Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Drucksensor mit polymerer Komponente, sowie eine Schutzkleidung in den ein entsprechender Drucksensor integriert ist.

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.

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 Game oder nicht mit den erwünschten polymeren Beschichtungen kompatibel sind, wie es bei den gedruckten Sensoren der Fall ist.

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 ds bestimmen. Der Messbereich ist jedoch beschränkt auf den Bereich zwischen der Leitfähigkeit so im unbelasteten Zustand und der maximalen Leitfähigkeit G _max im belasteten Zustand. Binäre Systeme haben den Nachteil, dass die Änderung der Leitfähigkeit ds, bedingt durch die isolierende Wirkung des Binders zwischen den leitfähigen Pfaden, relativ gering ist. Es ist wünschenswert die Differenz der Leitfähigkeit ds zwischen so und G _max zu maximieren, wobei eine Obergrenze für G _max durch die Leitfähigkeit der eingebetteten Partikel gegeben ist und die Untergrenze für so durch die Leitfähigkeit des Binders bedingt ist.

Aus DE 1 465 966 ist ein elastisch verformbares Material mit einem zellartigen Aufbau bekannt geworden, bei dem zumindest teilweise offene Zellen vorgesehen sind. Leitendes Material wird von diesem Material aufgenommen. Brechen die Zellen zusammen, so geraten benachbarte Teilchen in Kontakt und erhöhen die Leitfähigkeit.

Aus US 2008/0067477 Al ist ein Polymerkörper bekannt, in dem elektrische Teilchen mit einer sphärischen Form und einem Durchmesser von 0,05 bis 100 pm eingebracht sind, wobei diese einen Volumenanteil von mehr als 30 Vol.-% aufweisen.

Aus US 2014/0260653 Al ist ein elastisches Polymer bekannt geworden, das mit elektrisch leitenden Nanopartikeln und elektrisch leitenden Stabilisatoren ausgestattet ist, wobei die Stabilisatoren ungefähr 1 bis 7 GEW.-% und die leitenden Nanopartikel ungefähr 5 bis 30 GEW.-% aufweisen.

Aus DE 600 11 078 T2 sind Strukturen mit einem veränderlichen Leitwert bekannt geworden, bei denen ein elastisches Polymermaterial mit einem leitfähigen Füllstoff, beispielsweise aus Metall oder Metalloxid versetzt wird, wobei die leitfähigen Füllstoffteilchen in den Hohlräumen des Polymermaterials angeordnet sind.

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.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Drucksensor nach Anspruch 1 und eine Schutzkleidung nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

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.

Das erfindungsgemäße zumindest ternäre System vergrößert die Differenz der Leitfähigkeit ds im Vergleich zu bekannten binären Systemen und erweitert somit den zugänglichen Messbereich. Erfindungsgemäß 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.

Erfindungsgemäß sind die elektrisch leitfähigen Additive innerhalb des Binders 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, sodass der erfindungsgemäße Drucksensor sowohl mit offen- als auch mit geschlossen-porigen Strukturen realisierbar ist. 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 so. 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 G _max als im binären System führt.

In einer 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 so und G _max zeigt die Leitfähigkeit s(R) ein nichtlineares Verhalten in Abhängigkeit vom ausgeübten Druck P. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Drucksensors ist die Leitfähigkeit so im unbelasteten Zustand von der Konzentration der elektrisch leitfähigen Additive abhängig. Dabei ist so umso größer je höher die Konzentration der elektrisch leitfähigen Additive ist. Die Konzentration ist bevorzugt so zu wählen, dass so möglichst niedrig ist, es sich jedoch unter Belastung noch genügend leitfähige Pfade ausbilden können.

Bevorzugt ist ein Messbereich für den Drucksensor vorgesehen. In dem Messbereich ändert sich die Leitfähigkeit mit dem ausgeübten Druck stark. Die Änderung kann sprunghaft sein oder auch stetig, bevorzugt ist die Änderung der Leitfähigkeit proportional zu dem ausgeübten Druck. Außerhalb des Messbereichs, also wenn der ausgeübte Druck kleiner oder größer als der Messbereich ist, dann nähert sich die Leitfähigkeit asymptotisch der minimalen bzw. der maximalen Leitfähigkeit an.

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.

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.

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.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Drucksensors bestehen die Gaseinschlüsse aus Luft und werden mechanisch in den Binder eingebracht und beim Aushärten in diesem fixiert. Alternativ können andere Gase eingesetzt werden, um weitere Eigenschaften (thermische Isolation, Wärmeausdehnung, etc.) zu erzielen. Ebenfalls ist es möglich, über chemische Substanzen Gase einzubringen, wie z.B. Kohlenstoff dioxid durch die thermische Zersetzung von Carbonaten bei der Aushärtung des Binders. Darüber lassen sich ebenfalls die elektrischen Eigenschaften, aber auch die Gestalt der geschaffenen Poren (Größe, Verteilung, offene oder geschlossene Poren, etc.) beeinflussen. Bevorzugt enthalten die Binder in nicht ausgehärtetem Zustand zwischen 5 und 50 Volumen-% des Gases, bevorzugt 15 Volumen-% bis 40 Volumen-%, um eine ausreichende Sensorwirkung bei gleichzeitiger mechanischer Stabilität zu erzielen.

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, Kohlenstofffasem, Kohlenstoffnanoröhrchen oder einer Kombination dieser. Bevorzugt liegt die Dimension der Additive zwischen 0,5mm und 0,5mhi in der größten Ausdehnungsrichtung, um einerseits eine Anreicherung an der Grenzfläche zu erzielen, andererseits eine ausreichende Verarbeitbarkeit zu erhalten. Kohlenstoff-basierte Additive haben dabei gegenüber metallischen Additiven den Vorteil der geringeren Dichte und damit dem verminderten Absetzverhalten im nicht ausgehärteten Binder. Eine geeignete chemische und/oder physikalische Oberflächenmodifizierung der Additive angepasst an den eingesetzten Binder ist für den Fachmann naheliegend.

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.

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.

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.

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.

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.

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. Die Figuren 1 bis 3 zeigen schematisch das Funktionsprinzip des polymeren Drucksensors. Es zeigt:

Fig. la ein binäres System im unbelasteten Zustand und

Fig. 1 b das binäre System im belasteten Zustand,

Fig. 2 a ein ternäres System im unbelasteten Zustand und Fig. 2 b das ternäre System im belasteten Zustand, und

Fig. 3 eine Skizze des Zusammenhangs zwischen Leitfähigkeit und ausgeübtem Druck.

Figuren la) und lb) zeigen eine polymere Komponente 1 eines Drucksensors, wie er aus dem Stand der Technik (SdT) bekannt ist. In Figur la) ist die Komponente 1 im unbelasteten Zustand zu sehen. Die elektrisch leitfähigen Additive 3 sind homogen im Binder 2 verteilt. Figur lb) 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.

Figuren 2a) und 2b) zeigen ein ternäres System gemäß der Erfindung. Fig. 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 Fig. 2b) ist die Komponente 1 mit einem Druck P belastet. Die Gaseinschlüsse 4 werden zusammengedrückt und die Additive 3 kommen in Kontakt miteinander. Es werden im belasteten Zustand elektrisch leitfähige Pfade ausgebildet.

Fig. 3 zeigt schematisch die Abhängigkeit der Leitfähigkeit s der Komponente 1 zum ausgeübten Druck P. Die Leitfähigkeit hat eine Untergrenze so, die die Leitfähigkeit der unbelasteten Komponente 1 charakterisiert. Die maximale Leitfähigkeit der Komponente 1 ist durch G _max gegeben. Mit steigendem Druck P vergrößert sich die Leitfähigkeit s(R). Der Bereich P , in dem sich die Leitfähigkeit linear zum Druck verhält, ist der zugängliche Messbereich.

Beispiel 1

Ausgehend von einer Polymerdispersion auf Nitrilkautschukbasis wurde ein leitfähiger Schaum hergestellt. Dazu wurden der Dispersion 7wt% eines Metallpulvers (verkupferte Eisenpartikel, < 5pm) zugegeben und die Dispersion anschließend mit Luft auf ein Schaumlitergewicht von ca. 800g/l aufgeschäumt. Der Schaum wurde als Schicht ausgestrichen und vulkanisiert.

Beispiel 2

Aus derselben Polymerdispersion wie in Beispiel 1 wurde ein leitfähiger Schaum hergestellt, indem der Dispersion 12wt% eines Pigmentpulvers (metallisierter Glimmer; < 15pm) zugegeben und die Dispersion mit Luft auf ein

Schaumlitergewicht von ca. 800g/l aufgeschäumt wurde. Der Schaum wurde wie in Beispiel 1 als Schicht ausgestrichen und vulkanisiert. Beispiel 3

Aus derselben Polymerdispersion wie in Beispiel 1 wurde ein leitfähiger Schaum hergestellt, indem der Dispersion l,5wt% Carbonfasem (Länge < 10pm) zugegeben und die Dispersion mit Luft auf ein Schaumlitergewicht von ca. 800g/l aufgeschäumt wurde. Der Schaum wurde wie in Beispiel 1 als Schicht ausgestrichen und vulkanisiert.

Als Referenz diente die Polymerdispersion aus den Beispielen ohne Zugabe eines Additivs, aufgeschäumt auf 800g/l und als Schicht vulkanisiert.

Die Bestimmung des Durchgangswiderstands erfolgte nach Konditionierung der Proben bei 23°C ± 1 und 25+5% relativer Luftfeuchte.