CN112812504A - 一种碳纳米管环氧树脂薄膜及钢筋应变的测试装置 - Google Patents

一种碳纳米管环氧树脂薄膜及钢筋应变的测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及钢筋应变测试技术领域，尤其涉及一种碳纳米管环氧树脂薄膜及钢筋应变的测试装置。本发明提供的碳纳米管环氧树脂薄膜，按重量份计，包括以下制备原料：环氧树脂E51100份，固化剂25～50份，邻苯二甲酸二丁酯40份，甲醛10份，碳纳米管8～15份和硅烷偶联剂5份。本发明提供的碳纳米管环氧树脂薄膜韧性好，可塑性强，施工过程中不易损坏；同时，由于碳纳米管具有较高的导电性能，将其加入环氧树脂中改变树脂基体的导电性能。碳纳米管环氧树脂复合涂层的性质介于导体与绝缘体之间，当碳纳米管掺量接近渗流阈值时，其压阻效应明显(在应变作用下其电阻改变率大)，可以通过监测其电信号的变化来监测受力状态的变化。

Description

一种碳纳米管环氧树脂薄膜及钢筋应变的测试装置
技术领域
本发明涉及钢筋应变测试技术领域，尤其涉及一种碳纳米管环氧树脂薄膜及钢筋应变的测试装置。
背景技术
钢筋作为钢筋混凝土结构内主要的受力元件，其应力应变状态对结构安全影响重大。传统的钢筋应变片非常脆弱，适用于结构外部测量。在用于结构内部监测时，施工复杂且容易损坏，探索适用于结构内部检测的传感元件，对于结构健康监测系统的构建意义重大。
现有的钢筋应变检测的应变片，施工过程中贴片工序繁琐，且要打磨钢筋，对钢筋本身有损伤，且容易在结构内部损坏，不易用于结构内部应变的检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳纳米管环氧树脂薄膜及钢筋应变的测试装置。所述碳纳米管环氧树脂薄膜具有监测钢筋应变状态的能力，且在用于结构内部监测时不会破坏钢筋及其内部结构。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种碳纳米管环氧树脂薄膜，按重量份计，包括以下制备原料：
Figure BDA0002939615560000011
优选的，所述固化剂的重量份数为30～40份。
优选的，所述碳纳米管的重量份数为10～13份。
优选的，所述固化剂为低分子的聚酰胺；
所述聚酰胺的分子量为500～1000。
优选的，所述碳纳米管为双壁碳纳米管；
所述双壁碳纳米管的长度为5～20μm，直径为10～30nm。
优选的，所述硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH-792和/或γ-巯丙基三甲氧基硅烷。
本发明还提供了一种钢筋应变的测试装置，包括在钢筋表面依次设置的绝缘层和碳纳米管环氧树脂薄膜；
所述碳纳米管环氧树脂薄膜中插有电极线；
所述电极线连接有万用表；
所述碳纳米管环氧树脂薄膜为上述技术方案所述的碳纳米管环氧树脂薄膜。
优选的，所述电极线包括四根电极线；
所述四根电极线沿所述钢筋的延长方向依次排列。
优选的，所述四根电极线中，相邻两根电极线之间的间距依次为1～2cm、2～10cm和1～2cm。
优选的，所述碳纳米管环氧树脂薄膜的厚度为1～2mm。
本发明提供了一种碳纳米管环氧树脂薄膜，按重量份计，包括以下制备原料：环氧树脂E51 100份，固化剂25～50份，邻苯二甲酸二丁酯30～40份，甲醛10～15份，碳纳米管8～15份和硅烷偶联剂3～5份。本发明提供的碳纳米管环氧树脂薄膜韧性好，可塑性强，施工过程中不易损坏；同时，由于碳纳米管具有较高的导电性能，将其加入环氧树脂中改变树脂基体的导电性能。碳纳米管环氧树脂复合涂层的性质介于导体与绝缘体之间，当碳纳米管掺量接近渗流阈值时，其压阻效应明显(在应变作用下其电阻改变率大)，可以通过监测其电信号的变化来监测受力状态的变化。
本发明还提供了一种钢筋应变的测试装置，包括在钢筋表面依次设置的绝缘层和碳纳米管环氧树脂薄膜；所述碳纳米管环氧树脂薄膜中插有电极线；所述电极线连接有万用表；所述碳纳米管环氧树脂薄膜为上述技术方案所述的碳纳米管环氧树脂薄膜。测试原理为：当钢筋受力时，碳纳米管环氧树脂薄膜受力(被拉伸或者被挤压)，所述碳纳米管环氧树脂薄膜的电学信号会随着应变的变化而改变(电阻增大或者减小)，进而得到钢筋应变的变化。
附图说明
图1为本发明所述钢筋应变的测试装置图；
图2为所述钢筋应变的测试装置中包括绝缘层和碳纳米管环氧树脂薄膜的钢筋的横截面；
其中，1-钢筋，2-绝缘层，3-碳纳米管环氧树脂薄膜。
具体实施方式
本发明提供了一种碳纳米管环氧树脂薄膜，按重量份计，包括以下制备原料：
Figure BDA0002939615560000031
在本发明中，所述特殊说明，所有制备原料均为本领域技术人员熟知的市售产品。
按重量份计，本发明提供的碳纳米管环氧树脂薄膜包括100份环氧树脂E51。
在本发明中，所述环氧树脂的作用是提供绝缘基体，为制备碳纳米管环氧树脂薄膜提供准备。
以所述环氧树脂E51的重量份计，本发明提供的碳纳米管环氧树脂薄膜包括25～50份固化剂，优选为30～40份，更优选为35份。在本发明中，所述固化剂优选为低分子的聚酰胺；所述低分子的聚酰胺的分子量优选为500～1000，更优选600～700。
以所述环氧树脂E51的重量份计，本发明提供的碳纳米管环氧树脂薄膜包括20～40份邻苯二甲酸二丁酯，优选为30～40份。在本发明中，所述邻苯二甲酸二丁酯为稀释剂。
以所述环氧树脂E51的重量份计，本发明提供的碳纳米管环氧树脂薄膜包括10～15份甲醛，优选为10～12份。在本发明中，所述甲醛为消毒、杀菌、防腐剂，增加基体的耐久性。
以所述环氧树脂E51的重量份计，本发明提供的碳纳米管环氧树脂薄膜包括8～15份碳纳米管，优选为10～13份，更优选为10份。在本发明中，所述碳纳米管优选为双壁碳纳米管；所述双壁碳纳米管的长度优选为5～20μm，直径优选为10～30nm。所述双壁碳纳米管的纯度优选>90wt％；所述双壁碳纳米管中羧基的含量优选为1.55wt％；电导率优选>100s/cm，面密度优选>140m2/g，ASH优选<8wt％；所述ASH为杂质残留量。
本发明选择具有上述参数的碳纳米管可以减少碳材料的用量，提高导电率。
以所述环氧树脂E1的重量份计，本发明提供的碳纳米管环氧树脂薄膜包括3～5份硅烷偶联剂，优选为4～5份。在本发明中，所述硅烷偶联剂优选为硅烷偶联剂KH-792和/或γ-巯丙基三甲氧基硅烷；当所述硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH-792和γ-巯丙基三甲氧基硅烷时，本发明对硅烷偶联剂KH-792和γ-巯丙基三甲氧基硅烷的配比没有任何特殊的限定，按任意配比混合即可。
在本发明中，所述硅烷偶联剂既包括亲无机物的基团，易与无机物表面起化学反应；也包括亲有机物的基团，能与合成树脂或其它聚合物发生化学反应或生成氢键溶于其中。
在本发明中，所述碳纳米管环氧树脂薄膜的制备方法优选包括以下步骤：
将环氧树脂E51和固化剂混合后，加入邻苯二甲酸二丁酯、硅烷偶联剂和甲醛，加入碳纳米管，得到碳纳米管环氧树脂浆料；
将所述碳纳米管环氧树脂浆料涂覆在带有绝缘层的钢筋表面，固化，得到所述碳纳米管环氧树脂薄膜。
在本发明中，所述混合优选在搅拌的条件下进行，所述搅拌的时间优选为1min。本发明对所述搅拌的转速没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的转速进行即可。在本发明中，加入邻苯二甲酸二丁酯、硅烷偶联剂和甲醛后，优选搅拌2分钟后，再加入碳纳米管。本发明对所述搅拌的转速没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的转速进行即可。
在本发明中，所述碳纳米管优选分4次加入，每次的加入量优选相同。在本发明中，将碳纳米管分4次加入的作用是可以避免团聚，使碳纳米管分散的更加均匀。
本发明对所述带有绝缘层的钢筋中的绝缘层没有任何特殊的限定。本发明对涂覆的过程没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。
在本发明中，所述固化优选为在常温(10～25摄氏度)的条件下静置6h。
本发明还提供了一种钢筋应变的测试装置，包括在钢筋表面依次设置的绝缘层和碳纳米管环氧树脂薄膜；
所述碳纳米管环氧树脂薄膜中插有电极线；
所述电极线连接有万用表；
所述碳纳米管环氧树脂薄膜为上述技术方案所述的碳纳米管环氧树脂薄膜。
作为本发明的一个具体实施例，所述电极线包括四根电极线；
所述四根电极线沿所述钢筋的延长方向依次排列；
作为本发明的一个具体实施例，所述四根电极线中，相邻两根电极线之间的间距依次为1～2cm、2～10cm和1～2cm。
在本发明中，将所述电极线相邻两根之间的间距限定在上述范围内，可以进一步提高测试灵敏度，减小误差。
作为本发明的一个具体实施例，所述四根电极线按照第一电极线、第二电极线、第三电极线和第四电极线的顺序顺次排列，所述第一电极线与第二电极线的间距为1～2cm，所述第二电极线与第三电极线的间距为2～10cm，所述第三电极线与第四电极线的间距为1～2cm。
在本发明中，所述第一电极线、第四电极线与稳恒电流源连接，所述第二电极线、第三电极线与稳恒电压表连接。
或者，所述四根电极线与安捷伦万用表连接。
作为本发明的一个具体实施例，所述碳纳米管环氧树脂薄膜的厚度为1～2mm。
作为本发明的一个具体实施例，所述绝缘层的厚度为1～2mm。
在本发明中，利用所述测试装置进行测试时，所述钢筋的应变的计算公式为：
Figure BDA0002939615560000061
其中，R0为所述碳纳米管环氧树脂薄膜的初始电阻，ΔR为所述碳纳米管环氧树脂薄膜的电阻变化，ε为钢筋的应变，“12～15”为变化系数的取值范围，所述变化系数为电阻变化率与实测应变的比例系数。
在本发明中，所述钢筋应变的测试装置的制备方法优选包括以下步骤：
制备碳纳米管环氧树脂浆料；
将四根电极线缠绕在带有绝缘层的钢筋表面，然后将所述碳纳米管环氧树脂浆料涂覆在所述钢筋表面，固化，所述固化优选为在常温的条件下，静止放置6h。将四根电极中位于边缘的两根电极伸出与万用表连接，得到所述钢筋应变的测试装置。
在本发明中，制备碳纳米管环氧树脂浆料的参考上述技术方案中所述碳纳米管环氧树脂浆料的制备过程。
下面结合实施例对本发明提供的碳纳米管环氧树脂薄膜及钢筋应变的测试装置进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
按照图1所示的装置，其中绝缘层的厚度为2mm，碳纳米管环氧树脂薄膜的厚度为2mm；电极线相邻两根之间的间距依次为2cm、6cm和2cm；
所述碳纳米管环氧树脂薄膜的制备原料为：环氧树脂E51100g，分子量为650的聚酰胺30g，邻苯二甲酸二丁酯30g，甲醛10g，双壁碳纳米管(长度为为5～20μm，直径为10～30nm。所述双壁碳纳米管的纯度>90wt％；所述双壁碳纳米管中羧基的含量为1.55wt％；电导率>100s/cm，面密度>140m2/g，ASH<8wt％)10g，硅烷偶联剂5g。
制备过程：
将环氧树脂E1和固化剂混合搅拌1min后，加入邻苯二甲酸二丁酯、硅烷偶联剂和甲醛，搅拌2min，分四次加入碳纳米管，每次加入碳纳米管的量为2.5g，搅拌，得到浆料；
将四根电极线缠绕在带有绝缘层的钢筋表面，然后将所述浆料涂覆在所述钢筋表面，在常温的条件下静置6h进行固化，将四根电极中位于边缘的两根电极伸出与万用表连接，将上述浆料覆盖在固化处理后的钢筋表面，覆盖层厚度2mm,得到所述钢筋应变的测试装置。
用安捷伦万用表，四电极法可以测得薄膜电阻在拉应力作用下的变化。具体为：电阻初始值为92505欧姆，在拉应力作用下电阻测试值变化为92560.5欧姆，92617欧姆，92638欧姆，92672欧姆，按照钢筋的应变的计算公式，经计算所得电阻变化率分别为：0.059％，0.121％，0.144％，0.181％。将电阻变化率除以系数12，则对应应变为：4.91e-5,1e-4,1.2e-4,1.51e-4.将电阻变化率除以系数15，则对应应变为：3.93e-5,8.07e-5,9.6e-5,1.2e-4。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种碳纳米管环氧树脂薄膜，其特征在于，按重量份计，包括以下制备原料：
Figure FDA0002939615550000011
2.如权利要求1所述的碳纳米管环氧树脂薄膜，其特征在于，所述固化剂的重量份数为30～40份。
3.如权利要求1所述的碳纳米管环氧树脂薄膜，其特征在于，所述碳纳米管的重量份数为10～13份。
4.如权利要求1或2所述的碳纳米管环氧树脂薄膜，其特征在于，所述固化剂为低分子的聚酰胺；
所述聚酰胺的分子量为500～1000。
5.如权利要求1或3所述的碳纳米管环氧树脂薄膜，其特征在于，所述碳纳米管为双壁碳纳米管；
所述双壁碳纳米管的长度为5～20μm，直径为10～30nm。
6.如权利要求1所述的碳纳米管环氧树脂薄膜，其特征在于，所述硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH-792和/或γ-巯丙基三甲氧基硅烷。
7.一种钢筋应变的测试装置，其特征在于，包括在钢筋表面依次设置的绝缘层和碳纳米管环氧树脂薄膜；
所述碳纳米管环氧树脂薄膜中插有电极线；
所述电极线连接有万用表；
所述碳纳米管环氧树脂薄膜为权利要求1～6任一项所述的碳纳米管环氧树脂薄膜。
8.如权利要求7所述的测试装置，其特征在于，所述电极线包括四根电极线；
所述四根电极线沿所述钢筋的延长方向依次排列。
9.如权利要求8所述的测试装置，其特征在于，所述四根电极线中，相邻两根电极线之间的间距依次为1～2cm、2～10cm和1～2cm。
10.如权利要求7所述的测试装置，其特征在于，所述碳纳米管环氧树脂薄膜的厚度为1～2mm。
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