炭黑填充聚合物基PTC导电复合材料性能及应用

2016-11-14徐楚楠汪建军王伟

橡塑技术与装备 2016年2期

关键词：炭黑加热器导电

徐楚楠，汪建军，王伟

（芜湖佳宏新材料有限公司，安徽芜湖 241000）

炭黑填充聚合物基PTC导电复合材料性能及应用

徐楚楠，汪建军，王伟

（芜湖佳宏新材料有限公司，安徽芜湖 241000）

PTC是一种功能性材料，具有较高的理论研究及市场应用价值，聚合物基PTC材料价格便宜、加工过程简单、性能优异，因而受到人们的关注，已经逐渐应用于社会生产等领域中。本文重点探讨炭黑填充聚合物基PTC导电复合材料的性能及应用，首先分析聚合物PTC材料定义及其性能，再将其应用在实际生产中，充分发挥其优越性能与作用。

PTC；复合材料性能；应用

PTC是一种正温度系数热敏材料，随着温度升高其电阻率增大，人们在近半个世纪以来对PTC材料的研究已经有了较大突破与发展，这种材料的理论研究及使用范围也在不断扩大，陶瓷PTC是最常用的PTC材料，近几年来又出现了一些新型的PTC材料，例如复合、有机PTC等，现在广泛地应用在我国通讯电子、石油化工及医疗卫生等社会的各个领域中。

1 聚合物基PTC导电复合材料分析

1.1 聚合物基PTC材料定义

聚合物基PTC材料的基体是有机聚合物，然后在其中加入一些无机导电填料而形成的一种复合材料。这种材料最早是Frydman在1948年发现的，但是，当时人们对此并不是非常重视，直到20世纪60年代报道炭黑复合材料等也具有PTC效应才引起了科学研究者的注意，首先于20世纪末在美国进行了实际的使用与开发［1］。

这种材料很好地综合了无机填料导电性能及聚合物材料好的柔韧性能，具有很好的综合性能。

1.2 聚合物基PTC导电复合材料性能

聚合物基PTC导电复合材料性能表现出良好与综合性特点，聚合物基PTC材料具有较低的室温电阻率、PTC强度较高、成本低廉便宜及容易加工成型等性能，这些特点也是陶瓷基PTC材料所具有的，这些优势特点使聚合物基PTC材料成为了PTC材料研发的热点与重点，聚合物基PTC不仅广泛地使用在卫生医疗、自限温伴热带及各种加热装置中，在过流过压保护、弱电系统温度补偿等方面也有很大的使用与发展前景［2］。

2 炭黑填充聚合物基PTC导电复合材料应用

2.1 用于起动元件及消磁元件

PTC材料在刚开始通电时，冲击电流较大，等待通电比较稳定之后，其稳定电流又非常小，PTC材料因为没有触点、振动、磨损、干扰等等，因此不会产生电弧，具有较高的可靠性与较长寿命，现在这种材料主要使用在制作冷压缩机中起动器、日光灯及彩色电视机中的消磁电阻等等。

起动器中使用这种材料有效地取代了以往常用的离心开关，应用在电容运行的单相电动机中，在机器起动运行过程中具有非常好的起动性能，而且当PTC电阻值出现急剧变大时，会出现“断路”，进一步将起动绕组与运行电容串联起来，保证电机在正常工作状态下运行电容。

2.2 用于加热元件及恒温元件

PTC具有恒温特性，能够应用在家用中的多种热源，例如暖风机、驱蚊器及手暖器等等，现在的PTC加热器的居里温度多数都小于300 ℃，这种材料不会出现明火，具有较大安全性。即使是暖风机出现通风阻塞或者是扇叶损坏现象，PTC电阻此时会增高从而使机器自动地减少电流，维持加热设备原本的温度水平，有效地避免了出现过热事故，这种材料制成的PTC电热元件形式主要有圆盘式、蜂窝式及带式等［3］。

2.3 用于保护元件及控温元件

PTC还具有阻温特性，能够用于自控温加热元件，例如气体、液体输送管道及仪器的加热保温等等，也可以应用在育种、发酵等的低温加热中。我公司应用这种新材料生产了此类性质产品，产品主要分为自控温伴热电缆和恒功率发热电缆，自限温伴热电缆指的是由具有正温度系数（PTC）电阻率特性的高聚物导电复合材料制成的带状电伴热器。自限温伴热带采用一体式结构，设计合理、外形美观。自限温伴热带是由PTC导电材料和两根平行的金属导线（母线）、内绝缘护套、防爆屏蔽层、外层绝缘护套构成，加热带结构见（图1）。

PTC材料均匀铺设在两根母线之间，效于无限个具有PTC特性的敏感电阻形成的并联电路体系，具有很高的正温度热敏电阻（PTC）特性。防爆屏蔽层是由镀锡铜丝编织而成。

图1 自限温伴热带加热带结构图

这种材料特点及性能使其成为了良好的保护元件及控温元件，有机的PTC元件因为一般情况下与负载电阻串联一起存在于保护电路中，元件自身的电阻并不大，而且在正常工作场合对电路起动时电流影响也不大。如果出现过流或者急剧升温时，元件自身电阻剧具从而就能够起到抑制过流并保护过流、过热的目的，可以将其使用在音响电路、通信设备及变压器等中。当PTC与负载进行串联时，在刚通电时，控温元件的常温电阻较低，但是通过元件及加热器的电流较大，因此会导致加热器的迅速升温，如果PTC元件温度上升，元件电阻变大，那么通过PTC及加热元件的电流变小，随着输出功率也变小，这样使得发热功率与温度散发呈现出一种平衡状态，确保了加热器整体温度的暂时稳定。聚合物基PTC保护元件有效地避免了温度控制开关接点被焊死现象，能够在强电流通过时保持高阻状态，在电路正常时，又能够恢复至原有的导通状态，防止出现循环断开及接通。

2.4 用于温度补偿

PTC半导体材料处于一种较低居里温度时，与其阻温特性呈现出一种线性关系，它还可以在常温下用作于晶体管电路的温度补偿，使晶体管不出现温度漂移。聚合物基PTC在我国多使用在自限温发热方面，广泛地应用在汽车行业中，制备汽车电源电压下适合使用自限温加热带，并且能够生产出大功率的一些发热元件，例如自限温发热管及组合加热器中，帮助柴油机车的冷启动。这种材料还广泛使用在计算机的硬盘驱动器中，在我国开发研究已经有了一定进展，应该进一步改进其性能、延长其寿命，促使其向着环保型、低阻化方向发展。