Nous sensors basats en silicones dielèctriques

Els tubs flexibles de silicona són àmpliament utilitzats en diferents sectors industrials, com el farmacèutic o l’alimentari, per les seves propietats mecàniques i per la seva compatibilitat amb els seus processos productius. El monitoratge de la pressió dels fluids durant aquests processos de fabricació és un paràmetre crític per tal d’assegurar el seu control i la seva seguretat. Els sensors de pressió emprats actualment requereixen contacte directe amb el fluid i d’adaptadors rígids, incrementant les zones de retenció i el perill de contaminacions i dificultats de manteniment i muntatge. Una solució per superar aquestes limitacions són els sensors flexibles, unes tecnologies molt recents i en procés de transferència industrial.

A la seva tesi doctoral realitzada a IQS, el Dr. Joaquim M. Rius Bartra ha dut a terme el desenvolupament d’un sensor capacitiu de pressió, flexible, integrat en els tubs de silicona, sense contacte directe amb els fluids i de baix consum elèctric, per al monitoratge de processos productius farmacèutics o alimentaris. Sota el títol Desenvolupament de noves silicones dielèctriques i la seva aplicació en sensors, la tesi es va realitzar al Grup d’Enginyeria de Materials GEMAT d’IQS, sota la direcció del Dr. Salvador Borrós i la Dra. Núria Agulló, amb la col·laboració de la Sra. Norma Ferrer, R&D Manager de Venair Ibérica, empresa especialista en el disseny i creació de solucions innovadores de transferència de fluids mitjançant tubs flexibles de silicona.

La silicona dielèctrica és un material idoni per obtenir aquest tipus de sensors, per ser utilitzats dins del mateix tub de silicona i resistent a elevades temperatures. Ara bé, el rendiment del sensor depèn de la seva constant dielèctrica, que incrementa la capacitància, i del mòdul de Young, que determina la facilitat de deformació del sensor.

En una primera part de la recerca, el Dr. Rius va realitzar l’estudi per adaptar la tècnica d’impedància per a la caracterització dielèctrica de silicones. En una segona fase de la tesi, es va procedir a formular i desenvolupar els compòsits de silicona dielèctrica per optimitzar la constant dielèctrica i el mòdul de Young dels sensors. Es va proposar l’ús de partícules multicapa, amb nucli d’òxid de titani i una capa d’òxid d’estany dopat amb òxid d’antimoni (ATO), juntament amb una matriu de silicona d’alta consistència amb grups vinils terminals (VIT). Les partícules ATO incrementen de forma eficient la constant dielèctrica del sensor, mentre que la matriu VIT ha mostrat una elevada flexibilitat, presentant valors de mòdul de Young baixos en els compòsits testats. La presència dels grups VIT també confereix a la silicona una elevada integritat mecànica, característica necessària per poder evitar la ruptura de la mateixa en ser manipulada.

Amb aquest nou material desenvolupat en la tesi, el Dr. Rius va fabricar un prototip de sensor de pressió que ha estat integrat en els tubs de silicona, sent adaptable a diferents models de tubs comercials de silicona.

Finalment, el Dr. Rius va dissenyar un sistema electrònic per obtenir les dades de lectura del sensor, partint de la deformació mecànica del mateix i convertint els senyals en dades digitals. La caracterització final dels prototips de sensors ha mostrat una resposta lineal amb la pressió interna del tub. Els tests de temperatura realitzats van mostrar una elevada estabilitat tèrmica dels sensors, que els permet treballar a temperatures elevades.

En paraules de Norma Ferrer, “el treball del Dr. Rius ha estat molt enriquidor per l’empresa, ja que no només ha abastat una àrea purament de recerca, també ha conclòs en un prototip funcional. A Venair, aquesta tesi ens obre la porta a seguir treballant en aquest tema d’una manera ja molt enfocada”

Publicació relacionada

Joaquim M. Rius, Norma Ferrer, Núria Agulló, Salvador Borrós, High-consistency silicone rubber with reduced Young’s modulus. An industrial option to dielectric silicone rubber, Journal of Applied Polymer Science, 140, issue 37, 2023

Aquesta tesi s’ha realitzat dins del Pla de Doctorats Industrials 2018 de la Generalitat de Catalunya, en la modalitat de cofinançament entre IQS School of Engineering (Universitat Ramon Llull) i l’empresa Venair Ibérica.