CN106186895A - 一种新型压敏传感器用水泥基复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型压敏传感器用水泥基复合材料，由以下原料制成：水泥、炉渣粉、煤灰粉、高岭土、二维碳材料、碳化硅纤维、AR玻璃纤维、聚羧酸减水剂、三乙烯二胺·六水催化剂、偶氮二甲酰胺发泡剂、丙烯酸酯类发泡调节剂发泡调节剂、硅酮酰胺稳泡剂、乳化硅油消泡剂、己烯基双硬脂酰胺分散剂、过氧化二异丙苯交联剂、聚合硫酸铝聚凝剂、701粉强化剂、乙二醛、双氧水、水。本发明的新型压敏传感器用水泥基复合材料具有抗压强度、抗折强度大，应力感知能力高，稳定性好，灵敏度高等优点。

Description

一种新型压敏传感器用水泥基复合材料
【技术领域】
本发明属于电子元器件技术领域和材料制备技术领域，具体涉及一种新型压敏传感器用水泥基复合材料。
【背景技术】
混凝土广泛应用于工业和民用建筑、道路与桥梁工程、机场、港口与水利工程。混凝土结构建筑物，特别是超大跨度桥梁、重点水利工程、重点体育场馆、大型海洋平台、核电站工程和高速铁路建设等重大工程结构设计寿命一般长达数十年，甚至上百年。其间长期反复承受各种荷载、酸雨等自然环境的长期侵蚀以及材质自身老化，不可避免地导致土木工程结构损伤，可能引起突发性灾难，给人民的生命财产安全造成极大的损失。为此已开展了诸如工程结构群体健康监测关键技术研究、材料安全服役行为和新型功能材料制备基础与性能调控相关方面的研究。重大土木工程结构实施健康监测与荷载控制技术已成为土木工程领域的热点研究课题，是未来经济建设和社会发展迫切需要解决的问题。
高性能智能传感元件是重大工程结构智能监测与健康诊断的重要组成部分。近年来，用作土木工程结构长期健康监测的传感器主要有光纤传感器和水泥基复合材料压敏传感器，光纤传感器虽然耐久性和稳定性较好，但是价格高昂，难以大规模推广使用。而水泥基复合材料压敏传感器由于埋设工艺简单，耐久性好，与土木工程结构相容性好，价格低等优点，成为土木工程结构监测与健康诊断领域的热点课题。
以水泥( 砂浆或混凝土) 为基体的水泥基复合材料压敏传感器，复合部分是导电相，是借助电学性质的变化反映其力学特性变化的复合材料。现有技术已对包括碳纤维、纳米碳黑，碳纳米管等导电性能进行了不同角度的尝试。1993年，D.D.L.Chung 教授及她的课题组提出了机敏混凝土(Smart concrete) 的概念。1996年，李卓球等研究表明，碳纤维水泥基复合材料在逐渐加压直至破坏的过程中，其间的电阻率随压应力的增加呈现显著下降、平稳过渡和迅速上升三个阶段，这三个阶段分别与碳纤维混凝土的弹性、塑性及崩溃三个阶段相对应。2000 年，欧进萍等提出开发小尺寸、精度高、可重复性好、造价低、耐久性好、埋设工艺简单的标准碳纤维水泥石传感器。将其埋设于混凝土构件中形成智能混凝土结构系统，具有耐久性好、造价低、与混凝土相容性好等优点。
现有技术披露了用于水泥基体的纳米材料填充材料有：纳米SiO2，纳米CaCO3，纳米TiO2，碳纳米管，纳米炭黑和纳米Fe2O3等。揭示了纳米材料在水泥基体中的均匀分散以及对水泥基体微观结构和宏观性能的改善。
碳家族的新成员石墨烯，是一种二维的sp2杂化的碳的同素异形体，是最薄的材料-单原子厚度的材料。石墨烯具有优异的电学性能，热学性能, 超高的比表面积，杨氏模量和断裂强度等一系列优异的性质。石墨烯作为一种高性能的聚合物填充材料，可以显著提高聚合物的导电性、导热性和机械性能。
申请号为201310233476.5、名称为“一种氧化石墨烯水泥基复合材料应力传感器”的专利文件中公开了一种结构工程监测用应力传感器，此传感器部件是添加0.02%氧化石墨烯的氧化石墨烯水泥基复合材料制备的。但是，虽然石墨烯具有很强的导电能力，但是氧化石墨烯几乎没有导电能力，作为石墨烯的衍生物，表面含有大量的含氧官能团，π电子结构被破坏，导电能力几乎丧失。仅添在添加0.02%的氧化石墨烯下，水泥石的导电能力提高很少，氧化石墨烯水泥基复合材料无法发挥应力传感器的作用。
专利号为ZL200710072474.7、名称为“一种压敏水泥基复合材料”的发明专利公开了一种用于解决力-电耦合效应灵敏度低及受湿度影响大、基体极化易影响电学信号测试等缺陷的压敏水泥基复合材料，此材料为由含有1%-80%的功能组分( 镍粉、碳纤维、碳黑、石墨、钢渣中的一种或几种的混合物)与水泥基材料组成的复合材料，但用于制备水泥基智能材料时工艺复杂或加入量大、成本高或与水泥基体相容性差的缺陷严重制约了水泥基智能材料的应用。本发明人经长期观察、研究、分析发现需要提供一种对水泥基材的导电成分种类、分散性进一步优化的技术来克服现有技术存在的以下不足的技术方案：（1）碳化硅纤维在水泥基体中的分散性差，填充物与基体相容性不好，初始电阻率和应力感知能力离散高等缺陷；（2）具有很高长径比的碳化硅纳米管在水泥基体中容易缠绕，疏水的表面化学特性导致在水泥基体中的分散性差，最终导致微观结构和性能的均一性差；（3）纳米SiO2或纳米CaCO3虽然对改善水泥基体微观结构和力学性能有重要贡献，但是不能发挥水泥基复合材料的功能性，同时纳米材料的团聚性也可能导致基体强度下降。
【发明内容】
本发明提供一种新型压敏传感器用水泥基复合材料，以解决现有压敏传感器用水泥基复合材料制备工艺复杂、成本高、应力感知能力和灵敏度低，稳定性差等问题。本发明的新型压敏传感器用水泥基复合材料具有抗压强度、抗折强度大，应力感知能力高，稳定性好，灵敏度高等优点。
为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种新型压敏传感器用水泥基复合材料，以重量为单位，由以下原料制成：水泥105-200份、炉渣粉9-14份、煤灰粉9-12份、高岭土6-10份、二维碳材料18-24份、碳化硅纤维10-15份、AR玻璃纤维6-10份、聚羧酸减水剂0.4-0.6份、三乙烯二胺·六水催化剂0.4-0.6份、偶氮二甲酰胺发泡剂0.5-0.7份、丙烯酸酯类发泡调节剂发泡调节剂0.4-0.8份、硅酮酰胺稳泡剂0.2-0.4份、乳化硅油消泡剂0.2-0.4份、己烯基双硬脂酰胺分散剂0.5-0.8份、过氧化二异丙苯交联剂0.6-0.9份、聚合硫酸铝聚凝剂0.3-0.5份、701粉强化剂0.1-0.2份、乙二醛15-20份、双氧水20-30份、水500-800份；
所述新型压敏传感器用水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：用浓度为10%-14%的盐酸浸泡碳化硅纤维4-10h，然后用水冲洗至pH为6.8-7.2，制得酸化碳化硅纤维；
S2：将水泥、炉渣粉、煤灰粉、高岭土、二维碳材料、乙二醛、双氧水、水在转速为100-400r/min下搅拌10-30min，制得浆料；
S3：将步骤S1制得的酸化碳化硅纤维、步骤S2制得的浆料、AR玻璃纤维、聚羧酸减水剂、三乙烯二胺·六水催化剂、偶氮二甲酰胺发泡剂、丙烯酸酯类发泡调节剂发泡调节剂、硅酮酰胺稳泡剂、乳化硅油消泡剂在温度为140-180℃，转速为90-140r/min下搅拌3.5-5h，制得泡沫液；
S4：将步骤S3制得的泡沫液、己烯基双硬脂酰胺分散剂、过氧化二异丙苯交联剂、聚合硫酸铝聚凝剂、701粉强化剂在温度为85-92℃，转速为150-180r/min下搅拌2.5-3.5h，装模，烘干至含水量≤4%，制得新型压敏传感器用水泥基复合材料。
进一步地，所述炉渣粉和煤灰粉的目数均为200-400。
进一步地，所述高岭土为纳米级高岭土。
进一步地，所述二维碳材料为石墨烯。
进一步地，所述碳化硅纤维的长度为0.1-2.8mm。
进一步地，所述AR玻璃纤维的长度为0.4-2.5mm。
进一步地，所述双氧水的浓度为28%-32%。
本发明具有以下有益效果：
（1）本发明的新型压敏传感器用水泥基复合材料抗压强度达到123.44MPa以上，抗折强度达到26.74以上，附着力为灵敏度达到2.28%/MPa 以上，电阻率达到43.03以下，变异系数达到0.024以下，现有技术相比，本发明的新型压敏传感器用水泥基复合材料具有抗压强度、抗折强度大，应力感知能力高，稳定性好，灵敏度高等优点；
（2）采用本发明的新型压敏传感器用水泥基复合材料制成的压敏传感器具有初始电阻率稳定、应力感知能力高、传感器灵敏度高、稳定性好等优点；
（3）采用炉渣粉、煤灰粉作为本发明的新型压敏传感器用水泥基复合材料的原材料，不仅可以降低生产成本，而且可以为炉渣粉、煤灰粉的有效处理提供新途径。
【具体实施方式】
为便于更好地理解本发明，通过以下实施例加以说明，这些实施例属于本发明的保护范围，但不限制本发明的保护范围。
在实施例中，所述新型压敏传感器用水泥基复合材料，以重量为单位，由以下原料制成：水泥105-200份、炉渣粉9-14份、煤灰粉9-12份、高岭土6-10份、二维碳材料18-24份、碳化硅纤维10-15份、AR玻璃纤维6-10份、聚羧酸减水剂0.4-0.6份、三乙烯二胺·六水催化剂0.4-0.6份、偶氮二甲酰胺发泡剂0.5-0.7份、丙烯酸酯类发泡调节剂发泡调节剂0.4-0.8份、硅酮酰胺稳泡剂0.2-0.4份、乳化硅油消泡剂0.2-0.4份、己烯基双硬脂酰胺分散剂0.5-0.8份、过氧化二异丙苯交联剂0.6-0.9份、聚合硫酸铝聚凝剂0.3-0.5份、701粉强化剂0.1-0.2份、乙二醛15-20份、双氧水20-30份、水500-800份；
所述炉渣粉和煤灰粉的目数均为200-400；
所述高岭土为纳米级高岭土；
所述二维碳材料为石墨烯；
所述碳化硅纤维的长度为0.1-2.8mm；
所述AR玻璃纤维的长度为0.4-2.5mm；
所述双氧水的浓度为28%-32%；
所述新型压敏传感器用水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：用浓度为10%-14%的盐酸浸泡碳化硅纤维4-10h，然后用水冲洗至pH为6.8-7.2，制得酸化碳化硅纤维；
S2：将水泥、炉渣粉、煤灰粉、高岭土、二维碳材料、乙二醛、双氧水、水在转速为100-400r/min下搅拌10-30min，制得浆料；
S3：将步骤S1制得的酸化碳化硅纤维、步骤S2制得的浆料、AR玻璃纤维、聚羧酸减水剂、三乙烯二胺·六水催化剂、偶氮二甲酰胺发泡剂、丙烯酸酯类发泡调节剂发泡调节剂、硅酮酰胺稳泡剂、乳化硅油消泡剂在温度为140-180℃，转速为90-140r/min下搅拌3.5-5h，制得泡沫液；
S4：将步骤S3制得的泡沫液、己烯基双硬脂酰胺分散剂、过氧化二异丙苯交联剂、聚合硫酸铝聚凝剂、701粉强化剂在温度为85-92℃，转速为150-180r/min下搅拌2.5-3.5h，装模，烘干至含水量≤4%，制得新型压敏传感器用水泥基复合材料。
实施例1
一种新型压敏传感器用水泥基复合材料，以重量为单位，由以下原料制成：水泥150份、炉渣粉12份、煤灰粉10份、高岭土8份、二维碳材料22份、碳化硅纤维12份、AR玻璃纤维8份、聚羧酸减水剂0.5份、三乙烯二胺·六水催化剂0.5份、偶氮二甲酰胺发泡剂0.6份、丙烯酸酯类发泡调节剂发泡调节剂0.6份、硅酮酰胺稳泡剂0.3份、乳化硅油消泡剂0.3份、己烯基双硬脂酰胺分散剂0.6份、过氧化二异丙苯交联剂0.8份、聚合硫酸铝聚凝剂0.4份、701粉强化剂0.1份、乙二醛18份、双氧水25份、水650份；
所述炉渣粉和煤灰粉的目数均为200-400；
所述高岭土为纳米级高岭土；
所述二维碳材料为石墨烯；
所述碳化硅纤维的长度为0.1-2.8mm；
所述AR玻璃纤维的长度为0.4-2.5mm；
所述双氧水的浓度为30%；
所述新型压敏传感器用水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：用浓度为12%的盐酸浸泡碳化硅纤维7h，然后用水冲洗至pH为7，制得酸化碳化硅纤维；
S2：将水泥、炉渣粉、煤灰粉、高岭土、二维碳材料、乙二醛、双氧水、水在转速为300r/min下搅拌20min，制得浆料；
S3：将步骤S1制得的酸化碳化硅纤维、步骤S2制得的浆料、AR玻璃纤维、聚羧酸减水剂、三乙烯二胺·六水催化剂、偶氮二甲酰胺发泡剂、丙烯酸酯类发泡调节剂发泡调节剂、硅酮酰胺稳泡剂、乳化硅油消泡剂在温度为160℃，转速为120r/min下搅拌4.5h，制得泡沫液；
S4：将步骤S3制得的泡沫液、己烯基双硬脂酰胺分散剂、过氧化二异丙苯交联剂、聚合硫酸铝聚凝剂、701粉强化剂在温度为88℃，转速为160r/min下搅拌3h，装模，烘干至含水量为4%，制得新型压敏传感器用水泥基复合材料。
实施例2
一种新型压敏传感器用水泥基复合材料，以重量为单位，由以下原料制成：水泥105份、炉渣粉9份、煤灰粉9份、高岭土6份、二维碳材料18份、碳化硅纤维10份、AR玻璃纤维6份、聚羧酸减水剂0.4份、三乙烯二胺·六水催化剂0.4份、偶氮二甲酰胺发泡剂0.5份、丙烯酸酯类发泡调节剂发泡调节剂0.4份、硅酮酰胺稳泡剂0.2份、乳化硅油消泡剂0.2份、己烯基双硬脂酰胺分散剂0.5份、过氧化二异丙苯交联剂0.6份、聚合硫酸铝聚凝剂0.3份、701粉强化剂0.1份、乙二醛15份、双氧水20份、水500份；
所述炉渣粉和煤灰粉的目数均为200-400；
所述高岭土为纳米级高岭土；
所述二维碳材料为石墨烯；
所述碳化硅纤维的长度为0.1-2.8mm；
所述AR玻璃纤维的长度为0.4-2.5mm；
所述双氧水的浓度为28%；
所述新型压敏传感器用水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：用浓度为10%的盐酸浸泡碳化硅纤维10h，然后用水冲洗至pH为6.8，制得酸化碳化硅纤维；
S2：将水泥、炉渣粉、煤灰粉、高岭土、二维碳材料、乙二醛、双氧水、水在转速为100r/min下搅拌30min，制得浆料；
S3：将步骤S1制得的酸化碳化硅纤维、步骤S2制得的浆料、AR玻璃纤维、聚羧酸减水剂、三乙烯二胺·六水催化剂、偶氮二甲酰胺发泡剂、丙烯酸酯类发泡调节剂发泡调节剂、硅酮酰胺稳泡剂、乳化硅油消泡剂在温度为140℃，转速为90r/min下搅拌5h，制得泡沫液；
S4：将步骤S3制得的泡沫液、己烯基双硬脂酰胺分散剂、过氧化二异丙苯交联剂、聚合硫酸铝聚凝剂、701粉强化剂在温度为85℃，转速为150r/min下搅拌3.5h，装模，烘干至含水量为3%，制得新型压敏传感器用水泥基复合材料。
实施例3
一种新型压敏传感器用水泥基复合材料，以重量为单位，由以下原料制成：水泥200份、炉渣粉14份、煤灰粉12份、高岭土10份、二维碳材料24份、碳化硅纤维15份、AR玻璃纤维10份、聚羧酸减水剂0.6份、三乙烯二胺·六水催化剂0.6份、偶氮二甲酰胺发泡剂0.7份、丙烯酸酯类发泡调节剂发泡调节剂0.8份、硅酮酰胺稳泡剂0.4份、乳化硅油消泡剂0.4份、己烯基双硬脂酰胺分散剂0.8份、过氧化二异丙苯交联剂0.9份、聚合硫酸铝聚凝剂0.5份、701粉强化剂0.2份、乙二醛20份、双氧水30份、水800份；
所述炉渣粉和煤灰粉的目数均为200-400；
所述高岭土为纳米级高岭土；
所述二维碳材料为石墨烯；
所述碳化硅纤维的长度为0.1-2.8mm；
所述AR玻璃纤维的长度为0.4-2.5mm；
所述双氧水的浓度为32%；
所述新型压敏传感器用水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：用浓度为14%的盐酸浸泡碳化硅纤维4h，然后用水冲洗至pH为7.2，制得酸化碳化硅纤维；
S2：将水泥、炉渣粉、煤灰粉、高岭土、二维碳材料、乙二醛、双氧水、水在转速为400r/min下搅拌10min，制得浆料；
S3：将步骤S1制得的酸化碳化硅纤维、步骤S2制得的浆料、AR玻璃纤维、聚羧酸减水剂、三乙烯二胺·六水催化剂、偶氮二甲酰胺发泡剂、丙烯酸酯类发泡调节剂发泡调节剂、硅酮酰胺稳泡剂、乳化硅油消泡剂在温度为180℃，转速为140r/min下搅拌3.5h，制得泡沫液；
S4：将步骤S3制得的泡沫液、己烯基双硬脂酰胺分散剂、过氧化二异丙苯交联剂、聚合硫酸铝聚凝剂、701粉强化剂在温度为92℃，转速为180r/min下搅拌2.5h，装模，烘干至含水量为2%，制得新型压敏传感器用水泥基复合材料。
检测实施例1-3制得的新型压敏传感器用水泥基复合材料的性能，结果如下表所示。
实施例 抗压强度（MPa） 抗折强度（MPa） 灵敏度（%/MPa） 电阻率 变异系数（%）
1 128.12 29.02 2.72 41.18 0.022
2 123.44 26.74 2.28 43.03 0.024
3 134.82 31.31 3.31 39.39 0.019
由上表可知：本发明的新型压敏传感器用水泥基复合材料抗压强度达到123.44MPa以上，抗折强度达到26.74以上，附着力为灵敏度达到2.28%/MPa 以上，电阻率达到43.03以下，变异系数达到0.024以下，说明本发明的新型压敏传感器用水泥基复合材料性能优。
以上内容不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (7)

1.一种新型压敏传感器用水泥基复合材料，其特征在于，以重量为单位，由以下原料制成：水泥105-200份、炉渣粉9-14份、煤灰粉9-12份、高岭土6-10份、二维碳材料18-24份、碳化硅纤维10-15份、AR玻璃纤维6-10份、聚羧酸减水剂0.4-0.6份、三乙烯二胺·六水催化剂0.4-0.6份、偶氮二甲酰胺发泡剂0.5-0.7份、丙烯酸酯类发泡调节剂发泡调节剂0.4-0.8份、硅酮酰胺稳泡剂0.2-0.4份、乳化硅油消泡剂0.2-0.4份、己烯基双硬脂酰胺分散剂0.5-0.8份、过氧化二异丙苯交联剂0.6-0.9份、聚合硫酸铝聚凝剂0.3-0.5份、701粉强化剂0.1-0.2份、乙二醛15-20份、双氧水20-30份、水500-800份；
所述新型压敏传感器用水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：用浓度为10%-14%的盐酸浸泡碳化硅纤维4-10h，然后用水冲洗至pH为6.8-7.2，制得酸化碳化硅纤维；
S2：将水泥、炉渣粉、煤灰粉、高岭土、二维碳材料、乙二醛、双氧水、水在转速为100-400r/min下搅拌10-30min，制得浆料；
S3：将步骤S1制得的酸化碳化硅纤维、步骤S2制得的浆料、AR玻璃纤维、聚羧酸减水剂、三乙烯二胺·六水催化剂、偶氮二甲酰胺发泡剂、丙烯酸酯类发泡调节剂发泡调节剂、硅酮酰胺稳泡剂、乳化硅油消泡剂在温度为140-180℃，转速为90-140r/min下搅拌3.5-5h，制得泡沫液；
S4：将步骤S3制得的泡沫液、己烯基双硬脂酰胺分散剂、过氧化二异丙苯交联剂、聚合硫酸铝聚凝剂、701粉强化剂在温度为85-92℃，转速为150-180r/min下搅拌2.5-3.5h，装模，烘干至含水量≤4%，制得新型压敏传感器用水泥基复合材料。
2.根据权利要求1所述新型压敏传感器用水泥基复合材料，其特征在于，所述炉渣粉和煤灰粉的目数均为200-400。
3.根据权利要求1所述新型压敏传感器用水泥基复合材料，其特征在于，所述高岭土为纳米级高岭土。
4.根据权利要求1所述新型压敏传感器用水泥基复合材料，其特征在于，所述二维碳材料为石墨烯。
5.根据权利要求1所述新型压敏传感器用水泥基复合材料，其特征在于，所述碳化硅纤维的长度为0.1-2.8mm。
6.根据权利要求1所述新型压敏传感器用水泥基复合材料，其特征在于，所述AR玻璃纤维的长度为0.4-2.5mm。
7.根据权利要求1所述新型压敏传感器用水泥基复合材料，其特征在于，所述双氧水的浓度为28%-32%。
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