一种用于柔性传感器的导电橡胶材料及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于柔性传感器领域，尤其涉及一种用于柔性传感器的导电橡胶材料及其 制备方法和应用。
【背景技术】
[0002] 应变型传感器是一种能将机械形变信息转换成电阻或电容等电信号输出的一种 装置。1885年英国物理学家开尔文发现金属在承受压力(拉力或扭力)后产生机械形变的同 时，电阻值也发生特征性的变异，称为应变-电阻效应。受此启发，人们从电阻值的变化量得 出材料受力的特征和量值，从而制造出所谓的应变传感器，主要包括压力应变传感器和拉 力应变传感器。目前，金属、金属合金及具有压阻效应的半导体材料成为应变型传感器敏感 单元的主要敏感材料，得到了非常广泛的应用。随着科技的快速发展，生物医学检测、康复 医疗、智能机器人、可穿戴设备等领域复杂结构的力学测量，不但要求传感器要具备良好的 应变-电阻特性，而且要有优秀的柔韧性能。由于金属、金属合金及半导体材料本身弹性模 量的限制，金属式或半导体式电阻应变传感器存在以下缺点：柔性差、力学量变化幅度较 小、结构复杂，制造成本高。所以传统型的金属式或半导体式电阻应变传感器在这些领域的 应用就受到了限制，不能满足当前科技发展的要求。因此，开发一种新的柔韧性优良的应变 型传感器以满足新的领域对传感器柔韧性的要求成为当前技术及应用发展的迫切要求。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种用于柔性传感器的导电橡胶材料，旨在解决现有金属 型、金属合金型或半导体型应变传感器柔性差、结构复杂的问题。
[0004] 本发明的另一目的在于提供一种用于柔性传感器的导电橡胶材料的制备方法。
[0005] 本发明是这样实现的，一种用于柔性传感器的导电橡胶材料，包括如下重量份数 的下列组分：
[0006] 橡胶基体 100份；
[0007] 导电填料 5-100份；
[0008] 其中，所述橡胶基体为含有顺式-1，4_异戊二烯结构的橡胶基体，且所述导电橡胶 材料通过将导电性填料分散在橡胶材料中、经电子束或γ射线辐射交联制成。
[0009] 相应地，一种用于柔性传感器的导电橡胶材料的制造方法，包括以下步骤：
[0010]按照上述用于柔性传感器的导电橡胶材料的配方称取各组分；
[0011] 将各组分进行混炼处理，得到混炼胶；
[0012] 将所述混炼胶进行成型处理；
[0013] 采用电子束或γ射线辐射的方法对经过成型处理的样品进行交联，得到具有应 变-电阻效应的导电橡胶。
[0014] 以及，一种应变型传感器，包括敏感单元和设置在所述敏感单元两端的金属电极， 所述敏感单元由上述用于柔性传感器的导电橡胶材料制成。
[0015] 本发明提供的用于柔性传感器的导电橡胶材料，由导电性填料分散在橡胶材料中 经电子束或者γ射线辐射交联制成，相对于采用硫磺或有机过氧化物作交联剂的化学交联 法，具有生产效率高、环境污染小、交联密度容易控制以及导电橡胶电阻分布窄的优点。
[0016] 所述导电橡胶材料具有良好的柔性和弹性，能够产生较高的机械形变量。具体的， 所述导电橡胶材料在拉力作用下可以产生100%以上的拉伸形变，在压力作用下可以产生 50%以上的压缩形变。进一步的，本发明所述导电橡胶材料在外力作用下产生形变的同时， 其电阻值和电容均发生变化，即能够同时产生应变-电阻效应和应变-电容效应，且应变-电 阻效应和应变-电容效应趋势相反。更具体的，本发明所述导电橡胶材料在拉力或压力作用 下其电阻随着拉伸形变增加不断下降，呈现负电阻-应变效应，如当传感器的形变量为30% 时其电阻值产生至少5倍的变化，其变化甚至可高达100倍以上;所述导电橡胶材料拉力或 压力作用下其电容值随着形变增加不断增加，呈现正电容-应变效应，如当传感器的形变量 为30%时其电容值产生至少10倍的变化，其变化甚至可高达500倍以上。且本发明采用含有 顺式-1，4-异戊二烯结构的橡胶基体使得所述导电橡胶优良的机械力学性能、较高的弹性， 以及优异的耐屈挠性，从而赋予所述基于导电橡胶材料的应变传感器具有良好的信号灵敏 性、回复性和稳定性，所述导电橡胶的电阻率介于5.OX IO2-I.OX 101()Ω .cm之间，特别适用 于作为应变性传感器(如拉力和压力应变型传感器)的敏感单元材料。
[0017] 本发明所述导电橡胶材料的制备方法，采用电子束或γ射线辐射进行交联，可以 通过控制吸收剂量随意的调控橡胶的交联度，且电子束或γ射线可以穿透橡胶胶层，使得 橡胶整体交联度一致均匀;所述橡胶导电材料用作传感器敏感单元材料时，可以实现应变 型传感器的电阻值的分布的一致性，特别是电阻电容等电信号在外力作用下的变化的灵敏 性、稳定性、回复性等性能。此外，本发明方法简单可控，易于实现产业化。
[0018] 本发明提供的应变型传感器，包括同时具有应变-电阻效应和应变-电容效应的敏 感单元以及设置在所述敏感单元两端的金属电极。通过检测所述应变型传感器在被拉伸或 被压缩时电阻值或电容值的变化，或者将电阻值转换成电压或电流值，能够在生物力学、康 复医疗、智能穿戴以及人工智能等领域进行力的测量，具有广泛的应用前景。此外，所述应 变型传感器结构简单，制造成本低，容易安装，方便使用。
【附图说明】
[0019] 图1是本发明实施例1提供的电容/电阻-拉伸形变曲线图；
[0020] 图2是本发明实施例2提供的电容/电阻-拉伸形变曲线图；
[0021]图3是本发明实施例3提供的电容/电阻-拉伸形变曲线图；
[0022]图4是本发明实施例4提供的电容/电阻-拉伸形变曲线图；
[0023]图5是本发明实施例5提供的电容/电阻-拉伸形变曲线图；
[0024]图6是本发明实施例6提供的电容/电阻-拉伸形变曲线图；
[0025] 图7是本发明实施例7提供的电容/电阻-拉伸形变曲线图；
[0026] 图8是本发明实施例8提供的电容/电阻-拉伸形变曲线图；
[0027] 图9是本发明实施例9提供的电容/电阻-压缩形变曲线图；
[0028] 图10是本发明实施例10提供的电容/电阻-压缩形变曲线图。
【具体实施方式】
[0029] 为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合 实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释 本发明，并不用于限定本发明。
[0030] 本发明实施例提供了一种用于柔性传感器的导电橡胶材料，包括如下重量份数的 下列组分：
[0031] 橡胶基体 100份；
[0032] 导电填料 5-100份；
[0033] 其中，所述橡胶基体为含有顺式-1，4_异戊二烯结构的橡胶基体，且所述导电橡胶 材料通过将导电性填料分散在橡胶材料中、经电子束或γ射线辐射交联制成。
[0034] 本发明实施例中，所述导电填料在所述橡胶基体中通过微观的相互接触形成导电 通路，当材料受到外力作用时，材料内部相邻导电粒子的间距发生变化，导致依靠所述导电 填料的接触而形成的导电通路发生变化，引起宏观上材料的电阻发生变化。由于本发明实 施例所述导电橡胶材料具有这一优势，因此，能够作为一种应力应变传感材料。
[0035] 具体的，本发明实施例中，所述橡胶基体具有优异的柔性和弹性，赋予所述导电橡 胶材料优良的柔性和弹性，以及较大的力学量变化幅度，能够克服金属式或半导体式应变 传感器在柔韧性和弹性方面的不足。本发明实施例中，所述橡胶基体为含有顺式-1，4-异戊 二烯结构的橡胶基体。含有所述顺式-1，4-异戊二烯结构的橡胶属于结晶性橡胶，这类橡胶 具有优良的机械强度和较高的弹性，以及优异的耐屈挠性，这些优点对于本发明实施例所 述柔性应变传感器的电阻回复性、多次拉伸或者压缩的电阻可重复性，具有积极的效果。具 体优选的，所述橡胶基体为生物合成的天然橡胶、化学合成的聚异戊橡胶，以及有机官能团 改性天然橡胶、有机官能团改性聚异戊橡胶中的至少一种。该优选的所述橡胶基体，具有较 好的物理机械性能和加工性能，且能与所述导电填料实现均匀分散。其中，所述有机官能团 改性天然橡胶、有机官能团改性聚异戊橡胶中，所述有机官能团包含羧基、羟基、氨基、环氧 基、丙烯酸酯基团、马来酸酐基团中的至少一种。该优选的所述有机官能团改性天然橡胶、 有机官能团改性聚异戊橡胶，能够进一步提升所述橡胶的物理机械性能和加工性能，还可 以提高所述导电填料在橡胶基体中的分散性，加强所述橡胶基体与导电填料之间的结合， 进而提高本发明实施例应变-电阻型传感器的电阻稳定性和动态应变条件下的电阻可重复 性。
[0036] 本发明实施例中，所述有机官能团改性天然橡胶或有机官能团改性异