一種納米導(dǎo)電橡膠傳感單元及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種納米導(dǎo)電橡膠傳感單元及其制備方法，屬于測力技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明納米導(dǎo)電橡膠傳感單元包括至少兩層織物層，相鄰所述織物層之間填充有納米導(dǎo)電橡膠，所述納米導(dǎo)電橡膠為摻入碳納米管的橡膠基體；本發(fā)明納米導(dǎo)電橡膠傳感單元制備方法包括：S1、將橡膠基體與碳納米管按照質(zhì)量配比進行混合制成納米導(dǎo)電橡膠溶液；S2、平鋪一織物層，將S1中制備的納米導(dǎo)電橡膠溶液均勻涂覆在織物上至一定厚度，再在其上平鋪另一織物層；S3、對S2中制備的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元進行加壓、加熱，令其固化。本發(fā)明納米導(dǎo)電橡膠傳感單元達到了測力量程大、量程范圍內(nèi)靈敏度高、壓阻特性曲線線性度好的技術(shù)效果且能滿足薄片式要求。
【專利說明】
一種納米導(dǎo)電橡膠傳感單元及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及測力技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種納米導(dǎo)電橡膠傳感單元及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]納米導(dǎo)電橡膠是一種在絕緣橡膠基體中摻入納米級導(dǎo)電填料后而產(chǎn)生導(dǎo)電性能的復(fù)合材料。由于其具有良好的壓阻特性、耐久性、耐疲勞性和柔韌性，已經(jīng)被廣泛研究用作壓力傳感材料，并且在機器人、醫(yī)療、航天等領(lǐng)域取得了應(yīng)用。
[0003]研究表明，納米導(dǎo)電橡膠作為壓敏材料時，其量程與導(dǎo)電橡膠的厚度、硬度和制作工藝有關(guān)。通過提高納米導(dǎo)電橡膠的厚度和硬度可以適量的提高其量程范圍。而薄片式壓力傳感器的厚度在某些工作場合往往受到限制，進而限制了納米導(dǎo)電橡膠的厚度;而且較厚的納米導(dǎo)電橡膠材料在較高壓力作用下會因較大的橫向變形而被撕裂，不能達到足夠的機械強度。通過優(yōu)化納米導(dǎo)電橡膠的成分配比或添加改性材料、補強劑的方式是改善其導(dǎo)電性和機械性能的有效途徑。公開號為CN 104893291A的中國專利公開了一種硅橡膠基力敏復(fù)合材料的制備方法，以納米級金屬顆粒作填料，最大壓強測量值為2.4MPa。此外，也有學(xué)者通過實驗證明通過添加納米Si02和納米AI2O3可有效提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性和壓力敏感范圍。
[0004]目前針對納米導(dǎo)電橡膠的研究以炭黑填充型為主，基于納米導(dǎo)電橡膠的壓力傳感器多數(shù)處于實驗階段，部分取得工業(yè)應(yīng)用的納米導(dǎo)電橡膠傳感器，由于靈敏度、線性度和量程的限制，尚不能滿足機械、土木工程等領(lǐng)域中大壓強狀態(tài)的壓力測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，在于提供一種測力量程大、量程范圍內(nèi)靈敏度高、壓阻特性曲線線性度好且能滿足薄片式要求的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元。
[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，還在于提供一種制備上述納米導(dǎo)電橡膠傳感單元的方法。
[0007 ]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
本發(fā)明提供了一種納米導(dǎo)電橡膠傳感單元，其包括至少兩層織物層，相鄰所述織物層之間填充有納米導(dǎo)電橡膠，所述納米導(dǎo)電橡膠為摻入碳納米管的橡膠基體。
[0008]作為上述技術(shù)方案的進一步改進，所述碳納米管為多壁碳納米管。
[0009]作為上述技術(shù)方案的進一步改進，所述多壁碳納米管在所述納米導(dǎo)電橡膠的質(zhì)量百分比在8%至9%之間
作為上述技術(shù)方案的進一步改進，所述織物層的纖維紋理空隙中滲透有納米導(dǎo)電橡膠。
[0010]作為上述技術(shù)方案的進一步改進，所述橡膠基體為娃橡膠，所述娃橡膠的基本組分和固化劑的配比為10:1。
[0011]本發(fā)明還提供了一種用于制備如上所述的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元的制備方法，其包括步驟:S1、將橡膠基體與碳納米管按照質(zhì)量配比進行混合制成納米導(dǎo)電橡膠溶液;S2、平鋪一織物層，將SI中制備的納米導(dǎo)電橡膠溶液均勻涂覆在織物上至一定厚度，再在其上平鋪另一織物層;S3、對S2中制備的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元進行加壓、加熱，令其固化。
[0012]作為上述技術(shù)方案的進一步改進，步驟S2中，底層的織物層平鋪于模具底板上，頂層的織物層上放置有模具頂板;步驟S3中，通過模具頂板和模具底板的作用，對納米導(dǎo)電橡膠傳感單元施加壓力。
[0013]作為上述技術(shù)方案的進一步改進，步驟S3中，將固定有納米導(dǎo)電橡膠傳感單元的模具放置于60°C的容器中。
[0014]作為上述技術(shù)方案的進一步改進，所述容器保持真空狀態(tài)。
[0015]作為上述技術(shù)方案的進一步改進，步驟S3中，固定有納米導(dǎo)電橡膠傳感單元的模具在所述容器中放置至少300min。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:
1、本發(fā)明納米導(dǎo)電橡膠傳感單元通過增設(shè)織物層作為骨架，有效提高了納米導(dǎo)電橡膠傳感材料的抗壓強度、抗拉強度和疲勞性能，實現(xiàn)了在O至50MPa的壓強測量范圍內(nèi)具有較好的靈敏度、線性度及多次循環(huán)加載的穩(wěn)定性，可以應(yīng)用在機械制造、土木工程等領(lǐng)域高壓狀態(tài)下的長期壓力測量。
[0017]2、本發(fā)明納米導(dǎo)電橡膠傳感單元在豎向壓力作用下，測量的電阻值隨著壓力的增大而增大，呈現(xiàn)正壓阻效應(yīng)，不同于已有的炭黑填充型導(dǎo)電橡膠，壓阻特性曲線線性度好，適合制作高精度的壓力傳感器。
[0018]3、本發(fā)明納米導(dǎo)電橡膠傳感單元的最小厚度可以達到0.5毫米，而且可以適用于任何曲面和形狀的壓力傳感器。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明納米導(dǎo)電橡膠傳感單元的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明納米導(dǎo)電橡膠傳感單元的斷面微觀圖(用光學(xué)顯微鏡拍攝)；
圖3是本發(fā)明納米導(dǎo)電橡膠傳感單元的測試示意圖；
圖4是本發(fā)明實施例一制備的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元多次加載的電阻一壓強曲線圖； 圖5是本發(fā)明實施例二制備的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元多次加載的電阻一壓強曲線圖； 圖6是本發(fā)明實施例三制備的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元多次加載的電阻一壓強曲線圖。
【具體實施方式】
[0020]以下將結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果進行清楚、完整地描述，以充分地理解本發(fā)明的目的、特征和效果。顯然，所描述的實施例只是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部實施例，基于本發(fā)明的實施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的其他實施例，均屬于本發(fā)明保護的范圍。另外，專利中涉及到的所有聯(lián)接/連接關(guān)系，并非單指構(gòu)件直接相接，而是指可根據(jù)具體實施情況，通過添加或減少聯(lián)接輔件，來組成更優(yōu)的聯(lián)接結(jié)構(gòu)。本發(fā)明中的各個技術(shù)特征，在不互相矛盾沖突的前提下可以交互組合。
[0021]請參照圖1，本發(fā)明納米導(dǎo)電橡膠傳感單元為多層結(jié)構(gòu)，其中作為骨架層的高強度織物層I上下間隔多層分布，在織物層I之間用一定厚度的納米導(dǎo)電橡膠2填充。所述織物層I的材料組織密實，具有一定的厚度、彈性和強度，滿足在較高壓力作用下發(fā)生彈性變形而不破壞的要求。同時，織物的縱橫纖維形成的紋理有一定的空隙，保證在制備過程中覆蓋在其上的納米導(dǎo)電橡膠溶液能夠滲入到空隙，增強結(jié)構(gòu)的整體性。所述的納米導(dǎo)電橡膠I的基體材料為硅橡膠(PDMS)，其由基本組分和固化劑按照10:1的配合比組成；導(dǎo)電填料為碳納米管，優(yōu)選為多壁碳納米管(MffCNT)，多壁碳納米管的質(zhì)量百分比在8%至9%之間。
[0022]織物采用中號或高號氨綸、高彈錦綸等彈性纖維織成(號數(shù)越大，纖維越粗)，選擇高號紗線是為了保證織物具有一定厚度承載壓下形變。要求彈性纖維彈性具備三個特點:
(I)彈性回復(fù)率高；(2)回彈迅速；(3)彈性模量高(使其伸長所需負荷高)。彈性回復(fù)率計算公式如下:
彈性回復(fù)率(?/.[(U-L’dA L1-Lo)] X 100%;其中:Lo—試樣原始長度山一試樣拉伸至伸長時長度;L I一試樣復(fù)位后長度。
[0023]本發(fā)明添加高強度織物層I作為納米導(dǎo)電橡膠傳感單元的勁性骨架，顯著提高了納米導(dǎo)電橡膠在O至50MPa高壓下的強度和韌性，在整個使用的過程中都不會在納米導(dǎo)電橡膠傳感單元的表面產(chǎn)生裂紋，更不會產(chǎn)生撕裂現(xiàn)象，保證了這種傳感單元在高壓下的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，可用于制作高量程薄片式柔性納米導(dǎo)電橡膠壓力傳感器。
[0024]本發(fā)明納米導(dǎo)電橡膠傳感單元的工作原理:傳感單元呈薄片狀，當(dāng)此薄片單元承受上下表面的壓力(也就是施加于薄片厚度方向的壓力，如圖1和圖3中箭頭所示方向)時，會發(fā)生形變，形變包括厚度方向的壓縮和薄片面內(nèi)的膨脹。形變的發(fā)生會使導(dǎo)電橡膠內(nèi)部碳納米管之間的距離以及由其形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化，這兩方面的變化會表現(xiàn)出導(dǎo)電橡膠的電阻率及電阻發(fā)生變化，引起測量電信號的變化，進而根據(jù)導(dǎo)電橡膠的壓阻特性可以反推得到承壓面的受力狀態(tài)。
[0025]本發(fā)明納米導(dǎo)電橡膠傳感單元的制備主要采用溶液共混法和模壓成型，具體的制備方法如下:
S1、配料:將硅橡膠(PDMS)的基本組分、固化劑與碳納米管按照質(zhì)量配比進行稱重，倒入攪拌機中，在室溫下，進行機械研磨混合，保證碳納米管在橡膠基體中均勻分布，以制成納米導(dǎo)電橡膠溶液。
[0026]S2、合成:準備多塊大小相同的高強度織物，在模具底板平鋪一織物層，將SI中制備的納米導(dǎo)電橡膠溶液均勻涂覆在織物上至一定厚度，再在其上平鋪另一織物層;根據(jù)納米導(dǎo)電橡膠傳感元件的厚度需要，可繼續(xù)重復(fù)涂覆納米導(dǎo)電橡膠溶液和增鋪織物層的過程。
[0027]S3、固化:將模具頂板放置在未固化的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元最上層織物層上，通過模具上下頂?shù)装宓倪B接作用，給納米導(dǎo)電橡膠材料施加一定的壓力，保證其厚度的均勻性和密實性。將模具放置到60°C的容器中，將容器抽成真空，放置至少300min。
[0028]在納米導(dǎo)電橡膠傳感單元固化之后，可以按照傳感器設(shè)計要求，用加工刀具將固化的薄片式納米導(dǎo)電橡膠傳感單元切割成需要的大小和形狀，連接上電極和絕緣保護層即完成大量程薄片式柔性納米導(dǎo)電橡膠壓力傳感器的制作。
[0029]圖2為本發(fā)明納米導(dǎo)電橡膠傳感單元的斷面微觀圖，由圖中可以看出:(I)織物在導(dǎo)電橡膠中充當(dāng)骨架，提高了整個傳感單元的強度；(2)相對于導(dǎo)電橡膠，彈性織物具有更尚的彈性t旲量，提尚了整個結(jié)構(gòu)的回彈能力，受壓變形之后其彈性回復(fù)率提尚，并且回彈迅速的彈性纖維抵消了橡膠固有的回彈遲滯現(xiàn)象；(3)在大壓力的情況下，由于接觸面難以保證絕對平整，以及橡膠本身的成分偏析，導(dǎo)電橡膠易發(fā)生應(yīng)力集中，產(chǎn)生裂紋并失效。但在此結(jié)構(gòu)下，柔軟的織物能有效避免應(yīng)力集中，并且其在大壓力下依舊能夠保證一定厚度，纖維之間的空隙為導(dǎo)電橡膠的存在提供空間，這對于實現(xiàn)大壓力測量具有重大意義。
[0030]圖3是本發(fā)明納米導(dǎo)電橡膠傳感單元的測試示意圖。如圖3所示，傳感單元3承受箭頭所示壓力，傳感單元3左右兩側(cè)的左測量電極41和右測量電極42通過導(dǎo)線5與歐姆表6電連接，在壓力作用下傳感單元3發(fā)生形變，電阻增大，呈現(xiàn)正壓阻效應(yīng)。
[0031]實施例一。
[0032]按照質(zhì)量比，娃橡膠(PDMS)的基本組分100份，固化劑10份，雙壁碳納米管9.57份，雙壁碳納米管在納米導(dǎo)電橡膠混合液中的質(zhì)量占比為8%，織物選用市面購置的一種具有合適厚度、彈性和強度的布料。制備的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元為邊長50mm的正方形，厚度為3mm，其中織物層有2層，分別位于傳感單元上下表面;導(dǎo)電橡膠層有I層，位于上下織物層中間，厚度約為Immο
[0033]圖4為本發(fā)明實施例一制備的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元按照圖3的測試方法獲得的4次循環(huán)加載電阻隨壓強的變化曲線，可以看出傳感單元在O至50MPa壓強范圍內(nèi)具有較好的靈敏度、線性度和穩(wěn)定性，符合制作壓力傳感器的材料要求。
[0034]實施例二。
[0035]按照質(zhì)量比，硅橡膠(PDMS )的基本組分100份，固化劑1份，雙壁碳納米管10.22份，雙壁碳納米管在納米導(dǎo)電橡膠混合液中的質(zhì)量占比為8.5%，織物選用市面購置的一種具有合適厚度、彈性和強度的布料。制備的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元為邊長50mm的正方形，厚度為3mm，其中織物層有2層，分別位于傳感單元上下表面;導(dǎo)電橡膠層有I層，位于上下織物層中間，厚度約為Imm0
[0036]圖5為本發(fā)明實施例二制備的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元按照圖3的測試方法獲得的4次循環(huán)加載電阻隨壓強的變化曲線，可以看出傳感單元在O至50MPa壓強范圍內(nèi)具有較好的靈敏度、線性度和穩(wěn)定性，符合制作壓力傳感器的材料要求。
[0037]實施例三。
[0038]按照質(zhì)量比，硅橡膠(PDMS )的基本組分100份，固化劑1份，雙壁碳納米管1.88份，雙壁碳納米管在納米導(dǎo)電橡膠混合液中的質(zhì)量占比為9%，織物選用市面購置的一種具有合適厚度、彈性和強度的布料。制備的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元為邊長50mm的正方形，厚度為3mm，其中織物層有2層，分別位于傳感單元上下表面;導(dǎo)電橡膠層有I層，位于上下織物層中間，厚度約為Immο
[0039]圖6為本發(fā)明實施例1制備的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元按照圖3的測試方法獲得的4次循環(huán)加載電阻隨壓強的變化曲線，可以看出傳感單元在O至50MPa壓強范圍內(nèi)具有較好的靈敏度、線性度和穩(wěn)定性，符合制作壓力傳感器的材料要求。
[0040]本發(fā)明采用多層織物作為骨架層，通過特定的工藝與納米導(dǎo)電橡膠緊密結(jié)合，納米導(dǎo)電橡膠滲透進織物空隙里形成穩(wěn)固的整體。織物層具有很好的彈性、韌性和抗拉強度，既可以與導(dǎo)電橡膠層一起彈性變形，滿足傳感單元的變形需要，又可以限制傳感單元變形過大而保護導(dǎo)電橡膠層在高壓下不被撕裂，有效提高了傳感單元在壓力敏感范圍內(nèi)的機械強度，在較高壓力作用下反復(fù)加卸載而不破壞，具有很好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，使其滿足了制作高量程、大承壓壓力傳感器的要求。
[0041]以上是對本發(fā)明的較佳實施例進行了具體說明，但本發(fā)明并不限于所述實施例，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可做出種種的等同變形或替換，這些等同的變形或替換均包含在本申請權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種納米導(dǎo)電橡膠傳感單元，其特征在于:包括至少兩層織物層，相鄰所述織物層之間填充有納米導(dǎo)電橡膠，所述納米導(dǎo)電橡膠為摻入碳納米管的橡膠基體。2.如權(quán)利要求1所述的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元，其特征在于:所述碳納米管為多壁碳納米管。3.如權(quán)利要求2所述的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元，其特征在于:所述多壁碳納米管在所述納米導(dǎo)電橡膠的質(zhì)量百分比在8%至9%之間。4.如權(quán)利要求1所述的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元，其特征在于:所述織物層的纖維紋理空隙中滲透有納米導(dǎo)電橡膠。5.如權(quán)利要求1所述的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元，其特征在于:所述橡膠基體為娃橡膠，所述硅橡膠的基本組分和固化劑的配比為10:1。6.—種用于制備如權(quán)利要求1至5任一項所述的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元的制備方法，其特征在于，包括步驟: 51、將橡膠基體與碳納米管按照質(zhì)量配比進行混合制成納米導(dǎo)電橡膠溶液； 52、平鋪一織物層，將SI中制備的納米導(dǎo)電橡膠溶液均勻涂覆在織物上至一定厚度，再在其上平鋪另一織物層； 53、對S2中制備的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元進行加壓、加熱，令其固化。7.如權(quán)利要求6所述的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元的制備方法，其特征在于:步驟S2中，底層的織物層平鋪于模具底板上，頂層的織物層上放置有模具頂板;步驟S3中，通過模具頂板和模具底板的作用，對納米導(dǎo)電橡膠傳感單元施加壓力。8.如權(quán)利要求7所述的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元的制備方法，其特征在于:步驟S3中，將固定有納米導(dǎo)電橡膠傳感單元的模具放置于60°C的容器中。9.如權(quán)利要求8所述的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元的制備方法，其特征在于:所述容器保持真空狀態(tài)。10.如權(quán)利要求9所述的納米導(dǎo)電橡膠傳感單元的制備方法，其特征在于:步驟S3中，固定有納米導(dǎo)電橡膠傳感單元的模具在所述容器中放置至少300min。
【文檔編號】C08K3/04GK106009677SQ201610571308
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月18日
【發(fā)明人】姜瑞娟, 彭捷, 陳宜言, 蓋衛(wèi)明, 于芳, 董桔燦
【申請人】深圳市尚智工程技術(shù)咨詢有限公司, 深圳市市政設(shè)計研究院有限公司