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。結果表明，不同的熱老化條件可使高分子PTC材料電阻值發生不同程度的變化，電老化可有效改善其電性能。
關鍵詞：高分子PTC材料；過流保護；熱老化；電老化
聚乙烯（PE）-碳黑（CB）導電高分子復合材料是一種典型的具有正溫度系數（PTC）功能的材料〔1，2〕，由其制成的高分子PTC元件（或稱為可恢復保險絲）具有較為理想的可恢復過流保護功能〔3〕，在通訊、家電、儀器儀表等領域得到廣泛應用。盡管由PE-CB復合材料制成的高分子PTC元件具有良好的PTC效應，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效應的基礎上，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材料對可恢復過流保護性能的要求，系統研究了熱老化、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意義。
1 實驗
材料采用齊魯石化公司生產的高密度聚乙烯（HDPE），國產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，經切割成型、電焊單股電極形成樣品；用環氧樹脂包封。樣品的基本技術參數：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。而本文在實驗中發現，阻值的變化不僅與熱老化溫度而且還與老化過程有關（見表1）。
表1 熱老化對阻值的影響
| 熱老化方式 | 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℃→常溫 120℃→145℃→125℃→常溫 120℃→145℃→115℃→常溫 120℃→145℃→105℃→常溫 120℃→145℃→95℃→常溫 120℃→145℃→75℃→常溫 120℃→常溫 |
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℃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整，使得結晶很快形成，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，使導電通道不斷增多，導致阻值不斷下降。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，這樣導電通道可以“理順”，阻值也就趨向均衡與穩定。
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。說明高分子PTC材料在電場的作用下，引起阻值發生較大變化。由表2我們還可以發現，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，直至開關溫度，高分子PTC材料處于高阻態。根據表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
| 老化方法 | 阻值平均變化率 |
| 100 V | 5.4% |
| 220 V | 13.2% |
| 100～220 V | 13.4% |
表3 電老化對耐流、耐壓和耐雷擊性能的影響
| 老化方法 | 耐流試驗1） ΔR.R-1/% |
耐壓試驗2） ΔR.R-1/% |
耐雷擊試驗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220 V（包括100～220 V）老化，經耐流試驗，阻值變化不大，雖經20次電流沖擊，其阻值仍相對穩定。說明經過較強電場的老化作用，高分子PTC材料從結構上得到很好的穩定，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，內部導電通道得到“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小；二是通過老化，高分子PTC材料中的聚乙烯得到極化，這樣使聚乙烯與導電材料（CB）結合更為緊密，整體材料的結構也更加穩定，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構最為穩定，但在大電場作用下，其結構卻極易被徹底“摧毀”，實驗也表明了100～220 V老化條件耐雷擊性能最差。
3 結論
(1)熱老化可以使高分子PTC材料導電通道更加充實、穩定，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材料必須經過熱老化，電老化可視使用場合的性能要求而定。