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改善高分子PTC材料可恢复过流保护性能的老化方法

改善高分子PTC材料可恢复过流保护性能的老化方法 2011年12月09日 来源： 　　中图分类号：TN373　　文献标识码：A　　文章编号：1001-2028(1999)06-0007-02　　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。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／Ω120℃→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19.820.020.420.119.819.820.628.119.419.018.117.116.716.18.3-0.6-1.4-2.0-2.7-3.1-4.5　　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 V5.4%220 V13.2%100～220 V13.4%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30.920.948（承受9次）100 V17.813.0122（承受7次）220 V010.029（承受10次）100 ～220 V-4.67.4＞200（承

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