[发明专利]精密电阻应变敏感导电硅橡胶的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种导电性对应变敏感的低模量、高重复性橡胶材料，属于功能高分子复合材料领域，是一种精密传感器材料。

背景技术

目前使用的各种接触式应力传感元件大都通过测量特定材料在应力产生的应变条件下物理性质变化，得到相同受力条件下被测物的应力，如电阻应变式、光纤式等，由于传感材料本身的弹性模量的限制，当测量低模量材料的应变时，传感材料的应变低于被测物的应变，不仅不能得到被测材料的应变，还造成对与传感器接触区域应变场的干扰。基于低模量应变传感材料的应变传感器，可以用于接触法测量各种同传感材料弹性模量接近的材料的应变，如塑料、橡胶等，可以克服大量非接触式应变测量不适用场合的困难，也可以解决基于高模量应变传感材料测量低模量材料应变时的误差。

将导电颗粒同高分子材料复合，当导电颗粒体积分数超过渗流阈值时，复合物成为导体，并且研究发现复合材料的体电阻随材料的应变而改变，研究还发现，复合物的电阻应变特性受导电相的种类和结构特征影响，目前国内外多采用炭黑、石墨、金属等颗粒作为导电相，在适当的导电相体积分数范围内，当材料受到应变时，在应变方向材料的电导随应变而变化，利用这种电导随应变的关系，可以通过测量电导得到材料的应变。由于基体材料是高分子材料，复合材料的弹性模量远低于金属，应变测量范围可以达到从10^-2到10²，远大于金属应变传感器(10^-7到10^-3)。

关于导电弹性体应变传感材料的制备技术和性能，目前有若干欧洲、美国、日本专利技术和论文报道，如EP1901311-A1，US2008067477-A1，JP2008069313-A；WO2004102144-A2，EP1623198-A2，US2006147700-A1，JP2006528366-W；JP49116595-A，JP78026676-B，这些方法采用炭黑或石墨作为导电相，由于其很大的表面吸附力和很好的化学惰性，炭黑或石墨在很低的体积分数下在橡胶中形成导电通路，这种低体积分数导电相与橡胶基体复合，具有电阻应变系数较大的优点，但由于导电相在基体中位置随应变而流变，低体积分数使得导电通道少，体电阻对微结构敏感，因此大部分电导应变弹性体的电导/应变变化关系随应变循环次数的增加而呈现偏差，这种偏差很大程度影响了材料在对精度有一定要求的场合应用。美国Nanosonic公司利用静电吸附(美国专利6,447,887)，将金属纳米颗粒通过层层组装方法沉积在聚电解质薄膜表面，形成复合薄膜，得到具有一定电阻/应变重复性的应变传感弹性体，由于聚电解质的弹性模量较高(10MPa)，仍需要设计低模量应变敏感弹性体。国内也有多项相关专利，导电相有炭黑(或石墨)、导电聚合物及金属镍粉，基本不能达到多次应变循环下电导/应变关系的重复性，本发明将提供一种新的制备导电应变敏感弹性体材料的方法，以达到多次应变循环下一定重复性电导/应变关系。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种精密电阻应变敏感导电硅橡胶的制备方法，用该方法制备的导电橡胶具有良好的力学性能，并且其电阻随压缩应变减小，随拉伸应变增加，电阻/应变关系具有重复稳定性，为低模量材料应变测量、生物力学检测、触觉传感器等提供高性能传感材料。

技术方案：本发明的精密电阻应变敏感导电硅橡胶的制备方法为：

先将高导电纳米氧化钌粉体表面进行亲水化处理，再将纳米氧化钌粉体表面用端基为乙烯基的硅烷偶联剂进行修饰，形成表面含乙烯基的导电氧化钌纳米粉体，然后同硅橡胶混合；氧化钌粉体的体积百分比占该混合物总体积的17％～30％，在该混合物中再加入硫化剂、补强剂，混合后静置30分钟，置入模具，加压10～15Mpa，在172～178℃之间保温15～30分钟，得到具有导电性随应变具有重复变化特性的硫化硅橡胶复合材料。

所述的硅橡胶为聚二甲基乙烯基硅氧烷，其乙烯基含量在0.3％～1％之间；所述氧化钌粉体的颗粒尺寸小于20纳米。

形成表面含乙烯基的导电氧化钌纳米粉体的方法为：