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。
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。