聚合物基PTC热敏材料的研究.pdf

弹性体,2002210225,12(5):58～62
专论·综述CHINAELASTOMERICS

聚合物基PTC热敏材料的研究3

夏英1,林立华2

(1.大连轻工业学院材料科学与工程系,辽宁大连116034;2.吉化集团公司丙烯腈厂,吉林吉林132021))

摘要:综述了聚合物基PTC热敏材料的PTC效应机理、PTC效应影响因素以及PTC效应稳定化
的途径。
关键词:PTC效应;热敏材料;复合
中图分类号:TQ314.2文献标识码:A文章编号:100523174(2002)0520058205

PTC(PositiveTemperaturecoefficient)材料是所谓聚合物基PTC热敏材料是指以高分子
一类具有正温度系数的导电热敏材料。其热敏特聚合物为基体,通过添加导电填料(如各种金属粉
性表现在材料的电阻率对温度的依赖性方面,即末、金属纤维、炭黑、碳纤维等),经过特殊设计,采
在较窄的温度范围内,材料的电阻率会随着温度用分散复合、层积复合以及形成表面导电膜等方
的上升急剧增加(可增大1.5～8个数量级)。也式而制得的一种多相复合高分子导电体。它不仅
就是说,这类材料存在着一个使其导电性发生剧具有高聚物机械强度高、质轻、易加工等诸多的优
变的温度(居里温度Tc)。在这一温度以下它有点,而且具有PTC热敏特性,可代替热敏PTC陶
半导体的特性,而在这一温度以上却转呈绝缘体瓷元件和电线、蒸气等传统加热方式,广泛应用于
特性[1]。利用这一特性制成的自控加热元件,在自限温加热、过流保护等方面,具有节能、安全、环
施加一定交流或直流电压后,能迅速升温,并恒定保、经济等传统加热方式无可比拟的优点[3～4]。
在预定温度,从而起到一种”智能化”的调温功能笔者就聚合物基PTC导电热敏材料的PTC效应
和灵敏的“开关”效应。产生机理、PTC效应影响因素以及PTC效应稳定
早期开发成功的PTC热敏元件大多数是以化的途径作以介绍。
氧化物为基质,经掺杂烧结而成的陶瓷器件。因
1PTC效应机理
其质硬性脆、室温电阻率高、使用温度高、加工成
型困难以及制造成本高而在应用方面受到了极大自1948年Frydman报道了炭黑填充聚乙烯
限制[2]。基于这一情况,来源丰富、价廉易得、加材料具有PTC电阻特性以来,这类材料的应用开
工成型简单、性能优异的高分子聚合物逐渐引起发取得了较大的进展。但在理论研究方面,人们
了国内外专家的关注,竞相开始了以聚合物为基对产生PTC效应的本质认识还十分有限,至今尚
质的复合高分子PTC材料的研究。缺乏普适性的理论。以下是几种具有一定代表性
的关于PTC效应机理的解释[5～6]。
收稿日期:20022012211.1热膨胀机理
作者简介:夏英(1966-),女,浙江绍兴人,副教授,硕士,
目前主要从事高分子材料的共混改性研究及复合功能材汤浩、kohler[6]等人认为,室温下导电高分子
料的研究,已出版专著一部,发表论文十多篇。
3基金项目:辽宁省教育厅高等学校科学研究资助项目材料中的导电粒子相互接触形成一定密度的导电
(20061201)
第5期夏英,等.聚合物基PTC热敏材料的研究·95·

网络,温度升高时,由于聚合物与导电填料的热膨时所表现出的PTC效应是由聚乙烯的体积膨胀、
胀系数不同,聚合物基材受热膨胀,体积增大,而炭黑在聚乙烯熔融时向熔区的扩散以及炭黑颗粒
导电填料的体积基本保持不变。这一结果导致了的聚集三个因素共同作用的结果。
导电粒子或由粒子组成的聚集体间的距离增大,上述有关PTC效应机理的各种理论,尽管目
导电网络遭到破坏,单位体积中的导电通道减小,前还缺乏充分的实验依据,存在着一定的局限性
从而使材料的电阻率随温度上升而急剧增大。(多数理论只适用于某些种类的复合导电材料),
苏洪钰[7]、丁小斌[8]等人在研究聚乙烯/炭还需对其产生的本质进行深入、细致、全面的探索
黑复合材料时发现,体积膨胀系数与电阻率在聚和研究,但有一点是达成共识的,那就是复合导电
乙烯的熔点附近同时发生转折,因而也认为热膨材料在高温时的导电机理与室温时的情形很不相
胀是产生PTC现象的原因。但这种观点难以解同,材料导电特性的转变是通过复合体系中电路
释某些具有PTC效应的复合高分子材料在发生的增加和减少来实现的。
应变时,出现PTC效应降低的现象以及许多以非2影响PTC效应的因素
晶聚合物为基体的导电材料在升温时虽有明显的
从PTC效应产生的机理可以知道,并非任何
体积膨胀却没有PTC效应的原因。
一种聚合物加入导电填料就能制得拥有PTC特
1.2电子隧道效应机理
性的热敏材料。PTC效应的产生与导电填料的
电子隧道效应机理认为:温度较低时,导电粒
种类、用量,聚合物基质的类型以及制备加工工艺
子之间可以通过聚