一種用于柔性傳感器的導電橡膠材料及其制備方法和應用
【技術領域】
[0001] 本發明屬于柔性傳感器領域，尤其涉及一種用于柔性傳感器的導電橡膠材料及其 制備方法和應用。
【背景技術】
[0002] 應變型傳感器是一種能將機械形變信息轉換成電阻或電容等電信號輸出的一種 裝置。1885年英國物理學家開爾文發現金屬在承受壓力(拉力或扭力)后產生機械形變的同 時，電阻值也發生特征性的變異，稱為應變-電阻效應。受此啟發，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變傳感器，主要包括壓力應變傳感器和拉 力應變傳感器。目前，金屬、金屬合金及具有壓阻效應的半導體材料成為應變型傳感器敏感 單元的主要敏感材料，得到了非常廣泛的應用。隨著科技的快速發展，生物醫學檢測、康復 醫療、智能機器人、可穿戴設備等領域復雜結構的力學測量，不但要求傳感器要具備良好的 應變-電阻特性，而且要有優秀的柔韌性能。由于金屬、金屬合金及半導體材料本身彈性模 量的限制，金屬式或半導體式電阻應變傳感器存在以下缺點：柔性差、力學量變化幅度較 小、結構復雜，制造成本高。所以傳統型的金屬式或半導體式電阻應變傳感器在這些領域的 應用就受到了限制，不能滿足當前科技發展的要求。因此，開發一種新的柔韌性優良的應變 型傳感器以滿足新的領域對傳感器柔韌性的要求成為當前技術及應用發展的迫切要求。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的在于提供一種用于柔性傳感器的導電橡膠材料，旨在解決現有金屬 型、金屬合金型或半導體型應變傳感器柔性差、結構復雜的問題。
[0004] 本發明的另一目的在于提供一種用于柔性傳感器的導電橡膠材料的制備方法。
[0005] 本發明是這樣實現的，一種用于柔性傳感器的導電橡膠材料，包括橡膠基體和導 電填料，其中，所述導電填料為導電炭黑和/或含銀導電填料，各組分的重量份數如下所述：
[0006] 橡膠基體 100份；
[0007] 導電炭黑 5-50份;和/或 [0008] 含銀導電填料20-150份；
[0009] 且所述導電橡膠材料通過將導電性填料分散在橡膠材料中、經電子束或γ射線輻 射交聯制成。
[0010] 相應地，一種用于柔性傳感器的導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過成型處理的樣品進行交聯，得到具有應 變-電阻效應的導電橡膠。
[0015] 以及，一種應變型傳感器，包括敏感單元和設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電橡膠材料制成。
[0016]本發明提供的用于柔性傳感器的導電橡膠材料，由導電性填料分散在橡膠材料中 經電子束或者γ射線輻射交聯制成，相對于采用硫磺或有機過氧化物作交聯劑的化學交聯 法，具有生產效率高、環境污染小、交聯密度容易控制以及導電橡膠電阻分布窄的優點。 [0017]所述導電橡膠材料具有良好的柔性和彈性，能夠產生較高的機械形變量。具體的， 所述導電橡膠材料在拉力作用下可以產生100%以上的拉伸形變，在壓力作用下可以產生 50%以上的壓縮形變。進一步的，本發明所述導電橡膠材料在外力作用下產生形變的同時， 其電阻值和電容均發生變化，即能夠同時產生應變-電阻效應和應變-電容效應，且應變-電 阻效應和應變-電容效應趨勢相反。更具體的，本發明所述導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，呈現負電阻-應變效應，如當傳感器的形變量為30% 時其電阻值產生至少5倍的變化，其變化甚至可高達100倍以上;所述導電橡膠材料拉力或 壓力作用下其電容值隨著形變增加不斷增加，呈現正電容-應變效應，如當傳感器的形變量 為30%時其電容值產生至少10倍的變化，其變化甚至可高達500倍以上。且本發明采用導電 炭黑和/或含銀導電顆粒作為導電填料，其中，所述導電炭黑粒徑小、比表面積大、表面活性 高，容易在橡膠中分散并且與橡膠基體產生強的界面作用，賦予應變傳感器動態拉伸或壓 縮過程的電阻回復性、重復性及穩定性;而所述含銀導電填料，電阻率低導電性好，能使傳 感器在動態拉伸或壓縮過程中獲得快速的電阻變化及電阻回復能力;兩種填料并用可以同 時發揮各自的優點，彌補各自不足，獲得傳感器綜合性能上的提升。因此，本發明所述導電 橡膠材料具有良好的信號靈敏性和穩定性，其電阻率介于5.0 X 102-1.0 X 101() Ω . cm之間， 特別適用于作為應變性傳感器(如拉力和壓力應變型傳感器)的敏感單元材料。
[0018] 本發明所述導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，可以 通過控制吸收劑量隨意的調控橡膠的交聯度，且電子束或γ射線可以穿透橡膠膠層，使得 橡膠整體交聯度一致均勻;所述橡膠導電材料用作傳感器敏感單元材料時，可以實現應變 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、穩定性、回復性等性能。此外，本發明方法簡單可控，易于實現產業化。
[0019] 本發明提供的應變型傳感器，包括同時具有應變-電阻效應和應變-電容效應的敏 感單元以及設置在所述敏感單元兩端的金屬電極。通過檢測所述應變型傳感器在被拉伸或 被壓縮時電阻值或電容值的變化，或者將電阻值轉換成電壓或電流值，能夠在生物力學、康 復醫療、智能穿戴以及人工智能等領域進行力的測量，具有廣泛的應用前景。此外，所述應 變型傳感器結構簡單，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] 為了使本發明要解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合 實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋 本發明，并不用于限定本發明。
[0029] 本發明實施例提供了一種用于柔性傳感器的導電橡膠材料，包括橡膠基體和導電 填料，其中，所述導電填料為導電炭黑和/或含銀導電填料，各組分的重量份數如下所述：
[0030] 橡膠基體 100份；
[0031] 導電炭黑 5-50份;和/或 [0032] 含銀導電填料20-150份；
[0033] 且所述導電橡膠材料通過將導電性填料分散在橡膠材料中、經電子束或γ射線輻 射交聯制成。
[0034] 本發明實施例中，所述導電填料在所述橡膠基體中通過微觀的相互接觸形成導電 通路，當材料受到外力作用時，材料內部相鄰導電粒子的間距發生變化，導致依靠所述導電 填料的接觸而形成的導電通路發生變化，引起宏觀上材料的電阻發生變化。由于本發明實 施例所述導電橡膠材料具有這一優勢，因此，能夠作為一種應力應變傳感材料。
[0035] 具體的，本發明實施例中，所述橡膠基體具有優異的柔性和彈性，賦予所述導電橡 膠材料優良的柔性和彈性，以及較大的力學量變化幅度，能夠克服金屬式或半導體式應變 傳感器在柔韌性和彈性方面的不足。
[0036] 作為優選實施例，所述橡膠基體為含碳氫元素的烴類橡膠、含有雜原子或官能團 的橡膠中的至少一種，所述烴類橡膠具有高彈性和良好的機械性能。具體的，所述橡膠基體 為天然橡膠、丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠、乙丙橡膠、三元乙丙橡膠、丁苯橡膠、異戊橡膠、順丁 橡膠、氯丁橡膠、氯化聚乙烯橡膠、氯磺化聚乙烯橡膠、丙烯酸酯橡膠、聚氨酯橡膠、硅橡膠、 氟橡膠、氟硅橡膠中的至少一種。
[0037] 本發明具體實施例，所述用于柔性傳感器的導電橡膠材料以100份所述橡膠基體 為基準進行調節，但并非意味著本發明實施例所述橡膠基體只能為100份。
[0038] 所述導電填料作為所述導電橡膠材料的導電組分，發揮重要作用。本發明實施例 中，所述導電填料為導電炭黑和/或含銀導電填料。
[0039] 作為優選實施例，所述導電炭黑為爐法炭黑和乙炔炭黑中的至少一種。作為導電 填料，所述導電炭黑雖然其導電性能不如金屬填料