炭黑填充聚合物基PTC材料的研究进展.pdf

专论·综述弹性体C，2l01l0N4．A02—2E5L，A1S4T(1O)M：5E1R～lC56S

炭黑填充聚合物基PTC材料的研究进展

林海平。，赵文元。，陈滇宝
(1．青岛大学化学化工学院，山东青岛266071；2．青岛科技大学高分子科学与工程学院，山东青岛266042)

摘要：对炭黑填充聚合物基PTC材料进行了较为全面的论述，介绍了此类材料的导电机理，总结
了影响其PTC效应的主要因素．并对该材料的应用和发展方向进行了详细的讨论。
关键词：下温度系数；聚合物基PTC材料；导电填料；炭黑
中图分类号：O63l文献标识码：A文章编号：1005—3l74(2004)Ol一005l—O6

PTC材料是一种具有正温度系数(Positive需添加的金属填充量很大，不仅成本较高而且对
TemperatureCoefficient)的电阻材料。在一定转复合材料的力学性能影响较大，不利于复合材料
变温度下，这种材料能在很窄的温度范围内使其的加工和制作。相比之下，聚合物一碳素系PTC
电阻迅速增加好几个数量级，发生(半)导体．绝缘材料在宽广范围内力学性能可调，PTC强度大，
体的相互转变⋯，利用其电阻对温度的依赖性可易加工、成本低，故发展极为迅速L4J。而在碳系
用于制备自限温加热器、过电流保护元件以及热填料中，由于石墨的晶体结构由六方形面层分子
敏传感器等。目前，国内外使用的PTC材料主要组成，面层间间距较大，仅存在微弱的范德华力，
分为两大类：一类是以BaTiO3，VO3为主的陶瓷每个层面内电子可以自由移动，而面层间电子移
类PTC材料，另一类是有机高分子聚合物与导电动困难，所以石墨导电具有明显的方向性；
材料组成的有机复合PTC材料L2J。尽管陶瓷类而炭黑分散性、导电性俱佳，同时又是一种耐热性
PTC材料用途十分广泛，但其性脆，生产工艺复抗氧剂和光屏蔽性，对防止聚合物老化有利L7J，
杂，加工成型困难，制造成本高，故价格较贵J。因此受到广泛的重视。
而聚合物基PTC材料原料易得，价格便宜，加工聚合物一炭黑PTC复合材料以聚合物树脂
成型简单，室温电阻率低，同时又具有高分子材料为母体，导电性的炭黑粒子分散于其中，当炭黑粒
的许多优异性能，因而日益受到人们的重视。除子浓度超过某一临界值时，形成导电网络，材料的
在化工、石油管道、阀门等方面广泛应用的降凝防电阻率迅速下降，使其在室温下具有一定的导电
堵加热带及自控温加热电缆外，还可以成型制备性。当温度升高到一定程度，如接近聚合物晶体
各类小型电子元器件用于电子电路限流保护、时熔点时，材料电阻率急剧升高，可增大5一l0个数
间延迟、温度传感等，在电子信息领域拥有广阔的量级，成高阻状态，呈现PTC效应。其最高电阻
发展前景。率和室温电阻率的比值p／p25℃称为PTC强
聚合物基PTC材料按其填充粒子的不同可度。
分为聚合物一碳素系(导电炭黑、石墨、碳纤维)
1炭黑填充聚合物PTC复合材料的导电
PTC材料和聚合物一金属系(金属及其导电化合
机理
物)PTC材料。据研究报道]，单独以金属系分
散体来填充聚合物形成聚合物基PTC材料时所关于炭黑填充聚合PTC材料的特性机理人
们进行了大量研究，提出了许多机理和理论模型。
收稿日期：2003—07—22但至今还没有一种明确、统一的理论能够得到非
作者简介：林海平(1980一)，男，山东青岛人，现在英国利
物南谱大学化学专业在读硕士研究生，主要研究功能新常广泛的认可，这里介绍几种比较有影响的理论
材料。
*通讯联系人，电话：0532—4022926。模型：

·52·14爸

l966年Kohler提出，P3、C效应的产生是由结构变化硬迁fj；型。起初，炭黑粒0[}{丁受晶
导电填料和聚合物基体的热膨胀系数的差别引起相排斥而分散征相中，形成导电通路熔点
的：导电炭黑粒子分散于聚合物中相互接触形成时，品桕向非品卞H转变，破坏了炭黑粒子有的聚
导电链，随温度的升高，聚合物基体体积膨胀，导集结沟，炭黑粒子形成更加均匀的分散，使电阻增
电粒问距离逐渐增大，当达到聚合物晶相的熔大，呈现PTC效应。继续升温，炭黑粒子运动加
点时，聚合物体积突然增大，导电链破裂，材料呈剧，形成极不均匀的分布，构成新的导电通路，电
现高阻状态，出现PTC现象。但是该模型不能解阻降低，呈现NTC效应
释下列现象j：(1)将试样拉伸使其尺寸变化与Beck、Narkis等提HjL场发射理论，他们认
熔融时相一致，复合材料的电阻只有微小变化；为，在复合体系中，被基体聚合物所分离开的导电
(2)在无定形聚合物中，温度升高时，电阻却没有粒子受通电电流作用而产生高强度电场，并进一
增加；(3)按照该模型，电阻的变化应直接是熔点步产生发射电流而导电。在填充炭黑量大的情况
时体积