基于SEBS/納米炭黑復(fù)合膜的電阻式應(yīng)變傳感材料制備及其性能研究*

吳官正,肖學(xué)良,丁富傳,錢(qián) 坤

(1.江南大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無(wú)錫 214122;2.福建師范大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,福州 350007)

基于SEBS/納米炭黑復(fù)合膜的電阻式應(yīng)變傳感材料制備及其性能研究*

吳官正1,2,肖學(xué)良1*,丁富傳2,錢(qián) 坤1

(1.江南大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無(wú)錫 214122;2.福建師范大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,福州 350007)

以熱塑性彈性體苯乙烯/乙烯/丁烯-苯乙烯(SEBS)和炭黑納米顆粒為原料,采用熔融共混-模壓成型法制備了SEBS/納米炭黑復(fù)合電阻式應(yīng)變傳感膜。實(shí)驗(yàn)中,研究了該薄膜的力學(xué)性能及其電阻應(yīng)變的傳感性能。力學(xué)測(cè)試表明,該復(fù)合應(yīng)變傳感膜具有優(yōu)異的彈性力學(xué)特性,斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)410.8%,斷裂強(qiáng)度達(dá)2.5 MPa,經(jīng)1 000次循環(huán)拉伸后,其形變率僅為3.0%。應(yīng)變傳感測(cè)試顯示,隨著復(fù)合膜拉伸倍率增大其電阻變化呈線性提高,并且動(dòng)態(tài)拉伸電阻變化速率高于靜態(tài)條件下的電阻變化速率。該復(fù)合應(yīng)變傳感膜應(yīng)用于人體胳膊彎曲試驗(yàn)顯示,可較為精準(zhǔn)的記錄胳膊彎曲量和彎曲次數(shù),進(jìn)而得知人體的運(yùn)動(dòng)活動(dòng)量,在健身和康復(fù)等領(lǐng)域有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。

柔性應(yīng)變傳感材料;傳感精度及穩(wěn)定性;熔融共混-模壓成型;性能分析;納米摻雜復(fù)合膜

近年來(lái),柔性應(yīng)變傳感器件的發(fā)展十分迅速,廣泛的應(yīng)用于檢測(cè)物理世界的應(yīng)變參量,包括與人體活動(dòng)相關(guān)的應(yīng)變生理參量。這類(lèi)傳感器件能夠?qū)⒗旎驂嚎s的應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)化成可以監(jiān)測(cè)的電信號(hào),而電信號(hào)的數(shù)據(jù)又可以被記錄和分析,達(dá)到傳感和監(jiān)測(cè)的目的[1]。柔性應(yīng)變傳感器的核心是柔性和可伸展性,因?yàn)槿嵝缘钠骷梢詿o(wú)擾的舒適的監(jiān)測(cè)人體的生理參數(shù),更符合當(dāng)下智能可穿戴設(shè)備的發(fā)展要求,例如,用于監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)肌肉的振動(dòng)、發(fā)聲時(shí)的血壓和眼壓、人體呼吸的節(jié)奏、較大幅度的手、胳膊和腿的彎曲運(yùn)動(dòng)(健身鍛煉等運(yùn)動(dòng))等[2-3]。

傳統(tǒng)的應(yīng)變傳感器件多以金屬和半導(dǎo)體材料為應(yīng)變傳感的核心,傳感的靈敏性尚可,但其拉伸性能有限,不宜采集人體諸如健身鍛煉等活動(dòng)的信息[4]。與該類(lèi)應(yīng)變傳感器相比,柔性應(yīng)變傳感器克服了金屬及半導(dǎo)體材料易脆斷的缺點(diǎn),具有優(yōu)異的拉伸性能(特別適合大應(yīng)變監(jiān)測(cè)),以及可穿戴性和連續(xù)檢測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)[5]。姚嘉林等[6]制作的薄膜電容微壓力傳感器具有高靈敏度,實(shí)現(xiàn)了在智能穿戴和可植入壓力檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。目前柔性應(yīng)變傳感器常用材料包括:有機(jī)高分子材料、復(fù)合納米粒子和納米線等。其中發(fā)展最為迅速的是以有機(jī)高分子材料為彈性基材的柔性應(yīng)變傳感器,其伸縮性能及觸感甚至媲美人體皮膚[7]。

熱塑性彈性體TPE(Thermoplastic Elastomer)是一種既具有橡膠的高彈性、高強(qiáng)度、高回彈性,又具有熱可塑加工特性的材料[8]。這種高分子材料常溫下顯現(xiàn)出橡膠彈性,手感好,高溫下又能像塑料一樣塑化成型[9],易于加工,是目前應(yīng)用較多的仿人體肌肉或皮膚的高分子材料,例如人造娃娃肢體的材料等,仿真程度遠(yuǎn)高于硅膠等材料。其中,SEBS是一種常見(jiàn)的熱塑性彈性體,其核心成分是苯乙烯(S)-乙烯(E)/丁烯-苯乙烯(S)構(gòu)成的三嵌段共聚物。SEBS的大分子結(jié)構(gòu)是將聚苯乙烯的熱塑性特征和乙烯-丁烯共聚物的彈性體特征結(jié)合到同一聚合物中構(gòu)成的熱塑性彈性體的分子結(jié)構(gòu)。SEBS的分子構(gòu)型為A-B-A型的三嵌段共聚物[10]。在熱處理SEBS過(guò)程中,當(dāng)溫度超過(guò)聚苯乙烯的熔化轉(zhuǎn)變溫度時(shí),聚苯乙烯相軟化,剪切作用下發(fā)生流動(dòng)可以進(jìn)行加工,模塑成型的制品冷卻后,聚苯乙烯相區(qū)變硬并有力學(xué)強(qiáng)度。這種可逆的物理交聯(lián)過(guò)程是SEBS最重要的特性[11],同時(shí)也是摻雜其他功能粒子的主要區(qū)域。

炭黑CB(Carbon Black)是由含碳物質(zhì)(煤、重油、燃料油和天然氣等)經(jīng)不完全燃燒或裂解生成的[12]。生產(chǎn)炭黑的過(guò)程中,因烴類(lèi)物質(zhì)不完全裂解,使得炭黑粒子表面呈現(xiàn)非極性,粒子間存在非常強(qiáng)的內(nèi)聚力,并且炭黑粒子比表面積大,表面自由能高,所以炭黑粒子間具有強(qiáng)烈的聚集力,易團(tuán)聚。納米炭黑由于巨大的比表面積在摻雜過(guò)程中形成較強(qiáng)的交聯(lián)態(tài),同時(shí)炭黑的導(dǎo)電性能優(yōu)異,成本較低,非常適合制備導(dǎo)電材料。在用炭黑制備導(dǎo)電材料時(shí),炭黑的分散性對(duì)材料的導(dǎo)電性能有直接影響[13]。多環(huán)芳烴類(lèi)炭黑按性能區(qū)分有“補(bǔ)強(qiáng)炭黑”、“耐磨炭黑”和“導(dǎo)電炭黑”等。性能優(yōu)良的導(dǎo)電炭黑可以使本身絕緣的聚合物如SEBS具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能[14]。

本文將SEBS與炭黑熔融共混,模塑成SEBS/納米炭黑復(fù)合彈性材料,加工并制備一種具有電阻應(yīng)變感應(yīng)功能的彈性TPE導(dǎo)電材料。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 TPE/納米炭黑應(yīng)變傳感膜制備

1.1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

E010E2(TPE)型SEBS母粒(零度),深圳市爍塑料科技有限公司;EC-600JD(科琴黑)納米級(jí)炭黑顆粒,粒徑范圍50 nm～200 nm,深圳市天成和科技有限公司。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

04001學(xué)生電源,供應(yīng)電壓范圍1.5 V～9 V,江蘇樹(shù)興教學(xué)設(shè)備有限公司;VC890C+萬(wàn)用表,勝利數(shù)字萬(wàn)用表;LED Lamps,單顆LED工作電壓范圍1.5 V～6.0 V,深圳市歐威泰光電有限公司;電子天平,梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;S212恒速攪拌器,無(wú)錫申科儀器有限公司;真空干燥箱,上海一恒科學(xué)儀器有限公司;模具(實(shí)驗(yàn)室定制)。

圖1 SEBS/炭黑應(yīng)變傳感膜的制備流程圖

1.1.3 制備方法

SEBS/炭黑電阻式應(yīng)變傳感復(fù)合膜的制備過(guò)程如圖1(a)所示:取30 g SEBS到聚四氟乙烯容器中,加入2.4 g炭黑,用高速攪拌機(jī)攪拌均勻后,放入烘箱中使混合原料完全熔融,并快速機(jī)械攪拌均勻,將熔融后的混合料倒入模具中模壓成型,待模壓成型的制品冷卻后,取出即得所需產(chǎn)品[15],如圖1(b)。裁剪成標(biāo)準(zhǔn)樣品做力學(xué)測(cè)試。

1.2 樣品的性能及表征

1.2.1 力學(xué)性能測(cè)試

拉伸性能測(cè)試:按GB/T 1040-2006測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),所取樣品長(zhǎng)100 mm、寬20 mm、厚3 mm,采用深圳新三思材料檢測(cè)有限公司CMT4101電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸測(cè)試,夾具間初始間距為50 mm,拉伸速率為50 mm/min,測(cè)量其最大拉伸應(yīng)變率(εmax,式(1)),測(cè)量5次求其平均值。

εmax=Lb/Lo

(1)

式中:Lb是斷裂長(zhǎng)度,Lo是原始長(zhǎng)度;

彈性回復(fù)率測(cè)試:取長(zhǎng)100 mm、寬20 mm、厚3 mm的樣品,每次拉伸時(shí)初始夾具間距為80 mm,拉伸速率為50 mm/min,拉伸至200 mm處的長(zhǎng)度后停頓30 s,然后恢復(fù)至設(shè)定的初始間距。這樣重復(fù)拉伸1 000次,測(cè)量千次重復(fù)循環(huán)拉伸后,彈性應(yīng)變的變化情況(ε*),根據(jù)式(2):

(2)

式中:L1000是重復(fù)拉伸1 000次后的樣條長(zhǎng)度,ε*能夠測(cè)量制備的樣條的彈性穩(wěn)定性,如果拉伸1 000次后,ε*的樹(shù)脂超出5%外則被認(rèn)為是彈性不穩(wěn)定[16]。

1.2.2 傳感性能測(cè)試

靜態(tài)導(dǎo)電性能測(cè)試:取長(zhǎng)200 mm、寬20 mm、厚3 mm的樣品,在樣品長(zhǎng)度的方向上用萬(wàn)用電表的一對(duì)測(cè)量針每隔10 mm的間距采集一個(gè)間距內(nèi)的電阻值,每個(gè)間距的電阻值測(cè)量3次,取平均值。

動(dòng)態(tài)導(dǎo)電性能測(cè)試:取長(zhǎng)200 mm、寬20 mm、厚3 mm的樣品,在恒定拉伸速率(5 mm/min)和小于斷裂拉伸應(yīng)變的條件下,用萬(wàn)用電表每拉伸5%的應(yīng)變采集一個(gè)電阻(樣品兩端之間的電阻),并將相應(yīng)的電阻值和應(yīng)變值進(jìn)行關(guān)系擬合[17]。

1.2.3 測(cè)試與表征

利用冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM,JSM-7500F,日本)觀察樣品的斷口截面的形貌,特別是摻雜導(dǎo)電粒子后的截面形貌,掃描電壓5 kV,電流20 μA。

1.2.4 復(fù)合應(yīng)變傳感膜的應(yīng)用演示

人體前臂彎曲的應(yīng)變測(cè)量演示:取長(zhǎng)150 mm、寬20 mm、厚3 mm復(fù)合應(yīng)變傳感膜樣品固定在健身衣前臂上,隨著人體前臂分別彎曲180°、210°、240°、285°和330°,用萬(wàn)用表實(shí)時(shí)記錄下對(duì)應(yīng)電阻。

LED燈亮度變化對(duì)應(yīng)應(yīng)變膜應(yīng)變變化演示:將長(zhǎng)150 mm、寬20 mm、厚3 mm復(fù)合應(yīng)變傳感膜樣品與固定在面包板上的12顆LED燈串聯(lián)起來(lái),在9 V電壓下(學(xué)生電源供應(yīng)),演示隨著樣品長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)對(duì)應(yīng)12顆LED燈亮度的變化,并且樣品每拉伸30 mm采集一次電阻。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果分析

2.1.1 拉伸測(cè)試

圖2為SEBS/納米炭黑復(fù)合電阻式應(yīng)變傳感膜的拉伸測(cè)試圖。由圖2可知,炭黑質(zhì)量百分比為0、2%、5%、8%對(duì)應(yīng)的樣品斷裂伸長(zhǎng)率分別為712.86%、623.93%、489.36%、410.82%,對(duì)應(yīng)的拉伸強(qiáng)度分別為3.93 MPa、3.47 MPa、2.95 MPa、2.50 MPa。測(cè)試結(jié)果表明,在炭黑加入量允許范圍內(nèi),復(fù)合導(dǎo)電SEBS的斷裂伸長(zhǎng)率可達(dá)400%以上,在不加炭黑時(shí),SEBS的斷裂伸長(zhǎng)率可高達(dá)700%,說(shuō)明應(yīng)變傳感器基體具備良好的可伸展性,可適應(yīng)絕大多數(shù)應(yīng)變變化情況或變形情況,加入納米炭黑并沒(méi)有根本改變SEBS可大變形的能力[18]。然而,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著炭黑含量的增加,SEBS/納米炭黑復(fù)合應(yīng)變傳感膜的斷裂伸長(zhǎng)率和拉伸強(qiáng)度均逐漸減小,力學(xué)性能降低,說(shuō)明炭黑的加入使得SEBS中連續(xù)相造成一定程度的離散化,或由于納米炭黑的集聚效應(yīng)造成SEBS連續(xù)相出現(xiàn)應(yīng)力集中的弱環(huán),使得SEBS/炭黑應(yīng)變傳感薄膜相比于SEBS空白樣力學(xué)性能降低[19]。

圖2 SEBS/炭黑應(yīng)變傳感膜拉伸測(cè)試

2.1.2 彈性穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

表1列出了SEBS/納米炭黑復(fù)合應(yīng)變傳感膜拉伸測(cè)試結(jié)果表,所選樣品長(zhǎng)200 mm、寬20 mm、厚3 mm,重復(fù)回彈拉伸1 000次,每次均拉伸至300 mm處。A、B、C、D四組分別對(duì)應(yīng)納米炭黑質(zhì)量百分比為0、2%、5%、8%,測(cè)試結(jié)果表明,相對(duì)應(yīng)不可逆回復(fù)的應(yīng)變率分別為2.08%、2.25%、2.79%、3.01%。隨著炭黑含量增加,SEBS/納米炭黑復(fù)合應(yīng)變傳感樣品的永久伸長(zhǎng)率逐漸增大。表明隨著炭黑含量的增加,其對(duì)SEBS彈性體基體連續(xù)相造成的破壞越大,使得SEBS/納米炭黑復(fù)合應(yīng)變傳感膜力學(xué)性能和彈性穩(wěn)定性能降低[20]。

表1 SEBS/納米炭黑復(fù)合應(yīng)變傳感膜彈性穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

2.2 導(dǎo)電性能結(jié)果分析

2.2.1 炭黑含量與導(dǎo)電性能之間關(guān)系

圖3為SEBS摻雜納米炭黑應(yīng)變傳感膜電阻測(cè)試圖。圖3(a)為純SEBS膜的電阻測(cè)試圖,圖3(b)和圖3(c)分別為納米炭黑質(zhì)量百分比為8%和1.8%的SEBS/納米炭黑復(fù)合應(yīng)變傳感膜電阻的測(cè)試圖。結(jié)果顯示:萬(wàn)用表最大電阻測(cè)量量程為20 000 kΩ,SEBS原材料電阻超過(guò)量程為無(wú)窮大,是很好的絕緣體。納米炭黑質(zhì)量百分比分別為8%和1.8%,長(zhǎng)100 mm、寬20 mm、厚3 mm的SEBS摻雜納米炭黑應(yīng)變傳感膜電阻分別為37.0 kΩ、19 600 kΩ,表現(xiàn)出一定的導(dǎo)電性能。進(jìn)一步考察納米炭黑含量與SEBS/納米炭黑復(fù)合應(yīng)變傳感膜導(dǎo)電性能之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn),如圖3(d)所示,納米炭黑質(zhì)量百分比為1.8%、2%、5%、8%,尺寸為長(zhǎng)100 mm、寬20 mm、厚3 mm的樣品電阻測(cè)試圖,所對(duì)應(yīng)電阻分別為19 600 kΩ、3 290 kΩ、551.0 kΩ、37.0 kΩ。綜合圖3(c)、圖3(d)可知:SEBS/納米炭黑復(fù)合應(yīng)變傳感膜中納米炭黑顆粒含量的導(dǎo)電閾值約為1.8%。隨著納米炭黑含量的增加,所制備的傳感器膜靜態(tài)電阻值變小,導(dǎo)電性能也隨之提高[21]。

圖3 炭黑含量與導(dǎo)電性能之間關(guān)系圖

圖4 SEBS/納米炭黑復(fù)合應(yīng)變傳感膜拉伸長(zhǎng)度與對(duì)應(yīng)電阻之間關(guān)系

2.2.2 樣品拉伸長(zhǎng)度與對(duì)應(yīng)電阻之間的關(guān)系

圖4為SEBS/納米炭黑復(fù)合應(yīng)變傳感膜拉伸長(zhǎng)度與對(duì)應(yīng)電阻之間的關(guān)系圖。圖4(a)所示為靜態(tài)電阻測(cè)試結(jié)果,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,傳感膜的電阻隨著被拉伸的長(zhǎng)度增加而線性增加,斜率為1.59;圖4(b)為動(dòng)態(tài)電阻測(cè)試圖,應(yīng)變范圍0～50%,能夠測(cè)試的最小應(yīng)變?yōu)?。傳感膜的電阻隨著長(zhǎng)度的增加也呈現(xiàn)線性的增加,斜率為2.08;結(jié)果表明:隨著制備的應(yīng)變傳感器長(zhǎng)度的增加,電阻線性增大,動(dòng)態(tài)電阻比靜態(tài)電阻增加的快[22]。在動(dòng)態(tài)電阻測(cè)試時(shí),隨著樣品的伸長(zhǎng),發(fā)現(xiàn)樣品中間的幅寬收縮慢,也就是其泊松比比較大,所以納米炭黑顆粒在拉伸方向上的相對(duì)距離增大,宏觀上測(cè)量的電阻相應(yīng)增大,導(dǎo)致動(dòng)態(tài)條件下測(cè)試的電阻比靜態(tài)條件下測(cè)試的數(shù)值要高[23]。

2.3 應(yīng)變傳感膜的斷面形貌圖

圖5為SEBS/納米炭黑復(fù)合應(yīng)變傳感膜的斷面SEM圖。圖5(a)為未經(jīng)過(guò)拉伸的應(yīng)變傳感樣品的斷面SEM圖,圖5(b)為樣品每次拉伸至100%的伸長(zhǎng),經(jīng)過(guò)1 000次循環(huán)拉伸之后的斷面SEM圖。

圖5顯示,分散的炭黑顆粒呈現(xiàn)分散的亮點(diǎn),根據(jù)亮點(diǎn)的分布狀況可以看出SEBS中納米炭黑分散均勻,根據(jù)圖中標(biāo)尺可知,納米炭黑的粒徑分布在50 nm～200 nm范圍內(nèi)。斷面SEM圖中存在空穴,經(jīng)過(guò)1 000次拉伸之后炭黑在SEBS中依然分散均勻,但是存在明顯的裂紋,取納米炭黑質(zhì)量百分比為8%,長(zhǎng)100 mm、寬20 mm、厚3 mm的SEBS摻雜納米炭黑應(yīng)變傳感膜,經(jīng)過(guò)1 000次拉伸后初始電阻由37.0 kΩ增大到53.3 kΩ,如圖5(c)、(d)所示。說(shuō)明在1000次循環(huán)拉伸中外力對(duì)SEBS彈性體基體造成了一定程度的破壞。結(jié)合SEM圖很好的說(shuō)明隨著拉伸次數(shù)的增加,動(dòng)態(tài)條件下測(cè)試的電阻增大的程度比靜態(tài)條件下測(cè)試大的原因,即顆粒間的距離增大導(dǎo)致導(dǎo)電顆粒相連的幾率減小,電阻因而增大。

圖5 SEBS/炭黑應(yīng)變傳感膜的斷面SEM圖

2.4 SEBS/納米炭黑復(fù)合電阻式應(yīng)變傳感膜在健身衣上面的應(yīng)用

圖6為SEBS/納米炭黑復(fù)合應(yīng)變傳感膜在健身衣上演示其電阻隨著手臂的彎曲,電阻隨之變化的測(cè)試圖,其中,圖6(a)～(e)中對(duì)應(yīng)手臂彎曲角度分別為180°、210°、240°、285°和330°,每個(gè)角度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變電阻都可以實(shí)時(shí)展示。由圖可知,手臂呈180°、210°、240°、285°、330°對(duì)應(yīng)的電阻分別為70.6 kΩ、82.4 kΩ、94.2 kΩ、104.6 kΩ、116.9 kΩ。電阻值的動(dòng)態(tài)變化,是由于隨著手臂的彎曲,貼附于健身衣袖體面料上的傳感膜隨之被拉伸,導(dǎo)致其電阻逐漸變大,這是動(dòng)態(tài)電阻性能測(cè)試的一個(gè)應(yīng)用示例[24]。

2.5 LED演示SEBS/納米炭黑復(fù)合電阻式應(yīng)變傳感膜的電阻變化

圖7為長(zhǎng)150 mm、寬20 mm、厚3 mm的SEBS/納米炭黑復(fù)合電阻式應(yīng)變傳感膜樣品利用LED燈演示其不同間距間電阻變化導(dǎo)致的LED等亮度變化情況。本演示實(shí)驗(yàn)選取了傳感膜樣品長(zhǎng)度分別在30 mm、60 mm、90 mm、150 mm、210 mm、270 mm 6個(gè)間距點(diǎn)時(shí),12支LED燈亮度變化的圖。該演示間接的反映了SEBS/納米炭黑復(fù)合電阻式應(yīng)變傳感膜靜態(tài)電阻的變化。演示結(jié)果表明,在9 V的電壓下,隨著SEBS/納米炭黑復(fù)合電阻式應(yīng)變傳感膜演示的間距增大,12支LED燈的亮度逐漸變?nèi)?說(shuō)明隨著SEBS/炭黑應(yīng)變傳感薄膜的靜態(tài)伸長(zhǎng),其電阻逐漸變大。

圖8為SEBS/炭黑應(yīng)變傳感膜的電阻值隨間隔長(zhǎng)度變化導(dǎo)致圖7所示LED燈亮度變化的關(guān)系圖,每根測(cè)試的SEBS/炭黑應(yīng)變傳感膜長(zhǎng)150 mm、寬20 mm、厚3 mm,每隔30 mm采集一次電阻,所得到的電阻隨著長(zhǎng)度增加而增大的變化圖,導(dǎo)致相同的電壓條件下,整體LED燈電路中的電流變小。圖8解釋了隨著傳感薄膜樣品長(zhǎng)度增加LED燈亮度變?nèi)醯脑颉?/p>

圖6 SEBS/炭黑應(yīng)變傳感膜在健身衣上應(yīng)用演示圖

圖7 LED亮度演示SEBS/炭黑應(yīng)變傳感膜電阻變化

圖8 SEBS/炭黑應(yīng)變傳感膜LED燈演示過(guò)程中對(duì)應(yīng)電阻

3 結(jié)論

①以熱塑性彈性體SEBS和納米炭黑顆粒為原料,采用熔融共混法制備了炭黑摻雜SEBS彈性復(fù)合熔體,利用模壓成型的方法成功制備了多種基于SEBS的摻雜納米炭黑的應(yīng)變傳感膜。隨著納米炭黑顆粒在復(fù)合材料中重量百分比的增加(0、2.0%、5.0%、8.0%),對(duì)應(yīng)的TPE摻雜納米炭黑的應(yīng)變傳感薄膜的斷裂伸長(zhǎng)率分別為712.86%、623.93%、489.36%、410.82%,對(duì)應(yīng)的拉伸強(qiáng)度分別為3.93 MPa、3.47 MPa、2.95 MPa、2.5 MPa,電阻分別為無(wú)窮大、3290 kΩ、551 kΩ、37 kΩ。SEBS/納米炭黑復(fù)合應(yīng)變傳感膜中納米炭黑顆粒含量的導(dǎo)電閾值約為1.8%。

②復(fù)合體系中隨著炭黑含量的增加,所制備的應(yīng)變傳感膜的電阻變小,導(dǎo)電性能改善,拉伸強(qiáng)度逐漸變小。故選用炭黑重量百分比為8%所制備的傳感器薄膜樣品作為標(biāo)準(zhǔn)樣品。電阻隨著樣品的伸長(zhǎng)而呈現(xiàn)線性增加的趨勢(shì),靜態(tài)電阻增大速率為1.59,動(dòng)態(tài)電阻增大速率為2.08,拉伸過(guò)程中炭黑粒子之間的間距增大,傳感器薄膜的截面積變小。炭黑在SEBS基體中分散均勻,經(jīng)過(guò)1 000次拉伸之后傳感器薄膜內(nèi)部產(chǎn)生細(xì)微裂紋。

③SEBS/納米炭黑復(fù)合電阻式應(yīng)變傳感膜在健身衣上演示實(shí)驗(yàn)表明,隨著手臂的彎曲,應(yīng)變傳感膜隨之拉伸,導(dǎo)致其電阻逐漸增大。LED演示電阻變化的實(shí)驗(yàn)表明,隨著應(yīng)變傳感膜長(zhǎng)度的增加,其電阻值也線性增大,而在拉伸的過(guò)程中,其電阻值得變化更為迅速,兩種電阻值的增大均導(dǎo)致LED燈的亮度逐漸變?nèi)酢?/p>

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PreparationandPropertiesStudyofSEBS/NanoCarbonBlackCompositeMembraneforResistor-TypeStrainSensor*

WUGuanzheng1,2,XIAOXueliang1*,DINGFuchuan2,QIANKun1

(1.Key Laboratory of Eco-Textiles,Ministry of Education,Jiangnan University,Wuxi Jiangsu 214122,China;2.School of Materials Science and Engineering,Fujian Normal University,Fuzhou 350007,China)

A novel strain sensor was prepared usingraw materials ofthe thermoplastic elastomer of Styrene/Ethylene/Butene-Styrene(SEBS)and nanoparticles of carbon black(NCB). The sensor is in the form of a composite membrane that was manufactured using the melt blending and compression molding method. The mechanical properties and electro-resistance during the strain sensing of the membrane was studied. The experimental tests showed that the prepared SEBS CB composite membrane had excellent elastic mechanical properties,i.e. the elongation at break was 410.8%,and the tensile strength was 2.5 MPa. After 1 000 times of cyclic stretching,the permanent deformation rate was controlled in 3%. The strain sensing tests showed that the resistance increased linearly with the increase of the tensile ratio of the composite membrane,and the rate of the dynamic tensile resistance was greater than the rate at static state where the resistance varied along the stretching length. The composite membrane was demonstrated in the application of human arm bending tests. The results showed that such strain sensor could record the bending numbers and bending strain precisely,then the amount of exercise could be calculated for people who wanted to know his/her exercise effect,thus such strain sensor manifested important application value in the areas of fitness and rehabilitation therapy.

flexible strain sensing material;sensing accuracy and stability;melt blending molding;performance analysis;nano doped composite membrane

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.12.006

項(xiàng)目來(lái)源:江蘇省基礎(chǔ)研究計(jì)劃(自然科學(xué)基金)-青年基金項(xiàng)目(BK20160157);國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目-“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFB0303200)

2017-06-08修改日期2017-08-18

TP212.1

A

1004-1699(2017)12-1815-07

吳官正(1988-),男,碩士,現(xiàn)為江南大學(xué)技術(shù)紡織品研究所及深圳市善行醫(yī)療科技有限公司智能材料研發(fā)工程師,2016年畢業(yè)于福建師范大學(xué),主要從事高分子應(yīng)變傳感材料研究,18084721450@163.com;

肖學(xué)良(1984-),男,江南大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師,入選江蘇省雙創(chuàng)人才計(jì)劃,Applied Science和Polymers特刊編輯,主要研究方向?yàn)槿嵝詡鞲胁牧?、智能可穿戴電子服裝材料、智能高分子聚合物和織物結(jié)構(gòu)力學(xué),xiao_xueliang@jiangnan.edu.cn。