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

本发明专利技术适用于柔性传感器领域，提供了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。所述导电橡胶材料包括如下重量份数的下列组分：橡胶基体100份；导电填料5-200份；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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术是这样实现的，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：橡胶基体100份；导电填料5-200份；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。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：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；将各组分进行混炼处理，得到混炼胶；将所述混炼胶进行成型处理；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。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。本专利技术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。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，本专利技术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，本专利技术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。且本专利技术所述导电橡胶材料具有良好的信号灵敏性和稳定性，其电阻率介于5.0×102-1.0×1010Ω.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。本专利技术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，本专利技术方法简单可控，易于实现产业化。本专利技术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。附图说明图1是本专利技术实施例1提供的电容/电阻-拉伸形变曲线图；图2是本专利技术实施例2提供的电容/电阻-拉伸形变曲线图；图3是本专利技术实施例3提供的电容/电阻-拉伸形变曲线图；图4是本专利技术实施例4提供的电容/电阻-拉伸形变曲线图；图5是本专利技术实施例5提供的电容/电阻-拉伸形变曲线图；图6是本专利技术实施例6提供的电容/电阻-拉伸形变曲线图；图7是本专利技术实施例7提供的电容/电阻-拉伸形变曲线图；图8是本专利技术实施例8提供的电容/电阻-压缩形变曲线图；图9是本专利技术实施例9提供的电容/电阻-压缩形变曲线图；具体实施方式为了使本专利技术要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术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：橡胶基体100份；导电填料5-200份；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。本专利技术实施例中，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。由于本专利技术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。具体的，本专利技术实施例中，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。作为优选实施例，所述橡胶基体为含碳氢元素的烃类橡胶、含有杂原子或官能团的橡胶中的至少一种，所述烃类橡胶具有高弹性和良好的机械性能。具体的，所述橡胶基体为天然橡胶、丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、乙丙橡胶、三元乙丙橡胶、丁苯橡胶、异戊橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、氯化聚乙烯橡胶、氯磺化聚乙烯橡胶、丙烯酸酯橡胶、聚氨酯橡胶、硅橡胶、氟橡胶、氟硅橡胶中的至少一种。本专利技术具体实施例，所述用于柔性传感器的导电橡胶材料以100份所述橡胶基体为基准进行调节，但并非意味着本专利技术实施例所述橡胶基体只能为100份。本专利技术实施例中，所述导电填料作为所述导电橡胶材料的导电组分，发挥重要作用。作为优选实施例，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于柔性传感器的导电橡胶材料，其特征在于，包括如下重量份数的下列组分：橡胶基体  100份；导电填料  5‑200份；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。

【技术特征摘要】
1.一种用于柔性传感器的导电橡胶材料，其特征在于，包括如下重量份数
的下列组分：
橡胶基体100份；
导电填料5-200份；
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。
2.如权利要求1所述的用于柔性传感器的导电橡胶材料，其特征在于，所
述橡胶基体为含碳氢元素的烃类橡胶、含有杂原子或官能团的橡胶中的至少一
种。
3.如权利要求2所述的用于柔性传感器的导电橡胶材料，其特征在于，所
述橡胶基体为天然橡胶、丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、乙丙橡胶、三元乙丙橡胶、
丁苯橡胶、异戊橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、氯化聚乙烯橡胶、氯磺化聚乙烯
橡胶、丙烯酸酯橡胶、聚氨酯橡胶、硅橡胶、氟橡胶、氟硅橡胶中的至少一种。
4.如权利要求1-3任一所述的用于柔性传感器的导电橡胶材料，其特征在
于，所述导电填料为碳系导电填料、金属系导电填料、共轭聚合物导电填料中
的至少一种。
5.如权利要求4所述的用于柔性传感器的导电橡胶材料，其特征在于，所
述碳系导电填料包括导电炭黑、纳米石墨、碳纤维、碳纳米管；所述金属系导
电填料包括金属、金属/金属复合物、金属/非金属复合物；所述共轭聚合物导电
填料包括聚苯胺、聚吡咯、聚乙炔。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：李大军，徐行涛，方斌，
申请(专利权)人：深圳市慧瑞电子材料有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44