PTC效应复合材料、对应的生产方法以及包括这种材料的加热器装置制造方法及图纸

一种具有PTC效应的共连续可模制聚合物复合材料具有包括至少两种不混溶的聚合物（HDPE、POM）的基体以及在该基体中的导电填料（CB）。所述不混溶的聚合物中的至少一种是高密度聚乙烯（HDPE），并且所述不混溶的聚合物中的至少另外一种是聚甲醛（POM）。

PTC effect composite material, corresponding production method and heater device including such material

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】PTC效应复合材料、对应的生产方法以及包括这种材料的加热器装置
本专利技术涉及基于聚合物的导电复合材料，特别地，其特征在于正温度系数（PTC）电阻，即具有PTC效应的材料。已特别参考这种材料在电加热器装置中的使用而开发了本专利技术，所述电加热器装置特别是关联到车辆部件或被集成在车辆部件中的加热器，诸如用于箱的加热器，或用于经受冷冻的物质的加热器，再或者用于加热气态物质（诸如，在加热器的表面上经受强制循环的空气）的加热器。根据本专利技术的复合材料和加热器装置在任何情况下也都可以在与本文中所提供的优选背景不同的背景中得到应用。
技术介绍
导电聚合物材料是已知的，其通过在绝缘基体内混合导电颗粒——通常是炭黑——获得。复合材料的电性质以及首先是其电导率取决于与基体和颗粒两者都关联的因素（例如，一方面基体的技术/机械和介电性质，并且另一方面颗粒的尺寸、浓度、距离、本征电导率）。一般来说，复合材料电导率随导电填料浓度的变化的行为遵循图1中所代表的图，该图举例说明了由炭黑颗粒构成的填料的情况。基本地，在渗滤阈值以下，复合材料是绝缘的，而在渗滤阈值处，复合材料的电导率迅速变化直到达到高电导率区。在渗滤阈值附近，有可能获得具有明显的PTC（正温度系数）效应的复合材料，其中由于温度的增加所引起的基体的微小膨胀导致电阻相当大的变化。这种现象基本是由于以下事实：上述膨胀引起炭黑的相邻颗粒之间的距离增加，从而改变或中断基体内的一些电路径。使用以均质方式包含导电填料的单一聚合物（即，单相）来获得其基体的复合材料一般不是非常导电的，除非使用了极高浓度的导电填料（例如，高于20wt％的炭黑），其对应的问题是复合材料的成本、高粘度和较差的可模制性。这种类型的复合材料的特征还在于降低的PTC效应和相对低的随时间的稳定性。因此，已提出使用呈碳纳米管或具有高长径比的其他导电颗粒形式的填料，利用所述填料，即使在填料百分比低于上文所提及的填料百分比（大约从2wt%至5wt%），也有可能获得渗滤作用。然而，同样在这种情况下，PTC效应相对有限，因为基体的热膨胀不足以使填料颗粒彼此分离，填料颗粒可以继续在彼此上滑动而不是彼此移动远离（相反，对于具有基本上为球形几何形状的填料，同样是这种情况）。还提出了替代性复合材料，其被定义为“共连续”或“异相”复合材料，其中基体包括至少两种不混溶的聚合物，即，其中包括彼此不混溶的两种不同基体。在这些材料中，根据对用于基体的聚合物的选择，获得导电填料的不同分布。如例如从下表1呈现的，在一些复合材料中——如在PP-EVA或PP-EAA混合物的情况下——出现导电填料在整个基体中（或在构成基体的两种聚合物中）的均质分布，而在其他复合材料中，导电填料偏析或约束在基体的两种材料中的仅一种中，如在PP-HDPE混合物的情况下，其中导电填料仅集中在HDPE内。不过在其他复合材料中，填料基本上位于基体的两种聚合物之间的界面处，如HDPE-PMMA混合物的情况。表1已知的共连续复合材料（炭黑填料）即使它们的电导率非常高，与更传统的复合材料相比，给定相同浓度的导电填料，由于填料自身有可能从一种相或聚合物迁移到另一种相或聚合物和/或在两种不混溶的相或聚合物之间的交界区域中迁移（特别是在供电和/或加热的操作循环期间），已知的共连续复合材料随时间的稳定性也可更低。此外，如果用于携载高密度电流（大约在0.01至0.2A/cm2的范围内），则这种类型的材料通常不稳定。另一方面，导电填料在基体的所有相或聚合物中的均匀分布导致复合材料的结晶性质降低，因此导电填料的颗粒更加有可能迁移，并且因此系统的稳定性更低。此外，一般来说，共连续导电聚合物的特征在于低热导率以及因此低热耗散。
技术实现思路
概括地说，本专利技术的目的是提供一种聚合物复合材料，其克服了现有技术的局限性并呈现改善的电导率和/或具有随时间的稳定性的PTC效应，特别是在操作条件下（诸如，重复的加热循环）。根据不同的目的，本专利技术的目的是提供一种聚合物复合材料，其特征在于改善的热导率，优选地与电导率或PTC效应相结合。本专利技术的辅助目的是指示一种用于获得这种复合材料的方法。本专利技术的另一个辅助目的是提供一种基于使用呈现上文所提及的特性中的一种或多种特性的聚合物复合材料的电加热器装置，该电加热器装置可特别地但非排他地关联到车辆的部件或被集成在车辆的部件中。根据本专利技术，通过具有所附权利要求中规定的特性的聚合物复合材料、生产方法和电加热器来实现上述目的中的一个或多个。这些权利要求形成本文中关于本专利技术提供的技术教导的整体部分。附图说明参考附图，本专利技术的特性和优点将从随后的详细描述中清楚地呈现，附图纯粹作为非限制性示例提供，并且在附图中：-图1是旨在以示意形式表示一般复合材料中的电导率随其导电填料的浓度的变化的图的曲线图；-图2是根据本专利技术的可能实施例的加热器装置的局部示意性横截面；-图3是以示意形式表示根据本专利技术的实施例的复合材料的不同样品在加速老化后在根据室温下的ON循环期间电流随时间的相对变化方面的结果的曲线图；-图4是以示意形式表示根据本专利技术的实施例的复合材料的样品的电阻随温度的变化的曲线图；-图5是图4的曲线图在较大比例下的一部分；-图6是以示意形式表示经受一系列供电循环的根据本专利技术的实施例的复合材料的样品的电阻率的平均图的曲线图；-图7是根据本专利技术的可能实施例的加热器装置的示意性透视图；-图8和图9分别是根据本专利技术的可能实施例的加热器装置的示意性透视图和剖视透视图，该加热器装置被集成在安装于箱中的部件中；-图10是图8至图9的部件的剖视透视图；-图11是根据本专利技术的其他可能实施例的加热器装置的分解示意图；-图12、图13和图14分别是根据本专利技术的可能实施例的加热器装置的示意性透视图、示意性俯视平面图和侧立面示意图；-图15是根据本专利技术的另外的可能实施例的复合材料的一部分的局部示意性横截面图；以及-图16以放大比例图示了图15的细节XVI。具体实施方式在本描述的上下文中对“一实施例”或“一个实施例”的提及旨在指示关于该实施例描述的特定构型、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，可存在于本描述的各个点中的诸如“在一实施例中”、“在一个实施例中”等的短语不一定指的是同一个实施例。此外，在本描述内限定的特定构形、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何适当的方式组合，甚至与所代表的实施例不同。本文中使用的数字和空间参考（诸如，“上部”、“下部”、“顶部”、“底部”、“向上”和“向下”等）仅是为了方便而使用的，并且因此不限定保护范畴或实施例的范围。根据本专利技术，提供了一种复合材料，特别是可模制类型的复合材料，其至少部分地导电或具有正温度系数电阻或PTC效应。该复合材料（特别地属于共连续导电聚合物族）具有包括高密度聚乙烯（HDPE）和聚甲醛（POM）的基体。特别地，HDPE本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有PTC效应的共连续聚合物复合材料，其具有包括至少两种不混溶的聚合物（HDPE、POM）的基体以及在所述基体中的至少一种导电填料（CB），其中，所述不混溶的聚合物中的至少一种是高密度聚乙烯（HDPE），其特征在于，所述不混溶的聚合物中的至少另一种是聚甲醛（POM）。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170407 IT 1020170000388771.一种具有PTC效应的共连续聚合物复合材料，其具有包括至少两种不混溶的聚合物（HDPE、POM）的基体以及在所述基体中的至少一种导电填料（CB），其中，所述不混溶的聚合物中的至少一种是高密度聚乙烯（HDPE），其特征在于，所述不混溶的聚合物中的至少另一种是聚甲醛（POM）。


2.根据权利要求1所述的复合材料，其中，高密度聚乙烯（HDPE）和聚甲醛（POM）处于在45wt%和55wt%之间的相对重量百分比，其中100wt%是所述高密度聚乙烯（HDPE）和所述聚甲醛（POM）的重量百分比之和。


3.根据权利要求1或权利要求2所述的复合材料，其中，所述导电填料（CB）以在10wt%和45wt%之间、优选地在16wt%和30wt%之间的重量百分比被约束或主要被约束在所述高密度聚乙烯（HDPE）中，其中100wt%是所述高密度聚乙烯（HDPE）和所述导电填料（CB）的重量百分比之和。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的复合材料，其中，所述导电填料（CB）是碳质填料，特别地包括来自炭黑、石墨烯、碳纳米管及其混合物当中的至少一者。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的复合材料，其还包括导热填料（TF），优选地包括在25℃下具有高于200W/(m∙K)的热导率值的材料。


6.根据权利要求5所述的复合材料，其中，所述导热填料（TF）特别地以在5wt%和70wt%之间、优选地在15wt%和30wt%之间的重量百分比被约束或主要被约束在所述聚甲醛（POM）中，其中100wt%是所述聚甲醛（POM）和所述导热填料（TF）的重量百分比之和。


7.根据权利要求5或权利要求6所述的复合材料，其中，所述导热填料（TF）包括来自氮化硼、滑石、氮化铝、氧化铝及其混合物当中的至少一者。


8.根据权利要求1至7中任一项所述的复合材料，其中，所述高密度聚乙烯（HDPE）包括：第一部分（MB1），其具有更高浓度的导电填料（CB1）；以及第二部分（MB2），其没有导电填料（CB2）或具有更低浓度的导电填料（CB2），所述第一部分（MB1）与所述第二部分（MB2）混合和/或至少部分地被约束在所述第二部分（MB2）内。


9.一种具有PTC效应的共连续聚合物复合材料，其具有包括至少两种不混溶的聚合物（HDPE、POM）的基体以及在所述基体中的导电填料（CB），其中，导电填料（CB）被约束或主要被约束在所述不混溶的聚合物中的一种中，特别是所述高密度聚乙烯（HDPE），其特征在于，导热填料（TF）被约束或主要被约束在所述不混溶的聚合物中的另一种中，特别是所述是聚甲醛（POM）。


10.一种用于获得具有PTC效应的共连续聚合物复合材料的方法，所述方法包括形成包含至少两种不混溶的聚合物（HDPE、POM）和至少一种导电填料（CB）...

【专利技术属性】
技术研发人员：M皮茲，
申请(专利权)人：埃尔特克有限公司，
类型：发明
国别省市：意大利;IT