一种纳米导电橡胶传感单元及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种纳米导电橡胶传感单元及其制备方法，属于测力技术领域。本发明纳米导电橡胶传感单元包括至少两层织物层，相邻所述织物层之间填充有纳米导电橡胶，所述纳米导电橡胶为掺入碳纳米管的橡胶基体；本发明纳米导电橡胶传感单元制备方法包括：S1、将橡胶基体与碳纳米管按照质量配比进行混合制成纳米导电橡胶溶液；S2、平铺一织物层，将S1中制备的纳米导电橡胶溶液均匀涂覆在织物上至一定厚度，再在其上平铺另一织物层；S3、对S2中制备的纳米导电橡胶传感单元进行加压、加热，令其固化。本发明纳米导电橡胶传感单元达到了测力量程大、量程范围内灵敏度高、压阻特性曲线线性度好的技术效果且能满足薄片式要求。
【专利说明】
一种纳米导电橡胶传感单元及其制备方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及测力技术领域，尤其涉及一种纳米导电橡胶传感单元及其制备方法。
【背景技术】
[0002]纳米导电橡胶是一种在绝缘橡胶基体中掺入纳米级导电填料后而产生导电性能的复合材料。由于其具有良好的压阻特性、耐久性、耐疲劳性和柔韧性，已经被广泛研究用作压力传感材料，并且在机器人、医疗、航天等领域取得了应用。
[0003]研究表明，纳米导电橡胶作为压敏材料时，其量程与导电橡胶的厚度、硬度和制作工艺有关。通过提高纳米导电橡胶的厚度和硬度可以适量的提高其量程范围。而薄片式压力传感器的厚度在某些工作场合往往受到限制，进而限制了纳米导电橡胶的厚度;而且较厚的纳米导电橡胶材料在较高压力作用下会因较大的横向变形而被撕裂，不能达到足够的机械强度。通过优化纳米导电橡胶的成分配比或添加改性材料、补强剂的方式是改善其导电性和机械性能的有效途径。公开号为CN 104893291A的中国专利公开了一种硅橡胶基力敏复合材料的制备方法，以纳米级金属颗粒作填料，最大压强测量值为2.4MPa。此外，也有学者通过实验证明通过添加纳米Si02和纳米AI2O3可有效提高复合材料的导电性和压力敏感范围。
[0004]目前针对纳米导电橡胶的研究以炭黑填充型为主，基于纳米导电橡胶的压力传感器多数处于实验阶段，部分取得工业应用的纳米导电橡胶传感器，由于灵敏度、线性度和量程的限制，尚不能满足机械、土木工程等领域中大压强状态的压力测量。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题，在于提供一种测力量程大、量程范围内灵敏度高、压阻特性曲线线性度好且能满足薄片式要求的纳米导电橡胶传感单元。
[0006]本发明所要解决的技术问题，还在于提供一种制备上述纳米导电橡胶传感单元的方法。
[0007 ]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:
本发明提供了一种纳米导电橡胶传感单元，其包括至少两层织物层，相邻所述织物层之间填充有纳米导电橡胶，所述纳米导电橡胶为掺入碳纳米管的橡胶基体。
[0008]作为上述技术方案的进一步改进，所述碳纳米管为多壁碳纳米管。
[0009]作为上述技术方案的进一步改进，所述多壁碳纳米管在所述纳米导电橡胶的质量百分比在8%至9%之间
作为上述技术方案的进一步改进，所述织物层的纤维纹理空隙中渗透有纳米导电橡胶。
[0010]作为上述技术方案的进一步改进，所述橡胶基体为娃橡胶，所述娃橡胶的基本组分和固化剂的配比为10:1。
[0011]本发明还提供了一种用于制备如上所述的纳米导电橡胶传感单元的制备方法，其包括步骤:S1、将橡胶基体与碳纳米管按照质量配比进行混合制成纳米导电橡胶溶液;S2、平铺一织物层，将SI中制备的纳米导电橡胶溶液均匀涂覆在织物上至一定厚度，再在其上平铺另一织物层;S3、对S2中制备的纳米导电橡胶传感单元进行加压、加热，令其固化。
[0012]作为上述技术方案的进一步改进，步骤S2中，底层的织物层平铺于模具底板上，顶层的织物层上放置有模具顶板;步骤S3中，通过模具顶板和模具底板的作用，对纳米导电橡胶传感单元施加压力。
[0013]作为上述技术方案的进一步改进，步骤S3中，将固定有纳米导电橡胶传感单元的模具放置于60°C的容器中。
[0014]作为上述技术方案的进一步改进，所述容器保持真空状态。
[0015]作为上述技术方案的进一步改进，步骤S3中，固定有纳米导电橡胶传感单元的模具在所述容器中放置至少300min。
[0016]本发明的有益效果是:
1、本发明纳米导电橡胶传感单元通过增设织物层作为骨架，有效提高了纳米导电橡胶传感材料的抗压强度、抗拉强度和疲劳性能，实现了在O至50MPa的压强测量范围内具有较好的灵敏度、线性度及多次循环加载的稳定性，可以应用在机械制造、土木工程等领域高压状态下的长期压力测量。
[0017]2、本发明纳米导电橡胶传感单元在竖向压力作用下，测量的电阻值随着压力的增大而增大，呈现正压阻效应，不同于已有的炭黑填充型导电橡胶，压阻特性曲线线性度好，适合制作高精度的压力传感器。
[0018]3、本发明纳米导电橡胶传感单元的最小厚度可以达到0.5毫米，而且可以适用于任何曲面和形状的压力传感器。
【附图说明】
[0019]图1是本发明纳米导电橡胶传感单元的整体结构示意图；
图2是本发明纳米导电橡胶传感单元的断面微观图(用光学显微镜拍摄)；
图3是本发明纳米导电橡胶传感单元的测试示意图；
图4是本发明实施例一制备的纳米导电橡胶传感单元多次加载的电阻一压强曲线图； 图5是本发明实施例二制备的纳米导电橡胶传感单元多次加载的电阻一压强曲线图； 图6是本发明实施例三制备的纳米导电橡胶传感单元多次加载的电阻一压强曲线图。
【具体实施方式】
[0020]以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，专利中涉及到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
[0021]请参照图1，本发明纳米导电橡胶传感单元为多层结构，其中作为骨架层的高强度织物层I上下间隔多层分布，在织物层I之间用一定厚度的纳米导电橡胶2填充。所述织物层I的材料组织密实，具有一定的厚度、弹性和强度，满足在较高压力作用下发生弹性变形而不破坏的要求。同时，织物的纵横纤维形成的纹理有一定的空隙，保证在制备过程中覆盖在其上的纳米导电橡胶溶液能够渗入到空隙，增强结构的整体性。所述的纳米导电橡胶I的基体材料为硅橡胶(PDMS)，其由基本组分和固化剂按照10:1的配合比组成；导电填料为碳纳米管，优选为多壁碳纳米管(MffCNT)，多壁碳纳米管的质量百分比在8%至9%之间。
[0022]织物采用中号或高号氨纶、高弹锦纶等弹性纤维织成(号数越大，纤维越粗)，选择高号纱线是为了保证织物具有一定厚度承载压下形变。要求弹性纤维弹性具备三个特点:
(I)弹性回复率高；(2)回弹迅速；(3)弹性模量高(使其伸长所需负荷高)。弹性回复率计算公式如下:
弹性回复率(?/.[(U-L’dA L1-Lo)] X 100%;其中:Lo—试样原始长度山一试样拉伸至伸长时长度;L I一试样复位后长度。
[0023]本发明添加高强度织物层I作为纳米导电橡胶传感单元的劲性骨架，显著提高了纳米导电橡胶在O至50MPa高压下的强度和韧性，在整个使用的过程中都不会在纳米导电橡胶传感单元的表面产生裂纹，更不会产生撕裂现象，保证了这种传感单元在高压下的稳定性和可重复性，可用于制作高量程薄片式柔性纳米导电橡胶压力传感器。
[0024]本发明纳米导电橡胶传感单元的工作原理:传感单元呈薄片状，当此薄片单元承受上下表面的压力(也就是施加于薄片厚度方向的压力，如图1和图3中箭头所示方向)时，会发生形变，形变包括厚度方向的压缩和薄片面内的膨胀。形变的发生会使导电橡胶内部碳纳米管之间的距离以及由其形成的导电网络发生变化，这两方面的变化会表现出导电橡胶的电阻率及电阻发生变化，引起测量电信号的变化，进而根据导电橡胶的压阻特性可以反推得到承压面的受力状态。
[0025]本发明纳米导电橡胶传感单元的制备主要采用溶液共混法和模压成型，具体的制备方法如下:
S1、配料:将硅橡胶(PDMS)的基本组分、固化剂与碳纳米管按照质量配比进行称重，倒入搅拌机中，在室温下，进行机械研磨混合，保证碳纳米管在橡胶基体中均匀分布，以制成纳米导电橡胶溶液。
[0026]S2、合成:准备多块大小相同的高强度织物，在模具底板平铺一织物层，将SI中制备的纳米导电橡胶溶液均匀涂覆在织物上至一定厚度，再在其上平铺另一织物层;根据纳米导电橡胶传感元件的厚度需要，可继续重复涂覆纳米导电橡胶溶液和增铺织物层的过程。
[0027]S3、固化:将模具顶板放置在未固化的纳米导电橡胶传感单元最上层织物层上，通过模具上下顶底板的连接作用，给纳米导电橡胶材料施加一定的压力，保证其厚度的均匀性和密实性。将模具放置到60°C的容器中，将容器抽成真空，放置至少300min。
[0028]在纳米导电橡胶传感单元固化之后，可以按照传感器设计要求，用加工刀具将固化的薄片式纳米导电橡胶传感单元切割成需要的大小和形状，连接上电极和绝缘保护层即完成大量程薄片式柔性纳米导电橡胶压力传感器的制作。
[0029]图2为本发明纳米导电橡胶传感单元的断面微观图，由图中可以看出:(I)织物在导电橡胶中充当骨架，提高了整个传感单元的强度；(2)相对于导电橡胶，弹性织物具有更尚的弹性t旲量，提尚了整个结构的回弹能力，受压变形之后其弹性回复率提尚，并且回弹迅速的弹性纤维抵消了橡胶固有的回弹迟滞现象；(3)在大压力的情况下，由于接触面难以保证绝对平整，以及橡胶本身的成分偏析，导电橡胶易发生应力集中，产生裂纹并失效。但在此结构下，柔软的织物能有效避免应力集中，并且其在大压力下依旧能够保证一定厚度，纤维之间的空隙为导电橡胶的存在提供空间，这对于实现大压力测量具有重大意义。
[0030]图3是本发明纳米导电橡胶传感单元的测试示意图。如图3所示，传感单元3承受箭头所示压力，传感单元3左右两侧的左测量电极41和右测量电极42通过导线5与欧姆表6电连接，在压力作用下传感单元3发生形变，电阻增大，呈现正压阻效应。
[0031]实施例一。
[0032]按照质量比，娃橡胶(PDMS)的基本组分100份，固化剂10份，双壁碳纳米管9.57份，双壁碳纳米管在纳米导电橡胶混合液中的质量占比为8%，织物选用市面购置的一种具有合适厚度、弹性和强度的布料。制备的纳米导电橡胶传感单元为边长50mm的正方形，厚度为3mm，其中织物层有2层，分别位于传感单元上下表面;导电橡胶层有I层，位于上下织物层中间，厚度约为Immο
[0033]图4为本发明实施例一制备的纳米导电橡胶传感单元按照图3的测试方法获得的4次循环加载电阻随压强的变化曲线，可以看出传感单元在O至50MPa压强范围内具有较好的灵敏度、线性度和稳定性，符合制作压力传感器的材料要求。
[0034]实施例二。
[0035]按照质量比，硅橡胶(PDMS )的基本组分100份，固化剂1份，双壁碳纳米管10.22份，双壁碳纳米管在纳米导电橡胶混合液中的质量占比为8.5%，织物选用市面购置的一种具有合适厚度、弹性和强度的布料。制备的纳米导电橡胶传感单元为边长50mm的正方形，厚度为3mm，其中织物层有2层，分别位于传感单元上下表面;导电橡胶层有I层，位于上下织物层中间，厚度约为Imm0
[0036]图5为本发明实施例二制备的纳米导电橡胶传感单元按照图3的测试方法获得的4次循环加载电阻随压强的变化曲线，可以看出传感单元在O至50MPa压强范围内具有较好的灵敏度、线性度和稳定性，符合制作压力传感器的材料要求。
[0037]实施例三。
[0038]按照质量比，硅橡胶(PDMS )的基本组分100份，固化剂1份，双壁碳纳米管1.88份，双壁碳纳米管在纳米导电橡胶混合液中的质量占比为9%，织物选用市面购置的一种具有合适厚度、弹性和强度的布料。制备的纳米导电橡胶传感单元为边长50mm的正方形，厚度为3mm，其中织物层有2层，分别位于传感单元上下表面;导电橡胶层有I层，位于上下织物层中间，厚度约为Immο
[0039]图6为本发明实施例1制备的纳米导电橡胶传感单元按照图3的测试方法获得的4次循环加载电阻随压强的变化曲线，可以看出传感单元在O至50MPa压强范围内具有较好的灵敏度、线性度和稳定性，符合制作压力传感器的材料要求。
[0040]本发明采用多层织物作为骨架层，通过特定的工艺与纳米导电橡胶紧密结合，纳米导电橡胶渗透进织物空隙里形成稳固的整体。织物层具有很好的弹性、韧性和抗拉强度，既可以与导电橡胶层一起弹性变形，满足传感单元的变形需要，又可以限制传感单元变形过大而保护导电橡胶层在高压下不被撕裂，有效提高了传感单元在压力敏感范围内的机械强度，在较高压力作用下反复加卸载而不破坏，具有很好的稳定性和可重复性，使其满足了制作高量程、大承压压力传感器的要求。
[0041]以上是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
【主权项】
1.一种纳米导电橡胶传感单元，其特征在于:包括至少两层织物层，相邻所述织物层之间填充有纳米导电橡胶，所述纳米导电橡胶为掺入碳纳米管的橡胶基体。2.如权利要求1所述的纳米导电橡胶传感单元，其特征在于:所述碳纳米管为多壁碳纳米管。3.如权利要求2所述的纳米导电橡胶传感单元，其特征在于:所述多壁碳纳米管在所述纳米导电橡胶的质量百分比在8%至9%之间。4.如权利要求1所述的纳米导电橡胶传感单元，其特征在于:所述织物层的纤维纹理空隙中渗透有纳米导电橡胶。5.如权利要求1所述的纳米导电橡胶传感单元，其特征在于:所述橡胶基体为娃橡胶，所述硅橡胶的基本组分和固化剂的配比为10:1。6.—种用于制备如权利要求1至5任一项所述的纳米导电橡胶传感单元的制备方法，其特征在于，包括步骤: 51、将橡胶基体与碳纳米管按照质量配比进行混合制成纳米导电橡胶溶液； 52、平铺一织物层，将SI中制备的纳米导电橡胶溶液均匀涂覆在织物上至一定厚度，再在其上平铺另一织物层； 53、对S2中制备的纳米导电橡胶传感单元进行加压、加热，令其固化。7.如权利要求6所述的纳米导电橡胶传感单元的制备方法，其特征在于:步骤S2中，底层的织物层平铺于模具底板上，顶层的织物层上放置有模具顶板;步骤S3中，通过模具顶板和模具底板的作用，对纳米导电橡胶传感单元施加压力。8.如权利要求7所述的纳米导电橡胶传感单元的制备方法，其特征在于:步骤S3中，将固定有纳米导电橡胶传感单元的模具放置于60°C的容器中。9.如权利要求8所述的纳米导电橡胶传感单元的制备方法，其特征在于:所述容器保持真空状态。10.如权利要求9所述的纳米导电橡胶传感单元的制备方法，其特征在于:步骤S3中，固定有纳米导电橡胶传感单元的模具在所述容器中放置至少300min。
【文档编号】C08K3/04GK106009677SQ201610571308
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月18日
【发明人】姜瑞娟, 彭捷, 陈宜言, 盖卫明, 于芳, 董桔灿
【申请人】深圳市尚智工程技术咨询有限公司, 深圳市市政设计研究院有限公司