CN115521605A - 多孔介电材料、制备方法及轻质电容式压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供了多孔介电材料、制备方法及轻质电容式压力传感器，其中制备方法包括将聚合物粒料模压成片，得到聚合物片；将反应釜腔内温度加热至预设的发泡温度并稳定，将聚合物片放置到反应釜腔体内；向反应釜腔体内填充超临界流体，并使反应釜腔体内的压力达到预设的饱和压力，持续饱和时间；卸压以对聚合物片进行发泡得到具有多孔结构的介电材料；具有操作简单、孔结构易调控、成本低廉的优点，无使用有机溶剂，更环保；通过该多孔介电材料所制成的电容式压力传感器质轻、灵敏度高，在人体运动检测方面具有较好的应用效果。
Description
技术领域
本申请实施例涉及但不限于介电材料，尤其涉及多孔介电材料、制备方法及轻质电容式压力传感器。
背景技术
电容式压力传感器具有能耗低和稳定性好的优点，得到广泛应用，其要求由介电材料制成的电容式压力传感器具有高灵敏度、柔韧性和轻薄性的特征。因此，这要求介电材料质轻以及具有良好的可压缩性、回弹性和柔韧性。多孔介电材料的常用制备方法有化学发泡法、静电纺丝法和模板浸出法，然而这些制备方法存在工艺复杂、制备周期较长、对环境不友好的缺点。
发明内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
本申请实施例提供了多孔介电材料、制备方法及轻质电容式压力传感器。
本申请的第一方面的实施例，一种多孔介电材料的制备方法，包括以下步骤：
将聚合物粒料模压成片，得到聚合物片；
将反应釜的腔内温度加热至预设的发泡温度并稳定，将所述聚合物片放置到所述反应釜的腔体内；
向所述反应釜的腔体内填充超临界流体，并使所述反应釜的腔内压力达到预设的饱和压力，持续饱和时间；
卸压以对所述聚合物片进行发泡得到具有多孔结构的介电材料。
本申请的第一方面的某些实施例，所述聚合物粒料包括聚丙烯、聚乳酸、聚苯乙烯、聚乙烯、热塑性聚氨酯弹性体、聚二甲基硅氧烷。
本申请的第一方面的某些实施例，所述聚合物片的厚度范围为0.5mm至4mm。
本申请的第一方面的某些实施例，所述发泡温度的范围为5℃至200℃。
本申请的第一方面的某些实施例，所述饱和压力的范围为8MPa至20MPa。
本申请的第一方面的某些实施例，所述饱和时间为0.5h至24h。
本申请的第一方面的某些实施例，所述超临界流体为超临界二氧化碳或超临界氮气。
本申请的第一方面的某些实施例，在将聚合物粒料模压成片，得到聚合物片之前，所述制备方法还包括：将所述聚合物粒料干燥。
本申请的第二方面的某些实施例，一种多孔介电材料，按照如上所述的制备方法制备得到。
本申请的第三方面的某些实施例，一种轻质电容式压力传感器，包括介电层和两个电极层，所述介电层置于两个所述电极层之间，所述介电层由如上所述的多孔介电材料制成。
上述方案至少具有以下的有益效果：该制备方法具有操作简单、孔结构易调控、成本低廉的优点，无使用有机溶剂，更环保；通过该制备方法所制得的具有多孔结构的介电材料质轻，具有良好的压缩性能和回弹性能，通过该多孔介电材料所制成的电容式压力传感器质轻、灵敏度高，在人体运动检测方面具有较好的应用效果。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1是本申请实施例所提供的多孔介电材料的制备方法的步骤图；
图2是本申请实施例所提供的多孔介电材料的脆断面扫描电镜照片；
图3是本申请实施例所提供的轻质电容式压力传感器的结构示意图；
图4是对比例0的介电材料、实施例1的介电材料、实施例2的介电材料、实施例3的介电材料和实施例4的介电材料的压缩应力-应变曲线图；
图5是实施例4的介电材料的循环压缩应力-应变曲线图；
图6是对比例0的介电材料所制成的压力传感器、实施例1的介电材料所制成的压力传感器、实施例2的介电材料所制成的压力传感器、实施例3的介电材料所制成的压力传感器和实施例4的介电材料所制成的压力传感器的压缩应力-相对电容变化率曲线图；
图7是本申请实施例所提供的压力传感器用于不同手指弯曲角度下的相对电容变化率曲线图；
图8是本申请实施例所提供的压力传感器用于脚部运动状态下的相对电容变化率曲线图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书、权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
下面结合附图，对本申请实施例作进一步阐述。
本申请的实施例，提供了一种多孔介电材料的制备方法
参照图1，多孔介电材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤S100，将聚合物粒料干燥；
步骤S200，将聚合物粒料模压成片，得到聚合物片；
步骤S300，将反应釜的腔内温度加热至预设的发泡温度并稳定，将聚合物片放置到反应釜的腔体内；
步骤S400，向反应釜的腔体内填充超临界流体，并使反应釜的腔内压力达到预设的饱和压力，持续饱和时间；
步骤S500，卸压以对聚合物片进行发泡得到具有多孔结构的介电材料。
介电材料的多孔结构如图2所示。
具体地，聚合物粒料包括聚丙烯、聚乳酸、聚苯乙烯、聚乙烯、热塑性聚氨酯弹性体、聚二甲基硅氧烷。
具体地，聚合物片的厚度范围为0.5mm至4mm。
具体地，发泡温度的范围为5℃至200℃。
具体地，饱和压力的范围为8MPa至20MPa。
具体地，饱和时间为0.5h至24h。
具体地，超临界流体为超临界二氧化碳或超临界氮气。
本申请的实施例，提供了一种多孔介电材料。多孔介电材料按照如上的制备方法制备得到。
参照图3，本申请的实施例，提供了一种轻质电容式压力传感器，包括介电层20和两个电极层10，介电层20置于两个电极层10之间，介电层20由如上的多孔介电材料制成。
将聚合物粒料(例如热塑性聚氨酯弹性体粒料)置于真空烘箱中，在80℃下干燥4h。将干燥后的聚合物粒料用平板硫化机在热压温度为200℃、热压压强为17MPa、排气次数为10次的条件下热压20min，模压成厚度为1.8mm的聚合物片。从聚合物片上裁剪出15mmx15mm的片状样品，所得到的介电材料作为对比例0，该介电材料不经过反应釜后续步骤处理。
实施例1
将聚合物粒料(例如热塑性聚氨酯弹性体粒料)置于真空烘箱中，在80℃下干燥4h。将干燥后的聚合物粒料用平板硫化机在热压温度为190℃、热压压强为15MPa、排气次数为15次的条件下热压30min，模压成厚度为1.8mm的聚合物片。从聚合物片上裁剪出13mmx13mm的片状样品，将片状样品固定至模具的正中央，并预留3mm的发泡空间，通过螺丝、螺帽将片状样品锁紧。将片状样品和模具一起装入放置到反应釜的腔内，迅速将反应釜的腔内温度上升到预设的发泡温度，发泡温度为90℃。利用低压二氧化碳气体吹洗釜腔3min，以排出反应釜腔体内的空气。关闭反应釜的卸压阀，通过高精度柱塞泵向反应釜腔内充入超临界二氧化碳，使反应釜腔内的压力达到预设的饱和压力，饱和压力为12MPa，持续3h的饱和时间；打开卸压阀，快速将反应釜腔体内的压力卸至大气压。得到具有多孔结构的介电材料。
实施例2
将聚合物粒料(例如热塑性聚氨酯弹性体粒料)置于真空烘箱中，在80℃下干燥4h。将干燥后的聚合物粒料用平板硫化机在热压温度为190℃、热压压强为15MPa、排气次数为15次的条件下热压30min，模压成厚度为1.8mm的聚合物片。从聚合物片上裁剪出13mmx13mm的片状样品，将片状样品固定至模具的正中央，并预留3mm的发泡空间，通过螺丝、螺帽将片状样品锁紧。将片状样品和模具一起装入放置到反应釜的腔内，迅速将反应釜的腔内温度上升到预设的发泡温度，发泡温度为110℃。利用低压二氧化碳气体吹洗釜腔3min，以排出反应釜腔体内的空气。关闭反应釜的卸压阀，通过高精度柱塞泵向反应釜腔内充入超临界二氧化碳，使反应釜腔内的压力达到预设的饱和压力，饱和压力为12MPa，持续3h的饱和时间；打开卸压阀，快速将反应釜腔体内的压力卸至大气压。得到具有多孔结构的介电材料。
实施例3
将聚合物粒料(例如热塑性聚氨酯弹性体粒料)置于真空烘箱中，在80℃下干燥4h。将干燥后的聚合物粒料用平板硫化机在热压温度为200℃、热压压强为17MPa、排气次数为10次的条件下热压20min，模压成厚度为1.8mm的聚合物片。从聚合物片上裁剪出15mmx15mm的片状样品，将片状样品固定至模具的正中央，并预留3mm的发泡空间，通过螺丝、螺帽将片状样品锁紧。将片状样品和模具一起装入放置到反应釜的腔内，迅速将反应釜的腔内温度上升到预设的发泡温度，发泡温度为120℃。利用低压二氧化碳气体吹洗釜腔3min，以排出反应釜腔体内的空气。关闭反应釜的卸压阀，通过高精度柱塞泵向反应釜腔内充入超临界二氧化碳，使反应釜腔内的压力达到预设的饱和压力，饱和压力为14MPa，持续3h的饱和时间；打开卸压阀，快速将反应釜腔体内的压力卸至大气压。得到具有多孔结构的介电材料。
实施例4
将聚合物粒料(例如热塑性聚氨酯弹性体粒料)置于真空烘箱中，在80℃下干燥4h。将干燥后的聚合物粒料用平板硫化机在热压温度为200℃、热压压强为17MPa、排气次数为10次的条件下热压20min，模压成厚度为1.8mm的聚合物片。从聚合物片上裁剪出15mmx15mm的片状样品，将片状样品固定至模具的正中央，并预留3mm的发泡空间，通过螺丝、螺帽将片状样品锁紧。将片状样品和模具一起装入放置到反应釜的腔内，迅速将反应釜的腔内温度上升到预设的发泡温度，发泡温度为120℃。利用低压二氧化碳气体吹洗釜腔3min，以排出反应釜腔体内的空气。关闭反应釜的卸压阀，通过高精度柱塞泵向反应釜腔内充入超临界二氧化碳，使反应釜腔内的压力达到预设的饱和压力，饱和压力为16MPa，持续3h的饱和时间；打开卸压阀，快速将反应釜腔体内的压力卸至大气压。得到具有多孔结构的介电材料。
将对比例0的介电材料、实施例1的介电材料、实施例2的介电材料、实施例3的介电材料和实施例4的介电材料测量密度。经测量对比例0的介电材料的密度为1.19克/立方厘米，实施例1的介电材料的密度为0.49克/立方厘米，实施例2的介电材料的密度为0.33克/立方厘米，实施例3的介电材料的密度为0.25克/立方厘米，实施例4的介电材料的密度为0.26克/立方厘米。由此可见，相比未经过发泡的介电材料(即对比例0的介电材料)，经过发泡的介电材料(实施例1、实施例2、实施例3和实施例4的介电材料)具有更小的密度，因此质轻。
参照图4，将对比例0的介电材料、实施例1的介电材料、实施例2的介电材料、实施例3的介电材料和实施例4的介电材料测量压缩应力-应变曲线。其中，曲线0为对比例0的介电材料的压缩应力-应变曲线，曲线1为对实施例1的介电材料的压缩应力-应变曲线，曲线2为对实施例2的介电材料的压缩应力-应变曲线，曲线3为对实施例3的介电材料的压缩应力-应变曲线，曲线4为对实施例4的介电材料的压缩应力-应变曲线。可以看出，与对比例0相比，实施例1的介电材料、实施例2的介电材料、实施例3的介电材料和实施例4的介电材料在相同的压缩应力变化下可以发生较大的应变，因此，这4个实施例的介电材料的压缩性能更好。
参照图5，对实施例4的介电材料进行回弹性能测试，即测量介电材料的循环压缩应力-应变曲线。可以看出第2次到第10次的循环压力应力-应变曲线重叠在一起，这表明经发泡的介电材料具有良好的回弹性能。
参照图6，将对比例0的介电材料所制成的压力传感器、实施例1的介电材料所制成的压力传感器、实施例2的介电材料所制成的压力传感器、实施例3的介电材料所制成的压力传感器和实施例4的介电材料所制成的压力传感器进行灵敏度测量。其中，曲线0为对比例0的介电材料的压缩应力-相对电容变化率曲线，曲线1为对实施例1的介电材料的压缩应力-相对电容变化率曲线，曲线2为对实施例2的介电材料的压缩应力-相对电容变化率曲线，曲线3为对实施例3的介电材料的压缩应力-相对电容变化率曲线，曲线4为对实施例4的介电材料的压缩应力-相对电容变化率曲线。可以看出，与对比例0相比，实施例1的介电材料、实施例2的介电材料、实施例3的介电材料和实施例4的介电材料所制备的传感器的压缩应力-相对电容变化率曲线的斜率较大，这表明这4个实施例相对应的传感器的灵敏度较高。
参照图7，对该经过发泡的介电材料所制成的压力传感器用于手指弯曲(未弯曲：0°，弯曲成45°，弯曲成90°)所形成的电容响应进行测量，以检测手指弯曲动作。可以看出该经过发泡的介电材料所制成的压力传感器在手指弯曲动作检测方面具有较好的应用效果。
参照图8，对该经过发泡的介电材料所制成的压力传感器用于脚部运动(站、走、跑)所形成的电容响应进行测量，以检测脚步运动。可以看出该经过发泡的介电材料所制成的压力传感器在脚步运动检测方面具有较好的应用效果。
尽管已经示出和描述了本申请的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本申请的较佳实施进行了具体说明，但本申请并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本申请精神的前提下可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种多孔介电材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将聚合物粒料模压成片，得到聚合物片；
将反应釜的腔内温度加热至预设的发泡温度并稳定，将所述聚合物片放置到所述反应釜的腔体内；
向所述反应釜的腔体内填充超临界流体，并使所述反应釜的腔内压力达到预设的饱和压力，持续饱和时间；
卸压以对所述聚合物片进行发泡得到具有多孔结构的介电材料。
2.根据权利要求1所述的一种多孔介电材料的制备方法，其特征在于，所述聚合物粒料包括聚丙烯、聚乳酸、聚苯乙烯、聚乙烯、热塑性聚氨酯弹性体、聚二甲基硅氧烷。
3.根据权利要求1所述的一种多孔介电材料的制备方法，其特征在于，所述聚合物片的厚度范围为0.5mm至4mm。
4.根据权利要求1所述的一种多孔介电材料的制备方法，其特征在于，所述发泡温度的范围为5℃至200℃。
5.根据权利要求1所述的一种多孔介电材料的制备方法，其特征在于，所述饱和压力的范围为8MPa至20MPa。
6.根据权利要求1所述的一种多孔介电材料的制备方法，其特征在于，所述饱和时间为0.5h至24h。
7.根据权利要求1所述的一种多孔介电材料的制备方法，其特征在于，所述超临界流体为超临界二氧化碳或超临界氮气。
8.根据权利要求1所述的一种多孔介电材料的制备方法，其特征在于，在将聚合物粒料模压成片，得到聚合物片之前，所述制备方法还包括：将所述聚合物粒料干燥。
9.一种多孔介电材料，其特征在于，按照如权利要求1至8任一项所述的制备方法制备得到。
10.一种质轻电容式压力传感器，其特征在于，包括介电层和两个电极层，所述介电层置于两个所述电极层之间，所述介电层由如权利要求9所述的多孔介电材料制成。
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