高分子PTC过流保护性能的老化方法与技巧

高分子PTC过流保护性能的老化方法与技巧




摘要:研究了热老化及老化过程对高分子PTC材料电阻值的影响,电老化对耐流、耐压、耐雷击等电性能的影响。结果表明,不同的热老化条件可使高分子PTC材料电阻值发生不同程度的变化,电老化可有效改善其电性能。
关键词:高分子PTC材料;过流保护;热老化;电老化
  


聚乙烯(PE)-碳黑(CB)导电高分子复合材料是一种典型的具有正温度系数(PTC)功能的材料〔1,2〕,由其制成的高分子PTC元件(或称为可恢复保险丝)具有较为理想的可恢复过流保护功能〔3〕,在通讯、家电、仪器仪表等领域得到广泛应用。尽管由PE-CB复合材料制成的高分子PTC元件具有良好的PTC效应,但在有些场合中,对其过流保护性能有着较高的要求,这就要求我们在PTC效应的基础上,不断改善其性能,以满足各种使用场合的需要。文献〔1〕仅讨论了加工方法与工艺条件对PTC效应的影响,文献〔4〕分析了PE-CB材料热处理后的I-U特性。本文则针对通讯用高分子PTC材料对可恢复过流保护性能的要求,系统研究了热老化、电老化对其常温阻值偏移、耐流、耐压、耐雷击等性能的影响,对正确认识与提高高分子PTC材料过流保护性能有一定的指导意义。


1 实验


材料采用齐鲁石化公司生产的高密度聚乙烯(HDPE),国产CB,助剂若干。样品的制备是将上述原材料按一定比例混合,将混合物移入密炼机中,在180℃下静置10 min后加热混合,用开炼机充分混合均匀;通过造粒,用挤出机将混合材料挤包在两根平行的多股电极上,经切割成型、电焊单股电极形成样品;用环氧树脂包封。样品的基本技术参数:阻值20 Ω,偏差±0.5 Ω;外观尺寸(见图1),a=8 mm,b=11 mm,c=4.5 mm,d=5 mm。


高分子PTC过流保护性能的老化方法与技巧


图1 样品的外观


2 结果与讨论


2.1 热老化对高分子PTC材料阻值的影响
在高分子PTC材料加工过程中,每道工序都或多或少对其阻值产生影响,这就给控制阻值造成一定困难。文献〔1,4〕已指出了高分子PTCR热处理后阻值都有所下降。而本文在实验中发现,阻值的变化不仅与热老化温度而且还与老化过程有关(见表1)。


表1 热老化对阻值的影响

热老化方式
老化前
平均阻值
R/Ω
老化后
平均阻值
R/Ω
阻值
偏移量
R/Ω

120℃→145℃→135℃→常温
120℃→145℃→125℃→常温
120℃→145℃→115℃→常温
120℃→145℃→105℃→常温
120℃→145℃→95℃→常温
120℃→145℃→75℃→常温
120℃→常温
19.8
20.0
20.4
20.1
19.8
19.8
20.6
28.1
19.4
19.0
18.1
17.1
16.7
16.1
8.3
-0.6
-1.4
-2.0
-2.7
-3.1
-4.5


注:120℃温度点停留半小时,然后升温至145℃后,以1℃/min的速度降温至各温度点,最后急剧冷却。


由表1可知,在温度上限一致的前提下,高分子PTC材料的阻值随温度下降到不同温度点(135℃除外)而降低。135℃温度点(又称开关温度)阻值大幅度升高。这是由于135℃温度点接近PE熔点,当急剧冷却时,PE分子链的活动迅速减小而来不及作充分的调整,使得结晶很快形成,位于非晶部分的CB粒子未能及时分散和充分絮凝,影响了导电通道的形成,阻值上升。对于低于135℃(即低于PE熔点)冷却,随着温度不断降低,CB粒子不断充分絮凝附聚,使导电通道不断增多,导致阻值不断下降。这里将温度升至145℃,目的是高于PE熔点,可以使前道工序造成的不完善晶体在较高温度下进一步完善,这样导电通道可以“理顺”,阻值也就趋向均衡与稳定。
2.2 电老化对高分子PTC材料电性能的影响
2.2.1 电老化方法
方法一:直接加电100 V,停1 min;方法二:直接加电220 V,停1 min;方法三:加电100 V停2 s,再升至220 V停1 min。
2.2.2 对电性能的影响
从过流保护的角度看,试验后,高分子PTC材料的阻值变化是其电性能稳定性的主要标志。下面分别讨论不同老化条件在耐流、耐压、雷击试验后对高分子PTC材料电性能的影响。
(1)阻值变化
由表2可知,220 V电老化后,阻值变化大,而这与加电过程无关。说明高分子PTC材料在电场的作用下,引起阻值发生较大变化。由表2我们还可以发现,老化后阻值上浮,这是由于老化时,高分子PTC材料因焦耳热使自身温度升高,直至开关温度,高分子PTC材料处于高阻态。根据表1所述,若断开外部电源,材料本体温度急剧冷却,使阻值升高,上升幅度不同,则是由于在100 V电场作用下,提供给材料的功率比220 V作用要低,使最高温度点比220 V老化要低。


表2 电老化对阻值的影响

老化方法
阻值平均变化率

100 V
5.4%

220 V
13.2%

100~220 V
13.4%


表3 电老化对耐流、耐压和耐雷击性能的影响

老化方法
耐流试验1)
ΔR.R-1/%
耐压试验2)
ΔR.R-1/%
耐雷击试验3)
ΔR.R-1/%

未老化
30.9
20.9
48(承受9次)

100 V
17.8
13.0
122(承受7次)

220 V
0
10.0
29(承受10次)

100 ~220 V
-4.6
7.4
>200(承受6次)


注:1)耐流试验条件:220 V,初始电流3 A,冲击20次;2)耐压试验条件:220 V,初始电流3 A,停留15 min;3)雷击试验条件:波形10 s/310 μs,电压1 kV,初始电流40 A,要求冲击10次。


(2)对耐流性能的影响
由表3可知,耐流试验后,未老化阻值变化最大,100 V老化后其次,而经220 V(包括100~220 V)老化,经耐流试验,阻值变化不大,虽经20次电流冲击,其阻值仍相对稳定。说明经过较强电场的老化作用,高分子PTC材料从结构上得到很好的稳定,这也是电老化目的所在。
(3)对耐压性能的影响
由表3可知,电老化改善了高分子PTC材料的耐压性能。而耐压性能随老化条件的加强不断改善。其原因有二:一是老化后,内部导电通道得到“理顺”,进一步施加电场后,尽管阻值有所变化,但其变化较未老化的要小;二是通过老化,高分子PTC材料中的聚乙烯得到极化,这样使聚乙烯与导电材料(CB)结合更为紧密,整体材料的结构也更加稳定,从而提高了其耐压性能。
(4)对耐雷击性能的影响
由表3可知,220 V老化后承受雷击能力最强。从严酷性角度看,由于220 V直接电老化,高分子PTC材料承受了一次较大的“考验”,相比之下,承受雷击能力要强。单独100 V老化强度不够;而100~220 V老化条件,虽经100 V电老化,增强了材料的老化时间与强度,尽管此时整体材料的结构最为稳定,但在大电场作用下,其结构却极易被彻底“摧毁”,实验也表明了100~220 V老化条件耐雷击性能最差。


3 结论


(1)热老化可以使高分子PTC材料导电通道更加充实、稳定,阻值分布更加均衡。
(2)电老化可以提高高分子PTC材料耐流、耐压、耐雷击性能,其中220 V电老化条件最佳。
(3)在实际使用过程中,高分子PTC材料必须经过热老化,电老化可视使用场合的性能要求而定。

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发布日期:2019年07月14日  所属分类:电子百科