一种水性力敏碳浆及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于传感材料技术领域，具体公开了一种水性力敏碳浆及其制备方法和应用。所述水性力敏碳浆的制备方法包括以下步骤：S1.导电碳材料预分散液制备：在30

【技术实现步骤摘要】
一种水性力敏碳浆及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及传感材料
，具体涉及一种水性力敏碳浆及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]柔性传感器具有良好的柔韧性和可延展性，可以弯曲甚至折叠，极大地拓宽了传统硬质传感器的应用场景。柔性传感器发展至今，已经在智能可穿戴产品、人体关键生理信号监测、运动监测、智能家居、智能服饰、汽车工业、印刷工业、软体机器人、人机互动等领域发挥特有的功能。随着在线监测和人工智能的发展，柔性传感器将会有更广阔的市场前景。
[0003]目前市售的柔性压力传感器按照传感器原理分为：电容型、电阻型、压电型和离电型传感器，其中电阻型传感器由于其传感器原理简单、组装方便、抗干扰性强等特点，成为占据大部分市场份额的产品。产品形式多是电阻式薄膜压力传感器，其制备过程如下：将传感材料通过丝网印刷或喷涂等技术涂布到柔性基材聚对苯二甲酸二乙酯(PET)或聚酰亚胺(PI)薄膜上，固化干燥后得到传感层，在传感层上面覆盖印有预设导电线路的柔性基材，传感层和导电线路外缘采用胶粘剂粘结固定，得到柔性传感器器件。
[0004]电阻式薄膜压力传感器在外力作用下，改变了传感材料内部导电材料的分布和接触状态，从而使传感器电阻发生有规律的变化，完成传感过程。由此可知，传感材料是决定传感器性能的关键部分，而目前高灵敏度的传感材料大部分仍然依赖进口，成本高，而且多为溶剂型力敏油墨，存在有机溶剂，不论是在制造过程还是后续应用中，都易造成污染。因此，如何自主研发出环保且灵敏度高的传感材料，成为亟待解决的问题。<br/>
技术实现思路

[0005]本专利技术的目的之一是提供一种水性力敏碳浆的制备方法，制造过程避免了有机溶剂的使用，绿色环保，且工艺简单，制造成本低。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用的具体技术方案如下：
[0007]一种水性力敏碳浆的制备方法，包括以下步骤：
[0008]S1.导电碳材料预分散液制备：在30
‑
60份去离子水中加入10
‑
40份水性分散剂，搅拌均匀，再加入1
‑
5份消泡剂，搅拌均匀后加入20
‑
50份导电碳粉体材料，预搅拌5
‑
10min，使导电碳粉体材料充分浸润且分散于该体系中；
[0009]S2.研磨分散导电碳材料：将导电碳材料预分散液进行研磨分散(可以采用砂磨机、高速剪切机、球磨机等)，直到碳粉体材料粒度达到纳米级后将分散液取出；S3.导电碳浆制备：取20
‑
50份分散液与50
‑
80份水性树脂混合，搅拌混匀，得到导电碳浆，即为所述水性力敏碳浆。注：制备方法中原料的用量均为质量份。
[0010]优选的，步骤S1中，所述导电碳粉体材料为导电炭黑、石墨、碳纤维、碳纳米管、石墨烯中的一种或者多种。
[0011]优选的，所述水性分散剂为阴离子型、阳离子型、非离子型、两性型润湿分散剂中
的一种或者多种，所述消泡剂为聚醚型、有机硅型、聚醚改性有机硅型分散剂中的一种或者多种。
[0012]优选的，所述水性树脂为丙烯酸树脂或者聚氨酯。这两种水性树脂与分散液相容性好，混合后体系具有良好的流平性和成固性，在基材上涂敷后成膜效果佳。
[0013]优选的，所述分散液与水性树脂的质量比为1：(1
‑
2)。水性树脂过多，导电能力会下降；水性树脂过少，传感性能会下降。
[0014]本专利技术的力敏碳浆源于水性导电碳浆，水性导电碳浆主要是用来印刷导电线路或者涂敷成导电涂层的，但也发现其具有一定传感性能。考虑到现有的传感材料大都是进口的力敏油墨，成本高，存在易导致污染以及增加后处理成本的有机溶剂，若是能以水性导电碳浆来替代力敏油墨，无论是从经济还是环境保护角度，都能产生有显著效益。
[0015]由此，专利技术人从传感性能方面对水性导电碳浆进一步研究，得出了本专利技术的配方工艺，能够制备出环保且高性能的力敏材料。具体的，本专利技术是先以水为溶剂，将水性分散剂、消泡剂、导电碳粉体材料混合制成预分散液，然后将预分散液研磨成纳米级分散液，最后将分散液与水性树脂混合均匀，得到水性力敏碳浆。其中，预分散液的纳米级研磨以及研磨后与水性树脂的配比至关重要：力敏碳浆涂布干燥得到传感层材料，传感材料内部在纳米层面上构筑导电网络，通过导电材料间的物理接触和隧道效应实现力的传感功能，结合分散液和与水性树脂的配比控制，实现力敏材料的高灵敏度。
[0016]更加具体的，本专利技术选择阴离子型、阳离子型、非离子型和两性型润湿分散剂中的一种或者多种作为水性分散剂，聚醚型、有机硅型和聚醚改性有机硅型分散剂中的一种或者多种作为消泡剂，与导电碳粉体构成分散体系，并选择丙烯酸树脂或者聚氨酯作为水性树脂，所选水性树脂与该分散体系相容性好，无需与其共研磨即可均匀分散，因此可以在预分散液研磨后再加入，避免了研磨对水性树脂结构的破坏(共研磨过程树脂易出现破乳现象导致分散失败)，进而确保力敏材料高灵敏度的实现。并且，省去水性树脂的研磨后，操作更加简单，机器清洗更加容易，省时省力。
[0017]本专利技术的目的之二是提供上述制备方法制得的水性力敏碳浆，具有安全环保、灵敏度高、机械性能稳定、成本低的特点。
[0018]本专利技术的目的之三是提供上述制备方法制得的水性力敏碳浆在柔性压力传感器上的应用。具体应用方法如下：首先，将碳浆涂布到柔性基底上，放入烘箱干燥成膜，得到导电薄膜材料；然后，裁剪导电薄膜材料，将其作为传感层覆盖在电极线路上，传感层和电极线路外缘采用胶粘剂粘结，制成传感器。其中，涂布可以采用刮涂、喷涂、丝印等形式；所述柔性基底可以是PET、PI、PP、PE、硅胶、纸基材料、纺织材料等。
[0019]优选的，碳浆涂布的厚度为15
‑
30μm，干燥温度为80
‑
120℃，干燥时间0.5
‑
1.5h。
[0020]优选的，所述电极线路的传感区域(即覆于传感层的部分)呈梳齿状，以在柔性基底发生形变时快速响应。
[0021]本专利技术具有以下有益效果：
[0022]1、本专利技术水性力敏碳浆的制备避免了有机溶剂的使用，避免了对环境的污染，显著降低对废液废气的后处理成本，与进口的力敏油墨相比，优势显著。
[0023]2、本专利技术由水性分散剂、消泡剂、导电碳粉体构成的分散体系，对于水性树脂有着良好的相容性，水性树脂无需研磨即可实现均匀分散，避免了树脂结构的破坏，确保传感性
能的实现，同时也拓宽了树脂的选择性适应性。
[0024]3、本专利技术水性力敏碳浆在低于50kPa压力范围具有超过10kPa
‑1的高灵敏度，在500kPa压力下仍能保持3kPa
‑1左右的灵敏度，传感性能好；同时具有良好的循环稳定性，机械性能稳定。
[0025]4、本专利技术水性力敏碳浆除了传感材料外，仍旧能作为导电碳浆应用，其薄膜方阻在千欧范围，并且随着碳粉材料含量的提高，薄膜方阻降低本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水性力敏碳浆的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：S1.导电碳材料预分散液制备：在30
‑
60份去离子水中加入10
‑
40份水性分散剂，搅拌均匀，再加入1
‑
5份消泡剂，搅拌均匀后加入20
‑
50份导电碳粉体材料，预搅拌5
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10min；S2.研磨分散导电碳材料：将导电碳材料预分散液进行研磨分散，直到碳粉体材料粒度达到纳米级后将分散液取出；S3.导电碳浆制备：取20
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50份分散液与50
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80份水性树脂混合，搅拌混匀，得到导电碳浆，即为所述水性力敏碳浆。2.根据权利要求1所述的水性力敏碳浆的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述导电碳粉体材料为导电炭黑、石墨、碳纤维、碳纳米管、石墨烯中的一种或者多种。3.根据权利要求1所述的水性力敏碳浆的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述水性分散剂为阴离子型、阳离子型、非离子型、两性型润湿分散剂中的一种或者多种，所述消泡剂为聚醚型、有机硅型、聚醚...

【专利技术属性】
技术研发人员：张丽娟，李建，杨晓明，夏建峰，李耀邦，夏厚君，
申请(专利权)人：浙江欧仁新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：