论文部分内容阅读
[摘 要]以HDPE/TIC复合材料为研究对象，考察了过氧化物含量及压合温度对高分子PTC导电复合材料PTC强度的影响，并探讨了过氧化物含量对元件耐流性能、冷热冲击性能及对环境性能影响，结果表明，添加适当过氧化物，不仅可以提高材料的粘接强度，提高元件的PTC强度，而且可以提高元件的耐侯性及耐流老化性能。
[关键词]过氧化物 导电复合材料 热敏电阻
中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）13-0359-01
引言
PPTC（高分子正温度系数）热敏电阻作为一种可以自恢复的保险丝，在电子线路过温过流保护领域得到广泛的应用。低阻PPTC热敏电阻是专门针对锂离子可充电电池开发的过温过流保护元件。锂离子可充电电池在短路，过充电或充电电流过大时，容易引起电池剧烈升温，进而发生爆炸、燃烧的事故，危害人身安全，因此必须安装过流过温保护装置。市场急需内阻很低，功耗小，电性能稳定可用PCM上的PPTC元件。
碳黑因电阻率大，无法达到期望的低电阻，镍粉易氧化，电阻不稳定。无氧陶瓷因自身结构优势，电阻率低，又不易氧化，故受到大家的观注。本文研究无氧陶瓷TIC与HDPE复合体系，在导电材料中加入过氧化物，不仅可以提高元件PTC强度，而且还提高元件的耐侯性，提高元件的再现性。
1 配方部分
1.1 原料
高密度聚乙烯（HDPE），牌号为5080S，中国石油天然气股分有限公司兰州石化分公司；过氧化物，牌号：BIPB-96 ；陶瓷粉TIC，普通级，粒径在2-4um，株洲硬质材料有限公司； 抗氧剂 ，牌号1010，山东省临沂市三丰化工有限公司。原料来源具体见表一：
1.2 试样制备
表二为配方，首先将密炼机设定在160℃，先加入高密度聚乙烯，转速为15rpm，预炼2min后，再加入陶瓷粉和抗氧剂，混炼机旋转的转速为30rpm，3分钟后，将其转速提高至60rpm，继续混炼10钟后下料，形成一具有正温度系数特性的导电复合材料。接着，将所述导电复合材料在开炼机上塑化，按照配方1-5所示逐次增加过氧化物，再拉成10*20mm薄片，冷却后置入中间厚度为0.35-0.37mm模具中，PTC板材上下表面置一镍箔片，再上下层置一聚酯膜布，再压上钢板，先预热5分钟，再压合10分钟，操作压力为100kg/cm2，温度为160℃，经此第一次压合之后形成一具有正温度系数特性的PTC芯材。接着将所述PTC芯材裁成20*10cm2的长方形，之后以模具冲切成面积3mm*4mm的芯片，再在芯片两端焊接引脚16mm*2.5mm用做过电流保护元件，以供后续的电特性测试使用。
1.3 表征与测试
芯片3mm*4mm，芯片两端的镍箔上焊接导线，放置2小时后用微欧计测定元件电阻。电导率-温度曲线（即PTC特性曲线）的测试装置参照ISO3915-1981（E）自制。附有加热恒温装置。测试温度范围30-160℃，升温速率1-2℃/min，降温速率1℃/min。
具体测试项目如下：
1）电阻-温度曲线（PTC特性曲线）测试；
1）耐流老化测试：DC 6V，电流 50A，通电6S，断电60S，100个循环；记录动作一次，20次，40次，100次之后电阻值；
2）冷热冲击老化测试：高温85℃/30 min，低温-40/30 min，元件经高低温度为一次，循环100次；每20次记录一次电阻值；
3）高温高湿老化测试：元件置于85℃ 85% 100小时 ，每20小时记录一次电阻值。
2 过氧化物在TIC与HDPE界面上的交联机理
加热时，过氧化物分解为活性很高的游离基，这些游离基一方面夺取HDPE上的氢原子，一方面夺取TIC表面羟基上的氢原子，故HDPE的碳原子之间互相结合，碳原子与氧原子也互相结合，即产品C-C交联键又产生C-O交联键，交联成网状的大分子结构，具体过程如下：
2.1 BIPB分解为2个游离基
2.2 活化HDPE和TIC
2.3 HDPE与TIC 交联
3 结果与讨论
3.1 过氧化物对复合材料PTC效应稳定性的影响
PTC强度是衡量材料PTC性能好坏的最重要指标之一，其大小不仅与材料基体性能有关，而且与过氧化物添加量也有关系。如图1所示，当没有添加过氧化物时，元件有NTC效应；当添加过氧化物时，NTC效应消失，复合材料PTC强度达9个数量级以上；配方4与配方2相比，发现配方4的PTC强度比2要高，说明过氧化物含量增加，对PTC强度增加有利，但是过氧化物的增加会影响元件室温电阻，这对元件不利。
3.2 过氧化物对复合材料耐流冲击性能的影响
从图中可见，耐流性能最好的为配方2，最差的为配方1，随着压合温度升高，耐流性能变差，原因可能是因为温度超过过氧化物的分解温度，PTC材料还未充分交联。过氧化物含量也会影响交联效果，如配方4和配方2相比，4比2差，可能因为过氧化物添加过量了。
3.3 过氧化物对复合材料冷热冲击性能的影响
将焊好的芯片放置于高温85℃，低温-40℃进行冷热冲击100次，每20次，记录电阻值。
数据如下：
如图所示，过氧化物的添加量影响PTC元件的冷热冲击性能，由图所示，配方2优于配方1，过氧化物添加比不添加好，故过氧化物有利于冷热冲击性能；配方2和配方3优于配方4，当压合温度在160-170℃情况下，2%含量比4%好；此外，温度也影响交联反应的效果，由图看出，配方2优于配方3，配方3优于配方5，当过氧化物添加量相同时，温度同样影响元件性能，BIPB比较适合的交联温度为160℃，温度过高对冷热冲击性能不利。
3.4 过氧化物对环境性能影響
将焊好的芯片放置于高温85℃，相对湿度RH 85%进行老化100小时，每20次，记录电阻值。
数据如下：
如图所示，性能最好的为配方2，最差的为配方1，说明添加过氧化物有利于耐环境性能老化；配方4优于配方3，配方3优于配方5，说明温度和添加量起到交互作用，当过氧化物添加一样时，温度过高，不利于元件耐老化性能。
4 结论
1） 研究结果表明，过氧化物添加量对提高PTC强度有利，但同时对元件电阻有影响。
2） 研究结果表明，过氧化物添加量为2%，对元件的耐流性能提高有利，过高的压合温度对元件的耐流性能提高不利。
3） 研究结果表明，当过氧化物添加量为2%时，压合温度为160℃，元件的冷热交变性能最佳。
4） 研究表果表明，当过氧化物添加量为2%时，压合温度为160℃，元件的环境性能最佳。
参考文献
[1] 薛丹敏，罗延龄，偶联处理对HDPE/炭黑复合材料PTC性能的影响，现代塑料加工应用，2013，15（2）：99
[关键词]过氧化物 导电复合材料 热敏电阻
中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）13-0359-01
引言
PPTC（高分子正温度系数）热敏电阻作为一种可以自恢复的保险丝，在电子线路过温过流保护领域得到广泛的应用。低阻PPTC热敏电阻是专门针对锂离子可充电电池开发的过温过流保护元件。锂离子可充电电池在短路，过充电或充电电流过大时，容易引起电池剧烈升温，进而发生爆炸、燃烧的事故，危害人身安全，因此必须安装过流过温保护装置。市场急需内阻很低，功耗小，电性能稳定可用PCM上的PPTC元件。
碳黑因电阻率大，无法达到期望的低电阻，镍粉易氧化，电阻不稳定。无氧陶瓷因自身结构优势，电阻率低，又不易氧化，故受到大家的观注。本文研究无氧陶瓷TIC与HDPE复合体系，在导电材料中加入过氧化物，不仅可以提高元件PTC强度，而且还提高元件的耐侯性，提高元件的再现性。
1 配方部分
1.1 原料
高密度聚乙烯（HDPE），牌号为5080S，中国石油天然气股分有限公司兰州石化分公司；过氧化物，牌号：BIPB-96 ；陶瓷粉TIC，普通级，粒径在2-4um，株洲硬质材料有限公司； 抗氧剂 ，牌号1010，山东省临沂市三丰化工有限公司。原料来源具体见表一：
1.2 试样制备
表二为配方，首先将密炼机设定在160℃，先加入高密度聚乙烯，转速为15rpm，预炼2min后，再加入陶瓷粉和抗氧剂，混炼机旋转的转速为30rpm，3分钟后，将其转速提高至60rpm，继续混炼10钟后下料，形成一具有正温度系数特性的导电复合材料。接着，将所述导电复合材料在开炼机上塑化，按照配方1-5所示逐次增加过氧化物，再拉成10*20mm薄片，冷却后置入中间厚度为0.35-0.37mm模具中，PTC板材上下表面置一镍箔片，再上下层置一聚酯膜布，再压上钢板，先预热5分钟，再压合10分钟，操作压力为100kg/cm2，温度为160℃，经此第一次压合之后形成一具有正温度系数特性的PTC芯材。接着将所述PTC芯材裁成20*10cm2的长方形，之后以模具冲切成面积3mm*4mm的芯片，再在芯片两端焊接引脚16mm*2.5mm用做过电流保护元件，以供后续的电特性测试使用。
1.3 表征与测试
芯片3mm*4mm，芯片两端的镍箔上焊接导线，放置2小时后用微欧计测定元件电阻。电导率-温度曲线（即PTC特性曲线）的测试装置参照ISO3915-1981（E）自制。附有加热恒温装置。测试温度范围30-160℃，升温速率1-2℃/min，降温速率1℃/min。
具体测试项目如下：
1）电阻-温度曲线（PTC特性曲线）测试；
1）耐流老化测试：DC 6V，电流 50A，通电6S，断电60S，100个循环；记录动作一次，20次，40次，100次之后电阻值；
2）冷热冲击老化测试：高温85℃/30 min，低温-40/30 min，元件经高低温度为一次，循环100次；每20次记录一次电阻值；
3）高温高湿老化测试：元件置于85℃ 85% 100小时 ，每20小时记录一次电阻值。
2 过氧化物在TIC与HDPE界面上的交联机理
加热时，过氧化物分解为活性很高的游离基，这些游离基一方面夺取HDPE上的氢原子，一方面夺取TIC表面羟基上的氢原子，故HDPE的碳原子之间互相结合，碳原子与氧原子也互相结合，即产品C-C交联键又产生C-O交联键，交联成网状的大分子结构，具体过程如下：
2.1 BIPB分解为2个游离基
2.2 活化HDPE和TIC
2.3 HDPE与TIC 交联
3 结果与讨论
3.1 过氧化物对复合材料PTC效应稳定性的影响
PTC强度是衡量材料PTC性能好坏的最重要指标之一，其大小不仅与材料基体性能有关，而且与过氧化物添加量也有关系。如图1所示，当没有添加过氧化物时，元件有NTC效应；当添加过氧化物时，NTC效应消失，复合材料PTC强度达9个数量级以上；配方4与配方2相比，发现配方4的PTC强度比2要高，说明过氧化物含量增加，对PTC强度增加有利，但是过氧化物的增加会影响元件室温电阻，这对元件不利。
3.2 过氧化物对复合材料耐流冲击性能的影响
从图中可见，耐流性能最好的为配方2，最差的为配方1，随着压合温度升高，耐流性能变差，原因可能是因为温度超过过氧化物的分解温度，PTC材料还未充分交联。过氧化物含量也会影响交联效果，如配方4和配方2相比，4比2差，可能因为过氧化物添加过量了。
3.3 过氧化物对复合材料冷热冲击性能的影响
将焊好的芯片放置于高温85℃，低温-40℃进行冷热冲击100次，每20次，记录电阻值。
数据如下：
如图所示，过氧化物的添加量影响PTC元件的冷热冲击性能，由图所示，配方2优于配方1，过氧化物添加比不添加好，故过氧化物有利于冷热冲击性能；配方2和配方3优于配方4，当压合温度在160-170℃情况下，2%含量比4%好；此外，温度也影响交联反应的效果，由图看出，配方2优于配方3，配方3优于配方5，当过氧化物添加量相同时，温度同样影响元件性能，BIPB比较适合的交联温度为160℃，温度过高对冷热冲击性能不利。
3.4 过氧化物对环境性能影響
将焊好的芯片放置于高温85℃，相对湿度RH 85%进行老化100小时，每20次，记录电阻值。
数据如下：
如图所示，性能最好的为配方2，最差的为配方1，说明添加过氧化物有利于耐环境性能老化；配方4优于配方3，配方3优于配方5，说明温度和添加量起到交互作用，当过氧化物添加一样时，温度过高，不利于元件耐老化性能。
4 结论
1） 研究结果表明，过氧化物添加量对提高PTC强度有利，但同时对元件电阻有影响。
2） 研究结果表明，过氧化物添加量为2%，对元件的耐流性能提高有利，过高的压合温度对元件的耐流性能提高不利。
3） 研究结果表明，当过氧化物添加量为2%时，压合温度为160℃，元件的冷热交变性能最佳。
4） 研究表果表明，当过氧化物添加量为2%时，压合温度为160℃，元件的环境性能最佳。
参考文献
[1] 薛丹敏，罗延龄，偶联处理对HDPE/炭黑复合材料PTC性能的影响，现代塑料加工应用，2013，15（2）：99