基于SEBS/纳米炭黑复合膜的电阻式应变传感材料制备及其性能研究
发布时间：2021-11-01 09:35
以热塑性弹性体苯乙烯/乙烯/丁烯-苯乙烯（SEBS）和炭黑纳米颗粒为原料,采用熔融共混-模压成型法制备了SEBS/纳米炭黑复合电阻式应变传感膜。实验中,研究了该薄膜的力学性能及其电阻应变的传感性能。力学测试表明,该复合应变传感膜具有优异的弹性力学特性,断裂伸长率达410.8%,断裂强度达2.5 MPa,经1 000次循环拉伸后,其形变率仅为3.0%。应变传感测试显示,随着复合膜拉伸倍率增大其电阻变化呈线性提高,并且动态拉伸电阻变化速率高于静态条件下的电阻变化速率。该复合应变传感膜应用于人体胳膊弯曲试验显示,可较为精准的记录胳膊弯曲量和弯曲次数,进而得知人体的运动活动量,在健身和康复等领域有重要的潜在应用价值。
【文章来源】：传感技术学报. 2017,30(12)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
SEBS/炭黑应变传感膜的制备流程图
长率可达400%以上，在不加炭黑时，SEBS的断裂伸长率可高达700%，说明应变传感器基体具备良好的可伸展性，可适应绝大多数应变变化情况或变形情况，加入纳米炭黑并没有根本改变SEBS可大变形的能力［18］。然而，实验发现，随着炭黑含量的增加，SEBS/纳米炭黑复合应变传感膜的断裂伸长率和拉伸强度均逐渐减小，力学性能降低，说明炭黑的加入使得SEBS中连续相造成一定程度的离散化，或由于纳米炭黑的集聚效应造成SEBS连续相出现应力集中的弱环，使得SEBS/炭黑应变传感薄膜相比于SEBS空白样力学性能降低［19］。图2SEBS/炭黑应变传感膜拉伸测试2．1．2弹性稳定性测试结果表1列出了SEBS/纳米炭黑复合应变传感膜拉伸测试结果表，所选样品长200mm、宽20mm、厚3mm，重复回弹拉伸1000次，每次均拉伸至300mm处。A、B、C、D四组分别对应纳米炭黑质量百分比为0、2%、5%、8%，测试结果表明，相对应不可逆回复的应变率分别为2．08%、2．25%、2．79%、3．01%。随着炭黑含量增加，SEBS/纳米炭黑复合应变传感样品的永久伸长率逐渐增大。表明随着炭黑含量的增加，其对SEBS弹性体基体连续相造成的破坏越大，使得SEBS/纳米炭黑复合应变传感膜力学性能和弹性稳定性能降低［20］。1817
传感技术学报www．chinatransducers．com第30卷表1SEBS/纳米炭黑复合应变传感膜弹性稳定性测试结果样品拉伸测试前长度/mm1000次循环拉伸测试后长度/mm不可逆伸长率/%A200204．162．08B200204．502．25C200205．582．79D200206．023．012．2导电性能结果分析2．2．1炭黑含量与导电性能之间关系图3为SEBS掺杂纳米炭黑应变传感膜电阻测试图。图3(a)为纯SEBS膜的电阻测试图，图3(b)和图3(c)分别为纳米炭黑质量百分比为8%和1．8%的SEBS/纳米炭黑复合应变传感膜电阻的测试图。结果显示:万用表最大电阻测量量程为20000kΩ，SEBS原材料电阻超过量程为无穷大，是很好的绝缘体。纳米炭黑质量百分比分别为8%和1．8%，长100mm、宽20mm、厚3mm的SEBS掺杂纳米炭黑应变传感膜电阻分别为37．0kΩ、19600kΩ，表现出一定的导电性能。进一步考察纳米炭黑含量与SEBS/纳米炭黑复合应变传感膜导电性能之间的关系发现，如图3(d)所示，纳米炭黑质量百分比为1．8%、2%、5%、8%，尺寸为长100mm、宽20mm、厚3mm的样品电阻测试图，所对应电阻分别为19600kΩ、3290kΩ、551．0kΩ、37．0kΩ。综合图3(c)、图3(d)可知:SEBS/纳米炭黑复合应变传感膜中纳米炭黑颗粒含量的导电阈值约为1．8%。随着纳米炭黑含量的增加，所制备的传感器膜静态电阻值变小，导电性能也随之提高［21］。图3炭黑含量与导电性能之间关系图图4SEBS/纳米炭黑复合应变传感膜拉伸长度与对应电阻之间关系2．2．2样品拉伸长度与对应电阻之间的关系图4为SEBS/纳米炭黑复合应变传感膜拉伸长度与对应电阻之间的关系图。图4(a)所示为静态电阻测试结果，实验结果表明，传感膜的电阻随着被拉伸的长度增加而线性增加，斜率为1．59;图4(b)为动态电阻测试图，应变范围0～50%?
【参考文献】：
期刊论文
[1]压力传感器动态误差修正方法的FPGA实现[J]. 杨文杰,张志杰,王代华,陈青青. 传感技术学报. 2017(03)
[2]可穿戴式柔性电子应变传感器[J]. 蔡依晨,黄维,董晓臣. 科学通报. 2017(07)
[3]乙炔炭黑表面氧化改性及对硅橡胶压阻特性的影响[J]. 段建瑞,李斌,李帅臻,李覃. 高分子材料科学与工程. 2017(01)
[4]导电橡胶复合材料压力传感特性研究[J]. 仉月仙,李斌. 功能材料. 2016(11)
[5]高应变载荷下压电传感器性能研究[J]. 王培德,郑跃滨,杨雷,雷振坤,武湛君. 压电与声光. 2016(04)
[6]基于柔性电极结构的薄膜电容微压力传感器[J]. 姚嘉林,江五贵,邵娜,史云胜,田佳丁,杨兴. 传感技术学报. 2016(07)
[7]基于ZnO纳米线与P（VDF-TrFE）纤维的高柔性应变传感器在可穿戴电子器件方面的应用（英文）[J]. 陈帅,娄正,陈娣,陈照军,姜凯,沈国震. Science China Materials. 2016(03)
[8]纳米SiO2对压力敏感导电橡胶静态特性和动态特性的影响[J]. 田合雷,刘平,高峰,刘彩霞,黄英. 功能材料. 2015(17)
[9]热塑性弹性体（TPE）简述（下）[J]. 白子文,胡水仙,陈建华. 山西化工. 2014(04)
[10]炭黑/硅橡胶导电复合薄膜传感特性研究[J]. 廖波,周国庆,王英杰. 传感技术学报. 2013(08)
本文编号：3469935
【文章来源】：传感技术学报. 2017,30(12)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
SEBS/炭黑应变传感膜的制备流程图
长率可达400%以上，在不加炭黑时，SEBS的断裂伸长率可高达700%，说明应变传感器基体具备良好的可伸展性，可适应绝大多数应变变化情况或变形情况，加入纳米炭黑并没有根本改变SEBS可大变形的能力［18］。然而，实验发现，随着炭黑含量的增加，SEBS/纳米炭黑复合应变传感膜的断裂伸长率和拉伸强度均逐渐减小，力学性能降低，说明炭黑的加入使得SEBS中连续相造成一定程度的离散化，或由于纳米炭黑的集聚效应造成SEBS连续相出现应力集中的弱环，使得SEBS/炭黑应变传感薄膜相比于SEBS空白样力学性能降低［19］。图2SEBS/炭黑应变传感膜拉伸测试2．1．2弹性稳定性测试结果表1列出了SEBS/纳米炭黑复合应变传感膜拉伸测试结果表，所选样品长200mm、宽20mm、厚3mm，重复回弹拉伸1000次，每次均拉伸至300mm处。A、B、C、D四组分别对应纳米炭黑质量百分比为0、2%、5%、8%，测试结果表明，相对应不可逆回复的应变率分别为2．08%、2．25%、2．79%、3．01%。随着炭黑含量增加，SEBS/纳米炭黑复合应变传感样品的永久伸长率逐渐增大。表明随着炭黑含量的增加，其对SEBS弹性体基体连续相造成的破坏越大，使得SEBS/纳米炭黑复合应变传感膜力学性能和弹性稳定性能降低［20］。1817
传感技术学报www．chinatransducers．com第30卷表1SEBS/纳米炭黑复合应变传感膜弹性稳定性测试结果样品拉伸测试前长度/mm1000次循环拉伸测试后长度/mm不可逆伸长率/%A200204．162．08B200204．502．25C200205．582．79D200206．023．012．2导电性能结果分析2．2．1炭黑含量与导电性能之间关系图3为SEBS掺杂纳米炭黑应变传感膜电阻测试图。图3(a)为纯SEBS膜的电阻测试图，图3(b)和图3(c)分别为纳米炭黑质量百分比为8%和1．8%的SEBS/纳米炭黑复合应变传感膜电阻的测试图。结果显示:万用表最大电阻测量量程为20000kΩ，SEBS原材料电阻超过量程为无穷大，是很好的绝缘体。纳米炭黑质量百分比分别为8%和1．8%，长100mm、宽20mm、厚3mm的SEBS掺杂纳米炭黑应变传感膜电阻分别为37．0kΩ、19600kΩ，表现出一定的导电性能。进一步考察纳米炭黑含量与SEBS/纳米炭黑复合应变传感膜导电性能之间的关系发现，如图3(d)所示，纳米炭黑质量百分比为1．8%、2%、5%、8%，尺寸为长100mm、宽20mm、厚3mm的样品电阻测试图，所对应电阻分别为19600kΩ、3290kΩ、551．0kΩ、37．0kΩ。综合图3(c)、图3(d)可知:SEBS/纳米炭黑复合应变传感膜中纳米炭黑颗粒含量的导电阈值约为1．8%。随着纳米炭黑含量的增加，所制备的传感器膜静态电阻值变小，导电性能也随之提高［21］。图3炭黑含量与导电性能之间关系图图4SEBS/纳米炭黑复合应变传感膜拉伸长度与对应电阻之间关系2．2．2样品拉伸长度与对应电阻之间的关系图4为SEBS/纳米炭黑复合应变传感膜拉伸长度与对应电阻之间的关系图。图4(a)所示为静态电阻测试结果，实验结果表明，传感膜的电阻随着被拉伸的长度增加而线性增加，斜率为1．59;图4(b)为动态电阻测试图，应变范围0～50%?
【参考文献】：
期刊论文
[1]压力传感器动态误差修正方法的FPGA实现[J]. 杨文杰,张志杰,王代华,陈青青. 传感技术学报. 2017(03)
[2]可穿戴式柔性电子应变传感器[J]. 蔡依晨,黄维,董晓臣. 科学通报. 2017(07)
[3]乙炔炭黑表面氧化改性及对硅橡胶压阻特性的影响[J]. 段建瑞,李斌,李帅臻,李覃. 高分子材料科学与工程. 2017(01)
[4]导电橡胶复合材料压力传感特性研究[J]. 仉月仙,李斌. 功能材料. 2016(11)
[5]高应变载荷下压电传感器性能研究[J]. 王培德,郑跃滨,杨雷,雷振坤,武湛君. 压电与声光. 2016(04)
[6]基于柔性电极结构的薄膜电容微压力传感器[J]. 姚嘉林,江五贵,邵娜,史云胜,田佳丁,杨兴. 传感技术学报. 2016(07)
[7]基于ZnO纳米线与P（VDF-TrFE）纤维的高柔性应变传感器在可穿戴电子器件方面的应用（英文）[J]. 陈帅,娄正,陈娣,陈照军,姜凯,沈国震. Science China Materials. 2016(03)
[8]纳米SiO2对压力敏感导电橡胶静态特性和动态特性的影响[J]. 田合雷,刘平,高峰,刘彩霞,黄英. 功能材料. 2015(17)
[9]热塑性弹性体（TPE）简述（下）[J]. 白子文,胡水仙,陈建华. 山西化工. 2014(04)
[10]炭黑/硅橡胶导电复合薄膜传感特性研究[J]. 廖波,周国庆,王英杰. 传感技术学报. 2013(08)
本文编号：3469935
本文链接：https://www.wllwen.com/guanlilunwen/gongchengguanli/3469935.html
