高溫級高分子PTC開關器件材料的研究

肖堅

摘要：近年來，伴隨科技的全面發展，PTC材料得到越來越廣泛的應用。目前高分子化合物正系數溫度電阻（PTC、PPTC）材料主要應用于溫度控制及線路過熱過流保護等領域。因為溫度控制及線路過熱過流保護的使用目的存在差異，所以對正系數溫度材料的性能要求也不盡相同。因為高分子化合物正系數溫度電阻材料良好的開關性能及高性價比，其是未來主要研發的一個項目。未來高分子化合物正系數溫度電阻開關器件材料的發展會傾向于：微型化、低阻化、耐高電壓、適應溫度區間增加及能夠在大功率電環境下工作。

關鍵詞：高溫；高分子；PTC；開關器件材料；研究

目前高分子化合物正系數溫度電阻由于其初始動作響應迅速、加工便捷及優異的力學性而被廣泛應用。文章將以高溫級高分子PTC開關器件材料的研究作為切入點，在此基礎上予以深入的探究，相關內容如下所述。

1、燈墨預處理對高分子聚合物正系數溫度電阻材料特性的作用

眾所周知，高分子材料和無機填料在熱力學上并無內質聯系，在使用的時候，二者的變化趨勢即為：燈墨粒子的團聚環節加劇，在基體內的區間呈非制衡性，造成材料宏觀導電性減少，高分子化合物正系數溫度電阻強度的降低，會直接導致材料無法正常運作。輻照可以使材料的使用周期有所增加，不過僅依附于輻照無法完全規避電阻參數漂移及高分子化合物正系數溫度電阻降低的問題。減少復合體系的界面，可以深化熱力學的穩定性，同樣以為增加高分子化合物正系數溫度電阻材料使用周期的主要手段。我們經一系列方式對燈墨予以外層預處理，進而調節填料的外層屬性。研究人員通過燈墨接枝至高分子化合物上取得了顯著的效果，不過接枝率不高，在工業化生產中缺乏應用應用廣度。同時一些學者表明，對燈墨予以硝酸氧化處理調節燈墨和樹脂的制衡性，不過氧化后明顯弱化了燈墨的導電性，同時還提升了投資成本，缺乏實用性。而通過欽酸醋偶聯劑處理燈墨是現階段十分理想的一種舉措。其分子能夠分成6個功能模塊，其在偶聯系統內分別起到相應的作用，見下圖。

功能區1（RO）一是被處理的無機物和欽產生偶聯作用的區間，欽酸醋偶聯劑經填料及顏料的外層所吸附的微量梭基，產生化學偶聯。依附于基團的不差異分成：單氧烷基H4P2O7、型單烷氧基型及配位型。功能區2具有醋基調節與交聯作用，能夠和帶梭基的高分子化合物產生醋交換反應，同時和環氧樹脂內的梭基予以醋化反應，強迫欽酸醋與高分子化合物發生交聯。功能區3OX即為串聯欽中心的基團，依附于X的差異，對的作用有相應的影響。功能區4R即為和熱塑性高分子化合物的長鏈糾纏基團，增加和高分子化合物體系的制衡性。功能區5即為熱固性高分子化合物反應的基團。

2.電子束輻照對聚偏氟乙烯/斷路器導電復合體系性能的作用

在溫升提高至高分子聚合物正系數溫度電阻材料的轉變溫度后，電阻率會呈正比例遞減，即為熱敏電阻效應，見圖1。

若無法限制熱敏電阻現象，那么會直接造成材料在通電時功率呈幾何形遞增，溫度快速增加會導致材料受損，更有甚者會發生火災。

交聯即為控制高分子聚合物正系數溫度電阻材料熱敏電阻現象的主要舉措，亦為高分子聚合物正系數溫度電阻材料實現工業應用的基本途徑。高分子化合物的交聯涵蓋下述幾個方法：（1）過氧化物法（2）輻射法（3）硅烷法。

PVDF因為主鏈上包括兩個F原子，其輻照產額不會超過降解產額，通過理論研究我們發現，其隸屬輻照降解型樹脂。分析PVDF輻照，找出相匹配的輻照形式，進而控制其熱敏電阻現象，是使其推廣的前提。

3.對聚偏氟乙烯/醋酸乙烯酯共聚物/熱敏電阻兩相材料電性能的研究

針對燈墨填充單個高分子化合物的逾滲行為已被相關專家所研究。差異化導電填料在高分子化合物基體內的逾滲行為與減少導電填料逾滲閩參數的形式也是當今研究的熱門，由于體系逾滲閩參數的提高提示可達到所需的導電性能要添加更多的導電填料，這在一定程度上提高了材料加工的繁瑣性，同時力學性會受到干擾。而且，通過高飽和度的導電粒子填充做成的高分子聚合物正系數溫度電阻材料會存在負溫度系數現象，這在很大程度上影響了工業應用。擇取有效的方式調節燈墨在基體內的分散，因此影響復合材料的導電性是我們要側重研究的一項內容。

雙逾滲行為即為通過燈墨在一個連續相中的逾滲環節和此連續相在另一高分子化合物內的逾滲過程所構成的。燈墨填充的兩相高分子化合物內體系內，燈墨粒子大多分布于連續相中及相界面區間，能夠減少逾滲閩參數。燈墨粒子在兩相每的失衡分布導致了燈墨粒子的局部密度驟增，利于燈墨逾滲網絡的構建。不過雙逾滲行為基體即為兩種差異化材料所構成，所以其電阻在溫度曲線上體現出兩個峰值，作為開關器材料這在一定程度上提高了它在使用環節燃燒受損的比率。

導電填料的偶聯處理雖然可以減少復合材料的界面能，調節填料的分散區間，不過燈墨在樹脂內無法有效分散，舉例說明，在工業色母粒的生產過程，很多時候都會由于燈墨的分散異常而降低產品質量。工業中擇取醋酸乙烯酯共聚物蠟對燈墨的分散有促進作用。醋酸乙烯酯共聚物經對燈墨的潤濕、滲透去降低燈墨聚集體外層的空氣密度，使得團聚體與凝聚體分散為細微、均勻的顆粒，在此基礎上予以加工不會產生凝聚現象。

4、高溫級高分子PTC開關器件材料的工業應用

高分子化合物正系數溫度電阻材料因為其對溫度的敏感性，大多被應用在溫度控制及線路過熱過流保護等方面。常規的控溫與線路過流保護基本擇取了雙金屬片、一次性保險絲材料，和這些材料相比，高分子化合物正系數溫度電阻材料具有非常大的優勢。

針對控溫領域的高分子化合物正系數溫度電阻材料，需要其發熱穩定同時具備優異的力學柔韌性，對室溫電阻率沒有固定的要求。而應用在線路保護方面，其在工作過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，不過在線路發生故障及電流線路溫度超標狀態下，可以第一時間發生正系數溫度轉變，斷路電阻盡量高，同時防止發生負溫度系數現象?，F階段市場上依附于差異化的需求發展出的線路保護器件包括：（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的耐壓等級，其主要應用于汽車發動機、車窗、座椅以及電機等線路的保護。貼片大多應用于電腦主板以及集成電路等電路集成化程度高的領域。電池片大多應用在手機電池領域。高壓片基本用于配線架等高壓領域。

總的來說，高分子化合物正系數溫度電阻材料具備十分開闊的應用前景，不過現階段，國內生產的線路保護器件工作的最高溫度為八十五攝氏度，若用于汽車空調及馬達保護等高環境溫度下，那么就無法正常使用。因此如何使線路保護器件在更高的溫度環境下正常使用，是我們未來亟待解決的一個問題。

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