CN110205908A - 一种微小拉应变监测传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种微小拉应变监测传感器及其制备方法，其中传感器包括主体结构、导电电极和封装层，所述主体结构包括树脂类聚合物基体，多尺度非金属碳类导电体，复配增韧剂、偶联剂、固化剂、固化促进剂和分散剂；主体结构外侧设置有封装层，所述主体结构至少两个端部分别设置有一延伸至封装层外侧的导电电极。可以有效的应用于施工及工作环境往往较为恶劣的道路工程领域，其刚度与沥青混凝土路面结构层的刚度匹配，使用寿命长，成活率高，且在保证监测精度和工程应用的前提下极大的降低了传感器的单价。

Description

一种微小拉应变监测传感器及其制备方法
技术领域
本公开属于道路工程材料领域，具体涉及一种微小拉应变监测传感器及其制备方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
路面病害一直是困扰道路工程建设、管理的关键技术问题。《公路沥青路面设计规范》明确提出路面结构应变作为路面结构设计的关键技术指标，沥青路面在周期性轮载作用下的变形量将直接关系到沥青路面的永久变形和疲劳开裂。
在路面服役过程中，实时、准确的监测路面的变形情况及变形量等指标，可以为施工及养护方案设计、施工安全与质量控制、健康监测及信息综合调控等提供科学的依据，从而避免因为结构早期损坏带来的维护成本增加、工程浪费以及其它社会和环境问题。
沥青路面变形量在正常运行情况下，面层和基层拉应变往往低于100*10-6，微小变形量对监测精度和监测传感器提出了极大的挑战。而沥青混凝土路面结构层的施工及工作环境往往较为恶劣，常用的高精度、高灵敏度的传感器往往不适合道路沥青路面施工、运行过程的恶劣环境，导致成活率极低、与路面结构的兼容性差、小范围检测精度不够、工作寿命低于结构与材料服役时间等问题。市面上较成熟的进口电阻式应变计检测系统虽然可以有效检测路面应变变化，但其价格较为昂贵难以在科研、工程和未来智慧道路建设中大规模推广应用。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种微小拉应变监测传感器及其制备方法，本公开不仅可以监测道路的大变形情况，同时可以有效的监测道路拉应变小于100*10-6范围内的变形，监测精度和灵敏度极高；在工程应用及使用寿命方面，可以有效的应用于施工及工作环境往往较为恶劣的道路工程领域，其刚度与沥青混凝土路面结构层的刚度匹配，使用寿命长，成活率高；在传感器性价比方面，能够将成本控制在800元/个以内，在保证监测精度和工程应用的前提下极大的降低了传感器的单价。具有显著的经济效益和社会效益。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种微小拉应变监测传感器，包括主体结构、导电电极和封装层，所述主体结构包括树脂类聚合物基体，多尺度非金属碳类导电体，复配增韧剂、偶联剂、固化剂、固化促进剂和分散剂；
所述主体结构外侧设置有封装层，所述主体结构至少两个端部分别设置有一延伸至封装层外侧的导电电极。
作为可能的实施例，以质量份数计，树脂类聚合物100份，多尺度非金属碳类材料由碳纳米管和碳黑共同组成，碳纳米管0.75～2.5份，碳黑3～18份，增韧剂2～15份、偶联剂3～5份、固化剂25～45份、固化促进剂2～6份、分散剂6～40份。
作为可能的实施例，所述树脂类聚合物基体为纯环氧树脂、聚氨酯改性环氧树脂、聚酰胺改性环氧树脂、尿醛三聚氰胺环氧树脂中一种或多种的混合物。
作为进一步的限定，所述树脂类聚合物基体环氧值为0.4～0.6eq/100g。
作为可能的实施方式，所述碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的至少一种。
作为进一步的限定，碳纳米管比表面积需≥280m2/g，电导率需≥160s/cm。
作为进一步的限定，碳黑比表面积需60m2/g～140m2/g。
作为可能的实施方式，所述增韧剂为橡胶类增韧剂和热塑性弹性体类增韧剂。
作为可能的实施方式，所述橡胶类增韧剂为聚硫橡胶、羧基液体丁腈橡胶、聚醚、聚砜、聚酰亚胺中的一种或多种。
作为可能的实施方式，所述热塑性弹性体类增韧剂为聚氨酯类、聚酰胺类中的一种或多种。
作为可能的实施方式，所述偶联剂为3-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH-560)或γ―氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)中的一种。
作为可能的实施方式，所述固化剂为乙烯基三胺(DETA)、氨乙基哌嗪(AE)、二氨基二苯基甲烷(DDM)、低分子聚酰胺固化剂650#、低分子聚酰胺固化剂651#、593固化剂中的一种或多种的混合物。
作为可能的实施方式，所述固化促进剂为2、4、6三(二甲氨基甲基)苯酚(DMP-30)、2-乙基-4-甲基咪唑、双酚A中的一种或多种的混合物。
作为可能的实施方式，所述分散剂为丙酮、N-甲基吡咯烷酮(NMP),N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜DMSO中的一种。
上述微小拉应变监测传感器的制备方法，步骤如下：
(1)将多尺度非金属碳类导电材料进行干燥，进行研磨处理；
(2)按比例称取一定量研磨后的多尺度非金属碳类导电材料，加入偶联剂和分散剂，先经过机械搅拌，再进行超声分散，制得多尺度非金属碳类导电材料悬浮分散液；
(3)向悬浮分散液中加入一定量的聚合物基体和增韧剂，并依次施加机械搅拌和超声分散；
(4)超声分散结束后，将样品冷却，然后加入固化剂和固化促进剂，并施加机械搅拌；
(5)将样品浇筑至模具中，在浇筑样条中预设位置直接置入铜导电电极；
(6)将得到的浇筑体置于进行抽真空和干燥固化处理，冷却至室温后将半固化状态样品从模具中取出；
(7)配置与步骤(3)同样比例聚合物基体和增韧剂及与步骤(4)同样比例的固化剂、固化促进剂，施加机械搅拌，采用真空封装的方式立即将步骤(6)制备的半固化的应变电阻响应敏感型机敏材料表面进行封装与固化。
作为应用，将得到的微小拉应变监测传感器埋置于沥青路面结构层的层底或层内，监测在路面运行过程中电阻随拉应变的响应关系。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
(1)在监测性能方面，本公开所提供的高精度微小拉应变监测传感器不仅可以监测道路的大变形情况，同时可以有效的监测道路拉应变小于100*10-6范围内的变形，监测精度和灵敏度极高。
(2)在工程应用及使用寿命方面，本公开所提供的高精度微小拉应变监测传感器可以有效的应用于施工及工作环境往往较为恶劣的道路工程领域，其刚度与沥青混凝土路面结构层的刚度匹配，使用寿命长，成活率高。
(3)在传感器性价比方面，本公开提供的高精度微小拉应变监测传感器成本控制在800元/个以内，在保证监测精度和工程应用的前提下极大的降低了传感器的单价。具有显著的经济效益和社会效益。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本公开的微小拉应变监测传感器结构示意图；
图2是本公开实施例的电阻变化率与路面面层的应变关系；
图3是本公开实施例的电阻变化率与路面面层的微小应变(＜100微应变)关系；
其中，1、应变电阻响应敏感型机敏材料核心元件，2、封装材料，3、铜导电电极，4，引线，5，电阻检测仪器。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
本公开的一种典型实施方式，提供了一种以应变电阻响应敏感型机敏材料为核心元件的高精度微小拉应变监测传感器。如图1所示，其中应变电阻响应敏感型机敏材料核心元件由树脂类聚合物为基体，多尺度非金属碳类材料为导电体，复配增韧剂、偶联剂、固化剂、固化促进剂、分散剂，同时基体外侧设置有封装层，基体的两个端部分别设置有一延伸至封装层外侧的导电电极(在本实施例中选用铜导电电极)。
该实施方式的一种或多种实施例中，以质量份数计，树脂类聚合物100份，多尺度非金属碳类材料由碳纳米管和碳黑共同组成，碳纳米管0.75～2.5份，碳黑3～18份，增韧剂2～15份、偶联剂3～5份、固化剂25～45份、固化促进剂2～6份、分散剂6～40份。
该实施方式的一种或多种实施例中，树脂类聚合物基体为纯环氧树脂、聚氨酯改性环氧树脂、聚酰胺改性环氧树脂、尿醛三聚氰胺环氧树脂中一种或多种的混合物。
进一步的，上述树脂类聚合物基体环氧值需为0.4～0.6eq/100g。
该实施方式的一种或多种实施例中，所述多尺度非金属碳类材料由碳纳米管和碳黑共同组成。
进一步的，碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的至少一种。
进一步的，碳纳米管比表面积需≥280m2/g，电导率需≥160s/cm。
进一步的，碳黑比表面积需60m2/g～140m2/g。
该实施方式的一种或多种实施例中，所述增韧剂为橡胶类增韧剂和热塑性弹性体类增韧剂。
进一步的，所述橡胶类增韧剂为聚硫橡胶、羧基液体丁腈橡胶、聚醚、聚砜、聚酰亚胺中的一种或多种。
进一步的，所述热塑性弹性体类增韧剂为聚氨酯类、聚酰胺类中的一种或多种。
该实施方式的一种或多种实施例中，所述偶联剂为3-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH-560)或γ―氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)中的一种。
该实施方式的一种或多种实施例中，所述固化剂为乙烯基三胺(DETA)、氨乙基哌嗪(AE)、二氨基二苯基甲烷(DDM)、低分子聚酰胺固化剂650#、低分子聚酰胺固化剂651#、593固化剂中的一种或多种的混合物。
该实施方式的一种或多种实施例中，所述固化促进剂为2、4、6三(二甲氨基甲基)苯酚(DMP-30)、2-乙基-4-甲基咪唑、双酚A中的一种或多种的混合物。
该实施方式的一种或多种实施例中，所述分散剂为丙酮、N-甲基吡咯烷酮(NMP),N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜DMSO中的一种。
本公开的另一种实施方式，提供了上述以应变电阻响应敏感型机敏材料为核心元件的高精度微小拉应变监测传感器的制备方法，步骤如下：
(1)将多尺度非金属碳类导电材料进行干燥，用研磨碗进行研磨处理以促进导电材料颗粒团聚体的分散。
(2)按比例称取一定量步骤(1)制备的多尺度非金属碳类导电材料，加入偶联剂和分散剂，先经过机械搅拌20～30min，转速为800～3000rpm，再进行超声分散20～40min，制得多尺度非金属碳类导电材料悬浮分散液。
(3)向步骤(2)制得的多尺度非金属碳类导电材料悬浮分散液中加入一定量的聚合物基体和增韧剂，机械搅拌30～40min，转速为800～3000rpm。
(4)将步骤(3)制得的样品超声分散60～180min，超声功率为1200W～2500W。
(5)超声分散结束后，将样品冷却，然后加入固化剂和固化促进剂，机械搅拌5～10min，转速为800～3000rpm。
(6)将样品浇筑至模具中，在浇筑样条中特定位置直接置入铜导电电极。样条为长方体形状，长为12～24cm，侧面为边长等于0.6cm、0.8cm或1.0cm的正方形。
(7)将上述浇筑体置于真空干燥箱中于10～25℃、真空度为0.05～0.10MPa条件下抽真空0.5～1.5h。取出浇注体，置于80～120℃电热鼓风干燥箱中固化0.5～1h，冷却至室温后将半固化状态样品从模具中取出。
(8)配置与步骤(3)同样比例聚合物基体和增韧剂及与步骤(5)同样比例的固化剂、固化促进剂，机械搅拌5～10min，转速为800～3000rpm。随后采用真空封装的方式立即将步骤(7)制备的半固化的应变电阻响应敏感型机敏材料表面进行封装。封装过程中注意两侧铜导电电极注意避免接触封装材料。封装完成后将传感器放置于室温下固化2～4h，然后置于120～150℃电热鼓风干燥箱中进行后固化2～4小时。完全固化成型后去掉真空封装相关辅助材料。
将上述高精度微小拉应变监测传感器埋置于沥青路面结构层的层底或层内，监测在路面运行过程中电阻随拉应变的响应关系。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本公开的技术方案。当然，在其他实施例中，具体材料的参数可以进行适当更改。
实施例：
(1)称取直径为10-20nm，长度为30-60μm，比表面积为380m2/g，电导率为380s/cm多壁碳纳米管1.25g，称取表面积为80m2/g的碳黑6g，然后将两者混掺构成的多尺度非金属碳类导电材料进行干燥，用研磨碗进行研磨处理以促进导电材料颗粒团聚体的分散。
(2)向步骤(1)制备的多尺度非金属碳类导电材料中加入偶联剂γ―氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)3.0g和分散剂N,N-二甲基甲酰胺(DMF)40mL，转速2000rpm下机械搅拌20min，再进行超声分散20min，制得多尺度碳黑和碳纳米管导电材料悬浮分散液。
(3)向上述多尺度碳黑和碳纳米管导电材料悬浮分散液中加入80g环氧值为0.48～0.54eq/100g的纯环氧树脂、20g环氧值为0.41～0.47eq/100g聚酰胺改性环氧树脂和增韧剂聚酰亚胺3g，在转速为1500rpm下机械搅拌30min。
(4)将上述样品超声分散120min，超声功率为2500W。
(5)超声分散结束后，将样品冷却，然后加入固化剂低分子聚酰胺固化剂650#30g和固化促进剂DMP-30 2g，在转速为2500rpm下机械搅拌10min。
(6)将样品浇筑至长22cm*宽0.6cm*高0.6cm的聚四氟乙烯模具中，浇筑完成后置入铜导电电极。
(7)将上述浇筑体置于真空干燥箱中于25℃、真空度为0.10MPa条件下抽真空1h脱除气泡。取出浇注体，置于80℃电热鼓风干燥箱中固化1小时，冷却至室温后将半固化状态样品从模具中取出。
(8)称取环氧值为0.48～0.54eq/100g的纯环氧树脂40g、环氧值为0.41～0.47eq/100g聚酰胺改性环氧树脂40g、固化剂低分子聚酰胺固化剂650#15g和固化促进剂DMP-301g，机械搅拌5min，转速为800rpm。随后采用真空封装的方式将半固化的应变电阻响应敏感型机敏材料表面进行封装。封装过程中两侧铜导电电极避免接触封装材料。封装完成后将传感器放置于室温下固化2h，然后置于150℃电热鼓风干燥箱中进行后固化4小时。完全固化成型后去掉真空封装相关辅助材料。
将上述高精度微小拉应变监测传感器横向埋置于沥青路面面层层底，监测在路面运行过程中电阻随拉应变的响应关系。
实施例性能指标：
拉伸强度：74MPa；
弹性模量：1380MPa；
电阻随沥青路面面层的应变具有明显的变化关系，具体示例如图2、图3所示。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种微小拉应变监测传感器，其特征是：包括主体结构、导电电极和封装层，所述主体结构包括树脂类聚合物基体，多尺度非金属碳类导电体，复配增韧剂、偶联剂、固化剂、固化促进剂和分散剂；
所述主体结构外侧设置有封装层，所述主体结构至少两个端部分别设置有一延伸至封装层外侧的导电电极。
2.如权利要求1所述的一种微小拉应变监测传感器，其特征是：以质量份数计，树脂类聚合物100份，多尺度非金属碳类材料由碳纳米管和碳黑共同组成，碳纳米管0.75～2.5份，碳黑3～18份，增韧剂2～15份、偶联剂3～5份、固化剂25～45份、固化促进剂2～6份、分散剂6～40份。
3.如权利要求1所述的一种微小拉应变监测传感器，其特征是：所述树脂类聚合物基体为纯环氧树脂、聚氨酯改性环氧树脂、聚酰胺改性环氧树脂、尿醛三聚氰胺环氧树脂中一种或多种的混合物；
或，所述树脂类聚合物基体环氧值为0.4～0.6eq/100g。
4.如权利要求2所述的一种微小拉应变监测传感器，其特征是：所述碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的至少一种；
或，碳纳米管比表面积需≥280m2/g，电导率需≥160s/cm；
或，碳黑比表面积需60m2/g～140m2/g。
5.如权利要求1所述的一种微小拉应变监测传感器，其特征是：所述增韧剂为橡胶类增韧剂和热塑性弹性体类增韧剂。
6.如权利要求5所述的一种微小拉应变监测传感器，其特征是：所述橡胶类增韧剂为聚硫橡胶、羧基液体丁腈橡胶、聚醚、聚砜、聚酰亚胺中的一种或多种；
或，所述热塑性弹性体类增韧剂为聚氨酯类、聚酰胺类中的一种或多种。
7.如权利要求1所述的一种微小拉应变监测传感器，其特征是：所述偶联剂为3-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH-560)或γ―氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)中的一种。
8.如权利要求1所述的一种微小拉应变监测传感器，其特征是：所述固化剂为乙烯基三胺、氨乙基哌嗪、二氨基二苯基甲烷、低分子聚酰胺固化剂650#、低分子聚酰胺固化剂651#、593固化剂中的一种或多种的混合物；
或，所述固化促进剂为2、4、6三(二甲氨基甲基)苯酚、2-乙基-4-甲基咪唑、双酚A中的一种或多种的混合物。
9.如权利要求1所述的一种微小拉应变监测传感器，其特征是：所述分散剂为丙酮、N-甲基吡咯烷酮,N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜DMSO中的一种。
10.权利要求1-9中任一项所述的微小拉应变监测传感器的制备方法，其特征是：步骤如下：
(1)将多尺度非金属碳类导电材料进行干燥，进行研磨处理；
(2)按比例称取一定量研磨后的多尺度非金属碳类导电材料，加入偶联剂和分散剂，先经过机械搅拌，再进行超声分散，制得多尺度非金属碳类导电材料悬浮分散液；
(3)向悬浮分散液中加入一定量的聚合物基体和增韧剂，并依次施加机械搅拌和超声分散；
(4)超声分散结束后，将样品冷却，然后加入固化剂和固化促进剂，并施加机械搅拌；
(5)将样品浇筑至模具中，在浇筑样条中预设位置直接置入铜导电电极；
(6)将得到的浇筑体置于进行抽真空和干燥固化处理，冷却至室温后将半固化状态样品从模具中取出；
(7)配置与步骤(3)同样比例聚合物基体和增韧剂及与步骤(4)同样比例的固化剂、固化促进剂，施加机械搅拌，采用真空封装的方式立即将步骤(6)制备的半固化的应变电阻响应敏感型机敏材料表面进行封装与固化。
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