一種用于柔性傳感器的導(dǎo)電橡膠材料及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于柔性傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種用于柔性傳感器的導(dǎo)電橡膠材料及其 制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 應(yīng)變型傳感器是一種能將機械形變信息轉(zhuǎn)換成電阻或電容等電信號輸出的一種 裝置。1885年英國物理學(xué)家開爾文發(fā)現(xiàn)金屬在承受壓力(拉力或扭力)后產(chǎn)生機械形變的同 時，電阻值也發(fā)生特征性的變異，稱為應(yīng)變-電阻效應(yīng)。受此啟發(fā)，人們從電阻值的變化量得 出材料受力的特征和量值，從而制造出所謂的應(yīng)變傳感器，主要包括壓力應(yīng)變傳感器和拉 力應(yīng)變傳感器。目前，金屬、金屬合金及具有壓阻效應(yīng)的半導(dǎo)體材料成為應(yīng)變型傳感器敏感 單元的主要敏感材料，得到了非常廣泛的應(yīng)用。隨著科技的快速發(fā)展，生物醫(yī)學(xué)檢測、康復(fù) 醫(yī)療、智能機器人、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)測量，不但要求傳感器要具備良好的 應(yīng)變-電阻特性，而且要有優(yōu)秀的柔韌性能。由于金屬、金屬合金及半導(dǎo)體材料本身彈性模 量的限制，金屬式或半導(dǎo)體式電阻應(yīng)變傳感器存在以下缺點：柔性差、力學(xué)量變化幅度較 小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高。所以傳統(tǒng)型的金屬式或半導(dǎo)體式電阻應(yīng)變傳感器在這些領(lǐng)域的 應(yīng)用就受到了限制，不能滿足當前科技發(fā)展的要求。因此，開發(fā)一種新的柔韌性優(yōu)良的應(yīng)變 型傳感器以滿足新的領(lǐng)域?qū)鞲衅魅犴g性的要求成為當前技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展的迫切要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種用于柔性傳感器的導(dǎo)電橡膠材料，旨在解決現(xiàn)有金屬 型、金屬合金型或半導(dǎo)體型應(yīng)變傳感器柔性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。
[0004] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種用于柔性傳感器的導(dǎo)電橡膠材料的制備方法。
[0005] 本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種用于柔性傳感器的導(dǎo)電橡膠材料，包括如下重量份數(shù) 的下列組分：
[0006] 橡膠基體100份；
[0007] 導(dǎo)電填料5-90份；
[0008]增容劑 0.1-15 份；
[0009]且所述導(dǎo)電橡膠材料通過將導(dǎo)電性填料分散在橡膠材料中、經(jīng)電子束或γ射線輻 射交聯(lián)制成。
[0010] 相應(yīng)地，一種用于柔性傳感器的導(dǎo)電橡膠材料的制造方法，包括以下步驟：
[0011] 按照上述用于柔性傳感器的導(dǎo)電橡膠材料的配方稱取各組分；
[0012] 將各組分進行混煉處理，得到混煉膠；
[0013] 將所述混煉膠進行成型處理；
[0014] 采用電子束或γ射線輻射的方法對經(jīng)過成型處理的樣品進行交聯(lián)，得到具有應(yīng) 變-電阻效應(yīng)的導(dǎo)電橡膠。
[0015] 以及，一種應(yīng)變型傳感器，包括敏感單元和設(shè)置在所述敏感單元兩端的金屬電極， 所述敏感單元由上述用于柔性傳感器的導(dǎo)電橡膠材料制成。
[0016]本發(fā)明提供的用于柔性傳感器的導(dǎo)電橡膠材料，由導(dǎo)電性填料分散在橡膠材料中 經(jīng)電子束或者γ射線輻射交聯(lián)制成，相對于采用硫磺或有機過氧化物作交聯(lián)劑的化學(xué)交聯(lián) 法，具有生產(chǎn)效率高、環(huán)境污染小、交聯(lián)密度容易控制以及導(dǎo)電橡膠電阻分布窄的優(yōu)點。 [0017]所述導(dǎo)電橡膠材料具有良好的柔性和彈性，能夠產(chǎn)生較高的機械形變量。具體的， 所述導(dǎo)電橡膠材料在拉力作用下可以產(chǎn)生100%以上的拉伸形變，在壓力作用下可以產(chǎn)生 50%以上的壓縮形變。進一步的，本發(fā)明所述導(dǎo)電橡膠材料在外力作用下產(chǎn)生形變的同時， 其電阻值和電容均發(fā)生變化，即能夠同時產(chǎn)生應(yīng)變-電阻效應(yīng)和應(yīng)變-電容效應(yīng)，且應(yīng)變-電 阻效應(yīng)和應(yīng)變-電容效應(yīng)趨勢相反。更具體的，本發(fā)明所述導(dǎo)電橡膠材料在拉力或壓力作用 下其電阻隨著拉伸形變增加不斷下降，呈現(xiàn)負電阻-應(yīng)變效應(yīng)，如當傳感器的形變量為30% 時其電阻值產(chǎn)生至少5倍的變化，其變化甚至可高達100倍以上;所述導(dǎo)電橡膠材料拉力或 壓力作用下其電容值隨著形變增加不斷增加，呈現(xiàn)正電容-應(yīng)變效應(yīng)，如當傳感器的形變量 為30%時其電容值產(chǎn)生至少10倍的變化，其變化甚至可高達500倍以上。且本發(fā)明所述導(dǎo)電 橡膠材料具有良好的信號靈敏性和穩(wěn)定性，其電阻率介于5.0 X 102-1.0 X 101() Ω . cm之間， 特別適用于作為應(yīng)變性傳感器(如拉力和壓力應(yīng)變型傳感器)的敏感單元材料。
[0018] 本發(fā)明所述導(dǎo)電橡膠材料的制備方法，采用電子束或γ射線輻射進行交聯(lián)，可以 通過控制吸收劑量隨意的調(diào)控橡膠的交聯(lián)度，且電子束或γ射線可以穿透橡膠膠層，使得 橡膠整體交聯(lián)度一致均勻;所述橡膠導(dǎo)電材料用作傳感器敏感單元材料時，可以實現(xiàn)應(yīng)變 型傳感器的電阻值的分布的一致性，特別是電阻電容等電信號在外力作用下的變化的靈敏 性、穩(wěn)定性、回復(fù)性等性能。此外，本發(fā)明方法簡單可控，易于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
[0019] 本發(fā)明提供的應(yīng)變型傳感器，包括同時具有應(yīng)變-電阻效應(yīng)和應(yīng)變-電容效應(yīng)的敏 感單元以及設(shè)置在所述敏感單元兩端的金屬電極。通過檢測所述應(yīng)變型傳感器在被拉伸或 被壓縮時電阻值或電容值的變化，或者將電阻值轉(zhuǎn)換成電壓或電流值，能夠在生物力學(xué)、康 復(fù)醫(yī)療、智能穿戴以及人工智能等領(lǐng)域進行力的測量，具有廣泛的應(yīng)用前景。此外，所述應(yīng) 變型傳感器結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，容易安裝，方便使用。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明實施例1提供的電容/電阻-拉伸形變曲線圖；
[0021] 圖2是本發(fā)明實施例2提供的電容/電阻-拉伸形變曲線圖；
[0022]圖3是本發(fā)明實施例3提供的電容/電阻-拉伸形變曲線圖；
[0023]圖4是本發(fā)明實施例4提供的電容/電阻-拉伸形變曲線圖；
[0024]圖5是本發(fā)明實施例5提供的電容/電阻-拉伸形變曲線圖；
[0025] 圖6是本發(fā)明實施例6提供的電容/電阻-壓縮形變曲線圖；
[0026] 圖7是本發(fā)明實施例7提供的電容/電阻-壓縮形變曲線圖；
[0027] 圖8是本發(fā)明實施例8提供的電容/電阻-壓縮形變曲線圖。
【具體實施方式】
[0028] 為了使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合 實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋 本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0029] 本發(fā)明實施例提供了一種用于柔性傳感器的導(dǎo)電橡膠材料，包括如下重量份數(shù)的 下列組分：
[0030] 橡膠基體100份；
[0031] 導(dǎo)電填料5-90份；
[0032] 增容劑 0.1-15 份；
[0033] 且所述導(dǎo)電橡膠材料通過將導(dǎo)電性填料分散在橡膠材料中、經(jīng)電子束或γ射線輻 射交聯(lián)制成。
[0034] 本發(fā)明實施例中，所述導(dǎo)電填料在所述橡膠基體中通過微觀的相互接觸形成導(dǎo)電 通路，當材料受到外力作用時，材料內(nèi)部相鄰導(dǎo)電粒子的間距發(fā)生變化，導(dǎo)致依靠所述導(dǎo)電 填料的接觸而形成的導(dǎo)電通路發(fā)生變化，引起宏觀上材料的電阻發(fā)生變化。由于本發(fā)明實 施例所述導(dǎo)電橡膠材料具有這一優(yōu)勢，因此，能夠作為一種應(yīng)力應(yīng)變傳感材料。
[0035] 具體的，本發(fā)明實施例中，所述橡膠基體具有優(yōu)異的柔性和彈性，賦予所述導(dǎo)電橡 膠材料優(yōu)良的柔性和彈性，以及較大的力學(xué)量變化幅度，能夠克服金屬式或半導(dǎo)體式應(yīng)變 傳感器在柔韌性和彈性方面的不足。
[0036] 作為優(yōu)選實施例，所述橡膠基體由兩種或以上橡膠并用組成，即所述橡膠基體包 括第一橡膠基體和第二橡膠基體，其中，所述第一橡膠體為具有碳-碳鍵結(jié)構(gòu)大分子主鏈的 碳鏈型烯烴類橡膠，所述第二橡膠基體為具有硅氧鍵結(jié)構(gòu)大分子主鏈的非碳鏈型硅橡膠。
[0037] 本發(fā)明實施例所述第一橡膠基體碳鏈型的烯烴類橡膠具有優(yōu)良的機械力學(xué)性能， 比如天然橡膠在沒有填充炭黑補強的情況下其拉伸強度已經(jīng)達到20-30MPa，經(jīng)炭黑填充補 強后的拉伸強度可到35MPa，其他的烯烴類橡膠如丁腈橡膠、氯丁橡膠的補強后拉伸強度均 可達到25-30MPa。此外，所述第一橡膠基體的撕裂強度30-150MPa。所述第二橡膠基體具有 硅氧鍵結(jié)構(gòu)分子鏈，其分子間內(nèi)聚能密度低，其拉伸強度在沒有補強的情況下的拉伸強度 小于IMPa，采用炭黑或者白炭黑補強后拉伸強度有所增加，但仍然停留在4-12MPa范圍，該 拉伸強度水平僅為烯烴類橡膠拉伸強度的1/3。此外，所述第二橡膠基體的撕裂強度較低， 僅為10-50MPa。因此，單純采用所述第二橡膠基體硅橡膠作為橡膠基體時，得到的所述導(dǎo)電 橡膠材料明顯具有機械力學(xué)性能方面的不足，該不足將會影響其在傳感器方向的使用領(lǐng)域 和使用壽命。然而雖然所述第二橡膠基體存在機械強度較低的問題，但是由于硅橡膠主鏈 Si-Ο鍵的鍵能(370kJ/mol)比C-C鍵的鍵能(240kJ/mol)大得多，因此具有很高的熱穩(wěn)定性， 主要表現(xiàn)為具有卓越的耐高低溫性、優(yōu)異的耐臭氧和耐候性。
[0038] 本發(fā)明實施例將所述第一橡膠基體和所述第二橡膠基體組合使用，作為所述柔性