一种五层复合结构高分子基PTC复合材料及其制备方法和应用

本发明属于高分子复合材料领域，涉及一种五层复合结构的高分子基ptc复合材料的制备及其应用。

背景技术：

1、高分子正温度系数(positive temperature coefficient，ptc)材料是由高分子基体和导电填料混合后制成的复合材料。这种材料的特性在于其电阻率随温度升高表现出非线性增加的趋势，即在常温下保持较低的电阻率，并在达到特定的转折温度时，其电阻率会在极小的温区内急剧上升数个数量级。因此，高分子ptc材料被广泛应用于过流保护元器件中，能够在电路电流过载时迅速升温升阻，达到过流保护的效果。

2、对于高分子ptc复合材料而言，目前主要存在的问题是室温电阻率较大，抗电压能力较差，这限制了它们在高功率设备中的应用。例如，《科学报告》(scientific reports，2014年，第4卷，第6684页)报道了一种采用碳纳米管作为导电填料的高分子ptc材料，该研究成功降低了材料的室温电阻率，但其抗电压性能仍未得到提升。因此，目前的技术挑战在于如何平衡高分子ptc复合材料的室温电阻率和抗电压能力，这对于拓宽高分子ptc材料在电子和电力领域的应用范围具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题在于降低高分子ptc复合材料室温电阻率的同时提高其抗电压能力，使高分子ptc复合材料同时具备低室温电阻率及高抗电压能力。

2、为解决上述问题，本发明提供了一种五层复合结构高分子基ptc复合材料。

3、本发明是通过以下技术方案实现的：

4、一种五层复合结构高分子基ptc复合材料，其特征在于，所述的ptc复合材料的顶层和底层是由导电金属制备的最外层，高分子ptc材料2作为次外层，高分子ptc材料1作为中间层；

5、所述导电金属为选自铜箔、银箔、铝箔、镍箔、镀镍铜箔、镀锡铜箔中的一种；

6、所述高分子ptc材料1和高分子ptc材料2由高分子基体和导电填料组成，高分子基体和导电填料体质量比均为(5～40％)：(60～95％)；

7、高分子ptc材料1与高分子ptc材料2选用相同高分子基体，所述高分子基体为选自聚乙烯、聚偏氯乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚碳酸酯、全氟乙烯丙烯共聚物、聚酰胺、氟化聚丙烯中的一种或几种的混合物；

8、高分子ptc材料1与高分子ptc材料2选用相同或不同的导电填料，所述导电填料为选自炭黑、乙炔黑、短切碳纤维、长切碳纤维、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨、碳化钛、碳化钨、碳化钽、氮化钛、二硼化钛、氮化铝、氮化镁、氮化硼中的一种或几种的混合物。

9、所述中间层的高分子ptc材料(1)具有较次外层高的抗电压能力；所述次外层的高分子ptc材料(2)具备较中间层低的室温电阻率。

10、所述中间层高分子ptc材料1的厚度占复合材料总厚度的15～60％，所述次外层高分子ptc材料2的厚度占复合材料总厚度的10～60％，所述导电金属层厚度占复合材料总厚度的10～60％。

11、本发明还提供了一种五层复合结构的高分子ptc复合材料的制备方法，包含以下制备步骤：

12、(1)采用熔融混合或溶液混合来实现导电填料在高分子基体中的分散；

13、(2)ptc薄膜的制作；

14、(3)热压复合；

15、步骤(1)中，所述溶液混合方式为配制高分子ptc浆料，配制所述浆料使用的溶剂为n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、n-甲基吡咯烷酮、二苯胺、甲苯、二甲苯、二乙二醇乙醚、间甲酚、苯酚等中的一种或多种混合；优选地，为n,n-二甲基甲酰胺；所述高分子树脂基体和溶剂的质量比为1:(4～9)；优选地，为1:6；

16、步骤(1)中，所述熔融混合方式为开炼机热炼热压成型或单螺杆挤出机挤出成型。所述熔融混合过程中成型温度为200～230℃，转速为40～50r/min；

17、步骤(2)中，可用采用涂布、压延等方式来制备ptc薄膜；若利用涂布技术，将混合溶液均匀涂覆在基材上，控制涂膜厚度以满足设计要求。若采用压延法，调整压延机的辊筒温度、压力和轧制速度，以确保薄膜具有所需的均匀厚度和表面光洁度；

18、步骤(3)中，使用热压机将导电金属层(最外层)、高分子ptc材料2(次外层)和高分子ptc材料1(中间层)依次堆叠并进行热压复合。确保每一层材料在热压过程中达到良好的粘结效果。其中，所述热压的温度为200～230℃，热压的压强为10～20mpa，热压的时间为15～30min；优选地，热压的温度为200℃，热压的压强为15mpa，热压的时间为20min。

19、本发明还提供一种所述的五层复合结构高分子基ptc复合材料的应用，其特征在于，所述ptc复合材料在热敏电阻器中的应用：将所述ptc复合材料的上、下层即最外层焊接金属电极，制备成热敏电阻器。

20、本发明的导电填料选取原则是：作为中间层的高分子ptc材料1具有较次外层高的抗电压能力；作为次外层的高分子ptc材料2具有较中间层低的室温电阻率。本发明制备的具有五层复合结构的ptc复合材料，这种结构可综合两种ptc复合材料的较低室温电阻率和较高的耐电压能力，可在降低ptc复合材料室温电阻率的同时，提供与中间层相近的抗电压能力。

21、为表达简洁，本公开中，用“a/b”表示由高分子基体a和导电填料粉体b组成的高分子ptc复合材料，例如，hdpe/ni表示高分子基体为hdpe，导电填料为ni组成的高分子ptc复合材料。

技术特征：

1.一种五层复合结构高分子基ptc复合材料，其特征在于，所述的ptc复合材料的顶层和底层是由导电金属制备的最外层(3)，高分子ptc材料2作为次外层(2)，高分子ptc材料1作为中间层(1)；

2.如权利要求1所述的高分子基ptc复合材料，其特征在于，所述中间层的高分子ptc材料(1)具有较次外层高的抗电压能力；所述次外层的高分子ptc材料(2)具备较中间层低的室温电阻率。

3.如权利要求1所述的高分子基ptc复合材料，其特征在于，所述中间层高分子ptc材料1的厚度占复合材料总厚度的15～60％，所述次外层高分子ptc材料2的厚度占复合材料总厚度的10～60％，所述导电金属层厚度占复合材料总厚度的10～60％。

4.一种如权利要求1所述的ptc复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述溶剂为选自n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、n-甲基吡咯烷酮、二苯胺、甲苯、二甲苯、二乙二醇乙醚、间甲酚、苯酚等中的一种或多种。

6.一种如权利要求1所述的五层复合结构高分子基ptc复合材料的应用，其特征在于，所述ptc复合材料在热敏电阻器中的应用：将所述ptc复合材料的上、下层即最外层焊接金属电极，制备成热敏电阻器。

技术总结本发明公开了一种五层结构的高分子基正温度系数(PTC)复合材料及其制备方法和应用。该五层结构的高分子基PTC复合材料包括导电金属层、高分子PTC材料层1以及高分子PTC材料层2。其中，导电金属层作为最外层；高分子PTC材料2作为次外层，具有较低的室温电阻率；高分子PTC材料1位于中间层，具备较高的抗电压能力。高分子PTC复合材料通过五层结构设计，结合了低室温电阻率和高抗电压能力的优点，使其在不同热敏电阻器件中具有巨大的应用潜力。技术研发人员：张震,徐立达,方斌,王保余,杨向民,梁莹,沈御同,钱晟受保护的技术使用者：华东理工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/30