高溫級(jí)高分子PTC開(kāi)關(guān)器件材料的研究

肖堅(jiān)

摘要：近年來(lái)，伴隨科技的全面發(fā)展，PTC材料得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。目前高分子化合物正系數(shù)溫度電阻（PTC、PPTC）材料主要應(yīng)用于溫度控制及線路過(guò)熱過(guò)流保護(hù)等領(lǐng)域。因?yàn)闇囟瓤刂萍熬€路過(guò)熱過(guò)流保護(hù)的使用目的存在差異，所以對(duì)正系數(shù)溫度材料的性能要求也不盡相同。因?yàn)楦叻肿踊衔镎禂?shù)溫度電阻材料良好的開(kāi)關(guān)性能及高性價(jià)比，其是未來(lái)主要研發(fā)的一個(gè)項(xiàng)目。未來(lái)高分子化合物正系數(shù)溫度電阻開(kāi)關(guān)器件材料的發(fā)展會(huì)傾向于：微型化、低阻化、耐高電壓、適應(yīng)溫度區(qū)間增加及能夠在大功率電環(huán)境下工作。

關(guān)鍵詞：高溫；高分子；PTC；開(kāi)關(guān)器件材料；研究

目前高分子化合物正系數(shù)溫度電阻由于其初始動(dòng)作響應(yīng)迅速、加工便捷及優(yōu)異的力學(xué)性而被廣泛應(yīng)用。文章將以高溫級(jí)高分子PTC開(kāi)關(guān)器件材料的研究作為切入點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上予以深入的探究，相關(guān)內(nèi)容如下所述。

1、燈墨預(yù)處理對(duì)高分子聚合物正系數(shù)溫度電阻材料特性的作用

眾所周知，高分子材料和無(wú)機(jī)填料在熱力學(xué)上并無(wú)內(nèi)質(zhì)聯(lián)系，在使用的時(shí)候，二者的變化趨勢(shì)即為：燈墨粒子的團(tuán)聚環(huán)節(jié)加劇，在基體內(nèi)的區(qū)間呈非制衡性，造成材料宏觀導(dǎo)電性減少，高分子化合物正系數(shù)溫度電阻強(qiáng)度的降低，會(huì)直接導(dǎo)致材料無(wú)法正常運(yùn)作。輻照可以使材料的使用周期有所增加，不過(guò)僅依附于輻照無(wú)法完全規(guī)避電阻參數(shù)漂移及高分子化合物正系數(shù)溫度電阻降低的問(wèn)題。減少?gòu)?fù)合體系的界面，可以深化熱力學(xué)的穩(wěn)定性，同樣以為增加高分子化合物正系數(shù)溫度電阻材料使用周期的主要手段。我們經(jīng)一系列方式對(duì)燈墨予以外層預(yù)處理，進(jìn)而調(diào)節(jié)填料的外層屬性。研究人員通過(guò)燈墨接枝至高分子化合物上取得了顯著的效果，不過(guò)接枝率不高，在工業(yè)化生產(chǎn)中缺乏應(yīng)用應(yīng)用廣度。同時(shí)一些學(xué)者表明，對(duì)燈墨予以硝酸氧化處理調(diào)節(jié)燈墨和樹(shù)脂的制衡性，不過(guò)氧化后明顯弱化了燈墨的導(dǎo)電性，同時(shí)還提升了投資成本，缺乏實(shí)用性。而通過(guò)欽酸醋偶聯(lián)劑處理燈墨是現(xiàn)階段十分理想的一種舉措。其分子能夠分成6個(gè)功能模塊，其在偶聯(lián)系統(tǒng)內(nèi)分別起到相應(yīng)的作用，見(jiàn)下圖。

功能區(qū)1（RO）一是被處理的無(wú)機(jī)物和欽產(chǎn)生偶聯(lián)作用的區(qū)間，欽酸醋偶聯(lián)劑經(jīng)填料及顏料的外層所吸附的微量梭基，產(chǎn)生化學(xué)偶聯(lián)。依附于基團(tuán)的不差異分成：?jiǎn)窝跬榛鵋4P2O7、型單烷氧基型及配位型。功能區(qū)2具有醋基調(diào)節(jié)與交聯(lián)作用，能夠和帶梭基的高分子化合物產(chǎn)生醋交換反應(yīng)，同時(shí)和環(huán)氧樹(shù)脂內(nèi)的梭基予以醋化反應(yīng)，強(qiáng)迫欽酸醋與高分子化合物發(fā)生交聯(lián)。功能區(qū)3OX即為串聯(lián)欽中心的基團(tuán)，依附于X的差異，對(duì)的作用有相應(yīng)的影響。功能區(qū)4R即為和熱塑性高分子化合物的長(zhǎng)鏈糾纏基團(tuán)，增加和高分子化合物體系的制衡性。功能區(qū)5即為熱固性高分子化合物反應(yīng)的基團(tuán)。

2.電子束輻照對(duì)聚偏氟乙烯/斷路器導(dǎo)電復(fù)合體系性能的作用

在溫升提高至高分子聚合物正系數(shù)溫度電阻材料的轉(zhuǎn)變溫度后，電阻率會(huì)呈正比例遞減，即為熱敏電阻效應(yīng)，見(jiàn)圖1。

若無(wú)法限制熱敏電阻現(xiàn)象，那么會(huì)直接造成材料在通電時(shí)功率呈幾何形遞增，溫度快速增加會(huì)導(dǎo)致材料受損，更有甚者會(huì)發(fā)生火災(zāi)。

交聯(lián)即為控制高分子聚合物正系數(shù)溫度電阻材料熱敏電阻現(xiàn)象的主要舉措，亦為高分子聚合物正系數(shù)溫度電阻材料實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的基本途徑。高分子化合物的交聯(lián)涵蓋下述幾個(gè)方法：（1）過(guò)氧化物法（2）輻射法（3）硅烷法。

PVDF因?yàn)橹麈溕习▋蓚€(gè)F原子，其輻照產(chǎn)額不會(huì)超過(guò)降解產(chǎn)額，通過(guò)理論研究我們發(fā)現(xiàn)，其隸屬輻照降解型樹(shù)脂。分析PVDF輻照，找出相匹配的輻照形式，進(jìn)而控制其熱敏電阻現(xiàn)象，是使其推廣的前提。

3.對(duì)聚偏氟乙烯/醋酸乙烯酯共聚物/熱敏電阻兩相材料電性能的研究

針對(duì)燈墨填充單個(gè)高分子化合物的逾滲行為已被相關(guān)專家所研究。差異化導(dǎo)電填料在高分子化合物基體內(nèi)的逾滲行為與減少導(dǎo)電填料逾滲閩參數(shù)的形式也是當(dāng)今研究的熱門(mén)，由于體系逾滲閩參數(shù)的提高提示可達(dá)到所需的導(dǎo)電性能要添加更多的導(dǎo)電填料，這在一定程度上提高了材料加工的繁瑣性，同時(shí)力學(xué)性會(huì)受到干擾。而且，通過(guò)高飽和度的導(dǎo)電粒子填充做成的高分子聚合物正系數(shù)溫度電阻材料會(huì)存在負(fù)溫度系數(shù)現(xiàn)象，這在很大程度上影響了工業(yè)應(yīng)用。擇取有效的方式調(diào)節(jié)燈墨在基體內(nèi)的分散，因此影響復(fù)合材料的導(dǎo)電性是我們要側(cè)重研究的一項(xiàng)內(nèi)容。

雙逾滲行為即為通過(guò)燈墨在一個(gè)連續(xù)相中的逾滲環(huán)節(jié)和此連續(xù)相在另一高分子化合物內(nèi)的逾滲過(guò)程所構(gòu)成的。燈墨填充的兩相高分子化合物內(nèi)體系內(nèi)，燈墨粒子大多分布于連續(xù)相中及相界面區(qū)間，能夠減少逾滲閩參數(shù)。燈墨粒子在兩相每的失衡分布導(dǎo)致了燈墨粒子的局部密度驟增，利于燈墨逾滲網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。不過(guò)雙逾滲行為基體即為兩種差異化材料所構(gòu)成，所以其電阻在溫度曲線上體現(xiàn)出兩個(gè)峰值，作為開(kāi)關(guān)器材料這在一定程度上提高了它在使用環(huán)節(jié)燃燒受損的比率。

導(dǎo)電填料的偶聯(lián)處理雖然可以減少?gòu)?fù)合材料的界面能，調(diào)節(jié)填料的分散區(qū)間，不過(guò)燈墨在樹(shù)脂內(nèi)無(wú)法有效分散，舉例說(shuō)明，在工業(yè)色母粒的生產(chǎn)過(guò)程，很多時(shí)候都會(huì)由于燈墨的分散異常而降低產(chǎn)品質(zhì)量。工業(yè)中擇取醋酸乙烯酯共聚物蠟對(duì)燈墨的分散有促進(jìn)作用。醋酸乙烯酯共聚物經(jīng)對(duì)燈墨的潤(rùn)濕、滲透去降低燈墨聚集體外層的空氣密度，使得團(tuán)聚體與凝聚體分散為細(xì)微、均勻的顆粒，在此基礎(chǔ)上予以加工不會(huì)產(chǎn)生凝聚現(xiàn)象。

4、高溫級(jí)高分子PTC開(kāi)關(guān)器件材料的工業(yè)應(yīng)用

高分子化合物正系數(shù)溫度電阻材料因?yàn)槠鋵?duì)溫度的敏感性，大多被應(yīng)用在溫度控制及線路過(guò)熱過(guò)流保護(hù)等方面。常規(guī)的控溫與線路過(guò)流保護(hù)基本擇取了雙金屬片、一次性保險(xiǎn)絲材料，和這些材料相比，高分子化合物正系數(shù)溫度電阻材料具有非常大的優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)控溫領(lǐng)域的高分子化合物正系數(shù)溫度電阻材料，需要其發(fā)熱穩(wěn)定同時(shí)具備優(yōu)異的力學(xué)柔韌性，對(duì)室溫電阻率沒(méi)有固定的要求。而應(yīng)用在線路保護(hù)方面，其在工作過(guò)程中僅作串連電阻使用，因此追求低室溫電阻率，放置消耗大量的功率，不過(guò)在線路發(fā)生故障及電流線路溫度超標(biāo)狀態(tài)下，可以第一時(shí)間發(fā)生正系數(shù)溫度轉(zhuǎn)變，斷路電阻盡量高，同時(shí)防止發(fā)生負(fù)溫度系數(shù)現(xiàn)象?，F(xiàn)階段市場(chǎng)上依附于差異化的需求發(fā)展出的線路保護(hù)器件包括：（1）貼片型（2）插件型（3）高壓片（4）電池片。插件按照具體線路的差異又分成相應(yīng)的耐壓等級(jí)，其主要應(yīng)用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、車(chē)窗、座椅以及電機(jī)等線路的保護(hù)。貼片大多應(yīng)用于電腦主板以及集成電路等電路集成化程度高的領(lǐng)域。電池片大多應(yīng)用在手機(jī)電池領(lǐng)域。高壓片基本用于配線架等高壓領(lǐng)域。

總的來(lái)說(shuō)，高分子化合物正系數(shù)溫度電阻材料具備十分開(kāi)闊的應(yīng)用前景，不過(guò)現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的線路保護(hù)器件工作的最高溫度為八十五攝氏度，若用于汽車(chē)空調(diào)及馬達(dá)保護(hù)等高環(huán)境溫度下，那么就無(wú)法正常使用。因此如何使線路保護(hù)器件在更高的溫度環(huán)境下正常使用，是我們未來(lái)亟待解決的一個(gè)問(wèn)題。

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