一種柔性壓敏炭黑/硅橡膠復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于壓敏復(fù)合材料的合成技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種柔性壓敏炭黑/硅橡膠復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著自動(dòng)化技術(shù)的提高，對(duì)傳感器材料的要求也不斷提高。要求傳感器材料具有高的敏感性，體積小小且形狀可調(diào)，在不同的受力條件下有不同的靈敏度。因此，迫切需要一種靈敏度可變的柔性材料。
[0003]以硅橡膠為基體添加導(dǎo)電填料可以做成高壓敏性能的復(fù)合材料，同時(shí)，因?yàn)楣柘鹉z在固化前是可以流動(dòng)的液體，所以材料可以根據(jù)器件表面不同的形貌進(jìn)行成型。因此，以硅橡膠為基體的導(dǎo)電復(fù)合材料成為壓敏材料的一個(gè)重要發(fā)展方向。目前，很多科研院所在研究硅橡膠基導(dǎo)電復(fù)合材料。
[0004]材料的靈敏度系數(shù)是度量材料靈敏性能的重要參數(shù)，靈敏度系數(shù)越大材料的靈敏度越高。從材料的靈敏度系數(shù)來看，金屬應(yīng)變材料的靈敏度系數(shù)很低，只有2左右(Lu J, LuM， Bermak A and Lee Y K.1n 7th IEEE Conference on Nanotechnology, Hong—Kong，p.1240，2007)，摻雜半導(dǎo)體娃的靈敏度系數(shù)能到100(Liu C X and Choi J ff Patterningconductive PDMS nanocomposite in an elastomer using microcontact printing J.Micromech.Microeng.2009，19，085019)，但是其機(jī)械性能差。碳納米管填充環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的靈敏度系數(shù)只有5左右(Alamusi A，Hu N，F(xiàn)ukunaga H，Atobe S，liu Y andLi J Piezoresistive Strain Sensors Made from Carbon Nanotubes Based PolymerNanocomposites Sensors 2011，11, 10691-723)。現(xiàn)有的炭黑填充娃橡膠的復(fù)合材料，其可重復(fù)性較差(Wang L H，Wang X T and Li Y L.Relat1n between repeateduniaxial compressive pressure and electrical resistance of carbon nanotubefilled silicone rubber composite ^Composites: Part A 2012，43，268-274)，或者其靈敏度系數(shù)可調(diào)范圍低，其填料含量高，靈敏度系數(shù)不容易控制(劉平，黃英，廉超，蔣紅生，葛運(yùn)建.炭黑填充導(dǎo)電橡膠的力敏傳感器靈敏系數(shù)，復(fù)合材料學(xué)報(bào)2012，29，16-20)。因此，減少填料，制備靈敏度系數(shù)可調(diào)的柔性壓敏材料是一個(gè)發(fā)展趨勢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供了一種成本低廉、制備工藝簡單且靈敏度可調(diào)的柔性壓敏炭黑/硅橡膠復(fù)合材料及其制備方法。
[0006]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案，一種柔性壓敏炭黑/硅橡膠復(fù)合材料，其特征在于是由以下重量份的原料制備而成的:炭黑導(dǎo)電劑5-15份、硅橡膠基體100份、PVP-k30 2-5份、納米級(jí)有機(jī)粘土DK4 2_5份和交聯(lián)劑2_4份，其中炭黑導(dǎo)電劑為SuperP，硅橡膠基體為單組份室溫硫化模具硅橡膠，交聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑S1-69或硅烷偶聯(lián)劑KH-550。
[0007]本發(fā)明所述的柔性壓敏炭黑/硅橡膠復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟:
(1)將2-5重量份的PVP-k30溶于醇水混合溶液中，機(jī)械攪拌10-30分鐘后加入5-15重量份的炭黑導(dǎo)電劑，超聲分散20-40分鐘后抽濾并干燥，研磨得到細(xì)粉狀炭黑，再將細(xì)粉狀炭黑分散到二甲基甲酰胺中，超聲分散15-30分鐘后得到溶液A;
(2)將100重量份的硅橡膠基體溶于二甲基甲酰胺中磁力攪拌0.5-2小時(shí)得到溶液B;
(3)將溶液A和溶液B混合后加入2-5重量份的納米級(jí)有機(jī)粘土DK4，機(jī)械攪拌1-3小時(shí)后倒入研缽中研磨2-5小時(shí)，再加入2-4重量份的交聯(lián)劑，繼續(xù)機(jī)械攪拌直至材料變成膏狀樣品;
(4)將膏狀樣品加入到粉末壓片機(jī)的模具中進(jìn)行壓片，壓片溫度為40-70°C，壓片壓力為0.3-1.5MPa，壓片時(shí)間為20-60分鐘，然后將壓好的樣品置于烘箱中于40-70°C固化48小時(shí)制得柔性壓敏炭黑/硅橡膠復(fù)合材料。
[0008]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):
1、制備的炭黑/硅橡膠復(fù)合材料在反復(fù)施加壓力時(shí)其電阻率隨壓力的變化關(guān)系具有優(yōu)秀的可重復(fù)性，復(fù)合材料可以多次重復(fù)使用；
2、制備的炭黑/硅橡膠復(fù)合材料的靈敏度系數(shù)值可以在一個(gè)較大的范圍(1.2-32)內(nèi)變化，并且該靈敏度系數(shù)值只與應(yīng)變量有關(guān)。
【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1制得的炭黑/硅橡膠復(fù)合材料重復(fù)測量的電阻率隨壓強(qiáng)的變化曲線，圖中給出了第1、2、3、4、5、8、10次測量的數(shù)據(jù)，由圖可以看出炭黑/硅橡膠復(fù)合材料具有優(yōu)異的蠕變性能，可以多次使用；
圖2是本發(fā)明實(shí)施例4制得的炭黑/硅橡膠復(fù)合材料重復(fù)測量的電阻率隨壓強(qiáng)的變化曲線，圖中給出了第1、2、3、4、5、8、10次測量的數(shù)據(jù)，由圖可以看出炭黑/硅橡膠復(fù)合材料具有優(yōu)異的蠕變性能，可以多次使用；
圖3是本發(fā)明實(shí)施例1-4制得的炭黑/硅橡膠復(fù)合材料靈敏度系數(shù)隨應(yīng)變的變化曲線，由圖可以看出炭黑/硅橡膠復(fù)合材料的靈敏度只與應(yīng)變有關(guān)，通過控制應(yīng)變量可以靈活改變炭黑/硅橡膠復(fù)合材料的靈敏度。
【具體實(shí)施方式】
[0010]以下通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的上述內(nèi)容做進(jìn)一步詳細(xì)說明，但不應(yīng)該將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實(shí)施例，凡基于本發(fā)明上述內(nèi)容實(shí)現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā)明的范圍。
[0011]實(shí)施例1
(1)將4克的PVP-k30溶于醇水混合溶液中，機(jī)械攪拌20分鐘后加入5克的炭黑導(dǎo)電劑Super P，超聲分散20分鐘后抽濾并干燥，研磨得到細(xì)粉狀炭黑，再將細(xì)粉狀炭黑分散到二甲基甲酰胺中，超聲分散15分鐘后得到溶液A;
(2)將100克的硅橡膠基體單組份室溫硫化模具硅橡膠溶于二甲基甲酰胺中磁力攪拌0.5小時(shí)得到溶液B; (3 )將溶液A和溶液B混合后加入3克的納米級(jí)有機(jī)粘土 DK4，機(jī)械攪拌1小時(shí)后倒入研缽中研磨2小時(shí)，再加入3克的交聯(lián)劑硅烷偶聯(lián)劑S1-69，繼續(xù)機(jī)械攪拌直至材料變成膏狀樣品;
(4)將膏狀樣品加入到粉末壓片機(jī)的模具中進(jìn)行壓片，壓片溫度為40°C，壓片壓力為0.3MPa，壓片時(shí)間為30分鐘，然后將壓好的樣品置于烘箱中于50°C固化48小時(shí)制得柔性壓敏炭黑/娃橡膠復(fù)合材料。
[0012]實(shí)施例2
(1)將2克的PVP-k30溶于醇水混合溶液中，機(jī)械攪拌10分鐘后加入8克的炭黑導(dǎo)電劑Super P，超聲分散20分鐘后抽濾并干燥，研磨得到細(xì)粉狀炭黑，再將細(xì)粉狀炭黑分散到二甲基甲酰胺中，超聲分散15分鐘后得到溶液A;
(2)將100克的硅橡膠基體單組份室溫硫化模具硅橡膠溶于二甲基甲酰胺中磁力攪拌0.5小時(shí)得到溶液B;
(3 )將溶液A和溶液B混合后加入2克的納米級(jí)有機(jī)粘土 DK4，機(jī)械攪拌1小時(shí)后倒入研缽中研磨2小時(shí)，再加入2克的交聯(lián)劑硅烷偶聯(lián)劑KH-550，繼續(xù)機(jī)械攪拌直至材料變成膏狀樣品;
(4)將膏狀樣品加入到粉末壓片機(jī)的模具中進(jìn)行壓片，壓片溫度為40°C，壓片壓力為0.3MPa，壓片時(shí)間為60分鐘，然后將壓好的樣品置于烘箱中于40°C固化48小時(shí)制得柔性壓敏炭黑/娃橡膠復(fù)合材料。
[0013]實(shí)施例3
(1)將5克的PVP-k30溶于醇水混合溶液中，機(jī)械攪拌30分鐘后加入12克的炭黑導(dǎo)電劑Super P，超聲分散40分鐘后抽濾并干燥，研磨得到細(xì)粉狀炭黑，再將細(xì)粉狀炭黑分散到二甲基甲酰胺中，超聲分散30分鐘后得到溶液A;
(2)將100克的硅橡膠基體單組份室溫硫化模具硅橡膠溶于二甲基甲酰胺中磁力攪拌2小時(shí)得到溶液B;
(3 )將溶液A和溶液B混合后加入5克的納米級(jí)有機(jī)粘土 DK4，機(jī)械攪拌3小時(shí)后倒入研缽中研磨5小時(shí)，再加入4克的交聯(lián)劑硅烷偶聯(lián)劑KH-550，繼續(xù)機(jī)械攪拌直至材料變成膏狀樣品;
(4)將膏狀樣品加入到粉末壓片機(jī)的模具中進(jìn)行壓片，壓片溫度為70°C，壓片壓力為1.5MPa，壓片時(shí)間為20分鐘，然后將壓好的樣品置于烘箱中于70°C固化48小時(shí)制得柔性壓敏炭黑/娃橡膠復(fù)合材料。
[0014]實(shí)施例4
(1)將3克的PVP-k30溶于醇水混合溶液中，機(jī)械攪拌20分鐘后加入15克的炭黑導(dǎo)電劑Super P，超聲分散30分鐘后抽濾并干燥，研磨得到細(xì)粉狀炭黑，再將細(xì)粉狀炭黑分散到二甲基甲酰胺中，超聲分散20分鐘后得到溶液A;
(2)將100克的硅橡膠基體單組份室溫硫化模具硅橡膠溶于二甲基甲酰胺中磁力攪拌1小時(shí)得到溶液B;
(3 )將溶液A和溶液B混合后加入4克的納米級(jí)有機(jī)粘土 DK4，機(jī)械攪拌2小時(shí)后倒入研缽中研磨3小時(shí)，再加入3克的交聯(lián)劑硅烷偶聯(lián)劑S1-69，繼續(xù)機(jī)械攪拌直至材料變成膏狀樣品；(4)將膏狀樣品加入到粉末壓片機(jī)的模具中進(jìn)行壓片，壓片溫度為60°C，壓片壓力為1.2MPa，壓片時(shí)間為50分鐘，然后將壓好的樣品置于烘箱中于60°C固化48小時(shí)制得柔性壓敏炭黑/娃橡膠復(fù)合材料。
[0015]以上實(shí)施例描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點(diǎn)，本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明原理的范圍下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)均落入本發(fā)明保護(hù)的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種柔性壓敏炭黑/硅橡膠復(fù)合材料，其特征在于是由以下重量份的原料制備而成的:炭黑導(dǎo)電劑5-15份、硅橡膠基體100份、PVP-k30 2_5份、納米級(jí)有機(jī)粘土DK4 2_5份和交聯(lián)劑2-4份，其中炭黑導(dǎo)電劑為Super P，硅橡膠基體為單組份室溫硫化模具硅橡膠，交聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑S1-69或硅烷偶聯(lián)劑KH-550。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性壓敏炭黑/硅橡膠復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟: (1)將2-5重量份的PVP-k30溶于醇水混合溶液中，機(jī)械攪拌10-30分鐘后加入5-15重量份的炭黑導(dǎo)電劑，超聲分散20-40分鐘后抽濾并干燥，研磨得到細(xì)粉狀炭黑，再將細(xì)粉狀炭黑分散到二甲基甲酰胺中，超聲分散15-30分鐘后得到溶液A; (2)將100重量份的硅橡膠基體溶于二甲基甲酰胺中磁力攪拌0.5-2小時(shí)得到溶液B; (3)將溶液A和溶液B混合后加入2-5重量份的納米級(jí)有機(jī)粘土DK4，機(jī)械攪拌1-3小時(shí)后倒入研缽中研磨2-5小時(shí)，再加入2-4重量份的交聯(lián)劑，繼續(xù)機(jī)械攪拌直至材料變成膏狀樣品; (4)將膏狀樣品加入到粉末壓片機(jī)的模具中進(jìn)行壓片，壓片溫度為40-70°C，壓片壓力為0.3-1.5MPa，壓片時(shí)間為20-60分鐘，然后將壓好的樣品置于烘箱中于40-70°C固化48小時(shí)制得柔性壓敏炭黑/硅橡膠復(fù)合材料。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種柔性壓敏炭黑/硅橡膠復(fù)合材料及其制備方法，屬于壓敏復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的技術(shù)方案要點(diǎn)為：一種柔性壓敏炭黑/硅橡膠復(fù)合材料，是由以下重量份的原料制備而成的：炭黑導(dǎo)電劑5-15份、硅橡膠基體100份、PVP-k30？2-5份、納米級(jí)有機(jī)粘土DK4？2-5份和交聯(lián)劑2-4份。本發(fā)明還公開了該柔性壓敏炭黑/硅橡膠復(fù)合材料的制備方法。本發(fā)明制備的柔性壓敏炭黑/硅橡膠復(fù)合材料靈敏度可變，填料價(jià)格低廉，工藝簡單且材料性能穩(wěn)定，可以用于靈敏度可調(diào)的力敏傳感器領(lǐng)域。
【IPC分類】C08L39/06, C08L83/04, C08K3/34, C08K3/04
【公開號(hào)】CN105419333
【申請?zhí)枴緾N201510987891
【發(fā)明人】尚淑英, 岳玉娟, 李國軍, 蔣玉榮, 郭彩霞
【申請人】河南師范大學(xué)
【公開日】2016年3月23日
【申請日】2015年12月28日