一种水性力敏碳浆及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及传感材料技术领域，具体涉及一种水性力敏碳浆及其制备方法和应用。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

本发明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。

为达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：

一种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30-60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；

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。

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。

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。

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。

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。

本发明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。

由此，发明人从传感性能方面对水性导电碳浆进一步研究，得出了本发明的配方工艺，能够制备出环保且高性能的力敏材料。具体的，本发明是先以水为溶剂，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。

更加具体的，本发明选择阴离子型、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。

本发明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。

本发明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。

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。

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。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明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。

2、本发明由水性分散剂、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。

3、本发明水性力敏碳浆在低于50kPa压力范围具有超过10kPa

4、本发明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。

5、本发明水性力敏碳浆制备工艺简单，制作成本低且环保，并且可以适应多种材料和方式的涂布应用，适用性好，具有广阔的市场前景。

附图说明

图1：柔性压力传感器的结构示意图(图中，a为柔性基底，b为传感层，c为电极线路)。

图2：实施例1水性力敏碳浆制得的柔性压力传感器的传感性能测试结果图。

图3：实施例1水性力敏碳浆制得的柔性压力传感器的稳定性测试结果图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的说明。

实施例1

一种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40份去离子水中加入20份水性分散剂，搅拌均匀，滴加3份消泡剂，搅拌均匀后加入30份导电碳粉体材料，预搅拌8min，使导电碳粉体材料充分浸润且分散于该体系中；所述水性分散剂为聚丙烯酸钠盐，所述消泡剂为聚醚改性有机硅，所述导电碳粉体材料为导电炭黑；

S2.研磨分散导电碳材料：将导电碳材料预分散液打入砂磨机进行研磨分散，每隔15min取样品测试粒径，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50份分散液与50份水性树脂混合，所述水性树脂为丙烯酸树脂；通过高速搅拌充分混合，得到导电碳浆，即为所述水性力敏碳浆。

实施例2

S1.导电碳材料预分散液制备：在30份去离子水中加入10份水性分散剂，搅拌均匀，滴加1份消泡剂，搅拌均匀后加入20份导电碳粉体材料，预搅拌5min，使导电碳粉体材料充分浸润且分散于该体系中；所述水性分散剂、消泡剂、导电碳粉体材料用料同实施例1；

S2.研磨分散导电碳材料：将导电碳材料预分散液打入砂磨机进行研磨分散，每隔15min取样品测试粒径，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30份分散液与60份水性树脂混合，所述水性树脂为丙烯酸树脂；通过高速搅拌充分混合，得到导电碳浆，即为所述水性力敏碳浆。

实施例3

S1.导电碳材料预分散液制备：在60份去离子水中加入40份水性分散剂，搅拌均匀，滴加5份消泡剂，搅拌均匀后加入50份导电碳粉体材料，预搅拌10min，使导电碳粉体材料充分浸润且分散于该体系中；所述水性分散剂、消泡剂、导电碳粉体材料用料同实施例1；

S2.研磨分散导电碳材料：将导电碳材料预分散液打入砂磨机进行研磨分散，每隔15min取样品测试粒径，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50份分散液与80份水性树脂混合，所述水性树脂为丙烯酸树脂；通过高速搅拌充分混合，得到导电碳浆，即为所述水性力敏碳浆。

实施例4

一种水性力敏碳浆的制备方法，基本同实施例1，区别仅在于：本实施例中，所述导电碳粉体材料为石墨，所述水性树脂为聚氨酯。

将上述实施例得到的水性力敏碳浆应用在柔性压力传感器的制作中，具体应用方法如下：首先，采用刮刀将碳浆刮涂在PET基底上，形成20μm厚的液膜，置于100℃烘箱干燥1h后干燥成膜，得到导电薄膜材料；将导电薄膜材料裁剪为直径为1.2mm的圆形作为传感层，将其覆盖在丝网印刷制备的梳齿银电极线路上，传感层和梳齿电极线路外缘采用胶粘剂粘结，制成如图1所示的柔性压力传感器。

对制得的传柔性压力传感器进行性能测试，均表现出高灵敏度(在低于50kPa压力范围具有超过10kPa

(1)传感性能测试

测试方法：将传感器放置于力学试验机压缩测试工装底盘上，在传感器上面放置大小为有效传感面积80％的硅胶垫，通过上压盘施加压力，引起传感器电阻的变化；与此同时将传感器的两条外接线路与源表的正负极连接，以此监测电阻变化，获取电学数据；最后结合所得到的力学和电学数据，计算得到传感性能曲线。

测试结果：如图2所示，从图中可以看出传感器的传感性能在低于50kPa压力范围保持11.804kPa

(2)稳定性测试

测试方法：传感器在0.3-20N加载力范围内的100个循环稳定性测试。

测试结果：如图3所示，显示传感器具有良好的循环稳定性，机械性能稳定。

对比例1

一种碳浆的制备方法，基本同实施例1，区别仅在于：本对比例中，是将水性树脂与导电碳材料预分散液一起打入砂磨机进行研磨分散。结果在共研磨过程，由于树脂不耐研磨破坏乳液平衡导致破乳，分散失败。

对比例2

一种碳浆的制备方法，基本同实施例1，区别仅在于：本对比例中，所述分散液与水性树脂的质量比为1：0.5。使用碳浆按前述方法制作传感器，并进行了性能测试，结果显示，传感材料的电阻降低，传感器受外压力时，电阻变化率快速达到饱和状态，从而引起在较小压力下灵敏度开始下降，传感范围变窄。

实施例3

一种碳浆的制备方法，基本同实施例2，区别仅在于：本对比例中，所述分散液与水性树脂的质量比为1：3。使用碳浆按前述方法制作传感器，并进行了性能测试，结果显示，由于体系内具有电绝缘性质的树脂含量过高，传感材料无法导电。

对比例4

一种碳浆的制备方法，基本同实施例1，区别仅在于：本对比例在步骤S2中，将预分散液研磨到微米级。使用碳浆按前述方法制作传感器，并进行了性能测试，结果显示，与实施例1相比，传感器传感性能下降，灵敏度远达不到实施例1的水平，并且导电性也明显下降。

本具体实施方式仅仅是对本发明的解释，并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读了本发明的说明书之后所做的任何改变，只要在本发明权利要求书的范围内，都将受到专利法的保护。