程序與條件與實施例1不同之處在於實施例2是以碳化鈦粉末B(TiC-B)取代實施例1的碳化鈦粉末A。碳化鈦粉末B具有0.8wt%的殘氧含量，其製備是藉由在1960℃下碳化一具有氫化鈦與碳黑的混合物而得到的。測量實施例2所製得的正溫度係數材料的電阻值(見表1)。
實施例3之樣品的製備程序與條件與實施例1不同之處在於實施例3是以碳化鈦粉末C(TiC-C)取代實施例1的碳化鈦粉末A。碳化鈦粉末C具有0.5wt%的殘氧含量，其製備是藉由在1780℃下碳化一具有鐵鈦礦與石墨的混合物而得到的。測量實施例3所製得的正溫度係數材料的電阻值(見表1)。
比較例1之樣品的製備程序與條件與實施例1不同之處在於比較例1是以碳化鈦粉末D(TiC-D)取代實施例1的碳化鈦粉末A。碳化鈦粉末D具有0.2wt%的殘氧含量，其製備是藉由在2200℃下碳化一具有二氧化鈦與碳黑的混合物而得到的。測量比較例1所製得的正溫度係數材料的電阻值(見表1)。
實施例4之樣品的製備程序與條件與實施例1不同之處在於實施例4是使用60g碳化鈦粉末A與20g的鎳粉做為導電填充物。測量實施例4所製得的正溫度係數材料的電阻值(見表2)。
實施例5之樣品的製備程序與條件與實施例1不同之處在於實施例4是使用60g碳化鈦粉末B與20g的鎳粉做為導電填充物。測量實施例5所製得的正溫度係數材料的電阻值(見表2)。
實施例6之樣品的製備程序與條件與實施例1不同之處在於實施例6是使用60g碳化鈦粉末C與20g的鎳粉做為導電填充物。測量實施例6所製得的正溫度係數材料的電阻值(見表2)。
比較例2之樣品的製備程序與條件與實施例1不同之處在於比較例2是使用80g的鎳粉做為導電填充物。測量比較例2所製得的正溫度係數材料的電阻值(見表2)。
比較例3之樣品的製備程序與條件與實施例1不同之處在於比較例3是使用60g碳化鈦粉末D與20g的鎳粉做為導電填充物。測量比較例3所製得的正溫度係數材料的電阻值(見表2)。
將實施例1-6及比較例1-3所製備的測試晶片進行周期性測試與老化測試。周期性測試是以6Vdc及50A(安培)及通電60秒斷電60秒的條件下進行720個週期循環測試，量測測試前電阻(Ri)與測試後電阻(Rf)。老化測試是以6Vdc及10A(安培)持續通電504小時，量測測試前電阻(Ri)與測試後電阻(Rf)。實施例1-3及比較例1的周期性與老化測試結果如表3與表4。實施例4-6及比較例2-3的周期性與老化測試結果如表5與表6。
從實施例1-3與比較例1的周期性與老化測試結果比較可以看出，當碳化鈦的殘氧含量接近0.2wt%時，測試晶片之電氣穩定性變差。
從實施例4-6與比較例2-3的結果比較可以看出，當碳化鈦的殘氧含量接近0.2wt%或僅使用鎳粉(不含碳化鈦)時，測試晶片之電氣穩定性變差。
綜上所述，藉由使用大於0.3wt%的殘氧含量的碳化鈦顆粒做為導電性填充物的一成份可以提高導電性高分子正溫度係數材料之電氣穩定性。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
2．．．正溫度係數材料
3．．．電極層
圖1是一示意圖，說明本發明一較佳實施例的一種正溫度係數過電流保護元件的結構。
2．．．正溫度係數材料層
3．．．電極
Claims (13)
- 一種用於製造過電流保護元件的正溫度係數材料組成，包含：一正溫度係數聚合物單元；以及一導電性填充物，含多數碳化鈦顆粒；其中，該等碳化鈦顆粒基於其重量具有一大於0.3wt%的殘氧含量。
- 依據申請專利範圍第1項所述之正溫度係數材料組成，其中，該等碳化鈦顆粒基於其重量具有一不小於0.5wt%而小於1.0wt%的殘氧含量。
- 依據申請專利範圍第1項所述之正溫度係數材料組成，其中，該等碳化鈦顆粒的殘氧含量為藉由在1700℃~2000℃下碳化一具有含鈦物質與含碳物質的混合物而得到的碳化鈦產物中所含有的氧量。
- 依據申請專利範圍第3項所述之正溫度係數材料組成，其中，該含鈦物質係選自二氧化鈦、四氯化鈦、氫化鈦、鐵鈦礦或鈦。
- 依據申請專利範圍第4項所述之正溫度係數材料組成，其中，該含鈦物質係二氧化鈦。
- 依據申請專利範圍第3項所述之正溫度係數材料組成，其中，該含碳物質為碳黑或石墨。
- 依據申請專利範圍第1項所述之正溫度係數材料組成，其中，該正溫度係數聚合物單元包含一聚烯烴摻合物。
- 依據申請專利範圍第7項所述之正溫度係數材料組成，其中，該聚烯烴摻合物包含高密度聚乙烯及不飽和羧酸接枝型高密度聚乙烯。
- 依據申請專利範圍第1項所述之正溫度係數材料組成，其中，該正溫度係數聚合物單元占該正溫度係數材料組成的10-30wt%，該導電性填充物占該正溫度係數材料組成的70-90wt%。
- 依據申請專利範圍第1項所述之正溫度係數材料組成，其中，該導電性填充物還包含一導電性粉末，該導電性粉末係選自一由碳化鋯，碳化釩、碳化铌、碳化鉭、碳化鉻、碳化鉬、碳化鎢、氮化鈦、氮化鋯、氮化釩、氮化铌、氮化鉭、氮化鉻、二矽化鈦、二矽化鋯、二矽化铌、二矽化鎢、金、銀、銅、鋁、鎳、表面度鎳玻璃球、表面鍍鎳石墨、鈦鉭固熔體、鎢鈦鉭鉻固熔體、鎢鉭固熔體、鎢鈦鉭铌固熔體、鎢鈦鉭固熔體、鎢鈦固熔體、鉭铌固熔體、及其等的組合所組成的群組。
- 依據申請專利範圍第10項所述之正溫度係數材料組成，其中，該導電性粉末係鎳粉。
- 一種正溫度係數過電流保護元件，包含：一正溫度係數材料層；及兩個電極，設在該正溫度係數材料層上；其中，該正溫度係數材料層具有一正溫度係數材料組成，該正溫度係數材料組成包含一正溫度係數聚合物單元，以及一含多數碳化鈦顆粒的導電性填充物，該等碳化鈦顆粒基於其重量具有一大於0.3wt%的殘氧含量。
- 依據申請專利範圍第12項所述之正溫度係數過電流保護元件，其中，該等碳化鈦顆粒基於其重量具有一不小於0.5wt%而小於1.0wt%的殘氧含量。
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