CN103030825A - 一种导电聚氨酯膜的制备及其在电容式压力传感器中的应用 - Google Patents

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李海英
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Abstract

本发明涉及一种导电聚氨酯膜的制备及其在电容式压力传感器中的应用，属于电子信息技术领域。通过采用经化学改性后的带有羟基的碳纳米管参与到与聚氨酯预聚体的合成中，从而使经合成的改性聚氨酯具有导电性。将这种改性后的导电聚氨酯经成膜工艺形成导电聚氨酯膜，而这种导电聚氨酯膜不仅解决了以往聚氨酯膜不导电的问题，而且还保留高弹性等良好性能并能大规模生产。将导电聚氨酯膜应用在电容式压力传感器中的两个电极中，其发射电子的效率高，稳定性好，使用寿命长，当外力作用于传感器表层时，电容式传感器中间不导电的聚氨酯膜使得阴阳极间距改变，微安电流表显示的电流也改变，即微安电流表的电流值表征作用于电容式压力传感器之间的压力值。

Description

一种导电聚氨酯膜的制备及其在电容式压力传感器中的应用
技术领域
本发明涉及一种导电聚氨酯膜的制备及其在电容式压力传感器中的应用，属于电子信息技术领域。
背景技术
聚氨酯是一种是由多异氰酸酯和聚醚多元醇或聚酯多元醇或小分子多元醇、多元胺或水等扩链剂或交联剂等原料制成的聚合物。它是一种新兴的有机高分子材料，具有耐磨、抗冲击性高等特性。通过改变原料种类及组成，可以很容易且能大幅度地改变产品形态及其性能，得到从柔软到坚硬的最终产品。目前，而压力传感器是一种能感受压力并转换成可用输出信号的传感器。虽然采用聚氨酯材料制成的膜具有耐磨、柔软等特性，但是不具有导电性，所以不适合将纯聚氨酯膜应用在压力传感器上。近年来，大多数研究者都是在研究用于压力传感器的材料，如中国专利CN200910022971，公开日为2009年11月25日，发明名称为：一种具有纳米SiC薄膜的压力传感器的制备方法。该发明公开了一种具有SiC薄膜的压力传感器，使用纳米SiC薄膜作为压力传感器材料。但是这种以SiC为材料的薄膜多半是使用化学气相沉淀、分子束外延、升华法生长等方法制备的，该方法不能大面积均匀制备SiC薄膜。
发明内容
针对上述存在不足，本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种制备简单快捷的导电聚氨酯膜的制备及其聚氨酯膜在电容式压力传感器中的应用，
为满足本发明目的的技术解决方案是：
一种导电聚氨酯膜的制备方法，所述制备方法是采用由化学改性后带有羟基的碳纳米管参与到由聚醚多元醇、异氰酸酯和催化剂构成的聚氨酯预聚体的反应中。包括下列步骤，
a聚氨酯预聚体的制备
按质量份数分别为：
异氰酸酯       5～20份
聚醚多元醇     30～80份
催化剂         0.01～0.1份
加入到通有纯度等于或高于99.999％的高纯氮气的，带有搅拌器、温度计、冷凝管的四口反应釜中，加热搅拌反应1.5～3小时，反应温度为65～70℃，形成聚氨酯预聚体，
其中所述异氰酸酯为4，4′二苯基甲烷二异氰酸酯，
所述聚醚多元醇为聚四氢呋喃，聚四氢呋喃的分子量为2000，
所述催化剂为二月桂酸二正丁基锡。
b导电聚氨酯膜的制备
将化学改性后带有羟基的碳纳米管按质量份数为0.1～10份溶解于N-甲基吡咯烷酮溶剂内，经超声后溶解至完全分散，得到一种碳纳米管溶液，将碳纳米管的溶液按聚氨酯预聚体的质量份数为1～10份加入到聚氨酯的预聚体中，反应3～6小时后，再加入按聚醚多元醇质量份数为1～5份计量的1，4-丁二醇，继续反应1～2小时，反应结束后得到改性的聚氨酯胶体。将聚氨酯胶体倒在聚四氟乙烯的平板上面，用刮膜器进行均匀的刮膜成型，放入到60℃中的真空干燥箱干燥24h，取出后脱膜，形成导电聚氨酯膜，备用。
导电聚氨酯膜在电容式压力传感器中的应用：将一块不导电聚氨酯膜置于两块尺寸面积相同的导电聚氨酯膜中间，不导电聚氨酯膜为绝缘层，两块导电聚氨酯膜分别与不导电聚氨酯膜上、下表面粘贴连接构成整体，底层导电聚氨酯膜和表层导电聚氨酯膜为阴阳极，构成电容式压力传感器，在不导电的聚氨酯膜和表层导电聚氨酯膜之间引出阳极导线，在不导电的聚氨酯膜和底层导电聚氨酯膜之间引出阴极导线，阴极导线先与电流表串接，阳极导线与保护电阻串接，将电流表的负极与电源的负极相接，电源的正极与阳极导线相接，电压表与电源和保护电阻直接并联，对电容式压力传感器进行施压，改变中间不导电的聚氨酯膜阴阳极间距，从而微安电流表显示的电流也改变，即微安电流表的电流值表征作用于电容式压力传感器之间的压力值。
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1本发明通过采用经化学改性后的带有羟基的碳纳米管参与到与聚氨酯预聚体的合成中，从而使经合成的改性聚氨酯具有导电性。将这种改性后的导电聚氨酯经成膜工艺形成导电聚氨酯膜，而这种导电聚氨酯膜不仅解决了以往聚氨酯膜不导电的问题，而且还保留耐磨耗、耐化学腐蚀、高强度、高弹性、耐高压、吸震性强、耐撕裂，耐辐射，高承载和减震缓冲等良好性能。
2将导电聚氨酯膜应用在电容式压力传感器中的两个电极中，其发射电子的效率高，灵敏度很高，稳定性好，使用寿命长，当外力作用于传感器表层时，电容式传感器中间不导电的聚氨酯膜使得阴阳极间距改变，微安电流表显示的电流也改变，即微安电流表的电流值表征作用于电容式压力传感器之间的压力值。
本发明的导电聚氨酯膜的制备简单快捷，操作简便，可以大规模生产。
具体实施方式
一种导电聚氨酯膜的制备方法，所述制备方法是采用由化学改性后带有羟基的碳纳米管参与到由聚醚多元醇、异氰酸酯和催化剂构成的聚氨酯预聚体的反应中。包括下列步骤，
a聚氨酯预聚体的制备
按质量份数分别为：
异氰酸酯       5～20份
聚醚多元醇     30～80份
催化剂         0.01～0.1份
加入到通有纯度等于或高于99.999％的高纯氮气的，带有搅拌器、温度计、冷凝管的四口反应釜中，加热搅拌反应1.5～3小时，反应温度在65～70℃，形成聚氨酯预聚体，高纯氮气用作保护气，以免有空气进入到反应中破坏了预聚体的合成，搅拌器是为了让原料均匀混合，冷凝管是为了让溶剂冷凝回流，使得溶剂反复使用不至于挥发出去。
其中所述异氰酸酯为4，4′二苯基甲烷二异氰酸酯，
所述聚醚多元醇为聚四氢呋喃，聚四氢呋喃的分子量为2000，
所述催化剂为二月桂酸二正丁基锡。
b导电聚氨酯膜的制备
将化学改性后带有羟基的碳纳米管按质量份数为0.1～10份溶解于N-甲基吡咯烷酮溶剂内，经超声后溶解至完全分散，得到一种碳纳米管溶液，带有羟基的碳纳米管采用平均管径为10nm、纯度大于等于95％、长度约为12μm的多臂碳纳米管，将碳纳米管的溶液按聚氨酯预聚体的质量份数为1～10份加入到聚氨酯的预聚体中，反应温度在70～85℃，反应3～6小时后，再加入按聚醚多元醇质量份数为1～5份计量的1，4-丁二醇，反应温度在80～95℃，继续反应1～2小时，反应结束后得到改性的聚氨酯胶体。将聚氨酯胶体倒在聚四氟乙烯的平板上面，用刮膜器进行均匀的刮膜成型，放入到60℃中的真空干燥箱干燥24h，取出后脱膜，形成导电聚氨酯膜，备用。
导电聚氨酯膜在电容式压力传感器中的应用：将一块不导电聚氨酯膜置于两块尺寸面积相同的导电聚氨酯膜中间，不导电聚氨酯膜为绝缘层，两块导电聚氨酯膜分别与不导电聚氨酯膜上、下表面粘贴连接构成整体，底层导电聚氨酯膜和表层导电聚氨酯膜为阴阳极，构成电容式压力传感器，在不导电的聚氨酯膜和表层导电聚氨酯膜之间引出阳极导线，在不导电的聚氨酯膜和底层导电聚氨酯膜之间引出阴极导线，阴极导线先与电流表串接，阳极导线与保护电阻串接，将电流表的负极与电源的负极相接，电源的正极与阳极导线相接，电压表与电源和保护电阻直接并联，对电容式压力传感器进行施压，改变中间不导电的聚氨酯膜阴阳极间距，从而微安电流表显示的电流也改变，即微安电流表的电流值表征作用于电容式压力传感器之间的压力值。
具体实施例
实施例一
1聚氨酯预聚体的制备
按质量份数分别为：
4，4′二苯基甲烷二异氰酸酯               5份
聚四氢呋喃                               30份
二月桂酸二正丁基锡                       0.01份
加入到通有纯度等于或高于99.999％的高纯氮气的，带有搅拌器、温度计、冷凝管的四口反应釜中，加热搅拌反应1.5小时，反应温度在65℃，形成聚氨酯预聚体，
所述聚四氢呋喃的分子量为2000。
2导电聚氨酯膜的制备
将化学改性后带有羟基的碳纳米管按质量份数为0.1份溶解于N-甲基吡咯烷酮溶剂内，经超声后溶解至完全分散，得到一种碳纳米管溶液，将碳纳米管的溶液按聚氨酯预聚体的质量份数为1份加入到聚氨酯的预聚体中，反应温度为70℃，反应3小时后，再加入按聚醚多元醇质量份数为1份计量的1，4-丁二醇，反应温度80℃，继续反应1小时，反应结束后得到改性的聚氨酯胶体。将聚氨酯胶体倒在聚四氟乙烯的平板上面，用刮膜器进行均匀的刮膜成型，放入到60℃中的真空干燥箱干燥24h，取出后脱膜，形成导电聚氨酯膜，备用。
实施例2
1聚氨酯预聚体的制备
按质量份数分别为：
4，4′二苯基甲烷二异氰酸酯             10份
聚四氢呋喃                             45份
二月桂酸二正丁基锡                     0.02份
加入到通有纯度等于或高于99.999％的高纯氮气的，带有搅拌器、温度计、冷凝管的四口反应釜中，加热搅拌反应2小时，反应温度65℃，形成聚氨酯预聚体，
所述聚四氢呋喃的分子量为2000。
2导电聚氨酯膜的制备
将化学改性后带有羟基的碳纳米管按质量份数为3份溶解于N-甲基吡咯烷酮溶剂内，经超声后溶解至完全分散，得到一种碳纳米管溶液，将碳纳米管的溶液按聚氨酯预聚体的质量份数为5份加入到聚氨酯的预聚体中，反应温度为75℃，反应3.5小时后，再加入按聚醚多元醇质量份数为2份计量的1，4-丁二醇，反应温度82℃，继续反应1.5小时，反应结束后得到改性的聚氨酯胶体。将聚氨酯胶体倒在聚四氟乙烯的平板上面，用刮膜器进行均匀的刮膜成型，放入到60℃中的真空干燥箱干燥24h，取出后脱膜，形成导电聚氨酯膜，备用。
实施例3
1聚氨酯预聚体的制备
按质量份数分别为：
4，4′二苯基甲烷二异氰酸酯            15份
聚四氢呋喃                            70份
二月桂酸二正丁基锡                    0.01份
加入到通有纯度等于或高于99.999％的高纯氮气的，带有搅拌器、温度计、冷凝管的四口反应釜中，加热搅拌反应2.5小时，反应温度67℃，形成聚氨酯预聚体，
所述聚四氢呋喃的分子量为2000。
2导电聚氨酯膜的制备
将化学改性后带有羟基的碳纳米管按质量份数为5份溶解于N-甲基吡咯烷酮溶剂内，经超声后溶解至完全分散，得到一种碳纳米管溶液，将碳纳米管的溶液按聚氨酯预聚体的质量份数为4份加入到聚氨酯的预聚体中，反应温度为85℃，反应4小时后，再加入按聚醚多元醇质量份数为2份计量的1，4-丁二醇，反应温度85℃，继续反应2小时，反应结束后得到改性的聚氨酯胶体。将聚氨酯胶体倒在聚四氟乙烯的平板上面，用刮膜器进行均匀的刮膜成型，放入到60℃中的真空干燥箱干燥24h，取出后脱膜，形成导电聚氨酯膜，备用。
实施例4
1聚氨酯预聚体的制备
按质量份数分别为：
4，4′二苯基甲烷二异氰酸酯             16份
聚四氢呋喃                             75份
二月桂酸二正丁基锡                     0.03份
加入到通有纯度等于或高于99.999％的高纯氮气的，带有搅拌器、温度计、冷凝管的四口反应釜中，加热搅拌反应3小时，反应温度65℃，形成聚氨酯预聚体，
所述聚四氢呋喃的分子量为2000。
2导电聚氨酯膜的制备
将化学改性后带有羟基的碳纳米管按质量份数为8份溶解于N-甲基吡咯烷酮溶剂内，经超声后溶解至完全分散，得到一种碳纳米管溶液，将碳纳米管的溶液按聚氨酯预聚体的质量份数为7份加入到聚氨酯的预聚体中，反应温度为85℃，反应3.5小时后，再加入按聚醚多元醇质量份数为3.5份计量的1，4-丁二醇，反应温度90℃，继续反应2小时，反应结束后得到改性的聚氨酯胶体。将聚氨酯胶体倒在聚四氟乙烯的平板上面，用刮膜器进行均匀的刮膜成型，放入到60℃中的真空干燥箱干燥24h，取出后脱膜，形成导电聚氨酯膜，备用。
实施例5
1聚氨酯预聚体的制备
按质量份数分别为：
4，4′二苯基甲烷二异氰酸酯              18份
聚四氢呋喃                              78份
二月桂酸二正丁基锡                      0.05份
加入到通有纯度等于或高于99.999％的高纯氮气的，带有搅拌器、温度计、冷凝管的四口反应釜中，加热搅拌反应2小时，反应温度67℃，形成聚氨酯预聚体，
所述聚四氢呋喃的分子量为2000。
2导电聚氨酯膜的制备
将化学改性后带有羟基的碳纳米管按质量份数为10份溶解于N-甲基吡咯烷酮溶剂内，经超声后溶解至完全分散，得到一种碳纳米管溶液，将碳纳米管的溶液按聚氨酯预聚体的质量份数为8份加入到聚氨酯的预聚体中，反应温度为85℃，反应5小时后，再加入按聚醚多元醇质量份数为4份计量的1，4-丁二醇，反应温度95℃，继续反应2小时，反应结束后得到改性的聚氨酯胶体。将聚氨酯胶体倒在聚四氟乙烯的平板上面，用刮膜器进行均匀的刮膜成型，放入到60℃中的真空干燥箱干燥24h，取出后脱膜，形成导电聚氨酯膜，备用。
实施例6
1聚氨酯预聚体的制备
按质量份数分别为：
4，4′二苯基甲烷二异氰酸酯              20份
聚四氢呋喃                              80份
二月桂酸二正丁基锡                      0.1份
加入到通有纯度等于或高于99.999％的高纯氮气的，带有搅拌器、温度计、冷凝管的四口反应釜中，加热搅拌反应3小时，反应温度70℃，形成聚氨酯预聚体，
所述聚四氢呋喃的分子量为2000。
2导电聚氨酯膜的制备
将化学改性后带有羟基的碳纳米管按质量份数为10份溶解于N-甲基吡咯烷酮溶剂内，经超声后溶解至完全分散，得到一种碳纳米管溶液，将碳纳米管的溶液按聚氨酯预聚体的质量份数为10份加入到聚氨酯的预聚体中，反应温度为85℃，反应6小时后，再加入按聚醚多元醇质量份数为5份计量的1，4-丁二醇，反应温度95℃，继续反应2小时，反应结束后得到改性的聚氨酯胶体。将聚氨酯胶体倒在聚四氟乙烯的平板上面，用刮膜器进行均匀的刮膜成型，放入到60℃中的真空干燥箱干燥24h，取出后脱膜，形成导电聚氨酯膜，备用。

Claims (2)

1.一种导电聚氨酯膜的制备，其特征在于：所述制备方法是采用由化学改性后带有羟基的碳纳米管参与到由聚醚多元醇、异氰酸酯和催化剂构成的聚氨酯预聚体的反应中，包括下列步骤，
a聚氨酯预聚体的制备
按质量份数分别为：
异氰酸酯        5～20份
聚醚多元醇      30～80份
催化剂          0.01～0.1份
加入到通有纯度等于或高于99.999％的高纯氮气的，带有搅拌器、温度计的四口反应釜中，加热搅拌反应1.5～3小时，反应温度为65～70℃，形成聚氨酯预聚体，
其中所述异氰酸酯为4，4′二苯基甲烷二异氰酸酯，
所述聚醚多元醇为聚四氢呋喃，聚四氢呋喃的分子量为2000，
所述催化剂为二月桂酸二正丁基锡。
b导电聚氨酯膜的制备
将化学改性后带有羟基的碳纳米管按质量份数为0.1～10份溶解于N-甲基吡咯烷酮溶剂内，经超声后溶解至完全分散，得到一种碳纳米管溶液，将碳纳米管的溶液按聚氨酯预聚体的质量份数为1～10份加入到聚氨酯的预聚体中，反应3～6小时后，再加入按聚醚多元醇质量份数为1～5份计量的1，4-丁二醇，继续反应1～2小时，反应结束后得到改性的聚氨酯胶体。将聚氨酯胶体倒在聚四氟乙烯的平板上面，用刮膜器进行均匀的刮膜成型，放入到60℃中的真空干燥箱干燥24h，取出后脱膜，形成导电聚氨酯膜，备用。
2.导电聚氨酯膜在电容式压力传感器中的应用，其特征在于：将一块不导电聚氨酯膜置于两块尺寸面积相同的导电聚氨酯膜中间，不导电聚氨酯膜为绝缘层，两块导电聚氨酯膜分别与不导电聚氨酯膜上、下表面粘贴连接构成整体，底层导电聚氨酯膜和表层导电聚氨酯膜为阴阳极，构成电容式压力传感器，在不导电的聚氨酯膜和表层导电聚氨酯膜之间引出阳极导线，在不导电的聚氨酯膜和层导电聚氨酯膜之间引出阴极导线，阴极导线先与电流表串接，阳极导线与保护电阻串接，将电流表的负极与电源的负极相接，电源的正极与阳极导线相接，电压表与电源和保护电阻直接并联，对电容式压力传感器进行施压，改变中间不导电的聚氨酯膜阴阳极间距，从而微安电流表显示的电流也改变，即微安电流表的电流值表征作用于电容式压力传感器之间的压力值。
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