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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Drucksensor mit polymerer Komponente, sowie eine Schutzkleidung in den ein entsprechender Drucksensor integriert ist.
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Im Bereich der intelligenten persönlichen Schutzausrüstungen sind Bekleidungsstücke mit integrierten Sensoren bekannt. Bei (Arbeitsschutz-) Handschuhen handelt es sich dabei um Produkte mit prinzipiell begrenzter Nutzungsdauer, so dass die verwendeten Sensoren sowie deren Einbettung in das Handschuhmaterial möglichst wirtschaftlich und ökologisch verträglich gestaltet werden sollten.
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Im textilen Bereich werden Sensoren beispielsweise mittels leitfähiger Garne aus Silber- oder Kupferdrähten eingearbeitet. Aus leitfähiger Tinte gedruckte Sensoren können zunächst auf Transferlabel aufgedruckt und dann auf das Textil mittels Wärme und Druck übertragen werden. Alternativ können die Sensoren direkt auf das Textil aufgedruckt werden. Nachteilig an diesen bekannten Methoden ist, dass sie entweder zeitaufwendig und unwirtschaftlich wie im Fall der leitfähigen Garne oder nicht mit den erwünschten polymeren Beschichtungen kompatibel sind, wie es bei den gedruckten Sensoren der Fall ist.
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Bekannt sind binäre Drucksensoren mit einer Komponente, bestehend aus einem Binder und ein in den Binder eingebettetes elektrisch leitfähiges Additiv. Die leitfähigen Partikel sind homogen und zufällig innerhalb des Binders verteilt, der Binder ist beispielsweise ein nichtleitfähiges Matrixmaterial. Aufgrund der Elastizität des Matrixmaterials lässt sich dieses unter Krafteinwirkung stauchen, wobei das Volumen konstant bleibt. Dies hat zur Folge, dass die Verteilung der leitfähigen Partikel inhomogen wird mit einer größeren Konzentration an Partikeln parallel zur einwirkenden Kraft. Bei genügend großer Kraft wird die Konzentration der Partikel hinreichend groß, dass sie in Berührung miteinander kommen und elektrisch leitfähige Pfade ausbilden. Je mehr Pfade gebildet werden, desto größer ist die Leitfähigkeit. So lässt sich der ausgeübte Druck mittels der Änderung der Leitfähigkeit δσ bestimmen. Der Messbereich ist jedoch beschränkt auf den Bereich zwischen der Leitfähigkeit σ0 im unbelasteten Zustand und der maximalen Leitfähigkeit σmax im belasteten Zustand. Binäre Systeme haben den Nachteil, dass die Änderung der Leitfähigkeit δσ, bedingt durch die isolierende Wirkung des Binders zwischen den leitfähigen Pfaden, relativ gering ist. Es ist wünschenswert die Differenz der Leitfähigkeit δσ zwischen σ0 und σmax zu maximieren, wobei eine Obergrenze für σmax durch die Leitfähigkeit der eingebetteten Partikel gegeben ist und die Untergrenze für σ0 durch die Leitfähigkeit des Binders bedingt ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Drucksensor bereitzustellen, der in Schutzkleidung integrierbar ist, über einen ausreichend genauen Messbereich verfügt, leicht mittels bestehender Prozesse realisierbar und zu gängigen Materialzusammensetzungen kompatibel ist. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schutzkleidung mit einem erfindungsgemäßen Sensor bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Drucksensor nach Anspruch 1 und eine Schutzkleidung nach Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der erfindungsgemäße Drucksensor weist eine Komponente auf, deren elektrischer Widerstand durch Verformung veränderlich ist. Die Komponente ist ein zumindest ternäres System und umfasst wenigstens einen Binder, ein in den Binder eingebettetes elektrisch leitfähiges Additiv und Gaseinschlüsse.
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Das erfindungsgemäße zumindest ternäre System vergrößert die Differenz der Leitfähigkeit δσ im Vergleich zu bekannten binären Systemen und erweitert somit den zugänglichen Messbereich.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Drucksensors weist der Binder eine schaumartige oder schwammartige Struktur auf. Eine schaumartige Struktur weist einzelne abgeschlossene Gaseinschlüsse, wie z.B. Bläschen auf. Eine schwammartige Struktur hingegen ist dadurch definiert, dass sie nur eine einzige Oberfläche besitzt und damit alle Gaseinschlüsse untereinander verbunden sind. Eine Kombination der beiden Strukturen ist ebenfalls möglich.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Drucksensors sind die elektrisch leitfähigen Additive innerhalb der Komponente inhomogen verteilt. Die leitfähigen Additive sammeln sich an den Grenzflächen zwischen Binder und Gaseinschlüssen, so dass an diesen Grenzflächen die Konzentration an Additiven am höchsten ist. Innerhalb der Gaseinschlüsse sind Additive naturgemäß nicht vorhanden. Die Gaseinschlüsse unterbrechen elektrisch leitfähige Pfade, die sich ergeben, wenn mehrere Additivpartikel benachbart zueinander innerhalb des Binders angeordnet sind. Entsprechend hat die Komponente im unbelasteten Zustand eine sehr niedrige Leitfähigkeit σ0. Elektrisch leitfähige Pfade, die durch Perkolation im binären System auch im unbelasteten Zustand entstehen, sind im ternären System durch die Gaseinschlüsse aufgebrochen. Sobald jedoch das ternäre System komprimiert wird, berühren sich die unterbrochenen leitfähigen Pfade an den Innengrenzflächen der Gaseinschlüsse und es entsteht eine große Anzahl an leitfähigen Pfaden, was zu einer höheren Leitfähigkeit σmax als im binären System führt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Drucksensors ist der nutzbare Messbereich durch den Bereich bestimmt, in dem sich die Leitfähigkeit vorzugsweise linear zum ausgeübten Druck verhält. Bei Annäherung an die Grenzwerte σ0 und σmax zeigt die Leitfähigkeit α(P) ein nichtlineares Verhalten in Abhängigkeit vom ausgeübten Druck P.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Drucksensors ist die Leitfähigkeit σ0 im unbelasteten Zustand von der Konzentration der elektrisch leitfähigen Additive abhängig. Dabei ist σ0 umso größer je höher die Konzentration der elektrisch leitfähigen Additive ist. Die Konzentration ist bevorzugt so zu wählen, dass σ0 möglichst niedrig ist, es sich jedoch unter Belastung noch genügend leitfähige Pfade ausbilden können.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Drucksensors lässt sich der Messbereich des Drucksensors durch die Dicke und/oder Dichte der Komponente einstellen. Für Anwendungen, bei denen geringe Kräfte erfasst werden sollen, eignet sich eine Komponente mit einer geringeren Dichte und höheren Kompressibilität. Die Dichte lässt sich mittels des Gesamtvolumens der Gaseinschlüsse einstellen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Drucksensors nähern sich die elektrisch leitfähigen Additive bei Kompression der Komponente einander an und elektrisch leitfähige Pfade bilden sich vermehrt aus. Bei Kompression werden die Gaseinschlüsse zusammengedrückt und die auf der Innenseite der Gaseinschlüsse befindlichen Additive kommen in elektrisch leitenden Kontakt. Pfade, welche im unbelasteten Zustand von den Gaseinschlüssen unterbrochen sind, werden unter Kompression miteinander verbunden. Auch nähern sich die elektrisch leitfähigen Additive im Inneren der Komponente unter Druck aufgrund der Elastizität des Binders an. All dies führt zu einem Anstieg in der Leitfähigkeit.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Drucksensors besteht der Binder aus einem elektrisch isolierenden Polymer, bevorzugt aus Silikon oder Polyurethan, besonders bevorzugt aus Nitrilkautschuk. Vorteilhaft im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren aus leitfähigen Garnen oder leitfähiger Tinte ist, dass die genannten Polymere kompatibel mit Beschichtungen in gängiger Arbeitskleidung sind.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Drucksensors bestehen die eingebetteten, elektrisch leitfähigen Additive aus Metall oder metallisierten Partikeln, leitfähigen Oxiden, Leitruß, Graphit, Graphen, leitfähigen Polymeren, Kohlenstofffasern, Kohlenstoffnanoröhrchen oder einer Kombination dieser.
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Die erfindungsgemäße Schutzkleidung verfügt über einen integrierten Sensor, wobei der integrierte Sensor einen erfindungsgemäßen Drucksensor aufweist. Ein in die Schutzkleidung integrierter Drucksensor ermöglicht es, Kräfte, welche auf den Träger wirken, zu ermitteln. Notwendige Steuereinheiten oder weitere Mittel zum Auswerten der Drucksignale können ebenfalls in oder an der Schutzkleidung angeschlossen sein.
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Bevorzugt handelt es sich bei der Schutzkleidung um einen Arbeitsschutzhandschuh. Der Arbeitsschutzhandschuh umfasst eine Komponente, die ein zumindest ternäres System aufweist, bestehend wenigstens aus einem Binder, ein in den Binder eingebettetes elektrisch leitfähiges Additiv und Gaseinschlüsse. Besonders bevorzugt umfasst der Arbeitsschutzhandschuh einen einteiligen textilen Handschuhrohling der im Herstellungsprozess mit einem Polymersubstrat beschichtet wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Arbeitsschutzhandschuhs sind mehrere Drucksensoren eingebettet, um die Kräfte, die auf die Hand des Trägers wirken, differenziert analysieren zu können. Eine Kombination aus einzelnen Drucksensoren an den Fingerspitzen, der Handinnenfläche und dem Handrücken ist möglich. Bevorzugt sind die Messbereiche der Drucksensoren der Platzierung an den Arbeitsschutzhandschuh angepasst. So könnten die Drucksensoren an den Fingerspitzen für die Messung geringerer Drücke ausgelegt sein und die Drucksensoren an der Handinnenfläche oder dem Handrücken einen Messbereich für größere Drücke aufweisen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Schutzkleidung weist diese eine polymere Beschichtung auf, in welche der Drucksensor eingebettet ist. Dabei kann der Drucksensor je nach Anwendungsgebiet als innere bzw. äußere Schicht auf die Schutzkleidung appliziert werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Schutzkleidung besteht die Beschichtung der Schutzkleidung aus demselben Polymersubstrat wie der Binder der Komponente des Drucksensors. Dies ermöglicht es, dass der Drucksensor völlig kompatibel in die Schutzkleidungsbeschichtung integriert werden kann. In dieser Ausführungsform kann die Schutzkleidung bei der Entsorgung wie eine Schutzkleidung ohne Sensor behandelt werden. Im Hinblick auf Schadstoffe und eine Entsorgung können keine Unterschiede zu Schutzkleidungen ohne Sensor festgestellt werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Schutzkleidung mit Nitrilkautschuk beschichtet. Die Komponente des eingebetteten Sensors ist aus einem Nitrilkautschuk-Schaum und entsprechend völlig kompatibel zum Nitrilkautschuk der Beschichtung der Schutzkleidung. Die Schutzkleidung kann bei der Entsorgung wie Schutzkleidung ohne Sensor behandelt werden.
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Die 1 bis 3 zeigen schematisch das Funktionsprinzip des polymeren Drucksensors. Es zeigt:
- 1a ein binäres System im unbelasteten Zustand und
- 1 b das binäre System im belasteten Zustand,
- 2 a ein ternäres System im unbelasteten Zustand und
- 2 b das ternäre System im belasteten Zustand, und
- 3 eine Skizze des Zusammenhangs zwischen Leitfähigkeit und ausgeübtem Druck.
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1a) und 1b) zeigen eine polymere Komponente 1 eines Drucksensors, wie er aus dem Stand der Technik (SdT) bekannt ist. In 1a) ist die Komponente 1 im unbelasteten Zustand zu sehen. Die elektrisch leitfähigen Additive 3 sind homogen im Binder 2 verteilt. 1b) zeigt dasselbe System unter Belastung P. Die Komponente 1 wird zusammengedrückt und die Konzentration der Additive 3 ist parallel zum ausgeübten Druck P gestiegen. Es bilden sich leitfähige Pfade innerhalb der zusammengedrückten Komponente 1 aus, wodurch sich die Leitfähigkeit erhöht.
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2a) und 2b) zeigen ein ternäres System gemäß der Erfindung. 2a) zeigt die Komponente 1 im unbelasteten Zustand. Die Additive 3 sind bevorzugt an den Grenzflächen der Gaseinschlüsse 4 angesiedelt. Dies trifft sowohl bei einer schaumartigen wie auch bei einer schwammartigen Struktur der Komponente 1 zu. In 2b) ist die Komponente 1 mit einem Druck P belastet. Die Gaseinschlüsse 4 werden zusammen gedrückt und die Additive 3 kommen in Kontakt miteinander. Es werden im belasteten Zustand elektrisch leitfähige Pfade ausgebildet.
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3 zeigt schematisch die Abhängigkeit der Leitfähigkeit σ der Komponente 1 zum ausgeübten Druck P. Die Leitfähigkeit hat eine Untergrenze σ0, die die Leitfähigkeit der unbelasteten Komponente 1 charakterisiert. Die maximale Leitfähigkeit der Komponente 1 ist durch σmax gegeben. Mit steigendem Druck P vergrößert sich die Leitfähigkeit σ(P). Der Bereich P, in dem sich die Leitfähigkeit linear zum Druck verhält, ist der zugängliche Messbereich.
