感知土木工程結(jié)構(gòu)超大變形的聚合物基復(fù)合材料及其制備方法與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種感知變形的聚合物基復(fù)合材料及其制備方法與應(yīng)用，特別是涉及一種感知土木工程結(jié)構(gòu)超大變形的聚合物基復(fù)合材料及其制備方法與應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]土木工程結(jié)構(gòu)涉及人類生活的方方面面，對(duì)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)有著重大的意義。土木工程結(jié)構(gòu)即建造在地上或地下、陸上或水中，直接或間接為人類生活、生產(chǎn)、軍事、科研服務(wù)的各種工程設(shè)施，例如房屋、道路、堤壩、橋梁、電站、飛機(jī)場(chǎng)以及防護(hù)工程。近幾年有大量的建筑、橋梁及其他公共設(shè)施因結(jié)構(gòu)破壞而造成了不可挽回的重大生命和經(jīng)濟(jì)損失，如果能夠很好的對(duì)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，那么就能夠盡量減少損失。所以為了保障安全，減少損失，需要對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以達(dá)到在破壞前就提前做出防護(hù)措施的目的。
[0003]對(duì)結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測(cè)，工作人員也做過大量的研宄。通常采用在結(jié)構(gòu)表面粘貼應(yīng)變片或應(yīng)變計(jì)，但是此種方法存在成本高和監(jiān)測(cè)的變形范圍小的缺點(diǎn)。近年來，隨著導(dǎo)電高分子材料研宄的全面開展，工作人員對(duì)其的拉敏、壓敏、溫敏等各種與導(dǎo)電相關(guān)的特性進(jìn)行研宄。特別是復(fù)合型導(dǎo)電聚合物，由于具有高分子材料的特性和導(dǎo)電性，且制備工藝簡(jiǎn)單，所以備受關(guān)注。目前所見報(bào)道集中于對(duì)導(dǎo)電硅橡膠的拉敏性研宄，且變形較小；但對(duì)本發(fā)明材料的拉敏研宄還未見報(bào)道。
[0004]所以，若研宄出能夠?qū)ν聊竟こ探Y(jié)構(gòu)的變形產(chǎn)生感知的聚合物基復(fù)合材料，將其鋪設(shè)在結(jié)構(gòu)表面監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)變形，特別是能夠感知土木工程結(jié)構(gòu)的超大變形，進(jìn)而可以為事故的發(fā)生提供預(yù)警，減少損失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種感知土木工程結(jié)構(gòu)超大變形的聚合物基復(fù)合材料及其制備方法與應(yīng)用，該復(fù)合材料以聚合物為基體，且這種材料是柔性的，能夠?qū)ν聊竟こ探Y(jié)構(gòu)的超大變形進(jìn)行感知。
[0006]本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種感知土木工程結(jié)構(gòu)超大變形的聚合物基復(fù)合材料，由聚丙烯酰胺、蒙脫石、水、甲基纖維素、聚乙烯吡咯烷酮和碳基材料制成而成，所述碳基材料包括碳纖維、碳納米管和炭黑，其中:以質(zhì)量比計(jì)，碳纖維:碳納米管:炭黑=2?4:10?20:15?25，水:聚丙烯酰胺:蒙脫石=10:3?4:3?5 ;碳基材料的用量為聚丙烯酰胺和蒙脫石總質(zhì)量的2.4?3.6%，甲基纖維素的用量為聚丙烯酰胺和蒙脫石總質(zhì)量的0.2?0.6%，聚乙烯吡咯烷酮的用量為碳納米管的15?25%。
[0007]一種上述聚合物基復(fù)合材料的制備方法，利用聚丙烯酰胺吸水后的粘結(jié)性，在其中填充蒙脫石制備出柔度可調(diào)的具有大變形的聚合物基材料；在聚合物基體中摻加碳基材料制備得到導(dǎo)電性良好的復(fù)合材料。具體制備步驟如下: 一、在一定量的水中加入碳纖維、碳納米管以及作為分散劑的甲基纖維素和聚乙烯吡咯烷酮，人工攪拌均勻后置于超聲波細(xì)胞粉碎儀內(nèi)分散0.5?2小時(shí)，且分散過程中保證溫度不能過高，在20?30°C左右，再用超聲波清洗器進(jìn)行分散，每次分散20?40分鐘，間隔30分鐘后進(jìn)行第二次分散，共分散4次；
二、向步驟一中得到的分散液中加入炭黑，用水泥凈漿攪拌機(jī)攪拌均勻，一邊攪拌一邊緩慢地加入拌合均勻的聚丙烯酰胺和蒙脫石，先慢速攪拌3?5分鐘，后快速攪拌5?8分鐘，24小時(shí)后進(jìn)行二次攪拌3?5分鐘即可，至此各材料分散均勻；
三、將步驟二制備的陽極材料填塞至模具內(nèi)，擠壓密實(shí)。
[0008]上述聚合物基復(fù)合材料可以在鋪設(shè)在土木工程結(jié)構(gòu)表面用于監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)變形。
[0009]本發(fā)明的基本原理如下:
將制備本發(fā)明的復(fù)合材料所需要的原材料通過人工及機(jī)器攪拌和超聲分散等工藝，制備得到分散均勻的聚合物基復(fù)合材料。利用聚丙烯酰胺吸水后的粘結(jié)性作為框架，在其中填充蒙脫石，通過調(diào)節(jié)聚丙烯酰胺和蒙脫石的比例調(diào)節(jié)材料的柔度；在基體材料中摻入相互能夠搭接成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的碳基材料可以有效的改善材料的導(dǎo)電性；本發(fā)明研宄的陽極材料為粘彈性體，材料在拉伸斷裂前能夠達(dá)到的拉伸率可以達(dá)到100%，即100萬微應(yīng)變；本發(fā)明材料的電阻阻值隨著其拉伸率變化，利用這種變化關(guān)系對(duì)結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行感知；并且通過試驗(yàn)驗(yàn)證本材料不具有重復(fù)使用的性質(zhì)。
[0010]本發(fā)明給出了材料的電阻阻值與拉伸率之間的函數(shù)關(guān)系、試驗(yàn)原理、所需的各種原材料及復(fù)合材料的制備方法。按照本發(fā)明中給出的各原材料的配比及制備工藝，最終制備得出能夠感知結(jié)構(gòu)變形的復(fù)合材料，尤其是能夠感知土木工程結(jié)構(gòu)的超大變形。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
1、本發(fā)明的復(fù)合材料是可以通過改變聚丙烯酰胺與蒙脫石用量，進(jìn)而調(diào)節(jié)材料的柔度的。
[0011]2、本發(fā)明的感知應(yīng)變的復(fù)合材料能夠感知的變形可以達(dá)到100萬微應(yīng)變，在土木工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域感知的是結(jié)構(gòu)的超大變形。
[0012]3、本發(fā)明給出了一種配比的復(fù)合材料的電阻值與拉伸率之間的明確關(guān)系式，借此通過監(jiān)測(cè)電阻可以感知變形。
[0013]4、復(fù)合材料的制備所需要的各項(xiàng)原材料容易獲得，制備方法及需要的儀器容易實(shí)現(xiàn)，所以本發(fā)明的復(fù)合材料方便制備。
[0014]5、在實(shí)際工程中通過鋪設(shè)在結(jié)構(gòu)表面，通過監(jiān)測(cè)材料電阻阻值變化感知結(jié)構(gòu)變形，本發(fā)明提供的復(fù)合材料是能夠產(chǎn)生較大變形的柔性復(fù)合材料，應(yīng)區(qū)別于一般的應(yīng)變傳感材料。
【附圖說明】
[0015]圖1為四電極測(cè)試原理圖；
圖2為測(cè)試結(jié)果擬合。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明，但并不局限于此，凡是對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。
[0017]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式提供了一種感知土木工程超大變形的聚合物基復(fù)合材料及其制備方法，下面對(duì)復(fù)合材料的感知變形性能和制備方法進(jìn)行逐一說明。
[0018]一、復(fù)合材料的制備
本實(shí)施方式中材料的制備步驟、各材料的用量及制備工藝說明如下:
本實(shí)施方式中復(fù)合材料使用的原材料中水:聚丙烯酰胺:蒙脫石=10:3:5，碳基材料中碳纖維:碳納米管:炭黑=3:15:20，甲基纖維素用量為聚丙烯酰胺和蒙脫石總量的0.4%，聚乙烯吡咯烷酮用量為碳納米管的20%，碳基材料的用量為聚丙烯酰胺和蒙脫石總量的2.8%，具體操作步驟:
(1)在150g水中加入碳纖維0.265g、碳納米管1.326g以及甲基纖維素0.48g和聚乙烯吡咯烷酮0.265g，其中碳纖維:碳納米管:炭黑=3:15:20，人工攪拌3分鐘；攪拌后置于超聲波細(xì)胞粉碎儀內(nèi)分散I小時(shí)，再用超聲波清洗儀分散，每次分散30分鐘，間隔30分鐘后進(jìn)行第二次分散，共分散4次，即2個(gè)小時(shí)；
(2)向步驟(I)中得到的分散液中加入炭黑1.768g，用水泥凈漿攪拌機(jī)攪拌3分鐘；一邊攪拌一邊緩慢地加入拌合均勻的聚丙烯酰胺45g和蒙脫石75g，先慢速(攪拌葉公轉(zhuǎn)65r/min)攪拌4分鐘，后快速(攪拌葉公轉(zhuǎn)125r/min)攪拌6分鐘，24小時(shí)后進(jìn)行二次攪拌，慢速(攪拌葉公轉(zhuǎn)65r/min)攪拌4分鐘即可，至此各材料分散均勾；
(3)根據(jù)步驟(I)和步驟(2)完成制備的復(fù)合陽極材料，將其密封保存，根據(jù)測(cè)試需要模具的不同