一种具有填料浓度梯度分布的高分子PTC材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种具有导电填料浓度梯度分布的高分子PTC材料及其制备方法和应用，该种高分子PTC材料主要包括高分子树脂基体，第一导电填料和第二导电填料，三种组分所占总体积分数依次为20～70％、25～70％、5～10％；且导电填料在垂直方向上呈梯度分布。本发明专利技术的制备方法主要包含以下步骤：(1)通过球磨，配制高分子树脂基体、导电填料分散液；(2)涂布分散液于金属箔片并静置沉降；(3)干燥后对折并热压成型。本发明专利技术通过控制导电填料的沉降调节其在高分子基体内垂直方向的分布，可有效降低界面电阻，提高耐压耐流特性和PTC强度，为高效制备高性能高分子PTC材料及元件提供了一种可行方案。案。

【技术实现步骤摘要】
一种具有填料浓度梯度分布的高分子PTC材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于高分子领域，涉及一种具有填料浓度梯度分布的高分子PTC材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]高分子基热敏电阻主要由结晶性高分子树脂和导电填料组成，其电阻率随着温度的变化呈现出非线性变化。高分子正温度系数(PTC)热敏电阻，随着温度的升高，其电阻率逐渐增加，当温度达到材料转折温度点附近时，在很小的温度区间内电阻率增加多个数量级。将高分子PTC热敏电阻串联在电路中，当电路产生较大电流时，热敏电阻温度升高，其电阻瞬间增大，电路中的电流瞬间被切断，从而起到保护电路的作用；随后随着温度的降低，其阻值可恢复至正常值，具有自恢复特性。
[0003]对于高分子PTC而言，室温电阻率较大，较难满足大功率设备的使用且电路中电能损耗大。同时，高分子PTC在动作时耐压耐流特性较差。英国《科学报告》(Scientific reports，2014年，第4卷，第6684页)报道了一种碳纳米管作为导电填料的高分子PTC材料，有效降低室温电阻率，但其耐压耐流特性较差。高分子热敏电阻材料很难同时具有室温低电阻率和优良的耐压耐流特性。因此，开发一种能在降低高分子PTC材料室温电阻率的同时提高耐电压耐电流特性的制备方法很有意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题在于降低高分子PTC材料室温电阻率的同时提高耐压耐流特性，使高分子PTC材料同时具备低室温电阻率和优良的耐压耐流特性。
[0005]为解决上述问题，本专利技术提供了一种具有导电填料浓度梯度分布的高分子PTC材料及其制备方法，可有效降低高分子PTC界面电阻、提高PTC强度和耐压耐流特性。
[0006]本专利技术提供了一种具有导电填料浓度梯度分布的高分子PTC材料，所述高分子PTC材料包括高分子树脂基体、第一导电填料、第二导电填料。
[0007]其中，所述高分子树脂基体包括聚乙烯及其共聚物、聚丙烯及其共聚物、聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物、聚六氟丙烯及其共聚物、聚酰胺及其共聚物、聚氨酯及其共聚物、氟橡胶及其共聚物等中的一种或多种；优选地，为聚偏氟乙烯。
[0008]其中，所述高分子树脂基体占高分子PTC材料总体积分数的20～70％；优选地，为65％。
[0009]其中，所述第一导电填料为陶瓷系导电填料，包括碳化钛、碳化钨、碳化钽、氮化钛、二硼化钛、氮化铝、氮化镁、氮化硼等中的一种或多种混合；优选地，为碳化钛。
[0010]其中，所述第一导电填料占高分子PTC材料总体积分数的25～70％；优选地，为25％。
[0011]其中，所述第二导电填料为碳系导电填料，包括炭黑、乙炔黑、短切碳纤维、长切碳
纤维、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨等中的一种或多种混合；优选地，为炭黑。
[0012]其中，所述第二导电填料占高分子PTC材料总体积分数的5～10％；优选地，为10％。
[0013]本专利技术具有导电填料浓度梯度分布的高分子PTC材料具备较低的室温电阻率，良好的耐压耐流特性，通过溶液沉降，导电填料在PTC材料内部产生不均匀分布，高分子PTC材料中心导电填料浓度最低，以高分子PTC材料中心为起点，沿着垂直方向导电填料浓度逐渐增加，高分子PTC材料上下面浓度最高，上下面高浓度的导电填料产生了大量和金属箔片的接触点，提供了电流传输的通路，能有效降低界面电阻，高分子PTC材料中心区域导电填料浓度低，导电填料形成的导电通路容易被基体的热膨胀破坏，电阻对温度的变化敏感，当电路中温度升至基体熔点附近时，高分子PTC材料电阻急速增大，电流急剧减小，因此耐压耐流特性得到提升。
[0014]本专利技术中，所述高分子PTC材料中心是指垂直方向上位于高分子PTC材料中点的平面。
[0015]本专利技术中，导电填料浓度以高分子PTC材料中心为起点向两端递增；所述递增是指以高分子PTC材料中心为起点，高分子PTC材料上下面为终点，导电填料浓度沿垂直方向逐渐增加。
[0016]本专利技术通过导电填料和溶液之间的密度差异，首次创新提出导电填料在高分子溶液内部的梯度分布，球磨后导电填料均匀分布在分散液中，将分散液涂覆在金属箔片上，静置过程中，分散液中大粒径的第一导电填料沉降速度快，首先沉降到底部金属箔片界面处，粒径小的第一导电填料沉降速度慢，仍处在分散液上表面部分，此时快速干燥溶剂，使导电填料的分布固定，导电填料的梯度分布不仅能降低高分子PTC材料的室温电阻，同时也能提高耐压耐流特性。
[0017]与传统的熔融混合法相比，溶液沉降法提供了低粘度的环境，根据溶液和导电填料之间的密度差异进行结构设计，本专利技术通过球磨使导电填料均匀分布在高分子溶液中，克服了低粘度环境下导电填料难以分散均匀的问题。通过设计沉降时间梯度、改变高分子溶液粘度来控制导电填料的沉降程度；通过快速干燥溶剂避免导电填料的过度沉降，同时将导电填料的分布状态进行固定。
[0018]本专利技术还提供了一种具有导电填料浓度梯度分布的高分子PTC材料的制备方法，所述方法为分散液沉降法，包含以下制备步骤:
[0019](1)通过球磨，配制含有高分子树脂基体、第一、二导电填料的分散液；
[0020](2)涂布步骤(1)配制的分散液于导电金属箔片并静置沉降；
[0021](3)干燥后对折并热压成型，得到所述高分子PTC材料。
[0022]步骤(1)中，所述高分子树脂基体包括聚乙烯及其共聚物、聚丙烯及其共聚物、聚偏氟乙烯及其共聚物、聚六氟丙烯及其共聚物、聚酰胺及其共聚物、聚氨酯及其共聚物、氟橡胶及其共聚物等中的一种或多种；优选地，为聚偏氟乙烯。
[0023]步骤(1)中，配制所述分散液使用的溶剂为N,N
‑
二甲基甲酰胺、N,N
‑
二甲基乙酰胺、N
‑
甲基吡咯烷酮、二苯胺、甲苯、二甲苯、二乙二醇乙醚、间甲酚、苯酚等中的一种或多种混合；优选地，为N，N
‑
二甲基甲酰胺。
[0024]步骤(1)中，所述高分子树脂基体和溶剂的质量比为1:(4～9)；优选地，为1:7。
[0025]步骤(1)中，所述第一导电填料为碳化钛、碳化钨、碳化钽、氮化钛、二硼化钛、氮化铝、氮化镁、氮化硼等中的一种或多种混合；优选地，为碳化钛。
[0026]步骤(1)中，所述第二导电填料为炭黑、乙炔黑、短切碳纤维、长切碳纤维、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨等中的一种或多种混合；优选地，为炭黑。
[0027]步骤(1)中，所述高分子树脂基体、第一导电填料、第二导电填料的体积比为20～70％：25～70％：5～10％；优选地，为65％：25％：10％。
[0028]步骤(1)中，所述球磨的转速为40～50rpm、球磨的时间为5～10h；优选地，球磨的转速为40rpm、球磨的时间为6h。
[0029]步骤(2)中，所述导电金属箔片包括铜箔、银箔、镍箔、镀镍铜箔、镀锡铜箔等中的一种；优选地，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有导电填料浓度梯度分布的高分子PTC材料，其特征在于，所述高分子PTC材料包括高分子树脂基体、第一导电填料和第二导电填料。2.根据权利要求1所述的高分子PTC材料，其特征在于，所述导电填料浓度以所述高分子PTC材料的中心为起点向两端递增。3.根据权利要求1所述的高分子PTC材料，其特征在于，所述高分子树脂基体包括聚乙烯及其共聚物、聚丙烯及其共聚物、聚偏氟乙烯及其共聚物、聚六氟丙烯及其共聚物、聚酰胺及其共聚物、聚氨酯及其共聚物、氟橡胶及其共聚物中的一种或多种；所述高分子树脂基体占所述高分子PTC材料总体积分数的20～70％。4.根据权利要求1所述的高分子PTC材料，其特征在于，所述第一导电填料为陶瓷系导电填料，包括碳化钛、碳化钨、碳化钽、氮化钛、二硼化钛、氮化铝、氮化镁、氮化硼中的一种或多种混合；所述第一导电填料占所述高分子PTC材料总体积分数的25～70％。5.根据权利要求1所述的高分子PTC材料，其特征在于，所述第二导电填料为碳系导电填料，包括炭黑、乙炔黑、短切碳纤维、长切碳纤维、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨中的一种或多种混合；所述第二导电填料占所述高分子PTC材料总体积分数的5～10％。6.一种具有导电填料浓度梯度垂直分布的高分子PTC材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)通过球磨，配制含有高分子树脂基体、第一导电填料、第二导电填料的分散液；(2)涂布所述步骤(1)配制的分散液于导电金属箔片并静置沉降；(3)干燥后对折并热压成型，得到所述高分子PTC材料。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，配制所述分散液使用的溶剂为N,N
‑
二甲基甲酰胺、N,N
‑
二甲基乙酰胺、N
‑
甲基吡咯烷酮、二苯胺、甲苯、二甲苯、二乙二醇乙醚、间甲酚、苯...

【专利技术属性】
技术研发人员：方斌，胡伟，张震，王保余，杨向民，梁莹，唐桤泽，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：