TWI726245B

TWI726245B - 過電流保護裝置

Info

Publication number: TWI726245B
Application number: TW107135506A
Authority: TW
Inventors: 陳繼聖; 江長鴻
Original assignee: 富致科技股份有限公司
Priority date: 2018-10-09
Filing date: 2018-10-09
Publication date: 2021-05-01
Also published as: TW202015214A

Abstract

一種過電流保護裝置包含一第一電極、一第二電極及一包括一第一聚合物層、一第二聚合物層及一第三聚合物層的正溫度係數多層結構。該第一聚合物層接合於該第一電極且具有一由一第一聚合物組成物所製成的第一聚合物基材。該第二聚合物層具有穿孔且具有一由一第二聚合物組成物所製成的第二聚合物基材。該第三聚合物層接合於該第二電極且具有一由一第三聚合物組成物所製成的第三聚合物基材。本發明的過電流保護裝置兼具低初始電阻及足夠的剝離強度。

Description

過電流保護裝置

本發明是有關於一種過電流保護裝置，特別是指一種包含三個聚合物層的過電流保護裝置，該等聚合物層具有的聚合物基材是由不同的聚合物組成物所製成。

參閱圖1，由於正溫度係數(positive temperature coefficient, PTC)過電流保護裝置具有PTC效應，使其可用作為一電路保護裝置1。現有電路保護裝置1包含一PTC聚合物層11及兩個貼附在該PTC聚合物層11之兩相反表面的電極12，該PTC聚合物層11包含一含有一晶體區域及一非晶體區域的聚合物基材，及一顆粒狀導電填料，該顆粒狀導電填料分散於該聚合物基體之非晶體區域，並形成一用於電連接該等電極12之間的連續導電路徑。該PTC效應指的是一種現象，該現象是當該晶體區域的溫度被升高至其熔點時，該晶體區域中的結晶開始熔化，從而產生一新的非晶體區域。當該新的非晶體區域增加至一合併至該原非晶體區域的程度時，該顆粒狀導電填料的導電路徑會轉變為非連續且該PTC聚合物層11的電阻會大幅增加，造成該等電極12之間電不導通。

該電路保護裝置1適用於保護電子設備，且該聚合物基材的材料是基於電子設備的操作電流及操作電壓而選擇，該PTC聚合物層11的聚合物基材通常是由一以聚烯烴為基底的組成物所製成。然而，該電路保護裝置1可能因為該PTC聚合物層11與該等電極12之間的貼合度較低而導致其導電度不理想。

美國專利US 6,238,598記載一種PTC聚合物摻合組成物及一種電路保護裝置。該PTC聚合物摻合組成物包含一非接枝的聚烯烴、一經接枝的聚烯烴及一導電性顆粒狀材料。該電路保護裝置包含一包括該PTC聚合物摻合組成物的PTC元件，及兩個連接該PTC元件之兩相反側的電極。藉由該PTC聚合物摻合組成物包含的經接枝的聚烯烴，該電路保護裝置具有較好的電穩定性，且該PTC元件與該等電極之間的貼合度較好。

然而，上述美國專利US 6,238,598記載的電路保護裝置的體積電阻不低於0.15 ohm-cm。若在該PTC聚合物摻合組成物中排除使用經接枝的聚烯烴，其體積電阻雖可降低至接近0.1 ohm-cm，但該PTC元件與該等電極之間的剝離強度會隨之降低至0.4 kg/cm² ，進而使得該PTC元件與該等電極可被輕易分離，造成電路保護裝置故障或損毀。

因此，兼具良好導電性及良好貼合度的過電流保護裝置仍有待開發。

因此，本發明之一目的，即在提供一種過電流保護裝置，可以克服上述先前技術的至少一個缺點。

於是，本發明過電流保護裝置包含一第一電極、一第二電極及一正溫度係數(PTC)多層結構。

該正溫度係數多層結構設置於該第一電極與該第二電極之間，且包括一第一聚合物層、一第二聚合物層及一第三聚合物層。

該第一聚合物層接合於該第一電極，該第一聚合物層具有一第一聚合物基材及一分散在該第一聚合物基材中的第一顆粒狀導電填料，該第一聚合物基材是由一第一聚合物組成物所製成。

該第二聚合物層接合於該第一聚合物層，該第二聚合物層具有一第二聚合物基材及一分散在該第二聚合物基材中的第二顆粒狀導電填料，該第二聚合物基材是由一第二聚合物組成物所製成，該第二聚合物層具有至少一穿孔。

該第三聚合物層接合且設置於該第二聚合物層與該第二電極之間，該第三聚合物層具有一第三聚合物基材及一分散在該第三聚合物基材中的第三顆粒狀導電填料，該第三聚合物基材是由一第三聚合物組成物所製成。

該第二聚合物組成物含有一非接枝的聚烯烴且基本上不含有經接枝的聚烯烴。

該第一聚合物組成物及該第三聚合物組成物各自含有一經接枝的聚烯烴。

因此，本發明之另一目的，即在提供一種過電流保護裝置，包含一第一電極、一第二電極及一正溫度係數多層結構。

該第二聚合物層接合於該第一聚合物層，該第二聚合物層具有一第二聚合物基材及一分散在該第二聚合物基材中的第二顆粒狀導電填料，該第二聚合物基材是由一第二聚合物組成物所製成。

本發明之功效在於：本發明的過電流保護裝置兼具低初始電阻及足夠的剝離強度。

以下將就本發明內容進行詳細說明：

較佳地，該穿孔的孔徑範圍為0.8-1.2 mm。

較佳地，該第二聚合物層具有多個該穿孔且穿孔密度範圍為4-16 孔/cm² 。

較佳地，該第一聚合物組成物及該第三聚合物組成物各自含有一經不飽和羧酸酐接枝的聚烯烴。

較佳地，該第一聚合物組成物及該第三聚合物組成物中至少其中一者還含有一非接枝的聚烯烴。

較佳地，該非接枝的聚烯烴是高密度聚乙烯。

較佳地，以該第一聚合物組成物的總重為100 wt%，該第一聚合物組成物的經接枝的聚烯烴的含量範圍為25-100 wt%。

較佳地，以該第三聚合物組成物的總重為100 wt%，該第三聚合物組成物的經接枝的聚烯烴的含量範圍為25-100 wt%。

較佳地，該第一顆粒狀導電填料、該第二顆粒狀導電填料及該第三顆粒狀導電填料是各自選自於碳黑粉末、金屬粉末、導電陶瓷粉末或其組合。更佳地，該第一顆粒狀導電填料、該第二顆粒狀導電填料及該第三顆粒狀導電填料皆是碳黑粉末。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖2，本發明過電流保護裝置之一第一實施例包含一第一電極2、一第二電極4及一設置於該第一電極2與該第二電極4之間的正溫度係數(PTC)多層結構3。

該正溫度係數多層結構3包括一第一聚合物層31、一第二聚合物層32及一第三聚合物層33。

該第一聚合物層31接合於該第一電極2，該第一聚合物層31具有一第一聚合物基材及一分散在該第一聚合物基材中的第一顆粒狀導電填料，該第一聚合物基材是由一第一聚合物組成物所製成。

該第二聚合物層32接合於該第一聚合物層31，該第二聚合物層32具有一第二聚合物基材及一分散在該第二聚合物基材中的第二顆粒狀導電填料，該第二聚合物基材是由一第二聚合物組成物所製成。進一步地，該第二聚合物層32可進一步具有至少一穿孔320。該穿孔320的孔徑(d)範圍為0.8-1.2 mm，且其面積範圍為0.5026-1.1310 mm² 。

該第三聚合物層33接合且設置於該第二聚合物層32與該第二電極4之間，該第三聚合物層33具有一第三聚合物基材及一分散在該第三聚合物基材中的第三顆粒狀導電填料，該第三聚合物基材是由一第三聚合物組成物所製成。

進一步地，該第二聚合物組成物的非接枝的聚烯烴是高密度聚乙烯(HDPE)。

在本發明的某些具體實施例中，該第二聚合物層32設置於該第一聚合物層31與該第三聚合物層33之間，其可為多層結構，且可具有多個自該第一聚合物層31朝該第三聚合物層33之方向延伸互相堆疊的層狀部分(layered portions)。該第二聚合物層32的該等層狀部分可由相同或不同的材料所製成。

進一步地，該第一聚合物組成物及該第三聚合物組成物各自含有一經不飽和羧酸酐接枝的聚烯烴。於是，包含上述正溫度係數多層結構的過電流保護裝置可被稱為一雞尾酒式的過電流保護裝置。

在本發明的某些具體實施例中，該第一聚合物組成物還含有一非接枝的聚烯烴。該第一聚合物組成物的非接枝的聚烯烴可為高密度聚乙烯。

在本發明的某些具體實施例中，該第三聚合物組成物還含有一非接枝的聚烯烴。該第三聚合物組成物的非接枝的聚烯烴可為高密度聚乙烯。

在本發明的某些具體實施例中，以該第一聚合物組成物的總重為100 wt%，該第一聚合物組成物的經接枝的聚烯烴的含量範圍為25-100 wt%。以該第三聚合物組成物的總重為100 wt%，該第三聚合物組成物的經接枝的聚烯烴的含量範圍為25-100 wt%。

該第一顆粒狀導電填料、該第二顆粒狀導電填料及該第三顆粒狀導電填料的例子包括碳黑粉末、金屬粉末、導電陶瓷粉末或其組合。

在本發明的某些具體實施例中，該第一顆粒狀導電填料、該第二顆粒狀導電填料及該第三顆粒狀導電填料皆是碳黑粉末。

參閱圖3及圖4，本發明過電流保護裝置之一第二實施例如圖所示。該第二實施例的過電流保護裝置與該第一實施例相似，差異之處在於在該第二實施例中，該第二聚合物層32具有多個穿孔320且穿孔密度範圍為4-16 孔/cm² 。

本發明將就以下實施例來作進一步說明，但應瞭解的是，該等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。

實施例

＜實施例1 (E1) ＞

10 g HDPE(購自台灣塑膠工業股份有限公司，產品型號：HDPE9002)作為非接枝的聚烯烴，及10 g經馬來酸酐接枝的HDPE (MA-g-HDPE，購自杜邦，產品型號：MB100D)作為經不飽和羧酸酐接枝的聚烯烴，供作為該第一聚合物層31的第一聚合物組成物及該第三聚合物層33的第三聚合物組成物。30 g碳黑粉末(購自Columbian Chemicals Co.，產品型號：Raven 430UB，DBP/D為0.95，體密度為0.53 g/cm³ )供作為該第一聚合物層31及該第三聚合物層33的顆粒狀導電填料。20 g HDPE(購自台灣塑膠工業股份有限公司，產品型號：HDPE9002)供作為該第二聚合物層32的第二聚合物組成物。30 g碳黑粉末(購自Columbian Chemicals Co.，產品型號：Raven 430UB)供作為該第二聚合物層32的顆粒狀導電填料。上述聚合物組成物及碳黑粉末的配比如表1所示。

將上述聚合物組成物分別與碳黑粉末在一混煉機(廠牌：Brabender)中混合配料，以溫度為200℃、攪拌轉速為30 rpm的條件混合配料10 min，以分別得到三個混合物。接著以熱壓溫度為200℃及熱壓壓力為80 kg/cm² 的條件，將該等混合物各自置於模具中進行熱壓4 min，以分別形成厚度為0.12 mm的第一聚合物層31、第二聚合物層32及第三聚合物層33。該第一聚合物層31及該第三聚合物層33貼附在該第二聚合物層32的兩相反表面。

接著，將兩片鍍鎳銅箔(作為該第一電極2及該第二電極4)分別貼附在該第一聚合物層31及該第三聚合物層33相反於該第二聚合物層32的表面上，並在200℃及80 kg/cm² 下進行熱壓4 min，以形成一厚度為0.42 mmPTC聚合物層板。再將該PTC聚合物層板切成多個面積為8 mm × 8 mm的小片後，用Co-60 γ射線以總輻射劑量150 kGy照射每一小片，以形成多個實施例1 (E1)之測試樣品。

＜實施例2 至4 (E2-E4) ＞

實施例2至4 (E2-E4)之測試樣品的製程條件與實施例1相似，差異之處在於將該第一聚合物組成物及該第三聚合物組成物的HDPE及MA-g-HDPE的使用量分別改變如表1所示。

＜實施例5 至8 (E5-E8) ＞

實施例5至8 (E5-E8)之測試樣品的製程條件分別依序與實施例1至4相似，差異之處在於在堆疊該第一聚合物層31、該第二聚合物層32及該第三聚合物層33之前，該第二聚合物層32形成有多個穿孔320(每一穿孔的孔徑為1.0 mm，其面積為0.7854 mm² )，且穿孔密度為9 孔/cm² 。

＜比較例1 (CE1) ＞

比較例1 (CE1)之測試樣品的製程條件與實施例1相似，差異之處在於比較例1之測試樣品不具有該第一聚合物層31及該第三聚合物層33，該第二聚合物層32的厚度為0.36 mm，且兩片鍍鎳銅箔分別貼附在該第二聚合物層32的兩相反表面上。

＜比較例2 及3 (CE2 及CE3) ＞

比較例2及3 (CE2及CE3)之測試樣品的製程條件分別依序與實施例1及2相似，差異之處在於比較例2及3之測試樣品不具有該第二聚合物層32及該第三聚合物層33，該第一聚合物層31的厚度為0.36 mm，且兩片鍍鎳銅箔分別貼附在該第一聚合物層31的兩相反表面上。

＜比較例4 (CE4) ＞

比較例4 (CE4)之測試樣品的製程條件與實施例1相似，差異之處在於在比較例4之測試樣品中，該第一聚合物組成物、該第二聚合物組成物及該第三聚合物組成物是由HDPE及碳黑粉末所組成，並將HDPE及碳黑粉末的使用量改變如表1所示。

＜比較例5 (CE5) ＞

比較例5 (CE5)之測試樣品的製程條件與實施例1相似，差異之處在於在比較例5之測試樣品中，將該第一聚合物組成物、該第二聚合物組成物及該第三聚合物組成物的HDPE、MA-g-HDPE及碳黑粉末的使用量改變如表1所示。

性能測試

[ 初始電阻測試 (Initail resistance at room temperature test)]

每一實施例及每一比較例皆使用微歐姆計測試10個樣品。分別測量E1-E8及CE1-CE5之測試樣品在25℃中的初始電阻，其平均值如表2所示。

結果顯示E1的初始電阻低於CE2及CE5，且E2的初始電阻低於CE3，其表示藉由包含該第二聚合物層32，可以有效降低過電流保護裝置的電阻。此外，結果顯示E5的初始電阻低於E1，E6的初始電阻低於E2，E7的初始電阻低於E3，E8的初始電阻低於E4，其表示在該第二聚合物層32中形成該等穿孔320可降低過電流保護裝置的電阻。【表2】

[ 剝離強度測試 (Peel strength test)]

每一實施例及每一比較例皆進行剝離強度測試10個樣品。分別以拉力機夾住該第一電極2及該第二電極4，以2 mm/s的速度拉伸該第一電極2及該第二電極4，記錄E1-E8及CE1-CE5之測試樣品的剝離強度，其平均值如表2所示。

結果顯示E1-E8的剝離強度大於1.5 kg/cm² ，其中E2及E6的初始電阻及剝離強度同時較低。雖然CE1及CE4的初始電阻也較低，但其剝離強度則小於0.4 kg/cm² ，其表示該第一電極2及該第二電極4容易從聚合物層被分離。

綜上所述，藉由包含分別由特定聚合物組成物所製成的第一聚合物層31、第二聚合物層32、第三聚合物層33，過電流保護裝置兼具低初始電阻及足夠的剝離強度。

[ 不同溫度的電阻 ]

每一實施例及每一比較例皆在25-185℃中進行電阻測試10個樣品。分別以2℃/min的升溫速率逐步測量E1-E8及CE1-CE5之測試樣品從25℃升溫至185℃的電阻，其在140℃時的電阻的平均值如表2所示，且E6及CE1之測試樣品的溫度與電阻之關係圖如圖5所示。

結果顯示CE1、CE3及CE4之測試樣品在140℃時的電阻的平均值低於E2及E6。此外，結果顯示E6及CE1之測試樣品在25℃時的電阻是相當的，但E6在140℃時的電阻高於CE1。

[ 切換循環測試 (Switching cycle test)]

每一實施例及每一比較例皆進行切換循環測試10個樣品。分別以16 Vdc的電壓及100 A的電流接通E1-E8及CE1-CE5之測試樣品60秒，接著切斷60秒，如此進行6000次切換循環。分別測量開始前及6000次循環後的每一測試樣品的電阻(Ri及Rf)，測定每一實施例及每一比較例的平均電阻變化率[(Rf-Ri)/Ri×100%]，並計算每一實施例及每一比較例的切換循環通過率(pass ratio)(n/10×100%，n表示通過切換循環測試而沒有燒毀的測試樣品數量)。切換循環測試的結果顯示於表2。

結果顯示E1-E8之測試樣品全部通過切換循環測試(切換循環通過率100%)。CE1、CE3及CE4之測試樣品的切換循環通過率僅為20%-30%且其在140℃時的電阻也較低，其表示CE1、CE3及CE4之測試樣品在16 Vdc的電壓下容易損毀。此外，E1-E8之測試樣品的平均電阻變化率明顯低於CE1-CE5。

[ 老化測試 (Aging test)]

每一實施例及每一比較例皆進行老化測試10個樣品。分別施加16 Vdc的電壓及100 A的電流於E1-E8及CE1-CE5之測試樣品1000小時。分別測量開始前及施加1000小時後的每一測試樣品的電阻(Ri及Rf)，測定每一實施例及每一比較例的平均電阻變化率[(Rf-Ri)/Ri×100%]，並計算每一實施例及每一比較例的老化通過率(n/10×100%，n表示通過老化測試而沒有燒毀的測試樣品數量)。老化測試的結果顯示於表2。

結果顯示E1-E8之測試樣品全部通過老化測試(老化通過率100%)。CE1、CE3及CE4之測試樣品的老化通過率僅為10%-20%且其在140℃時的電阻也較低，其表示CE1、CE3及CE4之測試樣品在16 Vdc的電壓下容易損毀。此外，E1-E8之測試樣品的平均電阻變化率明顯低於CE1-CE5。

綜上所述，藉由包含分別由特定聚合物組成物所製成的第一聚合物層31、第二聚合物層32、第三聚合物層33，本發明的過電流保護裝置兼具低初始電阻及足夠的剝離強度，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書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。

1:電流保護裝置11:PTC聚合物層12:電極2:第一電極3:正溫度係數多層結構31:第一聚合物層32:第二聚合物層320:穿孔33:第三聚合物層4:第二電極

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：［圖1］是一現有過電流保護裝置的橫截面示意圖；［圖2］是本發明過電流保護裝置的第一具體實施例的一爆炸透視圖；［圖3］是本發明過電流保護裝置的第二具體實施例的橫截面示意圖；［圖4］是該第二具體實施例的爆炸透視圖；及［圖5］是實施例6及比較例1之測試樣品的溫度-電阻關係圖。

2:第一電極

3:正溫度係數多層結構

31:第一聚合物層

32:第二聚合物層

320:穿孔

33:第三聚合物層

4:第二電極

Claims

一種過電流保護裝置，包含：一第一電極及一第二電極；及一正溫度係數多層結構，設置於該第一電極與該第二電極之間，該正溫度係數多層結構包括：一第一聚合物層，接合於該第一電極，該第一聚合物層具有一第一聚合物基材及一分散在該第一聚合物基材中的第一顆粒狀導電填料，該第一聚合物基材是由一第一聚合物組成物所製成，一第二聚合物層，接合於該第一聚合物層，該第二聚合物層具有一第二聚合物基材及一分散在該第二聚合物基材中的第二顆粒狀導電填料，該第二聚合物基材是由一第二聚合物組成物所製成，該第二聚合物層具有多個穿孔，該等穿孔的孔徑範圍為0.8-1.2mm且穿孔密度範圍為4-16孔/cm²，及一第三聚合物層，接合且設置於該第二聚合物層與該第二電極之間，該第三聚合物層具有一第三聚合物基材及一分散在該第三聚合物基材中的第三顆粒狀導電填料，該第三聚合物基材是由一第三聚合物組成物所製成；其中，該第二聚合物組成物為一非接枝的聚烯烴；及其中，該第一聚合物組成物及該第三聚合物組成物各自為一經接枝的聚烯烴或該經接枝的聚烯烴與該非接枝的聚烯烴之組合。
如請求項1所述的過電流保護裝置，其中，該第一聚合物組成物及該第三聚合物組成物各自為一經不飽和羧酸酐接枝的聚烯烴或該經不飽和羧酸酐接枝的聚烯烴與該非接枝的聚烯烴之組合。
如請求項1所述的過電流保護裝置，其中，該第一聚合物組成物及該第三聚合物組成物中至少其中一者為該經接枝的聚烯烴與該非接枝的聚烯烴之組合。
如請求項1或3中任一項所述的過電流保護裝置，其中，該非接枝的聚烯烴是高密度聚乙烯。
如請求項1所述的過電流保護裝置，其中，以該第一聚合物組成物的總重為100wt%，該第一聚合物組成物的經接枝的聚烯烴的含量範圍為25-100wt%。
如請求項1所述的過電流保護裝置，其中，以該第三聚合物組成物的總重為100wt%，該第三聚合物組成物的經接枝的聚烯烴的含量範圍為25-100wt%。
如請求項1所述的過電流保護裝置，其中，該第一顆粒狀導電填料、該第二顆粒狀導電填料及該第三顆粒狀導電填料是各自選自於碳黑粉末、金屬粉末、導電陶瓷粉末或其組合。
如請求項7所述的過電流保護裝置，其中，該第一顆粒狀導電填料、該第二顆粒狀導電填料及該第三顆粒狀導電填料皆是碳黑粉末。
一種過電流保護裝置，包含：一第一電極及一第二電極；及一正溫度係數多層結構，設置於該第一電極與該第二電極之間，該正溫度係數多層結構包括：一第一聚合物層，接合於該第一電極，該第一聚合物層具有一第一聚合物基材及一分散在該第一聚合物基材中的第一顆粒狀導電填料，該第一聚合物基材是由一第一聚合物組成物所製成，一第二聚合物層，接合於該第一聚合物層，該第二聚合物層具有一第二聚合物基材及一分散在該第二聚合物基材中的第二顆粒狀導電填料，該第二聚合物基材是由一第二聚合物組成物所製成，及一第三聚合物層，接合且設置於該第二聚合物層與該第二電極之間，該第三聚合物層具有一第三聚合物基材及一分散在該第三聚合物基材中的第三顆粒狀導電填料，該第三聚合物基材是由一第三聚合物組成物所製成；其中，該第二聚合物組成物為一非接枝的聚烯烴；及其中，該第一聚合物組成物及該第三聚合物組成物各自為一經接枝的聚烯烴或該經接枝的聚烯烴與該非接枝的聚烯烴之組合。
如請求項9所述的過電流保護裝置，其中，該第二聚合物組成物的非接枝的聚烯烴是高密度聚乙烯。
如請求項9所述的過電流保護裝置，其中，該第一聚合物組成物及該第三聚合物組成物各自為一經不飽和羧酸酐接枝的聚烯烴或該經不飽和羧酸酐接枝的聚烯烴與該非接枝的聚烯烴之組合。
如請求項9所述的過電流保護裝置，其中，該第一聚合物組成物及該第三聚合物組成物中至少其中一者為該經接枝的聚烯烴與該非接枝的聚烯烴之組合。
如請求項9所述的過電流保護裝置，其中，以該第一聚合物組成物的總重為100wt%，該第一聚合物組成物的經接枝的聚烯烴的含量範圍為25-100wt%。
如請求項9所述的過電流保護裝置，其中，以該第三聚合物組成物的總重為100wt%，該第三聚合物組成物的經接枝的聚烯烴的含量範圍為25-100wr%。