具有低开关温度和尖锐结晶行为的PPTC组合物和器件制造技术

本发明专利技术提供了具有低开关温度和尖锐结晶行为的PPTC组合物和器件。PPTC器件可包括第一电极和与第一电极相对设置的第二电极。该PPTC器件可包括设置在第一电极和第二电极之间的PPTC层，该PPTC层包括由热塑性聚氨酯(TPU)材料形成的聚合物基体。

【技术实现步骤摘要】
具有低开关温度和尖锐结晶行为的PPTC组合物和器件
技术介绍

实施方案涉及电路保护设备的领域，包括熔断器设备。相关领域的讨论在各种应用中，聚合物正温度系数(PPTC)器件可用作过流或过温保护设备，以及电流传感器或温度传感器。例如，PPTC器件可包括聚合物材料和导电填料，其由于聚合物材料中的改变诸如熔融转变或玻璃化转变而提供从低电阻状态转变到高电阻状态的混合物。在此类转变温度(有时称为跳闸温度)下，其中跳闸温度可常常在室温或更高的范围内，聚合物基体可膨胀并破坏导电网络，使得复合材料不太导电。电阻的该改变赋予PPTC材料类似的熔断特性，当PPTC材料冷却回到室温时，该电阻可为可逆的。对于许多应用，作为温度的函数的电导率的急剧转变是有用的。这种急剧的电转变又取决于形成PPTC器件的聚合物基体的状态的急剧转变。对于跳闸温度高于100℃的高温开关应用，许多不同的聚合物组合物是已知的，包括聚乙烯(PE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、乙烯四氟乙烯(ETFE)基聚合物、聚芳酰胺等。这些聚合物体系中的每一种都通过半结晶或结晶聚合物来表征，该聚合物表现出相对明确限定的熔点，以赋予尖锐的开关行为。此外，PPTC开关冷却时的结晶行为被相对明确地限定，导致能够在多个开关事件中重复使用这种材料。然而，低温PPTC器件的发展受到缺乏在100℃以下具有明确限定的熔融和结晶行为的聚合物的困扰。
技术实现思路
在一个实施方案中，提供了一种PPTC器件材料。PPTC器件可包括第一电极和与第一电极相对设置的第二电极。PPTC器件可包括设置在第一电极和第二电极之间的PPTC层，PPTC层包括由热塑性聚氨酯(TPU)材料形成的聚合物基体。在另一个实施方案中，一种形成PPTC器件的方法可包括基于聚己内酯材料或热塑性聚氨酯(TPU)材料形成聚合物基体材料。该方法可包括：将聚合物基体材料溶解在溶剂中以形成聚合物混合物；将导电填料混合到聚合物混合物中以形成油墨；以及将油墨施加到基底上。在又一个实施方案中，聚合物正温度系数(PPTC)器件可包括带、设置在带上的第一电极和设置在带上的第二电极。PPTC器件还可包括在第一电极和第二电极之间设置在带上的PPTC膜，PPTC膜包括由热塑性聚氨酯(TPU)材料形成的聚合物基体材料。附图说明图1描绘了根据本公开的实施方案的PPTC器件的侧视图；图2描绘了根据本公开的实施方案的另一种PPTC器件的侧面剖视图；图3A描绘了根据本公开的实施方案的另一种PPTC器件的侧面剖视图；图3B描绘了图3A的PPTC器件的一些变型的俯视平面图；图4描绘了示出根据本公开的实施方案布置的参考材料和另一组PPTC材料的电阻根据温度的曲线图；图5A描绘了示出根据本公开的实施方案布置的另外的PPTC材料加热期间的电阻根据温度的曲线图；图5B描绘了示出图5A的PPTC材料冷却期间的电阻根据温度的曲线图；以及图6示出了根据本公开的其它实施方案的工艺流程。具体实施方式现在将在下文中参考附图更完整地描述本专利技术的实施方案，其中示出了示例性实施方案。这些实施方案不应理解为限于本文所述的实施方案。相反，提供这些实施方案是为了使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域的技术人员充分传达它们的范围。在整个附图中，类似的数字是指类似的元件。在以下具体实施方式和/或权利要求书中，术语“在……上”，“上覆”，“设置在……上”和“在……之上”可用于以下具体实施方式和权利要求中。“在……上”，“上覆”，“设置在……上”和“在……之上”可用于指示两个或更多个元件彼此直接物理接触。另外，术语“在……上”，“上覆”，“设置在……上”和“在……之上”可表示两个或更多个元件彼此不直接接触。例如，“在……之上”可表示一个元件在另一个元件之上而不彼此接触，并且可在这两个元件之间具有另一个元件或多个元件。此外，术语“和/或”可以是指“和”，它可以是指“或”，它可以是指“排他性的或”，它可以是指“一个”，它可以是指“一些，但不是全部”，它可以是指“都不是”，和/或它可以是指“二者”，尽管在这方面受权利要求书保护的主题的范围不受限制。在各种实施方案中，提供了用于形成PPTC器件的新方法和组合物，例如包括低温传感器、熔断器和用于保护电池、电路板、FET和二极管的其他器件。根据一些实施方案，提供了具有在50℃至70℃范围内的开关温度的器件。此外，在一些实施方案中，提供了产生低于开关温度的复位或结晶温度的组合物，包括快速复位材料，如下文所讨论的。根据各种实施方案，提供了PPTC材料，其在一系列溶剂中表现出可接受的溶解性，能够用于油墨，并因此促进低成本制造工艺，并且与各种基底(柔性、热敏或刚性)和导体兼容。因此，本实施方案提供了使用对高温或氧气敏感的材料的可能性，因为仅仅低温烘烤可用来去除溶剂和回流聚合物。在各种实施方案中，PPTC器件基于粘合型材料制造，其中这些材料通常可能发粘并且难以配混，并且可能表现出部分结晶度，诸如相对低的结晶度。因此，这些材料以前没有被考虑用于PPTC应用。根据本公开的各种实施方案，提供了基于聚己内酯或PCL的PPTC器件。PCL表现出大约60℃的熔点，这为制造低温传感器或开关提供了可能。在一些实施方案中，提供了基于衍生自己内酯的共聚物的PPTC材料和器件。在一些实施方案中，提供了基于PCL的聚氨酯，而在另外的实施方案中，提供了基于诸如聚酯的其他材料的聚氨酯。在特定的实施方案中，PPTC材料由热塑性聚氨酯(TPU)形成，如下文详述的。通常，TPU是基于多元醇或长链二醇、扩链剂或短链二醇和二异氰酸酯的嵌段共聚物。共聚物的软嵌段由多元醇和异氰酸酯构成，而共聚物的硬嵌段由扩链剂和异氰酸酯构成。这种组合赋予弹性体特性和韧性特性。通常，已知三类TPU：聚酯基、聚醚基和聚己内酯基。在TPU中，硬嵌段部分可代表结晶区，其中结晶区可经历可逆的熔体转变，在该转变期间，不同聚合物链上的各个硬嵌段组分在高于熔体温度的加热过程中彼此解离，并且在低于熔体温度的冷却后彼此再结合并重结晶成嵌段。如下所示，在一些实施方案中，PPTC材料由聚合物形成，该聚合物包括诸如己内酯、聚己内酯、氨基甲酸酯、聚氨酯、多元醇、二醇和其他材料的结构单元。这种聚合物可以是具有己内酯、氨基甲酸酯、多元醇和结合到聚合物链中的其他单元的共聚物。在特定的实施方案中，可将适当水平的交联赋予PPTC聚合物材料，以在使用期间提供机械稳定性。通过在己内酯基聚合物和/或TPU基聚合物中结合适量的导电或半导电颗粒，可生产低电阻到高电阻(PPTC反常效应)开关，其中开关行为与聚合物中的熔体转变相关，如下面的实施方案中详述的。转向图1，示出了根据本公开的实施方案的PPTC器件100的侧视图。PPTC器件100可包括基底102、PPTC器件层104和相对的电极，显示为电极106。在一些实施方案中，基底102可以是柔性基底，诸如带。相对电极可以这样的方式设置，其中两个电极都设本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种PPTC器件，包括：/n第一电极；/n第二电极，所述第二电极与所述第一电极相对设置；和/nPPTC层，所述PPTC层设置在所述第一电极和所述第二电极之间，所述PPTC层包括由热塑性聚氨酯(TPU)材料形成的聚合物基体。/n

【技术特征摘要】
20190120 US 16/252,6501.一种PPTC器件，包括：
第一电极；
第二电极，所述第二电极与所述第一电极相对设置；和
PPTC层，所述PPTC层设置在所述第一电极和所述第二电极之间，所述PPTC层包括由热塑性聚氨酯(TPU)材料形成的聚合物基体。


2.根据权利要求1所述的PPTC器件，其中，所述聚合物基体包括嵌段共聚物，所述嵌段共聚物包括衍生自二异氰酸酯、生物基多元醇和扩链剂二醇的单元。


3.根据权利要求1所述的PPTC器件，其中，所述聚合物基体还包括多元醇基材料。


4.根据权利要求1所述的PPTC器件，还包括设置在所述聚合物基体中的导电填料，其中，所述PPTC器件包括50℃至70℃的开关温度，所述开关温度的特征在于随着所述PPTC器件的温度升高电阻急剧增加。


5.根据权利要求4所述的PPTC器件，其中，所述导电填料包括下列中的至少一种：炭黑、石墨纳米管、石墨烯、碳化钨、碳化钛、镍、铜、掺杂ZnO、MnOx、FeOx、NiOx、氧化锡、硫化物和碲化物。


6.根据权利要求1所述的PPTC器件，包括4或更高的自热高度。


7.根据权利要求1所述的PPTC器件，包括窄分子量分布，其中，所述聚合物基体的重均分子量与数均分子量的比率为2.0或更小。


8.根据权利要求4所述的PPTC器件，包括开关滞后，其中，所述开关温度超过再结晶温度，所述再结晶温度的特征在于随着PPTC器件的温度降低电阻急剧降低。


9.根据权利要求8所述的PPTC器件，其中，所述开关滞后具有至少10℃的幅度。


10.一种形成PPTC器件的方法，包括：
基于聚己内酯材料或热塑性聚氨酯(TPU)材料形成聚合物基体材料；
将所述聚合物基体材料溶解在溶剂中以...

【专利技术属性】
技术研发人员：爱德华·W·小拉特，尤里·B·马图斯，马丁·皮内达，
申请(专利权)人：力特保险丝公司，
类型：发明
国别省市：美国;US