注塑成型工艺对炭黑/聚丙烯导电复合材料压阻传感性能的影响

Effect of Injection Molding Process on Piezoresistive Sensing Performance of Carbon Black/Polypropylene Conductive Composites

摘要

为考察注塑成型工艺对炭黑（CB）/聚丙烯（PP）导电复合材料压阻传感性能的影响，通过熔融共混与注塑成型制备CB质量分数为8.5%的CB/PP复合材料，系统考察注射温度、注射压力、注射速度和保压时间对体积电阻率、结晶度、力学性能及压阻传感性能的影响。结果表明：工艺参数通过协同调控基体结晶结构与CB三维导电网络拓扑形态，共同决定材料的初始电阻与压阻响应。适度提高注射温度可降低黏度，促进CB再分散并形成更连通的导电通路，温度过高则因热运动破坏CB团簇而使电阻回升。当注射温度为220 ℃、注射压力为80 MPa、注射速度为40 mm/s、保压时间为8 s时，试样获得的最低体积电阻率为4.8×10² Ω·cm，线性段灵敏度系数为11.4，响应和恢复时间分别为85 ms和98 ms，且5 000次循环后信号稳定。注塑工艺对压阻传感性能的影响呈显著非线性耦合，合理的工艺窗口是获得高性能柔性应变传感器的关键。

Abstract

To investigate the effect of injection molding process on the piezoresistive sensing performance of carbon black (CB)/polypropylene (PP) conductive composites, CB/PP composites with a CB mass fraction of 8.5% were prepared via melt blending and injection molding. The effect of injection temperature, injection pressure, injection speed, and holding time on the volume resistivity, crystallinity, mechanical properties, and piezoresistive sensing performance were systematically examined. The results showed that the process parameters jointly determined the initial resistance and piezoresistive response of the material by synergistically regulating the crystalline structure of the matrix and the topological morphology of the CB three-dimensional conductive network. A moderate increase in injection temperature reduced the viscosity, promoted CB re-dispersion, and formed a more connected conductive pathway; however, excessively high temperatures caused the resistance to rebound due to thermal motion disrupting the CB agglomerates. When the injection temperature was 220 ℃, the injection pressure was 80 MPa, the injection speed was 40 mm/s, and the holding time was 8 s, the specimen achieved the lowest volume resistivity of 4.8×10² Ω·cm, a linear sensitivity coefficient of 11.4, response and recovery times of 85 ms and 98 ms, respectively, and stable signals after 5 000 cycles. The effect of the injection molding process on the piezoresistive sensing performance exhibited significant nonlinear coupling, and a reasonable process window was the key to obtaining high-performance flexible strain sensors.

Graphical abstract

关键词

炭黑 / 聚丙烯 / 导电复合材料 / 注塑成型 / 压阻效应 / 应变传感

Key words

CB / PP / Conductive composites / Injection molding / Piezoresistive effect / Strain sensing

柔性应变传感器在可穿戴电子、电子皮肤、人体运动监测和软体机器人等领域应用广阔，其关键是在大变形和长期循环加载下保持稳定的电信号输出^[1-3]。基于导电聚合物复合材料(CPCs)的压阻型传感器因结构简单、易加工、成本低而备受关注^[4-6]。CPCs由热塑性基体与导电填料共混制备，当填料体积分数超过渗流阈值时，可形成三维导电网络；受力时，网络连通-断裂的可逆重构使电阻随应变变化(压阻效应)，其灵敏度以灵敏度系数(F_{\mathrm{G}})表征^[7-10]。炭黑(CB)价廉，导电稳定，是工业化导电塑料应用最广的填料；聚丙烯(PP)密度低，综合性能与加工性优异^[11-16]。CB/PP复合材料兼顾二者优势，在防静电、电磁屏蔽和压阻传感方面兼具成本与量产优势^[17-19]。但PP结晶形成的球晶会将CB排挤至非晶相，使导电网络对加工历史高度敏感。注塑成型是大宗导电塑料最重要的成型方式^[20-23]，其高剪切^[24-25]、高压力和快速冷却^[27-28]会同时影响基体结晶与填料网络演化。然而，已有研究多关注模压、挤出等准静态工艺，系统量化不足，缺乏对线性范围、滞回、响应时间和循环稳定性的协同评估以及对工艺-网络拓扑耦合机制的深入分析^[29-30]。

为此，本文以CB质量分数为8.5% (略高于渗流阈值)的CB/PP复合材料为对象，采用单因素实验考察注射温度、注射压力、注射速度和保压时间对体积电阻率(ρ_v)、力学性能、结晶度及压阻传感性能的影响，结合结晶结构与CB网络拓扑演化进行讨论，以期为柔性应变传感器用CB/PP复合材料的工艺优化提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

PP，T30S，均聚级，熔体质量流动速率(MFR)为3.0 g/10 min (2.16 kg，230 ℃)，密度0.910 g/cm³，中国石化兰州石化分公司；CB，VXC-72，平均粒径约30 nm，吸油值178 cm³/100 g，比表面积约250 m²/g，美国卡博特公司；抗氧剂1010和168，工业级，瑞士先正达分销；硬脂酸，化学纯，上海凌峰化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

同向双螺杆挤出机，SHJ-30，南京杰恩特机电有限公司；微型注塑机，WZS10D，上海新硕精密机械有限公司；万能材料试验机，UTM-2502，深圳三思纵横科技股份有限公司；高阻计，ZC-90G，上海太欧电子有限公司；数字源表，Keithley 2450，美国泰克公司；差示扫描量热仪(DSC)，214 Polyma，德国耐驰公司；动态力学分析仪(DMA)，Q800，美国TA仪器公司；旋转流变仪，MCR 302，奥地利安东帕公司；真空干燥箱，DZF-6020，北京中兴伟业仪器有限公司；电子天平，JA2003N，上海越平科学仪器有限公司。

1.3 样品制备

将PP粒料和CB粉末在80 ℃真空干燥箱中预干燥6 h，按CB和PP质量比为8.5∶91.5进行预混，同时加入质量分数均为0.2%的抗氧剂1010和抗氧剂168以及质量分数为0.3%的硬脂酸作为加工助剂。将预混料经同向双螺杆挤出机熔融共混，挤出机各段温度(自加料口至机头)设定为170、185、200、210、210、205 ℃，螺杆转速200 r/min，挤出物经水浴冷却后切粒，得到CB/PP母粒。

母粒在80 ℃下干燥4 h后，采用微型注塑机注塑成型为哑铃形拉伸试样(标距25 mm，宽4 mm，厚2 mm)和矩形条状电阻试样(70 mm×10 mm×2 mm)。注塑工艺基准参数：注射温度220 ℃，注射压力80 MPa，注射速度40 mm/s，保压压力60 MPa，保压时间8 s，冷却时间25 s，模具温度40 ℃。表1为注塑成型工艺单因素实验设计。在单因素实验中，注射温度、注射压力、注射速度和保压时间依次按表1所列水平变化，其余参数保持基准值。每组工艺至少注塑10个试样，以保证统计可靠性。

1.4 性能测试与表征

ρ_v测试：将矩形条状试样两端用导电银浆涂覆并固化6 h后压紧铜箔作为电极，对于ρ_v高于10⁶ Ω·cm的试样采用高阻计测量；低于10⁶ Ω·cm的试样采用Keithley 2450数字源表四线法测量。在25 ℃、相对湿度45%的恒温恒湿环境下，每个试样测试5次，取平均值。ρ_v计算公式为：

{\rho }_{\mathrm{v}}=R·A/L(1)

式(1)中：ρ_v为体积电阻率，Ω·cm；R为测得的直流电阻，Ω；A为试样横截面积，cm²；L为两电极之间的距离，cm。

拉伸性能测试：依据GB/T 1040.2—2022在万能材料试验机上进行，十字头速度50 mm/min，温度23 ℃，每组试样测试5个，取平均值，记录拉伸强度(σ_T)、断裂伸长率(ε_b)和弹性模量(E)。

压阻传感性能测试：将哑铃形试样两端的电极区域用绝缘胶带保护，沿标距方向涂覆银浆并贴附铜导线，将试样固定在万能材料试验机上，以5 mm/min的速率施加拉伸位移至最大应变5%，数字源表同步以50 ms间隔采集试样电阻信号。压阻传感的核心指标F_{\mathrm{G}}和滞回率(H)计算公式为：

F_{\mathrm{G}}=(\mathrm{\Delta }R/R_{\mathrm{0}})/\epsilon(2)

H=(R_{\mathrm{L}}-R_{\mathrm{U}})/R_{\mathrm{L},\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}(3)

式(2)~式(3)中：R₀为试样的初始电阻，Ω；R_L和R_U分别为加载和卸载过程在相同应变下的电阻，Ω；R_L，max为加载过程最大应变处的电阻，Ω；ε为拉伸应变；ΔR为试样在ε下的电阻变化，Ω。

动态响应与循环稳定性测试：采用万能材料试验机施加0.5%阶跃应变，数字源表以10 ms间隔采集电阻信号，将相对电阻变化达到稳态值90%所需时间定义为响应时间(τ_r)，将卸载后相对电阻变化下降至峰值10%所需时间定义为恢复时间(τ_d)。循环加载实验在1 Hz频率下进行，应变幅值2%，连续记录5 000次循环。

结晶与动态力学行为表征：采用差示扫描量热仪，在氮气保护(40 mL/min)下以10 ℃/min的升温速率从30 ℃升至200 ℃，计算结晶度(X_c)。

DMA测试：动态力学分析仪采用单悬臂模式，频率1 Hz，应变幅值0.05%，以3 ℃/min的速率从-40 ℃升至120 ℃，记录储能模量(E')随温度的变化。熔体流变行为采用旋转流变仪以平行板模式表征，200~240 ℃，角频率范围0.1~100.0 rad/s，应变1%(线性黏弹区内)。

2 结果与讨论

2.1 注射温度对ρ_v与X_c的影响

注射温度直接决定熔体黏度、分子链运动能力及CB粒子的再分散行为，对导电网络结构影响最为显著。在注射压力为80 MPa、注射速度为40 mm/s、保压时间为8 s的条件下，探究注射温度对CB/PP复合材料ρ_v和X_c的影响，结果如图1所示。从图1可以看出，ρ_v随注射温度的升高呈先降后升的趋势。温度为190 ℃时，ρ_v高达8.6×10³ Ω·cm；温度为220 ℃时，ρ_v降至5.2×10² Ω·cm (降幅逾一个数量级)；继续升温至240 ℃，ρ_v又回升至1.6×10³ Ω·cm。这主要源于两种竞争机制：较高温度能够降低熔体黏度，使CB团聚体更易解聚分散、形成更多导电通路而降低电阻；温度过高则CB热运动加剧，冷却时间延长，部分CB-CB接触被分子链“再润湿”而失去，导电网络反而稀疏化。X_c随温度的升高单调上升，由190 ℃时的41.2%增至50.4%，220 ℃以上趋于饱和。高温消除了母粒残留微晶“记忆”，PP链获得更充分的取向与折叠空间。X_c升高进一步将CB排挤至非晶相窄通道，提高其局部浓度而利于成网，恰与220 ℃附近ρ_v最低值相呼应。综合可见，220 ℃是兼顾“低黏分散”与“晶区富集”的最优注射温度。

2.2 注射压力对ρ_v的影响

在注射速度为40 mm/s、保压时间为8 s的条件下，在200、220、240 ℃下将注射压力由40 MPa升至140 MPa，考察压力-温度耦合规律。图2为注射压力对CB/PP复合材料ρ_v的影响。从图2可以看出，各温度下，ρ_v随压力的增加均呈先降后升的趋势，最低值出现在80~100 MPa。低压区(40~60 MPa)熔体充模不充分，存在空隙、熔接痕和密度不均，CB难以连续成网，ρ_v偏高。提高压力使填充致密，CB粒子相互靠近，接触概率上升，ρ_v快速下降。压力超过120 MPa后，ρ_v回升，浇口与模腔过渡区的极高剪切使CB沿流向取向，垂直流动方向上的网络部分断开，加之高压压缩在冷却定型后释放内应力，产生微裂纹，进一步降低网络连续性。比较3条曲线，220 ℃下，ρ_v整体最低且最低点更深，再次印证2.1中的判断，温度过低或过高时，即使采用最佳压力也难达220 ℃的注射温度水平。

2.3 注射速度对ρ_v与力学性能的影响

注射速度决定熔体在模腔内的剪切速率和填充时间，直接影响CB粒子在流场作用下的取向、分布以及基体的取向结晶程度。在注射温度为220 ℃、注射压力为80 MPa、保压时间为8 s的条件下，探究注射速度对CB/PP复合材料ρ_v与拉伸强度的影响，结果如图3所示。从图3可以看出，ρ_v随注射速度的增加呈现“先缓后陡”的单调上升趋势。在20~40 mm/s范围内，ρ_v从4.8×10² Ω·cm上升至5.6×10² Ω·cm，增幅较小；当注射速度升至80 mm/s以上时，ρ_v快速增大近一个数量级；当注射速度升至120 mm/s时，ρ_v已经接近3.1×10³ Ω·cm。这一现象可由“剪切-取向”耦合机制解释：较低注射速度对应较弱剪切场，CB粒子保持随机取向，冷却定型时仍能维持三维互联网络；高注射速度对应高剪切场，CB一次结构沿流向被显著拉伸取向，使垂直流动方向上的粒子间距增大、有效接触点减少，同时PP基体强烈链段取向进一步排挤CB粒子，共同导致导电网络的网格化结构破坏。拉伸强度则呈现明显的“先升后降”双峰特征，在60 mm/s附近达到极大值30.2 MPa。适度剪切场促进PP分子链取向并形成较好的串晶结构，提高轴向力学性能。速度过低则结晶不充分，取向不足，强度偏低；速度过高则引入较大内应力和取向不均，使强度下降。值得指出的是，ρ_v最低区(20~40 mm/s)与拉伸强度最高区(60 mm/s)并不完全重合，需要在传感性能与力学性能之间权衡。对于以传感为主、力学要求适中的应用，选择40 mm/s既能保证较低ρ_v，又能获得接近最优的拉伸强度。

2.4 保压时间对ρ_v及电阻一致性的影响

保压阶段是注塑成型中弥补熔体冷却收缩、保证制品尺寸稳定的关键阶段，保压时间直接影响制品内部密度分布与残余应力。在注射温度为220 ℃、注射压力为80 MPa、注射速度为40 mm/s的条件下，探究保压时间对CB/PP复合材料ρ_v及电阻相对标准偏差的影响，结果如图4所示。从图4可以看出，ρ_v在2~8 s内随保压时间的延长而显著下降，从1.9×10³ Ω·cm降至4.8×10² Ω·cm。继续延长保压时间至15 s (表1所列水平之外的补充验证点)，ρ_v基本不再变化，稳定在5.0×10²~5.7×10² Ω·cm之间。这表明保压时间至少需达8 s，才能保证熔体在模腔内完全致密化，使CB导电网络在冷却定型前充分形成。保压时间不足时，补料未能抵消熔体冷却收缩，制品内部存在微小空洞或低密度区，形成对电流的高阻“局部岛屿”。

电阻一致性指标电阻相对标准偏差反映批量试样间电阻的离散程度。电阻相对标准偏差从2 s时的18.3%快速下降至8 s时的4.6%，说明充分保压不仅降低平均注射温度，也显著降低试样间差异。对于工业批产的应变传感器，电阻一致性甚至比平均值更关键，它决定了相同采集电路在不同样品上的可替换性与良品率。保压时间延长至10 s以上时，电阻相对标准偏差略回升至5%左右，可能与残余应力增大、局部结晶不均有关。综合电阻水平、电阻一致性与生产节拍，本研究建议保压时间设为8 s。

2.5 不同工艺条件下CB/PP复合材料的力学性能

为了直观比较不同注塑工艺下试样的综合力学性能，选取4个代表性工艺组合A~D，分别测试其拉伸强度、断裂伸长率和弹性模量。表2为代表性工艺条件下CB/PP复合材料的力学性能。这4组工艺并非随机选取，而是依据前述单因素实验结果，在所考察的工艺空间中选取的代表性特征点：工艺A对应注射温度、注射压力和保压时间均偏低的“欠填充”工况；工艺B为各参数均处于优化中等水平的最优工艺窗口；工艺C在最优注射温度下进一步提高注射压力与注射速度以引入较强剪切场；工艺D则代表高温、高压、高速叠加的激进工况。4种工艺由温和到剧烈依次过渡：A对应偏低注射温度(200 ℃)并叠加低压力、短保压时间的温和工况；D对应所考察注射温度上限(240 ℃)的激进工况，B与C在相同最优注射温度(220 ℃)下区分剪切强弱，从而能够覆盖注塑工艺对综合力学性能影响的主要变化区间。从表2可以看出，在工艺B条件下所得试样在拉伸强度和断裂伸长率两项指标上同时取得最佳值，弹性模量也处于中等偏高水平，说明220 ℃、80 MPa、40 mm/s、8 s的“温和-适中”工艺有利于综合力学性能。在工艺D条件下所得试样弹性模量略高(1 750 MPa)，但断裂伸长率仅12.8%，说明过高注射温度配合高压、高速会显著降低韧性，因高剪切引入的取向应力在冷却中转化为残余应力，使试样宏观表现出“脆”的行为。工艺A因注射温度和保压时间均偏低，熔体填充不充分，结晶不完全，所得试样各项力学指标均较低。可见，适宜的注塑工艺可使CB/PP复合材料在获得最佳压阻传感性能的同时，兼顾作为承载结构所需的力学完整性。

2.6 注塑工艺对CB/PP复合材料压阻响应的影响

ρ_v仅表征静态导电水平，而对传感器应用更具决定意义的是材料在外加应变作用下的压阻响应。在注射压力为80 MPa、注射速度为40 mm/s、保压时间为8 s的条件下，探究不同注射温度下ε对CB/PP复合材料的相对电阻变化(ΔR/R₀)曲线的影响，结果如图5所示。从图5可以看出，所有曲线均呈现典型的“线性-非线性-近饱和”三段式特征。在应变小于约1%的“线性段”，ΔR/R₀与ε近似呈线性关系，对应CB-CB接触点隧穿电阻随粒间距离的指数变化；在1%~4%的“非线性段”，曲线明显上翘，反映导电网络在拉伸方向成片接触断开，电流路径快速减少；应变超过4%后曲线趋于饱和，连通路径显著减少，残余路径主要由垂直流动方向的“侧支”提供，继续拉伸影响较弱。比较不同注射温度可见，220 ℃试样在整个应变区内的ΔR/R₀均最大，且非线性段斜率最陡，说明该工艺下导电网络兼具“高初始连通性”和“高拓扑敏感性”，网络在应变下更易发生连通-断裂的可逆重组，这是高灵敏度的关键。

为定量评估，按式(2)分别计算各试样在线性段(ε<1%)和非线性段(1%<ε<4%)的F_{\mathrm{G}}。图6为注射温度对CB/PP复合材料F_{\mathrm{G}}的影响。从图6可以看出，F_{\mathrm{G}}随注射温度的变化呈先升后降的趋势，峰值对应注射温度均为220 ℃，该注射温度下线性段F_{\mathrm{G}}达11.4，非线性段F_{\mathrm{G}}高达32.5。过低温度下试样中CB分散不充分，导电通路中存在大量“长隧穿距离”接触，对应变的指数响应大，但初始ρ_v高，绝对电阻变化也大，反而使F_{\mathrm{G}}较低。过高温度下，试样初始ρ_v合理，但接触点几何分布过于均匀，缺乏“近临界”接触点，需要更大形变才能引起显著连通性变化，F_{\mathrm{G}}随之下降。220 ℃的最优值正是“网络密度足够高”与“近临界接触点丰度高”两个条件平衡的结果。

2.7 综合传感性能与稳定性

将不同注射温度下(注射压力80 MPa、注射速度40 mm/s、保压时间8 s)试样的传感性能汇总，包括线性段F_{\mathrm{G}}、线性工作范围(ε_L)、H和经5 000次循环后电阻基线漂移率(ΔR_B)。表3为CB/PP复合材料的综合压阻传感性能。从表3可以看出，在注射温度220 ℃下，试样不仅具有最高的线性段F_G，其ε_L (1.1%)、H (5.6%)和ΔR_B(1.9%)也均处于最佳水平。低温试样(190~200 ℃)导电网络稀疏，接触点对应力松弛敏感，H和ΔR_B均较高；高温试样(230~240 ℃) ρ_v虽低，但取向性破坏使网络对循环加载更敏感，ΔR_B略大。可见，注射温度不仅影响静态电阻和瞬时灵敏度，更深刻影响传感器的长期可靠性与重复性。

图7为注射温度为220 ℃和240 ℃时CB/PP复合材料在1 Hz循环加载下ΔR/R₀曲线。从图7可以看出，220 ℃试样在连续循环过程中ΔR/R₀峰值稳定保持在约0.48，峰谷一致性好，曲线噪声低，形状对称，表明该工艺下导电网络在循环应变下表现为良好的“弹性”重构。相比之下，240 ℃试样ΔR/R₀峰值明显低于220 ℃试样(约0.22)，且谷值随时间逐步上移，出现明显的基线漂移和不对称回复，说明过高注射温度下CB-CB接触在循环应变中存在部分“不可逆滑移”，部分新接触在卸载后未完全回退，使电阻基线在循环中累积上漂。

响应速度是传感器捕捉快速运动信号的关键指标。图8为注射温度为200、220、240 ℃时CB/PP复合材料在0.5%阶跃应变下的加载响应与卸载恢复。从图8a可以看出，220 ℃试样响应曲线最为陡峭，稳态相对电阻变化最大，τ_r=85 ms；200 ℃和240 ℃试样响应明显平缓，响应时间分别为142 ms和197 ms。从图8b可以看出，卸载恢复呈现相似规律，220 ℃试样以98 ms的τ_d回归基线，残差为零；240 ℃试样的恢复曲线在超过800 ms后趋于非零稳态，残差约为初始峰值的8%，与图7的基线漂移相对应。上述响应/恢复差异表明，220 ℃试样导电网络重组速度最快，可逆性最好，这是其在动态传感应用中最具优势之处。

2.8 结晶结构与动态力学行为的关联分析

为深入理解注塑工艺对压阻传感性能影响的内在机理，需要将其与基体的结晶结构、链段松弛行为联系起来。在注射压力为80 MPa、注射速度为40 mm/s、保压时间为8 s的条件下，探究CB/PP复合材料的DSC曲线，结果如图9所示。从图9可以看出，所有试样在162~165 ℃出现α晶型PP的特征熔融峰。随注射温度升高，熔融峰由161.8 ℃缓慢右移至164.5 ℃，峰形由较宽的“双肩”收窄并对称化，表明高温熔体得到的晶片厚度更均匀、完善度更高。结合图1中X_c随温度单调上升的规律，可推断高注射温度下PP分子链有充分时间完成折叠取向，形成厚度更均匀、缺陷更少的片晶。这种结晶结构对CB网络具有双重影响：一方面晶区有效“排挤”作用增强，使CB粒子在非晶相窄区浓度提高，利于网络初始形成；另一方面晶区高刚性使外加应变主要集中于非晶相，这对压阻信号既是“放大器”也是“破坏器”。适度应变集中有利于灵敏度提升，过度则使网络遭到脆性破坏。

图10为注射温度为200、220、240 ℃时CB/PP复合材料的E'。从图10可以看出，在-40~120 ℃整个温度区间内，220 ℃试样的E'均高于200 ℃和240 ℃试样，-40 ℃玻璃态平台处分别为2 240、1 850、1 980 MPa。。这与表2中拉伸弹性模量趋势一致，反映出220 ℃对应的结晶结构最完善，其分子链协同松弛能力(玻璃态向高弹态过渡区的E'下降区)也最为陡峭。这种“刚性骨架-弹性非晶”协同的微结构，使试样在动态应变下既保持稳定几何形状，又保证CB网络在非晶相中获得有效的“应变放大”。从机理看，这正是220 ℃试样兼具高灵敏度与高循环稳定性的根本原因。

综上所述，可以建立“注塑工艺-基体结晶-CB网络拓扑-压阻响应”的内在关联。注射温度通过调节熔体黏度、分子链扩散能力和PP结晶动力学，决定CB粒子的再分散程度与晶/非晶相界面清晰度。注射压力主要影响充模致密性和粒子间接触概率，过高时因强剪切引起粒子取向。注射速度决定流场剪切速率与取向程度，是CB一次结构在流向“被拉伸-解聚-再聚集”动态平衡的主导因素。保压时间关系到致密化是否充分，是降低试样间一致性差异的关键。当4个参数处于本文优化的中等水平时，所形成的CB网络兼具较低初始电阻、丰富的近临界接触点和高度可逆的应变重构能力，因而在静态、动态及循环工况下均表现出最优的压阻传感性能。

3 结论

本文通过单因素实验系统考察了注射温度、注射压力、注射速度和保压时间对8.5% CB/PP导电复合材料电阻、X_c、力学性能和压阻传感性能的影响。注射温度对ρ_v的影响呈先降后升的趋势，220 ℃时，ρ_v达最小值，为4.8×10² Ω·cm，此时X_c由190 ℃的41.2%升至50.4%并趋于饱和，实现了“低黏分散”与“晶区排挤”两种机制的最优耦合。注射压力的影响呈先降后升的趋势，最佳区间为80~100 MPa。压力过低，充模不足；压力过高，因强剪切致CB粒子取向，均使ρ_v回升。注射速度的增大使ρ_v单调上升，而拉伸强度呈“先升后降”的双峰特征，40~60 mm/s可兼顾较低ρ_v与较高综合力学性能。保压时间需达8 s，以保证致密化。同时，将同批10个试样的电阻相对标准偏差控制在5%以内，对批量生产一致性至关重要。

综上所述，最优工艺窗口为注射温度220 ℃、注射压力80 MPa、注射速度40 mm/s、保压时间8 s，该条件下试样获得线性段F_G为11.4，ε_L为1.1%，τ_r和τ_d分别为85 ms和98 ms，5 000次循环后ΔR_B仅为1.9%。DSC与DMA结果表明，优化工艺下试样具有最完善的结晶结构和最陡峭的玻璃化转变，形成了“刚性骨架-弹性非晶”协同微结构，这是其压阻传感性能优异的根本机理。研究可为CB/PP柔性应变传感器的工艺优化与工业化制造提供参考。

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基金资助

河南省科技攻关计划项目(232102210037)