高分子PTC過流保護性能的老化方法與技巧

摘要：研究了熱老化及老化過程對高分子PTC材料電阻值的影響，電老化對耐流、耐壓、耐雷擊等電性能的影響。結(jié)果表明，不同的熱老化條件可使高分子PTC材料電阻值發(fā)生不同程度的變化，電老化可有效改善其電性能。
關(guān)鍵詞：高分子PTC材料；過流保護；熱老化；電老化
　　

聚乙烯（PE）-碳黑（CB）導(dǎo)電高分子復(fù)合材料是一種典型的具有正溫度系數(shù)（PTC）功能的材料〔1，2〕，由其制成的高分子PTC元件（或稱為可恢復(fù)保險絲）具有較為理想的可恢復(fù)過流保護功能〔3〕，在通訊、家電、儀器儀表等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。盡管由PE-CB復(fù)合材料制成的高分子PTC元件具有良好的PTC效應(yīng)，但在有些場合中，對其過流保護性能有著較高的要求，這就要求我們在PTC效應(yīng)的基礎(chǔ)上，不斷改善其性能，以滿足各種使用場合的需要。文獻〔1〕僅討論了加工方法與工藝條件對PTC效應(yīng)的影響，文獻〔4〕分析了PE-CB材料熱處理后的I-U特性。本文則針對通訊用高分子PTC材料對可恢復(fù)過流保護性能的要求，系統(tǒng)研究了熱老化、電老化對其常溫阻值偏移、耐流、耐壓、耐雷擊等性能的影響，對正確認識與提高高分子PTC材料過流保護性能有一定的指導(dǎo)意義。

1　實驗

材料采用齊魯石化公司生產(chǎn)的高密度聚乙烯（HDPE），國產(chǎn)CB，助劑若干。樣品的制備是將上述原材料按一定比例混合，將混合物移入密煉機中，在180℃下靜置10 min后加熱混合，用開煉機充分混合均勻；通過造粒，用擠出機將混合材料擠包在兩根平行的多股電極上，經(jīng)切割成型、電焊單股電極形成樣品；用環(huán)氧樹脂包封。樣品的基本技術(shù)參數(shù)：阻值20 Ω，偏差±0.5 Ω；外觀尺寸(見圖1)，a=8 mm，b=11 mm，c=4.5 mm，d=5 mm。

圖1　樣品的外觀

2　結(jié)果與討論

2.1　熱老化對高分子PTC材料阻值的影響
在高分子PTC材料加工過程中，每道工序都或多或少對其阻值產(chǎn)生影響，這就給控制阻值造成一定困難。文獻〔1，4〕已指出了高分子PTCR熱處理后阻值都有所下降。而本文在實驗中發(fā)現(xiàn)，阻值的變化不僅與熱老化溫度而且還與老化過程有關(guān)（見表1）。

表1　熱老化對阻值的影響

注：120℃溫度點停留半小時，然后升溫至145℃后，以1℃/min的速度降溫至各溫度點，最后急劇冷卻。

由表1可知，在溫度上限一致的前提下，高分子PTC材料的阻值隨溫度下降到不同溫度點（135℃除外）而降低。135℃溫度點（又稱開關(guān)溫度）阻值大幅度升高。這是由于135℃溫度點接近PE熔點，當急劇冷卻時，PE分子鏈的活動迅速減小而來不及作充分的調(diào)整，使得結(jié)晶很快形成，位于非晶部分的CB粒子未能及時分散和充分絮凝，影響了導(dǎo)電通道的形成，阻值上升。對于低于135℃（即低于PE熔點）冷卻，隨著溫度不斷降低，CB粒子不斷充分絮凝附聚，使導(dǎo)電通道不斷增多，導(dǎo)致阻值不斷下降。這里將溫度升至145℃，目的是高于PE熔點，可以使前道工序造成的不完善晶體在較高溫度下進一步完善，這樣導(dǎo)電通道可以“理順”，阻值也就趨向均衡與穩(wěn)定。
2.2　電老化對高分子PTC材料電性能的影響
2.2.1　電老化方法
方法一：直接加電100 V，停1 min；方法二：直接加電220 V，停1 min；方法三：加電100 V停2 s，再升至220 V停1 min。
2.2.2　對電性能的影響
從過流保護的角度看，試驗后，高分子PTC材料的阻值變化是其電性能穩(wěn)定性的主要標志。下面分別討論不同老化條件在耐流、耐壓、雷擊試驗后對高分子PTC材料電性能的影響。
(1)阻值變化
由表2可知,220 V電老化后，阻值變化大，而這與加電過程無關(guān)。說明高分子PTC材料在電場的作用下，引起阻值發(fā)生較大變化。由表2我們還可以發(fā)現(xiàn)，老化后阻值上浮，這是由于老化時，高分子PTC材料因焦耳熱使自身溫度升高，直至開關(guān)溫度，高分子PTC材料處于高阻態(tài)。根據(jù)表1所述，若斷開外部電源，材料本體溫度急劇冷卻，使阻值升高，上升幅度不同，則是由于在100 V電場作用下，提供給材料的功率比220 V作用要低，使最高溫度點比220 V老化要低。

表2　電老化對阻值的影響

表3　電老化對耐流、耐壓和耐雷擊性能的影響

注：1）耐流試驗條件:220 V,初始電流3 A,沖擊20次；2）耐壓試驗條件：220 V，初始電流3 A，停留15 min；3）雷擊試驗條件：波形10 s/310 μs，電壓1 kV，初始電流40 A，要求沖擊10次。

(2)對耐流性能的影響
由表3可知，耐流試驗后，未老化阻值變化最大，100 V老化后其次，而經(jīng)220 V（包括100～220 V）老化，經(jīng)耐流試驗，阻值變化不大，雖經(jīng)20次電流沖擊，其阻值仍相對穩(wěn)定。說明經(jīng)過較強電場的老化作用，高分子PTC材料從結(jié)構(gòu)上得到很好的穩(wěn)定，這也是電老化目的所在。
(3)對耐壓性能的影響
由表3可知，電老化改善了高分子PTC材料的耐壓性能。而耐壓性能隨老化條件的加強不斷改善。其原因有二：一是老化后，內(nèi)部導(dǎo)電通道得到“理順”，進一步施加電場后，盡管阻值有所變化，但其變化較未老化的要??；二是通過老化，高分子PTC材料中的聚乙烯得到極化，這樣使聚乙烯與導(dǎo)電材料（CB）結(jié)合更為緊密，整體材料的結(jié)構(gòu)也更加穩(wěn)定，從而提高了其耐壓性能。
(4)對耐雷擊性能的影響
由表3可知，220 V老化后承受雷擊能力最強。從嚴酷性角度看，由于220 V直接電老化，高分子PTC材料承受了一次較大的“考驗”，相比之下，承受雷擊能力要強。單獨100 V老化強度不夠；而100～220 V老化條件，雖經(jīng)100 V電老化，增強了材料的老化時間與強度，盡管此時整體材料的結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定，但在大電場作用下，其結(jié)構(gòu)卻極易被徹底“摧毀”，實驗也表明了100～220 V老化條件耐雷擊性能最差。

3　結(jié)論

(1)熱老化可以使高分子PTC材料導(dǎo)電通道更加充實、穩(wěn)定，阻值分布更加均衡。
(2)電老化可以提高高分子PTC材料耐流、耐壓、耐雷擊性能，其中220 V電老化條件最佳。
(3)在實際使用過程中，高分子PTC材料必須經(jīng)過熱老化，電老化可視使用場合的性能要求而定。