Desenvolupament de noves silicones dielèctriques i la seva aplicació en sensors

Abstract

El monitoratge de la pressió dels fluids durant els processos de fabricació en les indústries farmacèutiques i alimentàries és un paràmetre crític per assegurar el control i la seguretat d’aquests. Actualment, els sensors de pressió utilitzats requereixen contacte directe i adaptadors addicionals, que disminueixen la flexibilitat i augmenta les possibilitats de contaminació, així com dificulten el manteniment i el muntatge. Els sensors flexibles són una alternativa que poden contribuir a superar aquestes limitacions, però són tecnologies molt recents i es troben en procés de transferència industrial.

Venair, empresa especialitzada en tubs flexibles de silicona, busca innovar amb el desenvolupament d’un sensor capacitiu de pressió, flexible, sense contacte directe amb els fluids i un baix consum per ser utilitzat en tecnologies sense fil. Per assegurar una bona adherència i resistència a la temperatura, la silicona dielèctrica és un material idoni per realitzar el desenvolupament. El rendiment del sensor depèn de la constant dielèctrica, que incrementa la capacitància, i del mòdul de Young, que determina la facilitat en que el sensor es pot deformar. El principal problema del desenvolupament és optimitzar ambdues propietats alhora, a més, de la pèrdua d’integritat mecànica i processabilitat.

El desenvolupament dels compòsits de silicona dielèctrica s’ha enfocat en els additius dielèctrics i la matriu de silicona. En aquest estudi, s’ha proposat l’ús de partícules multicapa TiO2@SnO2-Sb (ATO) i d’una matriu de silicona d’alta consistència (HCR) amb vinils terminals (ViT), i s’han comparat amb els compòsits que es proposen a la bibliografia. S’ha observat que les partícules ATO incrementen de forma més eficient la constant dielèctrica que les càrregues usuals sense empitjorar les propietats elèctriques. Per altra banda, la matriu ViT ha mostrat una elevada flexibilitat, presentant mòduls de Young baixos fins i tot en compòsits altament carregats, a més, d’una elevada integritat mecànica.

Amb el compòsit òptim s’han fabricat els sensors de pressió i s’han intrigat exitosament en el procés de fabricació dels tubs de Venair. Per obtenir les dades de lectura del sensor, s’ha dissenyat un circuit electrònic juntament amb Arduino®. Els prototips s’han caracteritzat i s’ha observat una resposta del sensor lineal amb la pressió interna del tub, així com el test en temperatura, ha mostrat una sensibilitat baixa a la temperatura i una elevada robustesa.

La monitorización de la presión de los fluidos durante los procesos de fabricación en las industrias farmacéuticas y alimentarias es un parámetro crítico para garantizar el control y la seguridad de éstos. Actualmente, los sensores de presión requieren de contacto directo y adaptadores adicionales, lo que disminuye la flexibilidad y aumenta las posibilidades de contaminación, además de dificultar el mantenimiento y el montaje. Los sensores flexibles son una alternativa que pueden ayudar a superar estas limitaciones, sin embargo, son tecnologías muy recientes y se encuentran en proceso de transferencia industrial.

Venair, empresa especializada en tubos flexibles de silicona, busca innovar con el desarrollo de un sensor capacitivo de presión, flexible, sin contacto directo con los fluidos y de bajo consumo para utilizarse en tecnologías inalámbricas. Para garantizar una buena adherencia y resistencia a la temperatura, la silicona dieléctrica es un material adecuado para este desarrollo. El rendimiento del sensor depende de la constante dieléctrica, que aumenta la capacitancia, y del módulo de Young, que determina la facilidad en que el sensor puede deformarse. El principal problema en el desarrollo es optimizar ambas propiedades al mismo tiempo, además de la pérdida de integridad mecánica y procesabilidad.

El desarrollo de los compuestos de silicona dieléctrica se ha enfocado en los aditivos dieléctricos y la matriz de silicona. En este estudio, se ha propuesto el uso de partículas multicapa TiO2@SnO2-Sb (ATO) y de una matriz de silicona de alta consistencia (HCR) con vinilos terminales (ViT), y se han comparado con los compuestos que se proponen en la bibliografía. Se ha observado que las partículas ATO aumentan de forma más eficiente la constante dieléctrica sin empeorar las propiedades eléctricas. Por otro lado, la matriz ViT ha mostrado una elevada flexibilidad, presentando módulos de Young bajos incluso en compuestos altamente cargados, así como una elevada integridad mecánica.

Con el compuesto óptimo se han fabricado los sensores de presión y se han integrado exitosamente en el proceso de fabricación de los tubos de Venair. Para obtener los datos de lectura del sensor, se ha diseñado un circuito electrónico junto con Arduino®. Los prototipos se han caracterizado y se ha observado una respuesta del sensor lineal con la presión interna del tubo, así como la prueba en temperatura, ha mostrado una baja sensibilidad a la temperatura y una elevada robustez.

Monitoring fluid pressure during manufacturing processes in pharmaceutical and food industries is critical for ensuring control and safety. Currently, pressure sensors used require direct contact and additional adapters, which decreases flexibility, increases the possibility of contamination, and makes maintenance and assembly more difficult. Flexible sensors are an alternative that can help to overcome these limitations. However, they are very recent technologies still in industrial transference.

Venair, a company specialized in silicone hoses, is looking to innovate with the development of a flexible capacitive pressure sensor that has no direct contact with fluids and has low power consumption for wireless technologies. To ensure good adhesion and temperature resistance, dielectric silicone is a suitable material for this development. The sensor performance depends on the dielectric constant, which increases the capacitance, and Young's modulus, where a low value increases sensitivity to deformation. The main challenge is to optimize both properties simultaneously without compromising mechanical integrity and processability.

The development of dielectric silicone composites has focused on dielectric additives and the silicone matrix. In this study, the use of TiO2@SnO2-Sb (ATO) multilayer particles and a high-consistency silicone matrix (HCR) with vinyl terminals (ViT) were proposed and compared with composites proposed in the literature. It was seen that ATO particles more efficiently increase the dielectric constant than usual charges without reducing electrical properties. On the other hand, the ViT matrix showed high flexibility, with low Young's moduli even in highly charged composites, and the composites have high mechanical integrity.

The optimal composite was used to fabricate pressure sensors and successfully integrated into Venair's hose manufacturing process. An electronic circuit was designed along with Arduino® to obtain sensor reading data. The prototypes were characterized and a linear response of the sensor with the internal pressure of the tube was seen. The temperature test showed low sensitivity to temperature and high robustness.