一种基于改性材料的摩擦压力感应电缆及其制备方法

一种基于改性材料的摩擦压力感应电缆及其制备方法
【专利摘要】本发明提供一种摩擦压力感应电缆，其包括依次同轴贴合设置的中心导线、改性高分子聚合物绝缘层、电极层和绝缘外层；所述中心导线与改性高分子聚合物绝缘层，和/或改性高分子聚合物绝缘层与电极层分别通过摩擦产生信号；所述中心导线和电极层是该摩擦压力感应电缆的输出电极，所述改性高分子聚合物绝缘层含有高分子聚合物和改性材料。本发明还提供了一种摩擦压力感应电缆的制备方法，包括如下步骤：（1）改性高分子聚合物溶液的制备；（2）浇注空腔骨架的形成；（3）浇注；（4）定型；以及（5）绝缘外层的形成。本发明制备方法具有操作简单、方便的优势。该摩擦压力感应电缆具有结构紧凑、稳定性高、寿命长、效果显著的优点。
【专利说明】一种基于改性材料的摩擦压力感应电缆及其制备方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及压力电缆领域，尤其涉及摩擦压力感应电缆制备领域。

【背景技术】
[0002] 随着科学技术的发展，压力电缆在过去数十年里取得了长足的发展，其广泛应用 于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石 化、油井、电力、船舶、机床、管道、医疗等众多行业。特别是在智能交通领域，压力电缆以其 良好的性能，高度的可靠性，简易的安装方法，还有逐步降低的价格等特性使其在日益扩展 的应用中成为理想的选择。
[0003] -般普通压力电缆的输出为模拟信号，模拟信号是指信息参数在给定范围内表现 为连续的信号，或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为 任意数值的信号。而现有应用在智能交通技术中的压力电缆主要是利用压电效应制造而成 的，这样的电缆也称为压电电缆。尽管压力电缆应用范围如此广泛，但它本身存在高阻抗， 信号微弱这一弊端，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器才能克服。
[0004] 因此，寻找性能优良的压力感应电缆成为业界目前亟待解决的技术问题。


【发明内容】

[0005] 本发明解决的技术问题是提供一种信号强度大的摩擦压力感应电缆。
[0006] 本发明旨在对摩擦压力感应电缆的摩擦材料通过掺杂改性等方式来提高摩擦压 力感应电缆自身的性能。具体来说，是对摩擦压力感应电缆的高分子聚合物绝缘层进行掺 杂其他活性介电材料，比如钛酸钡、钛酸镁、钛酸钙、纳米二氧化硅、金云母、白云母等材料， 优选钛酸钡。
[0007] 具体来说，本发明通过如下技术方案解决上述技术问题的。
[0008] -种摩擦压力感应电缆，其包括依次同轴贴合设置的中心导线、改性高分子聚合 物绝缘层、电极层和绝缘外层；所述中心导线与改性高分子聚合物绝缘层，和/或改性高分 子聚合物绝缘层与电极层分别通过摩擦产生信号；所述中心导线和电极层是该摩擦压力感 应电缆的输出电极，所述改性高分子聚合物绝缘层含有高分子聚合物和改性材料。
[0009] 其中，所述改性材料为钛酸钡、钛酸镁、钛酸钙、纳米二氧化硅、金云母、白云母中 的一种或几种。
[0010] 其中，加入所述改性材料的质量为改性高分子聚合物质量的1%-45%。
[0011] 其中，中心导线与改性高分子聚合物绝缘层为一体设置，改性高分子聚合物绝缘 层与电极层之间没有缝隙或缝隙极小。
[0012] 其中，所述改性高分子聚合物绝缘层通过液态固化成型在中心导线上。
[0013] 其中，在电极层与绝缘外层之间设有屏蔽层。
[0014] 其中，所述的中心导线为镀锡铜导线、镀锌铜导线、或镀银铜导线中一种或几种编 织而成。
[0015] 其中，在改性高分子聚合物绝缘层和电极层之间还进一步设置有第二高分子聚合 物绝缘层。
[0016] 其中，所述改性高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层之间，第二高分 子聚合物绝缘层与电极层之间没有缝隙或缝隙极小。
[0017] 其中，所述电极层和第二高分子聚合物绝缘层中至少有一个层结构上设置有微纳 结构。
[0018] 其中，所述高分子聚合物绝缘层所用材料选自聚二甲基硅氧烷、酚醛树脂、脲醛树 月旨、三聚氰胺树脂、不饱和聚酯树脂、环氧树脂、有机硅树脂、聚氨酯中的一种。
[0019] 其中，所述电极层所用材料选自铟锡氧化物、银纳米线膜、铜、铁、铝、银、钼、钯、 错、镍、钛、铬、锡、猛、钥、鹤或钥;、错合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、猛合金、 镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、秘合金、铟合金、镓合金、鹤合金、钥合金、银合金、钽合金 中的一种或几种。
[0020] 本发明还提供一种摩擦压力感应电缆的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0021] (1)改性高分子聚合物溶液的制备：在高分子聚合物中加入改性材料制备得到改 性高分子聚合物，后加入固化剂得到改性高分子聚合物溶液；
[0022] (2)浇注空腔骨架的形成：在中心导线的一端加装盲孔密封管件，在距离盲孔密封 管件L处加装通孔密封管件，在盲孔密封管件和通孔密封管件外层设置包覆层，形成以盲 孔密封管件和通孔密封管件为上下底面的封闭空腔结构；
[0023] (3)浇注：将通孔密封管件从步骤（2)的浇注空腔骨架取下，将步骤（1)制备的高 分子聚合物溶液浇注到步骤（2)制备的浇注空腔内，后将通孔密封管件加装浇注后的空腔 上对其封闭得到浇注结构；
[0024] (4)定型：将步骤（3)得到的封闭浇注结构烘烤定型；之后将盲孔密封管件、通孔 密封管件以及用于形成空腔的辅助结构取下；以及
[0025] (5)绝缘外层的形成：在步骤（4)定型后的电极层外缠绕绝缘外层，得到摩擦压力 感应电缆。
[0026] 其中，步骤（1)所述改性材料为钛酸钡、钛酸镁、钛酸钙、纳米二氧化硅、金云母或 者白云母中的一种或几种。
[0027] 其中，步骤（1)中加入所述改性材料的质量为改性高分子聚合物质量的1%_45%。
[0028] 其中，步骤（1)中所述改性材料为纳米二氧化硅时，其加入质量为改性高分子聚合 物质量的1%_20%。
[0029] 其中，步骤（1)中所述改性材料为钛酸钡时，其加入质量为改性高分子聚合物质量 的 1%-45%。
[0030] 其中，步骤（1)中加入的固化剂与高分子聚合物的质量比例为1%_20%。
[0031] 其中，所述高分子聚合物所用材料选自聚二甲基硅氧烷（PDMS)、酚醛树脂、脲醛树 月旨、三聚氰胺树脂、不饱和聚酯树脂、环氧树脂、有机硅树脂、聚氨酯中的一种。
[0032] 其中，中心导线为镀锡铜导线、镀锌铜导线、或镀银铜导线中一种或几种编织而 成。
[0033] 其中，步骤（2)所述的设置包覆层是通过在盲孔密封管件和通孔密封管件外层包 覆条状、带状电极层实现。
[0034] 其中，步骤（2)所述的设置包覆层是通过在盲孔密封管件和通孔密封管件外层用 辅助结构包覆实现。
[0035] 其中，步骤（4)所述形成空腔的辅助结构选自柔性空心管、亚克力空心管、水溶性 空心管中的一种。
[0036] 其中，步骤（4 )取下辅助结构后在改性高分子聚合物绝缘层上缠绕条状结构、带状 结构或线编织的网状结构电极层。
[0037] 其中，步骤（4)取下辅助结构后在改性高分子聚合物绝缘层上缠绕第二高分子聚 合物绝缘层。
[0038] 其中，步骤（4 )取下辅助结构后在第二高分子聚合物绝缘层上缠绕条状结构、带状 结构或线编织的网状结构电极层。
[0039] 其中，所述中第二高分子聚合物层材料选自聚乙烯塑料、聚丙烯塑料、氟塑料、聚 氯乙烯、聚全氟乙丙烯、尼龙、聚烯烃、氯化聚乙烯、氯磺化聚乙烯、硅橡胶、四氟乙烯-乙 烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚苯乙烯、氯化聚醚、聚酰亚胺、聚酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物 (EVA)、热塑性硫化橡胶（TPV)、热塑性聚氨酯弹性体橡胶（TPU)、三元乙丙橡胶EPDM或热塑 性橡胶（TPR)、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET)、聚四氟乙烯（PTFE)、聚二甲基硅氧烷（PDMS)、 聚偏氟乙烯、聚酯纤维、氟化乙烯丙烯共聚物、聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜中的一种。
[0040] 其中，步骤（4)定型后的电极层外先设置屏蔽层，之后缠绕绝缘外层。
[0041] 其中，步骤（3)所述浇注的浇注方式为自然注入和/或压力注入。
[0042] 其中，步骤（2)所述的盲孔密封管件为盲孔丝堵；所述的通孔密封管件为通孔丝 堵，其中通孔丝堵和盲孔丝堵的横截面形状一致。
[0043] 其中，步骤（1)所述的加入的固化剂与高分子聚合物的质量比例为10%，加入钛酸 钡的质量为改性高分子聚合物质量的30%。
[0044] 本发明的有益效果如下：
[0045] 本发明提供的摩擦压力感应电缆具有的优势如下：
[0046] 本发明提供的摩擦压力感应电缆利用外界环境对摩擦压力感应电缆的作用使其 产生形变并产生信号，通过测量该信号即可达到监测的目的。通过实验证明该发明在相同 条件下，所产生的信号强度要大于传统的压力电缆所产生的电压信号，可以在不用高输入 阻抗电路或电荷放大器的条件下实现与传统电缆相同的监测效果，从而提供了一种新的制 作压力感应电缆的方法。
[0047] 本发明制备摩擦压力感应电缆的方法具有操作简单、方便的优势。该摩擦压力感 应电缆包括依次同轴贴合设置的中心导线、掺杂改性的高分子聚合物绝缘层、电极层和绝 缘外层，具有结构紧凑、稳定性高、寿命长、效果显著的优点。

【专利附图】

【附图说明】
[0048]图1为本发明摩擦压力感应电缆的一种【具体实施方式】；
[0049]图2为本发明摩擦压力感应电缆的另一种【具体实施方式】；
[0050]图3为本发明摩擦压力感应电缆的另一种【具体实施方式】；
[0051]图4为本发明摩擦压力感应电缆的另一种【具体实施方式】；
[0052] 图5为本发明摩擦压力感应电缆制备过程的一种【具体实施方式】的示意图；
[0053] 图6为本发明摩擦压力感应电缆制备过程自然注入的示意图；
[0054]图7为本发明摩擦压力感应电缆的一种【具体实施方式】；
[0055]图8为本发明摩擦压力感应电缆的一种【具体实施方式】；
[0056] 其中，1-中心导线，2-改性高分子聚合物绝缘层，3-电极层，4-绝缘外层，5-屏蔽 层，6-盲孔丝堵，7-通孔丝堵，8-柔性空心管，9-第二高分子聚合物绝缘层。

【具体实施方式】
[0057]为了充分说明本发明解决技术问题所实施使用的技术方案。下面对本发明做详细 说明，但本发明的技术方案和保护范围并不仅仅限于此。
[0058] 本发明提供一种摩擦压力感应电缆，优选的摩擦压力感应电缆是，摩擦压力感应 电缆中高分子聚合物材料为PDMS，向PDMS中掺杂一定比例的钛酸钡，中心导线材料为编 织镀锡铜线或编织镀银铜线，还可以是编织镀锡铜线和编织镀银铜线共同编织而成，其是 将几根线径很细的镀锌铜或镀锡铜编织在一起，形成为一根编织镀锌铜或者镀锡铜材料。 摩擦压力感应电缆中的摩擦特性接近于电容性，因此掺杂介电材料可以有效改善其放电特 性。同时，掺杂颗粒在高分子聚合物内部形成颗粒间界面，可以提高高分子聚合物内部接触 面积，从而可以有效提高摩擦压力感应电缆的性能。
[0059] 本发明提供一种摩擦压力感应电缆，所用改性高分子聚合物材料中含有高分子聚 合物和改性材料，其中心导线为镀锡铜导线、镀锌铜导线、或镀银铜导线中一种或几种编织 而成。
[0060] 在一种【具体实施方式】中，所述改性材料为钛酸钡、钛酸镁、钛酸钙、纳米二氧化硅、 云母中的一种或几种；其中所述云母优选为金云母或白云母。所述改性材料的加入质量为 加入改性材料后改性高分子聚合物质量的1%-45%。由于在高分子聚合物材料中加入了改性 材料，通过掺杂改性方式提高了摩擦压力感应电缆的发电特性。
[0061] 在一种【具体实施方式】中，所述改性高分子聚合物绝缘层通过液态固化成型在中心 导线上。这样形成的改性高分子聚合物绝缘层与中心导线中间基本没有间隙。所述在电极 层与绝缘外层之间设有屏蔽层。所述的中心导线为镀锡铜导线、镀锌铜导线、或镀银铜导线 中一种或几种编织而成。在改性高分子聚合物绝缘层和电极层之间还进一步设置有第二高 分子聚合物绝缘层。所述改性高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层之间，第二 高分子聚合物绝缘层与电极层之间没有缝隙或缝隙极小。所述电极层和第二高分子聚合物 绝缘层中至少有一个层结构上设置有微纳结构，这样可以使产生的电信号强度更大。所述 高分子聚合物绝缘层所用材料选自聚二甲基硅氧烷、酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺树脂、 不饱和聚醋树脂、环氧树脂、有机娃树脂、聚氣醋中的一种，优选为PDMS。
[0062]所述电极层所用材料选自铟锡氧化物、银纳米线膜、铜、铁、铝、银、钼、钯、铝、镍、 钛、铬、锡、猛、钥、鹤或钥;、错合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、猛合金、镍合 金、铅合金、锡合金、镉合金、秘合金、铟合金、镓合金、鹤合金、钥合金、银合金、钽合金中的 一种或几种。
[0063] 一种摩擦压力感应电缆的制备方法，包括如下步骤：
[0064] (1)改性高分子聚合物溶液的制备：在高分子聚合物中加入改性材料制备得到改 性高分子聚合物，后加入固化剂得到改性高分子聚合物溶液；所述改性材料为钛酸钡、钛酸 镁、钛酸钙、纳米二氧化硅、云母中的一种或几种。加入所述改性材料的质量为改性高分子 聚合物质量的1%_45%。所述改性材料为纳米二氧化硅时，其加入质量为加入纳米二氧化硅 后的改性高分子聚合物质量的1%_20%，优选为15% ;所述改性材料为钛酸钡时，其加入质量 为改性高分子聚合物质量的1%_45%，优选30%。加入的固化剂与高分子聚合物的质量比例 为1%-20%，优选10%。其中所述高分子聚合物绝缘层所用材料选自聚二甲基硅氧烷（PDMS)、 酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺树脂、不饱和聚酯树脂、环氧树脂、有机硅树脂、聚氨酯中的 一种，优选PDMS。
[0065] 该步骤中加入固化剂使改性高分子聚合物固化成型。加入改性材料用于提高摩擦 压力感应电缆的信号强度。所述固化剂的种类是本领域技术人员根据不同的高分子聚合物 通过公知常识进行常规选择就可以得到。
[0066] (2)浇注空腔骨架的形成：在中心导线的一端加装盲孔密封管件，在距离盲孔密 封管件L处加装通孔密封管件，在盲孔密封管件和通孔密封管件外层设置包覆层，形成以 盲孔密封管件和通孔密封管件为上下底面的封闭空腔结构；所述的盲孔密封管件为盲孔丝 堵；所述的通孔密封管件为通孔丝堵。所述的设置包覆层是通过在盲孔密封管件和通孔密 封管件外层包覆条状、带状电极层实现。所述的设置包覆层还可以是通过在盲孔密封管件 和通孔密封管件外层用辅助结构包覆实现。所述的盲孔密封管件为盲孔丝堵；所述的通孔 密封管件为通孔丝堵，其中通孔丝堵和盲孔丝堵的横截面形状一致。
[0067] 其中L的具体数值取决于所制备的摩擦压力感应电缆的长度，可以是大于0的任 意值。在形成封闭空腔结构过程中，可以采用任何可以形成用于浇注的空腔的方法，不限于 通过电极层包覆围成，通过辅助结构围成。
[0068] (3)浇注：将通孔密封管件从步骤（2)的浇注骨架取下，将步骤（1)制备的改性高 分子聚合物溶液浇注到步骤（2)制备的浇注空腔内，后将通孔密封管件加装浇注后的空腔 上对其封闭得到浇注结构；所述浇注的浇注方式为自然注入和/或压力注入。
[0069] 通过上述注入方式后得到摩擦压力感应电缆，其中心导线、改性高分子聚合物绝 缘层、电极层贴合设置，形成紧凑，贴合的层结构，各层之间基本不能形成空腔，这样的层结 构更有利于各层之间的摩擦而产生电信号。所制备的摩擦压力感应电缆具有结构紧凑、稳 定性好、寿命长、效果优异的优点
[0070] (4)定型：将步骤（3)得到的封闭浇注结构烘烤定型；之后将盲孔密封管件、通孔 密封管件以及用于形成空腔的辅助结构取下；其中步骤（4)取下辅助结构后在改性高分子 聚合物绝缘层上缠绕条状结构、带状结构或线编织的网状结构电极层。其中步骤（4)取下辅 助结构后在改性高分子聚合物绝缘层上缠绕第二高分子聚合物绝缘层。其中步骤（4)取下 辅助结构后在第二高分子聚合物绝缘层上缠绕条状结构、带状结构或线编织的网状结构电 极层。其所述中第二高分子聚合物层材料选自聚乙烯塑料、聚丙烯塑料、氟塑料、聚氯乙烯、 聚全氟乙丙烯、尼龙、聚烯烃、氯化聚乙烯、氯磺化聚乙烯、硅橡胶、四氟乙烯-乙烯共聚物、 聚三氟氯乙烯、聚苯乙烯、氯化聚醚、聚酰亚胺、聚酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA)、热塑性 硫化橡胶（TPV)、热塑性聚氨酯弹性体橡胶（TPU)、三元乙丙橡胶EPDM或热塑性橡胶（TPR)、 聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET)、聚四氟乙烯（PTFE)、聚二甲基硅氧烷（PDMS)、聚偏氟乙烯、 聚酯纤维、氟化乙烯丙烯共聚物、聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜中的一种。其中步骤（4) 所述形成空腔的辅助结构选自柔性空心管、亚克力空心管、水溶性空心管中的一种。
[0071] 所述的辅助结构可以是任何用于形成空腔的而非本发明摩擦压力感应电缆需要 的结构。在进行烘烤定型过程中，烘烤定型的温度和时间是本领域技术人员根据所烘烤的 高分子聚合物的材料种类根据本领域的公知常识可以确定的，其中使用PDMS作为高分子 聚合物时，烘烤温度为70-90°C，时间为3-5h。
[0072] (5)绝缘外层的形成：在步骤（4)定型后的电极层外缠绕绝缘外层，得到摩擦压力 感应电缆。
[0073] 其中步骤（4)定型后的电极层外先设置屏蔽层，之后缠绕绝缘外层。
[0074] 在一种【具体实施方式】中，所述的摩擦压力感应电缆的中心导线为编织镀锌铜或者 镀锡铜材料，该导线起导电作用并作为纳米摩擦压力感应电缆的第一电极；电极层作为摩 擦压力感应电缆的第二电极，其可为铜带或者金属线；改性高分子聚合物绝缘层与中心导 线，和/或改性高分子聚合物绝缘层与电极层摩擦产生信号。电极层可起到屏蔽作用，优选 可在电极层与改性高分子聚合物绝缘层之间设置屏蔽层。
[0075] 在一种【具体实施方式】中，所述的摩擦压力感应电缆的制备方法如下：
[0076] 制备改性高分子聚合物，在高分子聚合物中添加一定比例的改性材料（1%_45%)并 混合均匀，得到改性高分子聚合物。
[0077] 使用上述改性高分子聚合物通过如下方法制备摩擦压力感应电缆，具体来说优选 可以通过如下方案实现：
[0078] 第一种方案：
[0079] 取一定质量的上述改性PDMS，按照10:1的比例加入固化剂（固化剂与高分子聚合 物的质量比例为1%_20%，优选10%)，搅拌均匀后，放入真空干燥器内，将溶于改性PDMS中的 空气抽干净。将制备好的改性高分子聚合物进行浇注成型可以分为几个方法进行。如图1 所示，盲孔丝堵、通孔丝堵与铜胶带共同组成改性高分子聚合物浇注空腔。选一定直径的中 心导线，在中心导线的一端加装盲孔丝堵，在相距L(L可根据具体要求取具体数值)处加装 通孔丝堵，通孔丝堵与盲孔丝堵的横截面形状均一致，分别以两端的丝堵为上下底面为端 面，在丝堵的I面上缠绕涂有导电胶的铜胶带，胶带层数大于一圈，然后取下通孔丝堵，从 该端注入已抽气后的改性PDMS，注入的方式可采用自然注入或压力注入（如采用注射器注 入）等，注满后，加装好通孔丝堵，使中心导线与铜胶带之间不得接触，放入烘箱，目前已实 验的烘烤温度为80°C，时间为3-5h。烘烤完成后，最后在外层缠绕绝缘层，例如Kapton胶 带绝缘密封。通孔丝堵和盲孔丝堵在烘烤完成后可取下来。盲孔丝堵与通孔丝堵采用不导 电材质制作而成。
[0080] 第二种方案：
[0081] 如图4所示，通过盲孔丝堵、通孔丝堵与柔性空心管共同组成改性高分子聚合物 浇注空腔。其制备方法与第一种方案的不同之处在于，盲孔丝堵、通孔丝堵与柔性空心管共 同组成改性高分子聚合物浇注空腔，在浇注烘烤完成后，将柔性空心管、盲孔丝堵、通孔丝 堵取下，在改性高分子聚合物外层缠绕金属线，最后在外层缠绕绝缘层。盲孔丝堵与通孔丝 堵采用不导电材质制作而成
[0082] 在一种优选实施方式中，摩擦压力感应电缆的制备方法如下：PDMS中掺杂钛酸 钡，镀锡铜编织线为中心导线；制备改性高分子聚合物溶液：首先取定量的PDMS，在其中加 入一定比例的钛酸钡并混合均匀,钛酸钡的质量占改性高分子聚合物质量的的1%_45%。（优 选为30%);加入固化剂，固化剂用量为PDMS质量的1%-20% (优选为10%)，混合均匀后真空 排气30分钟。采用前述发明中的浇注工艺制备同轴摩擦压力感应电缆，定型后放入烘箱中 80°C加热4小时。
[0083] 在一种【具体实施方式】中，首先取定量的PDMS，在其中加入一定比例的二氧化硅并 混合均匀，二氧化硅的质量占改性高分子聚合物质量的的1%_15%。（优选为8%)，二氧化硅 的优选范围为1%_15%，二氧化硅添加过多，会影响PDMS的成膜性能。加入固化剂，固化剂用 量为PDMS质量的1%-20% (实施例中为10%)，混合均匀后真空排气30分钟。采用前述发明 中的浇注工艺制备同轴摩擦压力感应电缆，定型后放入烘箱中80°C加热4小时。
[0084] 下面通过具体的实施例来阐述本发明的方法的实施，本领域技术人员应当理解的 是，这不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。
[0085] 实施例
[0086] 下面对本发明实施例中的测定方法以及材料来源进行说明。
[0087] 电流的测定方法：将制备的摩擦压力感应电缆的两个电极输出引线连接在示波器 测试设备的两个输入端，屏蔽层电极接地。在ION压力，频率为2Hz测试条件下进行测定。
[0088] 下述实施例中使用的高分子聚合物材料，改性材料等均为市售购买得到的。
[0089] 实施例1
[0090] 如图1所示摩擦压力感应电缆其结构如下：其由内而外依次同轴设置中心导线 (1)，改性高分子聚合物绝缘层（2 )，电极层（3 )，绝缘外层（4 )。
[0091] 下面结合图2说明摩擦压力感应电缆的制备方法，其中在摩擦压力感应电缆的一 端为盲孔丝堵（6)，另一端为通孔丝堵（7)。
[0092] 其制备方法包括如下步骤：
[0093] 取500g的PDMS，在其中加入钛酸钡并混合均匀，钛酸钡的加入质量为改性高分子 聚合物质量的1%。
[0094] 将上述混合均匀的改性高分子聚合物，加入固化剂道康宁184,其中PDMS与固化 剂质量比例为10:1，搅拌均匀后真空排气30分钟，得到改性PDMS。
[0095] 选直径为5mm的镀锡铜导线为中心导线，在中心导线的一端加装盲孔丝堵，在相 距20cm处加装通孔丝堵，通孔丝堵（6)与盲孔丝堵（7)的横截面形状均一致，分别以两端 的丝堵的上下底面为端面，在丝堵的I面上（如图5)缠绕涂有导电胶的铜胶带，胶带层数 为2圈，然后取下通孔丝堵，从该端注入制备好的已抽气的含有改性PDMS，注入的方式可采 用自然注入(如图6)，注满后，加装好通孔丝堵，使中心导线与铜胶带之间不得接触，放入烘 箱，烘烤温度为80°C，烘烤4h。烘烤完成后，取下通孔丝堵和盲孔丝堵，在外层缠绕Kapton 胶带绝缘密封，得到摩擦压力感应电缆1#。测定其输出电压见表1。
[0096] 实施例2
[0097] 如图1所示摩擦压力感应电缆还可以通过如下方法制备，具体包括如下步骤：
[0098] 取500g的PDMS，在其中加入钛酸钡并混合均匀，钛酸钡的加入质量为改性高分子 聚合物质量的30%。
[0099] 将上述混合均匀的改性高分子聚合物，加入固化剂道康宁184,其中PDMS与固化 剂质量比例为10:1，搅拌均匀后真空排气30分钟。
[0100] 选直径为5mm的镀锡铜导线为中心导线，在中心导线的一端加装盲孔丝堵，在相 距20cm处加装通孔丝堵，通孔丝堵（6 )与盲孔丝堵（7 )的横截面形状均一致，分别以两端的 丝堵的上下底面为端面，在丝堵的I面上（如图5)缠绕涂有导电胶的铜胶带，胶带层数为 2圈，然后取下通孔丝堵，从该端注入制备好的已抽气的改性PDMS，注入的方式可采用自然 注入(如图6)，注满后，加装好通孔丝堵，使中心导线与铜胶带之间不得接触，放入烘箱，烘 烤温度为80°C，烘烤4h。烘烤完成后，取下通孔丝堵和盲孔丝堵，在外层缠绕Kapton胶带 绝缘密封，得到摩擦压力感应电缆2#。测定其输出电压见表1。
[0101] 实施例3
[0102] 如图1所示摩擦压力感应电缆还可以通过如下方法制备，具体包括如下步骤：
[0103] 取500g的PDMS，在其中加入钛酸钡并混合均匀，钛酸钡的加入质量为改性高分子 聚合物质量的45%。
[0104] 在上述混合均匀的改性高分子聚合物中，加入固化剂道康宁184,其中PDMS与固 化剂质量比例为10:1，搅拌均匀后真空排气30分钟。
[0105] 选直径为5mm的镀银铜导线为中心导线，在中心导线的一端加装盲孔丝堵，在相 距20cm处加装通孔丝堵，通孔丝堵（6 )与盲孔丝堵（7 )的横截面形状均一致，分别以两端的 丝堵的上下底面为端面，在丝堵的I面上（如图5)缠绕涂有导电胶的铜胶带，胶带层数为 2圈，然后取下通孔丝堵，从该端注入制备好的已抽气的改性PDMS，注入的方式可采用自然 注入(如图6)，注满后，加装好通孔丝堵，使中心导线与铜胶带之间不得接触，放入烘箱，烘 烤温度为80°C，烘烤4h。烘烤完成后，取下通孔丝堵和盲孔丝堵，在外层缠绕Kapton胶带 绝缘密封，得到摩擦压力感应电缆3#。测定其输出电压见表1。
[0106] 实施例4
[0107] 如图1所示摩擦压力感应电缆还可以通过如下方法制备，具体包括如下步骤：
[0108] 取500g的PDMS，在其中加入纳米二氧化硅并混合均匀，纳米二氧化硅的加入质量 为改性高分子聚合物质量的1%。
[0109] 在上述混合均匀的改性高分子聚合物中，加入固化剂道康宁184,其中PDMS与固 化剂质量比例为10:1，搅拌均匀后真空排气30分钟。
[0110] 将直径为2. 5mm镀锡铜导线与直径为2. 5mm镀锌铜导线进行编织得到中心导线， 后在中心导线的一端加装盲孔丝堵，在相距20cm处加装通孔丝堵，通孔丝堵（6)与盲孔丝 堵（7)的横截面形状均一致，分别以两端的丝堵的上下底面为端面，在丝堵的I面上（如图 5)缠绕涂有导电胶的铜胶带，胶带层数为2圈，然后取下通孔丝堵，从该端注入制备好的已 抽气的改性PDMS，注入的方式可采用自然注入(如图6 )，注满后，加装好通孔丝堵，使中心 导线与铜胶带之间不得接触，放入烘箱，烘烤温度为80°C，烘烤4h。烘烤完成后，取下通孔 丝堵和盲孔丝堵，在外层缠绕Kapton胶带绝缘密封，得到摩擦压力感应电缆4#。测定其输 出电压见表1。
[0111] 实施例5
[0112] 如图1所示摩擦压力感应电缆还可以通过如下方法制备，具体包括如下步骤：
[0113] 取500g的PDMS，在其中加入纳米二氧化硅并混合均匀，纳米二氧化硅的加入质量 为改性高分子聚合物质量的8%。
[0114] 在上述混合均匀的改性高分子聚合物中，加入固化剂道康宁184,其中PDMS与固 化剂质量比例为10:1，搅拌均匀后真空排气30分钟。
[0115] 选直径为5mm的镀锡铜导线为中心导线，在中心导线的一端加装盲孔丝堵，在相 距20cm处加装通孔丝堵，通孔丝堵（6 )与盲孔丝堵（7 )的横截面形状均一致，分别以两端的 丝堵的上下底面为端面，在丝堵的I面上（如图5)缠绕涂有导电胶的铜胶带，胶带层数为 2圈，然后取下通孔丝堵，从该端注入制备好的已抽气的改性PDMS，注入的方式可采用自然 注入(如图6)，注满后，加装好通孔丝堵，使中心导线与铜胶带之间不得接触，放入烘箱，烘 烤温度为80°C，烘烤4h。烘烤完成后，取下通孔丝堵和盲孔丝堵，在外层缠绕Kapton胶带 绝缘密封，得到摩擦压力感应电缆5#。测定其输出电压见表1。
[0116] 实施例6
[0117] 如图3所示制备的摩擦压力感应电缆，其由内而外依次同轴设置中心导线（1)，改 性高分子聚合物绝缘层（2 )，电极层（3 )，绝缘外层（4 )，其中的电极层（3 )为网状结构。
[0118] 下面结合图4说明摩擦压力感应电缆的制备方法，其中在摩擦压力感应电缆的一 端为盲孔丝堵（6)，另一端为通孔丝堵（7)，柔性空心管（8)在改性高分子聚合物绝缘层（2) 夕卜。其包括如下步骤：
[0119] 取500g的PDMS，在其中加入纳米二氧化硅并混合均匀，纳米二氧化硅的加入质量 为改性高分子聚合物质量的15%。
[0120] 在上述混合均匀的改性高分子聚合物中，加入固化剂道康宁184,其中PDMS与固 化剂质量比例为10:1，搅拌均匀后真空排气30分钟。
[0121] 选直径为5mm的镀锡铜导线为中心导线，在中心导线的一端加装盲孔丝堵，在相 距20cm处加装通孔丝堵，通孔丝堵（6 )与盲孔丝堵（7 )的横截面形状均一致，分别以两端的 丝堵的上下底面为端面，在丝堵的I面上（如图5)缠绕涂有导电胶的铜胶带，胶带层数为 2圈，然后取下通孔丝堵，从该端注入制备好的已抽气的改性PDMS，注入的方式可采用自然 注入(如图6)，注满后，加装好通孔丝堵，使中心导线与铜胶带之间不得接触，放入烘箱，烘 烤温度为80°C，烘烤4h。烘烤完成后，取下通孔丝堵、盲孔丝堵和柔性空心管，将金属铜线 缠绕在改性高分子聚合物绝缘层外形成网状结构从而形成电极层，最后在外层缠绕Kapton 胶带绝缘密封，得到摩擦压力感应电缆样品6#。测定其输出电压见表1。
[0122] 实施例7
[0123] 如图7所示制备的摩擦压力感应电缆，其由内而外依次同轴设置中心导线（1)，改 性高分子聚合物绝缘层（2)，电极层（3)，屏蔽层（5)，绝缘外层（4)。
[0124] 其制备方法具体包括如下步骤：
[0125] 取500g的PDMS，在其中加入钛酸钡并混合均匀，钛酸钡的加入质量为改性高分子 聚合物质量的30%。
[0126] 在上述混合均匀的改性高分子聚合物中，加入固化剂道康宁184,其中PDMS与固 化剂质量比例为1〇〇: 1，搅拌均匀后真空排气30分钟。
[0127] 选直径为5mm的镀锡铜导线为中心导线，在中心导线的一端加装盲孔丝堵，在相 距20cm处加装通孔丝堵，通孔丝堵与盲孔丝堵的横截面形状均一致，分别以两端的丝堵的 上下底面为端面，在丝堵的I面上缠绕涂有导电胶的铜胶带形成电极层，然后取下通孔丝 堵，从该端注入制备好的已抽气的改性PDMS，注入的方式采用压力注入，注满后，加装好通 孔丝堵，使中心导线与铜胶带之间不得接触，放入烘箱，烘烤温度为80°C，烘烤4h。烘烤完 成后，取下通孔丝堵和盲孔丝堵，采用0.Imm镀锡铜线10根编织作为屏蔽层缠绕在电极层 外层。最后在外层缠绕Kapton胶带绝缘密封，得到摩擦压力感应电缆样品7#。测定其输出 电压见表1。
[0128] 实施例8
[0129] 如图8所示制备的摩擦压力感应电缆，其由内而外依次同轴设置中心导线（1)，改 性高分子聚合物绝缘层（2)，第二高分子聚合物绝缘层（9)、电极层（3)，屏蔽层（5)，绝缘外 层⑷。
[0130] 其制备方法具体包括如下步骤：
[0131] 取500g的PDMS，在其中加入钛酸钡并混合均匀，钛酸钡的加入质量为改性高分子 聚合物质量的30%。
[0132] 在上述混合均匀的改性高分子聚合物中，加入固化剂道康宁184,其中PDMS与固 化剂质量比例为1〇〇: 20,搅拌均匀后真空排气30分钟。
[0133] 选直径为5mm的镀锡铜导线为中心导线，在中心导线的一端加装盲孔丝堵，在相 距20cm处加装通孔丝堵，通孔丝堵与盲孔丝堵的横截面形状均一致，分别以两端的丝堵的 上下底面为端面，在丝堵的I面上缠绕涂有导电胶的铜胶带作为电极层，然后取下通孔丝 堵，从该端注入制备好的已抽气的改性PDMS，注入的方式采用压力注入，注满后，加装好通 孔丝堵，使中心导线与铜胶带之间不得接触，放入烘箱，烘烤温度为80°C，烘烤4h。烘烤完 成后取下盲孔丝堵和通孔丝堵，将第二高分子聚合物绝缘层的PTFE线缠绕在改性高分子 聚合物绝缘层外层，采用0.Imm镀锡铜线10根编织作为屏蔽层缠绕在铜胶带外层。最后在 外层缠绕Kapton胶带绝缘密封，得到摩擦压力感应电缆样品8#。测定其输出电压见表1。
[0134] 实施例9
[0135] 制备改性高分子聚合物的材料为酚醛树脂，结构如图1所示摩擦压力感应电缆， 其制备方法包括如下步骤：
[0136] 取500g的酚醛树脂，在其中加入钛酸钡并混合均匀，钛酸钡的加入质量为改性高 分子聚合物质量的30%。
[0137] 在上述混合均匀的改性高分子聚合物中，加入固化剂石油磺酸，其中酚醛树脂与 改性剂的质量比例为10:1，搅拌均匀后真空排气30分钟。
[0138] 选直径为5mm的镀锡铜导线为中心导线，在中心导线的一端加装盲孔丝堵，在相 距20cm处加装通孔丝堵，通孔丝堵（6)与盲孔丝堵（7)的横截面形状均一致，分别以两端 的丝堵的上下底面为端面，在丝堵的I面上（如图5)缠绕涂有导电胶的铜胶带，胶带层数 为2圈，然后取下通孔丝堵，从该端注入制备好的已抽气的改性酚醛树脂，注入的方式可采 用自然注入(如图6)，注满后，加装好通孔丝堵，使中心导线与铜胶带之间不得接触，放入烘 箱，烘烤温度为70°C，烘烤5h。烘烤完成后，取下通孔丝堵和盲孔丝堵，在外层缠绕Kapton 胶带绝缘密封，得到摩擦压力感应电缆9#。测定其输出电压见表1。
[0139] 实施例10
[0140] 如图1所示摩擦压力感应电缆还可以通过如下方法制备，具体包括如下步骤：
[0141] 取500g的PDMS，按照10:1的比例加入固化剂道康宁184,搅拌均匀后真空排气30 分钟。
[0142]选直径为5mm的镀锡铜导线为中心导线，在中心导线的一端加装盲孔丝堵，在相 距20cm处加装通孔丝堵，通孔丝堵（6)与盲孔丝堵（7)的横截面形状均一致，分别以两端 的丝堵的上下底面为端面，在丝堵的I面上（如图5)缠绕涂有导电胶的铜胶带，胶带层数 为2圈，然后取下通孔丝堵，从该端注入制备好的已抽气的PDMS，注入的方式可采用自然注 入(如图6)，注满后，加装好通孔丝堵，使中心导线与铜胶带之间不得接触，放入烘箱，烘烤 温度为80°C，烘烤4h。烘烤完成后，取下通孔丝堵和盲孔丝堵，在外层缠绕Kapton胶带绝 缘密封，得到摩擦压力感应电缆10#。测定其输出电压见表1。
[0143] 表1实施例1-10制备的摩擦压力感应电缆的电压值
[0144]

【权利要求】
1. 一种摩擦压力感应电缆，其特征在于，其包括依次同轴贴合设置的中心导线、改性 高分子聚合物绝缘层、电极层和绝缘外层；所述中心导线与改性高分子聚合物绝缘层，和/ 或改性高分子聚合物绝缘层与电极层分别通过摩擦产生信号；所述中心导线和电极层是该 摩擦压力感应电缆的输出电极，所述改性高分子聚合物绝缘层含有高分子聚合物和改性材 料。
2. 如权利要求1所述摩擦压力感应电缆，其中所述改性材料为钛酸钡、钛酸镁、钛酸 钙、纳米二氧化硅、金云母、白云母中的一种或几种。
3. 如权利要求1或2所述摩擦压力感应电缆，其中加入所述改性材料的质量为改性高 分子聚合物质量的1%_45%。
4. 如权利要求1-3任一项所述的摩擦压力感应电缆，中心导线与改性高分子聚合物绝 缘层为一体设置，改性高分子聚合物绝缘层与电极层之间没有缝隙或缝隙极小。
5. 如权利要求1-4任一项所述的摩擦压力感应电缆，其中所述改性高分子聚合物绝缘 层通过液态固化成型在中心导线上。
6. 如权利要求1-5任一项所述的摩擦压力感应电缆，其中在电极层与绝缘外层之间设 有屏蔽层。
7. 如权利要求1-6任一项所述的摩擦压力感应电缆，其中所述的中心导线为镀锡铜导 线、镀锌铜导线、或镀银铜导线中一种或几种编织而成。
8. 如权利要求1-7任一项所述的摩擦压力感应电缆，其中在改性高分子聚合物绝缘层 和电极层之间还进一步设置有第二高分子聚合物绝缘层。
9. 如权利要求8所述的摩擦压力感应电缆，其中所述改性高分子聚合物绝缘层与第二 高分子聚合物绝缘层之间，第二高分子聚合物绝缘层与电极层之间没有缝隙或缝隙极小。
10. 如权利要求8-9任一项所述的摩擦压力感应电缆，其中所述电极层和第二高分子 聚合物绝缘层中至少有一个层结构上设置有微纳结构。
11. 如权利要求1-9任一项所述的摩擦压力感应电缆，其中所述高分子聚合物所用材 料选自聚二甲基硅氧烷、酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺树脂、不饱和聚酯树脂、环氧树脂、 有机娃树脂、聚氨酯中的一种。
12. -种摩擦压力感应电缆的制备方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 改性高分子聚合物溶液的制备：在高分子聚合物中加入改性材料制备得到改性高 分子聚合物，后加入固化剂得到改性高分子聚合物溶液； (2) 浇注空腔骨架的形成：在中心导线的一端加装盲孔密封管件，在距离盲孔密封管件 L处加装通孔密封管件，在盲孔密封管件和通孔密封管件外层设置包覆层，形成以盲孔密封 管件和通孔密封管件为上下底面的封闭空腔结构； (3) 浇注：将通孔密封管件从步骤（2)的浇注空腔骨架取下，将步骤（1)制备的高分子 聚合物溶液浇注到步骤（2)制备的浇注空腔内，后将通孔密封管件加装浇注后的空腔上对 其封闭得到浇注结构； (4) 定型：将步骤（3)得到的封闭浇注结构烘烤定型；之后将盲孔密封管件、通孔密封 管件以及用于形成空腔的辅助结构取下；以及 (5) 绝缘外层的形成：在步骤（4)定型后的电极层外缠绕绝缘外层，得到摩擦压力感应 电缆。
13. 如权利要求12所述摩擦压力感应电缆的制备方法，其中步骤（1)所述改性材料为 钛酸钡、钛酸镁、钛酸钙、纳米二氧化硅、金云母或者白云母中的一种或几种。
14. 如权利要求12或13所述摩擦压力感应电缆的制备方法，其中步骤（1)中加入所述 改性材料的质量为改性高分子聚合物质量的1%_45%。
15. 如权利要求12-14任一项所述摩擦压力感应电缆的制备方法，其中步骤（1)中所述 改性材料为纳米二氧化硅时，其加入质量为改性高分子聚合物质量的1%_20%。
16. 如权利要求12-15任一项所述摩擦压力感应电缆的制备方法，其中步骤（1)中所述 改性材料为钛酸钡时，其加入质量为改性高分子聚合物质量的1%_45%。
17. 如权利要求12-16任一项所述摩擦压力感应电缆的制备方法，其中步骤（1)中加入 的固化剂与高分子聚合物的质量比例为1%_20%。
18. 如权利要求12-17任一项所述摩擦压力感应电缆的制备方法，其中所述高分子聚 合物所用材料选自聚二甲基硅氧烷（PDMS)、酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺树脂、不饱和聚 酯树脂、环氧树脂、有机硅树脂、聚氨酯中的一种。
19. 如权利要求12-18任一项所述摩擦压力感应电缆的制备方法，中心导线为镀锡铜 导线、镀锌铜导线、或镀银铜导线中一种或几种编织而成。
20. 如权利要求12-19任一项所述摩擦压力感应电缆的制备方法，其中步骤（2)所述的 设置包覆层是通过在盲孔密封管件和通孔密封管件外层包覆条状、带状电极层实现。
21. 如权利要求12-20任一项所述摩擦压力感应电缆的制备方法，其中步骤（2)所述的 设置包覆层是通过在盲孔密封管件和通孔密封管件外层用辅助结构包覆实现。
22. 如权利要求12-21任一项所述摩擦压力感应电缆的制备方法，其中步骤（4)定型后 的电极层外先设置屏蔽层，之后缠绕绝缘外层。
23. 如权利要求12-22任一项所述摩擦压力感应电缆的制备方法，其中步骤（4)取下辅 助结构后在改性高分子聚合物绝缘层上缠绕条状结构、带状结构或线编织的网状结构电极 层。
24. 如权利要求12-23任一项所述摩擦压力感应电缆的制备方法，其中步骤（4)取下辅 助结构后在改性高分子聚合物绝缘层上缠绕第二高分子聚合物绝缘层。
25. 如权利要求24所述的摩擦压力感应电缆的制备方法，其中步骤（4)取下辅助结构 后在第二高分子聚合物绝缘层上缠绕条状结构、带状结构或线编织的网状结构电极层。
26. 如权利要求25所述摩擦压力感应电缆的制备方法，其所述中第二高分子聚合物层 材料选自聚乙烯塑料、聚丙烯塑料、氟塑料、聚氯乙烯、聚全氟乙丙烯、尼龙、聚烯烃、氯化聚 乙烯、氯磺化聚乙烯、硅橡胶、四氟乙烯-乙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚苯乙烯、氯化聚醚、 聚酰亚胺、聚酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、热塑性硫化橡胶、热塑性聚氨酯弹性体橡胶、三元 乙丙橡胶EPDM或热塑性橡胶、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚偏 氟乙烯、聚酯纤维、氟化乙烯丙烯共聚物、聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜中的一种。
27. 如权利要求12-26所述摩擦压力感应电缆的制备方法，其中步骤（3)所述浇注的浇 注方式为自然注入和/或压力注入。
28. 如权利要求12-27任一项所述摩擦压力感应电缆的制备方法，其中步骤（1)所述的 加入的固化剂与高分子聚合物的质量比例为10%，加入钛酸钡的质量为改性高分子聚合物 质量的30%。
【文档编号】H02N1/04GK104515634SQ201310452020
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2013年9月27日 优先权日:2013年9月27日
【发明者】徐传毅, 赵豪, 郝立星, 王竹, 郎佳星, 孙利佳 申请人:纳米新能源（唐山）有限责任公司