ПОЛИМЕРНЫЙ ПЬЕЗОРЕЗИСТИВНЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2009 года по МПК C08L27/06 C08L31/04 C09K17/38 C08K13/02 B82B1/00 

Изобретение относится к полимерным материалам, обладающим специальными свойствами, которые используются в электронных устройствах, например, спортивных тренажеров, где анализируется ударное воздействие.

Полимерные технологии позволяют получать материалы, которые могут применяться в зависимости от их свойств в различных областях техники, в частности в электронике, в качестве пьезорезистивных материалов в устройствах, преобразующих давление в электрический сигнал. К таким устройствам относятся датчики давления, тензометрические элементы, элементы коммуникации электрических сигналов и т.п., использующиеся в самых различных областях техники: от спортивных тренажеров до высокоточного приборостроения.

Известен аналог - спортивный динамометрический тренажер, содержащий тензодатчик, установленный внутри капсулы, и функциональные преобразователи сигнала датчика давления, RU 2265470 С1, А63В 24/00, опубл. 10.12.2005.

Известны материалы (см. М.Г.Шахтахтинский, А.И.Мамедов, А.А.Гараташов, М.А.Курбанов, Ю.Н.Газарян // Доклады АН Аз ССР 1987, XL III, № 7, с.44-47), содержащие полимер и мелкодисперсную добавку. В качестве полимеров использовались полиэтилен или поливинилиденфторид. В качестве добавки - халькогениды редкоземельных элементов, например SmS. Наибольшая чувствительность α (пьезорезистивная чувствительность определялась как α=lgRo/lgRp, где Ro и Rp - сопротивления до воздействия давления и при воздействии соответственно) этого материала к давлению зарегистрирована при следующем соотношении компонентов: полимер - 40-80%, добавка - 20-60%. Измерения проводились при давлении 4 МПа. Максимум α наблюдался при содержании добавки 40%.

Однако максимальная чувствительность недостаточна для непосредственного использования материала без средств дополнительного усиления и достигается при относительно высоком давлении 4 МПа, что затрудняет применение этого материала. Кроме того, этот материал предполагает изготовления методом прессования, что резко ухудшает воспроизводимость параметров от образца к образцу.

Известен полимерный пьезорезистивный материал (RU 2006078, В29С 70/00, опубл. 15.01.1994) на основе полимера с добавкой. В качестве полимера-основы используют пленкообразующие растворимые карбоцепные, гетероцепные, гетероциклические полимеры, такие как полистирол, полисульфон, поли-3,3-фталидилиден-4,4-бифинилилен. В качестве добавки данный материал включает низкомолекулярное органическое соединение, обладающее дипольным моментом, в частности тетратиофульвален, нитрофенилоктилоксибензоат, фенолфталеин. Содержание полимера в таком материале 45-80 мас.%.

Недостатком такого известного полимерного пьезорезистивного материала является то, что он может быть получен только в виде тонкой пленки, а его пьезорезистивные свойства различны по различным направлениям. Так электрическое сопротивление такого материала изменяется при механическом сжатии только в направлении, перпендикулярном плоскости пленочного образца. Изготовление такого материала, кроме того, технологически сложно.

Наиболее близким к данному изобретению является полимерный пьезорезистивный материал, содержащий основу - силоксановый эластомер и мелкодисперсную добавку - ферромагнитный электропроводящий наполнитель (RU 2071708 C1, B29C 70/00, опубл. 10.01.1997).

Недостатком такого полимерного пьезорезистивного материала является сложность - при его получении необходимо использование магнитного поля большой напряженности, длительность - время изготовления достигает 6 часов, и, также как в аналоге, его пьезорезистивные свойства неоднородны по различным направлениям. Электрическое сопротивление такого материала изменяется при механическом сжатии лишь в направлении, перпендикулярном плоскости образца.

Недостатки известных материалов устраняются в данном изобретении, которое, расширяя арсенал средств данного назначения, кроме того, удешевляет полимерный пьезорезистивный материал, позволяет получать более простой в изготовлении материал, обладающий пьезорезистивными свойствами во всех направлениях.

Указанная техническая задача решена за счет того, что полимерный пьезорезистивный материал для тензодатчика спортивного тренажера, содержащий полимер в качестве основы и добавку, в соответствии с данным изобретением в качестве полимера содержит, по меньшей мере, пластизоль на основе поливинилхлорида или дисперсии поливинилацетата, или силоксановый эластомер, или термоэластопласт, а в качестве добавки материал содержит углеродные нанотрубки и/или углеродные нановолокна в количестве 0,1-20,0 мас.%.

Пример 1.

Получение полимерного пьезорезистивного материала на основе пластизоля на основе поливинилхлорида.

Смешивают глицерин и углеродные нанотрубки, затем диспергируют полученную смесь ультразвуковым диспергатором до получения однородной массы. Потом полученную смесь вводят в пластизоль так, чтобы количество нанотрубок было 0,1 мас.%, и снова диспергируют. Полученный состав заливают в формы и нагревают до температуры 150°С в течение 10 минут. Полученный пьезорезистивный материал при более простой технологии его получения обладает пьезорезистивными свойствами во всех направлениях. Электрическое сопротивление такого материала изменяется при механическом сжатии во всех направлениях. Материал пригоден для использования, например, в датчиках давления, тензометрических элементах, элементах коммуникации электрических сигналов и т.п., использующихся в самых различных областях техники: от спортивных тренажеров до высокоточного приборостроения.

Пример 2.

Получение полимерного пьезорезистивного материала на основе пластизоля.

Смешивают глицерин и углеродные нанотрубки, затем диспергируют полученную смесь механическим диспергатором до получения однородной массы. Потом полученную смесь вводят в пластизоль так, чтобы количество нанотрубок было 20,0 мас.%, и снова диспергируют. Полученный состав заливают в формы и нагревают до температуры 170°С в течение 20 минут. Электрическое сопротивление такого материала изменяется при механическом сжатии во всех направлениях.

Пример 3.

Получение полимерного пьезорезистивного материала на основе дисперсии поливинилацетата.

Смешивают в необходимых пропорциях компоненты дисперсии поливинилацетата и углеродные нанотрубки в количестве 12 мас.%, затем диспергируют полученную смесь механическим диспергатором до получения однородной массы. Полученный состав заливают в формы и высушивают.

Пример 4.

Получение пьезорезистивного материала на основе дисперсии поливинилацетата.

Смешивают в необходимых пропорциях компоненты дисперсии поливинилацетата и углеродные нановолокна в количестве 20 мас.%, затем диспергируют полученную смесь механическим диспергатором до получения однородной массы. Полученный состав заливают в формы и высушивают.

Пример 5.

Получение полимерного пьезорезистивного материала на основе трехкомпонентного силоксанового эластомера.

Смешивают компоненты силоксанового эластомера и углеродные нанотрубки в количестве 18 мас.%, затем диспергируют полученную смесь ультразвуковым диспергатором до получения однородной массы. Полученный состав заливают в формы и проводят полимеризацию при режимах, обусловленных маркой эластомера.

Пример 6.

Получение полимерного пьезорезистивного материала на основе однокомпонентного силоксанового эластомера.

Смешивают силоксановый эластомер и углеродные нанотрубки в количестве 0,4 мас.%, затем диспергируют полученную смесь ультразвуковым диспергатором до получения однородной массы. Полученный состав заливают в формы и проводят полимеризацию при режимах, обусловленных маркой эластомера.

Пример 7.

Получение полимерного пьезорезистивного материала на основе термоэластопластов.

Смешивают в необходимых пропорциях термоэластопласт и нанотрубки (в количестве 10,0 мас.%), затем диспергируют полученную смесь, перемешивают до получения однородной массы. Полученную смесь загружают в бункер экструдера и экструдируют при температурах, обусловленных маркой термоэластопласта. Полученный состав дробят и используют для отливки нужных деталей на обычных литьевых машинах.

Пример 8.

Получение полимерного пьезорезистивного материала на основе термоэластопластов.

Смешивают в необходимых пропорциях термоэластопласт и нановолокна (в количестве 0,1 мас.%), затем диспергируют полученную смесь, перемешивают до получения однородной массы. Полученную смесь загружают в бункер экструдера и экструдируют при температурах, обусловленных маркой термоэластопласта. Полученный состав дробят и используют для отливки нужных деталей на обычных литьевых машинах.

Исследование свойств полученных материалов показало, что они при более простой технологии их получения обладают пьезорезистивными свойствами во всех направлениях. Электрическое сопротивление таких материалов изменяется при механическом сжатии во всех направлениях. Материал пригоден для использования, например, в датчиках давления, тензометрических элементах, элементах коммуникации электрических сигналов и т.п., использующихся в самых различных областях техники: от спортивных тренажеров до высокоточного приборостроения.

Изобретение относится к полимерным материалам, обладающим специальными свойствами, которые используются в электронных устройствах. Полимерный пьезорезистивный материал содержит полимер в качестве основы и добавку, причем в качестве полимера он содержит, по меньшей мере, пластизоль на основе поливинилхлорида или дисперсии поливинилацетата, или силоксановый эластомер, или термоэластопласт, а в качестве добавки материал содержит углеродные нанотрубки и/или углеродные нановолокна в количестве 0,1-20,0 мас.%. Изобретение позволяет снизить стоимость и упростить процедуру изготовления материала.

Полимерный пьезорезистивный материал, содержащий полимер в качестве основы и добавку, отличающийся тем, что в качестве полимера он содержит, по меньшей мере, пластизоль на основе поливинилхлорида или дисперсии поливинилацетата, или силоксановый эластомер, или термоэластопласт, а в качестве добавки материал содержит углеродные нанотрубки и/или углеродные нановолокна в количестве 0,1- 20,0 мас.%.