CN104089986A - 一种湿度传感器的制备及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种湿度传感器的制备及检测方法，其特征在于步骤如下：将分散剂加入水中，超声分散均匀后，加入碳纳米管，继续超声获得碳纳米管水溶液；分散剂与碳纳米管的掺量相同；将水泥加入碳纳米管水溶液中，搅拌均匀后装入模具中，将四个不锈钢网电极等间距的垂直插入模具中，拆模，标准养护，得到湿度传感器原件；将湿度传感器原件置入混凝土外壳中，并用防水层隔离。使用时，首先根据湿度传感器的电阻率随不同湿度的变化关系，绘制电阻率-湿度标准曲线；检测湿度传感器电阻，根据标准曲线得出所处环境的湿度，该湿度传感器与混凝土相容性好，能够实时监测混凝土内部的湿度，灵敏度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种湿度传感器及其制备方法，以掺杂碳纳米管的水泥复合材料作为原料。
背景技术
大体积混凝土工程中，由于水泥水化或其他因素导致混凝土内外出现湿度差异，会引起混凝土变形、开裂，严重影响大体积混凝土的耐久性。因此，对大体积混凝土内部湿度实时监测对于提高耐久性有着很重要的作用。
目前比较常用的大体积混凝土内部湿度实时监测技术有：压电应变传感技术、光纤传感技术、声发射技术等。其中，压电应变传感技术和光纤传感技术一般将传感元件埋置于材料内部，容易引起传感元件与材料的不兼容，不仅增加了材料结构设计和制造的难度，还提高了制造和维护的成本，而且具有只能局部监测的局限性；声发射监测技术虽然对材料结构没有损伤，但价格昂贵，容易受外界影响，对测试环境要求较高。
因此混凝土结构的监测和检测问题，必须从混凝土本身出发，采用材料复合技术研制混凝土本征监测传感器或者开发混凝土结构自身的智能特性，来解决混凝土材料与传感元件的兼容问题，或者使混凝土结构在不需要借助外在传感器的情况下即可实现某些传感器的特性，从而为混凝土工程结构的监测技术提供新的理论和方法。
发明内容
本发明涉及一种湿度传感器，该传感器强度高、韧性好且可以连续敷设，可埋设于如水利大坝、公路或建筑物等的大体积混凝土内部，可以实现对混凝土内部湿度长期、实时监测。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种碳纳米管水泥基复合材料湿度传感器的制备方法，步骤如下：
(1)将分散剂加入水中，超声分散1-2min，超声功率100w，加入含有多壁碳纳米管(羧基碳纳米管)，超声60-90min，频率是超声3s、停1s，获得碳纳米管水溶液；
所述的分散剂为阴离子型表面活性剂；分散剂与碳纳米管的掺量相同；
(2)将水泥加入步骤(1)获得的碳纳米管水溶液中，搅拌均匀后装入模具中，再将四个不锈钢网电极等间距的垂直插入20mm×20mm×80mm的模具中，1天后拆模，标准养护28天，得到湿度传感器原件；
碳纳米管质量为水泥质量的0.05％-0.5％，水灰比为0.4；
(3)将湿度传感器原件置入混凝土外壳中，并用防水层将湿度传感器原件与混凝土外壳的侧壁隔离，可监测混凝土内部湿度。
碳纳米管水泥基复合材料强度高、韧性好、对湿度敏感性好，且呈现良好的可回复性，通过对混凝土内部碳纳米管水泥基复合材料湿敏的解耦，实现对大体积混凝土内部湿度的监测。通过分析碳纳米管/水泥基复合材料的电阻率与湿度的变化关系，绘制标准曲线，再直接采用万用表测量碳纳米管/水泥基复合材料的电阻，可得出环境湿度，具有试验装置简单，测试结果准确，可连续敷设以及与混凝土相容性好的优点，适用于大体积混凝土内部长期湿度监测。
附图说明
图1为碳纳米管水泥基复合材料湿度传感器的结构示意图；
图2为碳纳米管水泥基复合材料传感器原件的结构示意图。
以上附图中：1、混凝土外壳；2、湿度传感器原件；3、防水层；4、不锈钢网电极。
图3是多壁碳纳米管(MWNT,含羧基碳纳米管)不同添加量的碳纳米管/水泥基复合材料(MWNT/CC)的电阻率随不同含水率的变化曲线图。整体而言，MWNT/CC试件的电阻率随着含水率的增大而不断降低。而且，当试件内部含水率低于0.6％时，MWNT/CC试件电阻率随着含水率的增大仅出现略微的下降，表明此时试件对含水率变化的敏感度并不高；当试件内部含水率约在0.6％～5.0％时，所有MWNT/CC试件电阻率均随着含水率的增大发生剧烈的下降，下降率均达到80％以上，显示出良好的敏感性；当试件内部含水率超过6.0％时，试件电阻率基本没有变化，所有MWNT掺量的试件电阻率在此区间时大小比较接近没有明显区别。这主要是由于此时试件内部液相的大量增加弱化MWNT导电作用，液相中自由导电离子扩散迁移导电发挥主要作用。
具体实施方式
以下实施例所采用的阴离子型表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠(SDBS)；碳纳米管是经过表面处理后带有羧基基团(-COOH)的碳纳米管，购自中国科学院成都有机化学有限公司，型号TNMC3，其基本物理性能见下表：
MWNT的基本物理性能
下面结合附图所示的实例对本发明做进一步描述：
参见图1、2所示，一种纳米新型湿度传感器包括：混凝土外壳1、内置的湿度传感器原件2，以及设置在混凝土外壳1与湿度传感器原件2之间的防水层3。
湿度传感器原件2的制作过程如下：
(1)将阴离子型表面活性剂(SDBS)加入水中，超声分散1-2min，超声功率100w，加入等质量的碳纳米管，超声工作3s、停1s，超声时间为60-90min，获得碳纳米管水溶液；
(2)将水泥加入碳纳米管水溶液中，碳纳米管质量为水泥质量的0.05％-0.5％，水灰比为0.4；搅拌均匀后装入模具中，再将四个不锈钢网电极等间距的垂直插入20mm×20mm×80mm的模具中，1天后拆模，标准养护28天，得到湿度传感器原件。
湿敏性能的测试方法：试验前将试件放入30℃真空干燥箱烘干至恒重，此时试件内部处于绝对干燥状态，试件内部含水率为0，称量此时试件的重量记为m0。随后将试件置于清水中浸泡直至吸水饱和状态，浸泡期间每过一定时间(前期间隔时间为0.5h，中期间隔时间2h，后期间隔时间为8h)取出试件称重，试件的重量记为mi，此时试件内部的含水率i＝[(mi-m0)m0]×100％。同时进行四电极伏安法的测试，测试结果用于含水率对MWNT/CC电阻率影响的研究。为防止测试过程外界环境对试件内部含水率产生影响，测试过程用保温盒保湿。
Claims (5)
1.一种湿度传感器的制备方法，其特征在于步骤如下：
(1)将分散剂加入水中，超声分散均匀后，加入多壁碳纳米管，继续超声获得碳纳米管水溶液；分散剂与碳纳米管的掺量相同；
(2)将水泥加入步骤（1）获得的碳纳米管水溶液中，搅拌均匀后装入模具中，将四个电极等间距地垂直插入模具中，拆模，标准养护，得到湿度传感器原件；碳纳米管质量为水泥质量的0.05%-0.5%，水灰比为0.4；
(3)将湿度传感器原件置入混凝土外壳中，并用防水层将湿度传感器原件与混凝土外壳的侧壁隔离。
2.根据权利要求1所述的湿度传感器的制备方法，其特征在于所述的分散剂为阴离子型表面活性剂。
3.根据权利要求1所述的湿度传感器的制备方法，其特征在于步骤(1)中的超声功率为100w，分散剂加入水中后超声分散1-2min，加入碳纳米管后，超声60-90min，超声期间采用工作3s、停1s的频率。
4.根据权利要求1所述的湿度传感器的制备方法，其特征在于步骤(1)中的多壁碳纳米管是带有羧基基团的碳纳米管。
5.权利要求1所得湿度传感器的检测方法，其特征在于：
（1）根据湿度传感器的电阻率随不同湿度的变化关系，绘制电阻率-湿度标准曲线；
（2）检测湿度传感器电阻，根据标准曲线得出所处环境的湿度。
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