CC BY
75
6. Земенкова М. Ю., Сероштанов И. В., Земенков Ю. Д., Воронин К. С. Система непрерывного контроля режимов работы при частотном регулировании насосного агрегата // Трубопроводный транспорт: теория и практика. 2015. 4 (50) С. 34-36.
7. Dmitriev A., Gerasimov V. To the issue of energy efficiency of using frequency-controlled centrifugal pump units // MATEC Web of Conferences. 2018. Vol. 170. DOI: 10.1051/matecconf/201817003017.
УДК 681.586'3 :621
ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫЕ ПЕЧАТНЫЕ ДАТЧИКИ ДЛЯ ГИБКИХ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ И МЕХАНИЗМОВ
TENSO-RESISTIVE PRINTED SENSORS FOR FLEXIBLE ELEMENTS OF SYSTEMS AND MECHANISMS
А. П. Кондратов1, И. В. Нагорнова1, Л. Г. Варепо2
'Московский политехнический университет, г. Москва, Россия 2Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
A. P. Kondratov1, I. V. Nagornova1, L. G. Varepo2
'Moscow Polytechnic University, Moscow, Russia
2Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Аннотация. Представлены результаты испытания тензорезистивных датчиков, изготовленных печатным способом на двух типах нетканых материалов с использованием двух типов модифицированных проводящих красок, содержащих углеродные нанотрубки, сажу и графит, разработанных для таких гибких высоконагруженных и тянущихся элементов, как воздухоопорные структуры, амортизационные элементы и системы и механизмы робототехники. Установлена строгая зависимость электросопротивления и тензочувствительности от величины и диапазона деформаций растяжения для каждого типа нетканого материала и проводящих красок. Датчики, разработанные на нетканых материалах с нано-трубками, наилучшим образом подходят для измерения влажности воздуха и контроля деформаций в широком диапазоне относительного удлинения (0-80%) с разделением на 3 диапазона тензочувствительности от 0 до 10, 10-30 и 30-80% относительного удлинения. Было изучено влияние плотности нетканого материала, а также его предварительной термообработки и условий окружающей среды. Преимуществами таких датчиков относительно других доступных промышленно выпускаемых датчиков или известных прототипов являются низкая стоимость и простота эксплуатации. Датчики изготовлены с помощью трафаретной печати.
Ключевые слова: тензорезистор, нетканые материалы, печать, термообработка, проводящие краски, углеродные нанотрубки, диапазон тензочувствительности.
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-2-21-28
I. Введение
Гибкие датчики - один из популярных выборов для робототехнических рук-манипуляторов, контроля амортизации, измерения давления в условиях потоков ветра, носимой электроники и т.п. благодаря их большей динамичности относительно жестких датчиков [1-7]. Согласно [1] использование таких датчиков для искусственного интеллекта и робототехники в последние несколько лет стало одной из приоритетных применений сенсоров в промышленном секторе.
Робототехническая рука-манипулятор может быть определена как любая механическая рука, функции которой программируются аналогично действиям человеческой руки. Робототехнические руки с характеристиками, основанные на различных длине, степенях свободы (движения) и т.д., доступны и используются в зависимости от их функциональности. Исполнение базовых тактильных задач подобно захвату, сбору, сварке и т.п. для ро-бототехнических рук анализируются датчиками, прикрепленными к руке в специальной позиции с возможностью мониторинга движения в реальном времени [1-4]. Таким образом, датчики растяжения должны быть высоко гибкими, растягиваемыми и совместимыми с материалом [2].
В настоящее время изготовление гибких тактильных датчиков в большинстве случаев основано на электронике, встроенной в гибкие полимерные материалы с использованием комбинаций виниловых, имидных, углеродных и этиленовых групп. Однако большинство из выбираемых полимерных материалов подвержены пластическим деформациям только при низких значениях, ведущим к формированию микротрещин внутри материала. Поскольку наша кожа испытывает линейную эластичную деформацию до значения удлинения до 15%, эти материалы могут оказаться неподходящими для роботехнических рук или носимой электроники [2, 7]. Несколько исследовательских групп внедряли различные проводящие органические и неорганические элементы в элестомеры на основе силанов, уретанов, резин и силоксанов [1-7].
Среди различных типов гибких датчиков, доступных на рынке, датчики сила-растяжение - одни из наиболее значимых благодаря их низкой стоимости и простоте функционирования [1, 12]. Динамический диапазон давлений разработанных наклеиваемых датчиков отличается из-за структурных различий. Один из интегрированных активаторов-датчиков, разработанный в [1], представлен на рис. 1. Датчик растяжения был интегрирован в активатор с помощью невулканизированной силиконовой резины. Полная толщина чувствительного активатора -12 мм и может быть легко скрыта в перчатке. Металлические нанокраски наносятся на эластомерную подложку, формируя сетчатую структуру конических выступов (рис. 2). Подобная сетке структура обеспечила отличную электрическую проводимость, так датчик растяжения обладает ультранизким сопротивлением листа -8 Ом/см. Разработанный сенсор работает при различных механических удлинениях (е = 2%, 5%, 10%).
Другие примеры, с использованием как различных металлических наноструктур, так и углеродных нанотру-бок, интегрированных в различные материалы физическими методами, приведены в [12].
Использование в качестве подложек различных сенсоров нетканых материалов в настоящее время распространено мало [9-11]. Нетканые материалы, в общем, могут быть определены как листовые или сетевые структуры, соединенные вместе механическим, термическим или химическим переплетением волокон или нитей (перфорацией пленок). Они не могут быть изготовлены плетением или вязанием и не требуют прядения [10]. В [9,11] приводятся существующие и потенциальные применения нетканых материалов, включая энергетику и электронику, оборонную промышленность и биотехнологии (рис. 3).
Деформационные свойства, структура, вопросы кристаллизации и ориентирования волокон нетканых материалов изучались в [9, 10, 12, 13], в том числе наполненных углеродными нанотрубками с точки зрения применимости для носимой электроники [12].
Как известно, пористость оказывает значительное влияние не только на механические [14-20], но и на печатные свойства нетканых материалов, что особенно важно в свете нанесения датчиков печатными способами, особенно для изделий носимой электроники и робототехнических рук-манипуляторов. Так, технологические вопросы трафаретной печати на нетканых материалах стандартными красками обсуждаются в [21], серебряными в целях изготовления радиочастотных меток в [24].
Hill II] _ LSM»«W
Strain Deformation
Рис. 1. Датчик типа «сила-гибкость» [1]
Рис. 2. Подобная сетке структура датчика [1]
Scope of nanofibres application
Defence and security
- Protective cloth for warfare agents
- Composite reinforcement
- Sensors (biosensors, optical senso chemical sensors,gas sensors)
Processing
- Jet formation (experimental)
- Jet formation (experimental)
- Jet formation (modeling)
- Spinning setup
Рис. 3. Варианты применений нетканых материалов [9]
Stretching
Рис. 4. Схематическая иллюстрация морфологических изменений ПУ НТМ-УНТ при малых и больших удлинениях
Авторы [12] отмечают, что работоспособность (изменение электрического сопротивления при растяжении) датчиков растяжения на нетканых материалах имеет свою особенность, а именно наличие необратимых деформаций после первого цикла растяжения, а также при малых и больших значениях усилий. На примере изготовления сенсора методом фильтрования через нетканый материал углеродных нанотрубок и последующего циклического растяжения было показано изменение сплошного слоя нанотрубок на сетевую структуру (рис. 4) с сохранением работоспособности датчика при больших относительно первого цикла относительных удлинениях.
Однако должно быть замечено, что чувствительность и стабильность - не единственные факторы, влияющие на изготовление датчиков растяжения из-за возможных сложных окружающих факторов, особенно дождливых дней или повышенной влажности. Поэтому для электронных датчиков важны отсутствие изменения сопротивления от влажности воздуха и хорошая водоотталкивающая способность.
В данной работе мы описываем простой и экономичный метод изготовления тензочувствительных датчиков с различным диапазоном деформаций, изготовленных способом трафаретной печати двумя типами модифицированных красок.
II. Методы
В качестве подложек сенсоров на основе работы [16] были выбраны нетканые полотна двух видов:
• полотна из полипропиленового волокна спанбонд (плотность 60 г/см2) - NWM-1.
• иглопробивные из волокон полипропилена (плотность 160 г/см2) - NWM-2,
При исследовании проникновения капель чернил в пористую структуру нетканых полотен в [18, 19] было показано, что для снижения потерь краски и улучшения растекания необходимо производить их термообработку. Так, при использовании нетканых полотен из I II I и красок, содержащих гидрофобные компоненты, целесообразно применять термообработку в контакте с органическими растворителями. Эффективность такой термообработки была показана в работе [20] и оценивалась по величине сорбционной емкости расплавов фотополи-меризующихся композиций.
Для модификации, с целью уплотнения структуры нетканого полотна синтетических волокон, было сконструировано и изготовлено устройство [15], позволяющее уплотнять полотна давлением нагретого вала и одновременно наносить на их поверхность жидкие компоненты: праймеры, антистатики, растворы биоцидных и фунгицидных препаратов, препятствующих биоповреждению датчиков при хранении. Нетканые полотна были термообработаны при температуре 120 °C в течение одной минуты.
Тензорезисторы на модифицированных нетканых полотнах в форме полос шириной 10 мм изготавливали трафаретным способом через печатную форму с сеткой линиатурой 120 lpi. Для приготовления образцов тензо-резисторов были использованы композиции на основе одностенных углеродных нанотрубок TUBALL™ COA-TOCSiA (тип 1 - УНТ-краска) и электропроводящие краски для трафаретной печати Sun Chemical, содержащие дисперсию графита и аморфный углерод - (тип 2-графитовая краска), модифицированные с применением ультразвуковой обработки смесью полиоксиэтиленгликолевого эфира высших жирных спиртов 0С-20 и неионо-генного поверхностно-активного вещества ОП-7. Для изменения вязкости и усиления адгезии электропроводящего слоя к подложке в рецептуру красок также добавляли бутилацетат или раствор полиуретанового клея в бутилацетате (1:1). Все химические вещества являлись химически чистыми.
Образцы были приготовлены в лабораторных условиях при температуре 22±2 C и относительной влажности 45-50 %
Электрическая схема измерения электрического сопротивления при деформации тензорезисторов в цепи постоянного и переменного тока частотой 50Гц и 100 кГц приведена на рис. 5. Контролируя амплитуду переменного тока с помощью осциллографа (2) на уровне 1 мА, измеряли падение напряжения на тензорезисторе (5) и вычисляли его сопротивление.
Рис. 5. Электрическая схема измерений: 1 - генератор низкочастотных Г3-118; 2 - осциллограф С1-112;
3 - амперметр; 4 - вольтметр; 5 -образец; 6 -устройство механического растяжения;
7 - шунтирующее сопротивление С5-5В-1Вт
Деформационно-прочностные параметры сенсоров определяли по ГОСТ15902.3-79. Механическим испытаниям деформационных свойств подвергали образцы подложек в исходном состоянии, после термообработки и после печати на них тензосенсоров.
Расчет тензочувствительности проводили по результатам измерения сопротивления образцов, деформированных до различной степени удлинения. График зависимости сопротивления от удлинения разделяли на прямолинейные участки и вычисляли коэффициент тензочувствительности по формуле 1:
^ 100-^2-^)^1-1Че2- е0 "
(1)
Устойчивость датчиков к влажности воздуха определяли после экспозиции образцов в течение 1, 7 и 14 дней в эксикаторе над водой при ЯН 90-95% с последующим измерением электрического сопротивления контрольных образцов без деформирования по методике, описанной выше.
II. Результаты
В табл. 1 показаны максимальные величины относительной деформации подложек, изготовленных из волокон полипропилена разными способами (технологическими приемами): локальным термоскреплением и пробивкой иглами [17].
Механическим испытаниям деформационных свойств подвергали образцы подложек в исходном состоянии, после термообработки и после печати на них тензосенсоров. Как видно из табл. 1, дополнительная термообработка NWM-1 и нанесение слоя краски (тип 2), т.е. печать трафаретным способом, существенно влияет на прочность и предельную деформацию растяжения как материала подложек, так и отпечатков тензосенсоров. Однако предельная деформация тензорезисторов, при которой имеет место разрыв электрической цепи, не зависит от термообработки нетканого полотна термоскрепленного типа NWM-1 и лишь несколько снижается при введении клея в краску. Термообработка подложек из нетканого полотна иглопробивного типа NWM-2 существенно увеличивает их предельную деформацию и прочность. Электрическая проводимость отпечатков тензо-резисторов на полотне NWM-2 не прерывается до удлинений, близких к разрушению подложек. При добавлении в состав краски полиуретанового клея величина максимальной деформации отпечатков тензорезисторов на подложках NWM-2 увеличивается в большей мере, чем на подложках NWM-1, и достигает 80%.
ТАБЛИЦА 1
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИЯ НАПЕЧАТАННЫХ СЕНСОРОВ
N Tм (0С) ПУ- Крас^ Нагрузка, Относительное удлинение (%)
добавка (Н/см) При разрыве подложки При разрыве электрической цепи
NWM1 1 a - - 5.7±1.1 100±8 -
2 - - + 10.7±2.1 100±7 45±2
3 - + + 9.7±1.7 100±8 70±3
4 120 - + 25.4±2.2 220±11 60±5
5 120 + + 21.5±2.5 270±15 50±5
ОКОНЧАНИЕ ТАБЛИЦЫ 1
NWM2 6 ь - - 9±1.5 22±7 -
7 - - + 11.7±2.0 50±3 40±4
8 120 - + 20.7±2.2 55±5 45±5
9 120 + + 23±2.8 60±5 55±5
10 120 + + 35.0±3.2 100±12 80±7
адля краски на основе дисперсии графита Необработанная подложка
Е,<И>
Рис. 6. Зависимость сопротивления постоянному току тензорезисторов от деформации. Подложка из нетканого материала 1 - образец № 2; 2 - образец № 5.
1'- график Я = 0.017е +0.048. 2'- график Я = 0.026е +0.050
11 = 0.«39е-1.в922 Л' = 0.7297
Рис. 7. Зависимость электросопротивления переменному току (100к Гц) тензорезисторов от деформации. Подложка из нетканого материала NWM-1: 1 - образец № 3; 2 - образец № 5
О 10 20 30 40
Е = О.ЮЭве - 0.2058
Рис. 8. Зависимость электросопротивления переменному току (100 кГц) тензорезисторов от деформации. Подложка из нетканого материала NWM-1: 1 - образец № 2; 2 - образец № 4
Рис. 9. Зависимость электросопротивления переменному току (100 к Гц) тензорезисторов от деформации. Подложка из нетканого материала NWM- 2: 1 - образец № 9; 2 - образец № 10
Рис. 10. Зависимость кратности увеличения электросопротивления отпечатков переменному току (100кГц) тензорезисторов от деформации. Подложка из нетканого материала NWM-1: 1 - образец № 7; 2 - образец № 10. (т0 =к= 4.6е - 51.4, Я2 = 0.9565)
Рис. 11. Вид отпечатков, где а - без добавления ПАВ в краску, б - с добавлением ПАВ в краску
Рис. 12. СЭМ-изображение структуры термообработанного NWM-1
Тензометрические параметры сенсоров могут быть определены из графиков, которые представлены на рис. 6-10. Зависимости электрического сопротивления от деформации тензорезисторов, отпечатанных на полотнах без термообработки (рис. 6, 7 и 8), описываются степенными функциями вида f=ke3+ne2+b с высокой вероятностью аппроксимации (R2 = 0.95).
После термообработки NWM-2 зависимость кратности увеличения электросопротивления отпечатков переменному току (R/R0 ) отпечатков от деформации на отдельных участках может быть приблизительно описана линейными функциями (рис. 10). Вид отпечатков тензорезисторов, изготовленных на NWM-1 и NWM-2 подложках, приведен на рис. 11, а микроструктура поверхности волокнистой подложки NWM-1 после уплотнения - на рис. 12. Вольт-амперные характеристики всех полученных образцов имеют линейный характер, что подтверждает возможность их использования в качестве стабильных элементов электронных различных схем, формируемых полиграфическими и комбинированными методами.
Электрическое сопротивление постоянному току сенсоров NWM-1-CNT-inks шириной 10 мм в недеформи-рованном состоянии имеет порядок 1 Ом, однако качество печати низкое и процесс нанесения композиции, содержащей нанотрубки (тип 1), затруднен вследствие закупоривания печатной формы агломератами нанотрубок. При дополнительном введении 0,001% ПАВ качество и производительность печати возрастает (рис. 11), а величина продольной деформации датчика достигает 150%, но сопровождается значительным увеличением электрического сопротивления тензорезистора постоянному току в 10 и более раз. В условиях использования переменного тока частотой 100кГц влияние ПАВ не столь существенно.
Тензочувствительность сенсоров при частоте тока 100кГц, изготовленных на NWM-1 краской типа 1, составляет 350 отн. ед. до деформации 20%. При относительной деформации растяжения свыше 20 - 40 % тензо-чувствительность сенсоров составляет 800 отн. ед.
Термообработка NWM-2 при 1200С позволяет увеличить относительную деформацию при разрыве сенсоров в 3 раза и вдвое превысить пределы измерения деформации с 40 до 80 %. Уплотненные на агрегате [15] подложки, запечатанные краской с добавлением полиуретановой добавки, обеспечивают линейную зависимость электросопротивления от деформации от 0 до 80% с тензочувствительностью 450 отн. ед.
Испытания электрических свойств тензодатчиков во влажной среде проводили с целью количественного определения влияния паров воды на их сопротивление (оценка влагоустойчивости резисторов) и определения возможности получения сенсоров влажности, если ее влияние будет существенно. Испытания работоспособности тензодатчиков NWM-1 - графитовая краска тип 2 в течение двух недель показали отсутствие влияния повышенной влажности на электрическое сопротивление. Тогда как для тензодатчиков "NWM-1 - краска с нано-трубками тип 1 зафиксировано постепенное увеличение электрического сопротивления до величины, вдвое превышающей сопротивление исходного образца. Изменение величин электрического сопротивления тензодат-чиков NWM-2 - краска тип 2 и NWM-2 - краска тип 1 имеет тот же характер.
III. Заключение
Таким образом, в результате данной работы разработан новый датчик больших удлинений на подложках из волокнистых нетканых материалов с возможностью регулирования тензочувствительности в различных диапазонах относительных удлинений за счет использования существующих на рынке полиграфических материалов электропроводящих красок и композиций с различным содержанием углеродных нанотрубок, ПАВ, полиурета-нового клея и органических растворителей. Датчик может быть применен в качестве сенсора в изделиях носимой электроники и элемента гибких систем и механизмов в робототехнике. Преимуществом датчика является возможность быстрого изменения формы, диапазона тензочувствительности и пределов измеряемых деформаций в сочетании с экономичностью промышленного изготовления печатным способом.
Список литературы
1. Nag A., Menzies B., Mukhopadhyay S. С. Performance analysis of flexible printed sensors for robotic arm applications // Sensors and Actuators A. 2018. Vol. 276. P. 226-236.
2. Cao J., Qin L., Liu J., Ren Q., Foo C., Wang H., Lee H.P., Zhu J. Untethered soft robot capable of stable locomotion using soft electrostatic actuators // Ext. Mechanics Lett. 2018 Vol. 21. P. 9-16.
3. White E. L., Case J. C., Kramer R. K. Multi-mode strain and curvature sensors for soft robotic applications // Sensors and Actuators A. 2017. Vol. 253. P. 188-197.
4. Nehir S.O., Keskin A., Khea D., Onal C.D. A precise embedded curvature sensor module for soft-bodied robots // Sensors and Actuators A. 2015. Vol. 236. P. 349-356.
5. An L., Lu T., Xu J., Wang Z., Xu M., Wang T. J. Soft sensor for measuring wind pressure // Int. J. of Mechanical Sciences. 2018. Vol. 141. P. 386-392.
6. Kumar A Methods and Materials for Smart Manufacturing: Additive Manufacturing, In- ternet of Things, Flexible Sensors and Soft Robotics // Manufacturing Letters. 2017. Vol. 15. P. 122-125.
7. Huang D, Liao F D. Huang, F. Liao, S. Molesa, D. Redinger and V. Subramanian Plastic-compatible low-resistance printable gold nanoparticle conductors for flexible electronics // Journal of the Electrochemical Society. 2003. Vol. 150 (7). P. 412-417.
8. Stoppa M., Chiolerio A. Wearable Electronics and Smart Textiles: A Critical Review // Sensors. 2014. Vol. 14 (7). P. 11957-11992.
9. Advances in Technical Nonwovens. Chapter 4 / ed. Kellie G. Amsterdam: Elsevier. 2016. P.115-132.
10. Omrani F. [et al.]. Analysis of the deformability of flax-fibre nonwoven fabrics during manufacturing // Composites Part B. 2016. Vol. 116. P. 471-485.
11. Dal Pra I. [et al.]. De novo engineering of reticular connective tissue in vivo by silk fibroin nonwoven materials // Biomaterials. 2005. Vol. 26. P. 1987-1999.
12. Liu Z. H., Pan C. T., Yen C. K. [et al.]. Crystallization and mechanical behavior of the ferroelectric polymer nonwoven fiber fabrics for highly durable wearable sensor applications // Applied Surface Science. 2015. Vol. 346. P. 291-301.
13. Pai C. L. [et al.]. On the importance of fiber curvature to the elastic moduli of electrospun nonwoven fiber meshes // Polymer. 2011. Vol. 52. P. 6126-6133
14. Савельев М. А., Комарова Л. Ю., Кондратов А. П. Адаптация синтетических нетканых материалов для использования в полиграфическом производстве // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2016. № 2. С. 44-54.
15. Пат. 162366 Российская Федерация, МПК D 21 G 7/00. Устройство активации поверхности тканей из плоских полимерных волокон и нетканных материалов при печати / Кондратов А. П., Назаров В. Г., Дедов А. В., Ермакова И. Н., Савельев М. А., Комарова Л. Ю. № 2015135611/12; заявл. 24.08.2015; опубл. 10.06.2016, Бюл. № 16.
16. Журавлева Г. Н., Комарова Л. Ю., Кондратов А. П. Активация запечатываемой поверхности гибкой упаковки из полипропилена обработкой растворителями // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2015. № 1. С. 20-26.
17. Бокова Е. С. Волокнисто-пористые композиционные материалы с использованием бикомпонентных волокон. М.: Изд-во МГУДТ, 2011. 203 с.
18. Савельев М. А., Кондратов А. П. Физическое моделирование движения частиц водоразбавляемой краски при каплеструйной печати на полимерных пленках // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2015. № 2. С. 37-43
19. Дедов А. В., Ермакова И. Н., Журавлева Г. Н., Кондратов А. П. Подготовка нетканых материалов к цифровой маркировке каплеструйными печатными устройствами // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2015. № 6. С. 21 - 26.
20. Кондратов А. П., Савельев М. А., Журавлева Г. Н. Массоперенос расплавленной фотополимерной композиции при проявке флексографских форм по технологии Fast DuPont // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2016. № 4. С. 46-55.
21. Shakoor A., Baig G.A., Tausif M., Gillani Q.Z. Pigment and disperse printing of needle-punched polyethylene terephthalate nonwovens // Dyes and Pigments. 2016. Vol. 136. P. 865-872.
22. Li Z., Ye L., Shen J., Xie K., Li Y. Strain-gauge sensoring composite films with self-restoring water-repellent properties for monitoring human movements // Composites Communications. 2018. Vol. 7. P. 23-29.
23. Khirotdin R. K., Cheng T. S., Mokhtar K. A. Printing of Conductive Ink on Textile using. Silkscreen Printing // Journal of Engineering and Applied Sciences. 2016. Vol. 11(10). P. 6619-6624.
