CN113624370B - 建筑外墙监测模块及建筑 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种建筑外墙监测模块及建筑，所述建筑外墙监测模块包括用于贴附到建筑外墙表面的复合光电薄膜以及与所述复合光电薄膜电性连接的电信号检测单元；所述复合光电薄膜包括由压电高分子材料构成的压电薄膜层，所述压电薄膜层上形成有电极引出导线，且所述压电薄膜层在所述建筑外墙表面产生应力变化时通过所述电极引出导线输出变化的电信号；所述电信号检测单元与所述电极引出导线电性连接，并用于检测所述电极引出导线上的电信号。本发明可有效实现对建筑外墙的状态的安全风险进行识别和管控，进而做到对于建筑外墙异常运行状态如脱落等现象进行预警并做出防范措施，减少或避免潜在的危害。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，更具体地说，涉及一种建筑外墙监测模块及建筑。
背景技术
随着城市化进程的推进，高层建筑越来越多，居民对于生活水平的要求也在全面提升，例如其居住的建筑整体性能，诸如建筑外观、使用寿命等，日益受到关注。
但是在建筑使用过程中，由于建造阶段采用的施工工艺、材料、设计构造以及建成后保养等原因，将导致建筑的墙面的结构层如涂料、保温材料等产生空鼓、脱落、开裂的现象。建筑墙面发生的开裂、空鼓、脱落等现象，严重影响建筑的美观性、安全性、经济性、适用性，进而对建筑使用者形成不同程度的安全隐患和经济损失。
目前，针对这些墙面隐患的监测措施，主要依靠工作人员经验及相关手持设备，不仅实施效率和准确率明显不足，而且无法对建筑墙面的运行状态实现实时监测。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对上述建筑墙面检测效率低、准确率不足以及对于建筑墙面异常状态的识别存在严重的滞后性的问题，提供一种建筑外墙监测模块及建筑。
本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种建筑外墙监测模块，包括用于贴附到建筑外墙表面的复合光电薄膜以及与所述复合光电薄膜电性连接的电信号检测单元；所述复合光电薄膜包括由压电高分子材料构成的压电薄膜层，所述压电薄膜层上形成有电极引出导线，且所述压电薄膜层在所述建筑外墙表面产生应力变化时通过所述电极引出导线输出变化的电信号；所述电信号检测单元与所述电极引出导线电性连接，并用于检测所述电极引出导线上的电信号。
作为本发明的进一步优化，所述复合光电薄膜还包括分散在所述压电薄膜层的表面的贵金属纳米颗粒，所述贵金属纳米颗粒的粒径为5～15nm，且所述贵金属纳米颗粒的表面覆盖率为15％～40％。
作为本发明的进一步优化，所述复合光电薄膜还包括分散在所述压电薄膜层的光电半导体颗粒，且所述光电半导体颗粒在光照时通过所述电极引出导线输出电流；所述建筑外墙监测模块包括储能单元，且所述储能单元与所述电极引出导线电性连接。
作为本发明的进一步优化，所述压电薄膜层由聚甲基丙烯酸甲酯采用旋涂法制备而成；
所述光电半导体颗粒包括碲化镉颗粒，其中所述碲化镉颗粒在喷涂到未干的压电薄膜层后通过压力机施压嵌入所述压电薄膜层，所述贵金属纳米颗粒分散至嵌入有碲化镉颗粒的压电薄膜层。
作为本发明的进一步优化，所述压电薄膜层的厚度为2.5-3.5微米，所述碲化镉颗粒的粒径小于3微米，所述贵金属纳米颗粒的粒径为10nm。
作为本发明的进一步优化，所述压电薄膜层为由聚偏氟乙烯、钛源有机物、本征单层石墨烯的混合物溶胶通过静电纺丝法制备而成的纳米纤维膜；
所述光电半导体颗粒包括二氧化钛颗粒，所述二氧化钛颗粒通过水热法分散至所述纳米纤维膜。
作为本发明的进一步优化，所述纳米纤维膜的厚度小于3微米，且所述纳米纤维膜由直径为40-60nm的纤维构成。
作为本发明的进一步优化，所述复合光电薄膜包括两层相叠的纳米纤维膜以及一层本征单层石墨烯层构成，且所述本征单层石墨烯层位于两层纳米纤维膜之间。
本发明还提供一种建筑，包括外墙以及多个如上所述的建筑外墙监测模块，多个所述建筑外墙监测模块的复合光电薄膜分别贴附在所述外墙的表面，且多个所述建筑外墙监测模块的复合光电薄膜在所述外墙的表面呈阵列分布。
作为本发明的进一步优化，所述建筑包括外墙状态监控装置，所述外墙状态监控装置分别与所有建筑外墙监测模块的电信号检测单元电性连接，并根据建筑外墙监测模块中复合光电薄膜在外墙的位置关系及对应的电信号检测单元的检测结果判断所述外墙是否出现异常。
本发明具有以下有益效果：通过贴附于建筑外墙表面的复合光电薄膜输出的电信号获取建筑外墙表面的应力变化，可有效实现对建筑外墙的状态的安全风险进行识别和管控，进而做到对于建筑外墙异常运行状态如脱落等现象进行预警并做出防范措施，减少或避免潜在的危害。
附图说明
图1是本发明实施例提供的建筑外墙监测模块的示意图；
图2是本发明实施例提供的建筑外墙监测模块中复合光电薄膜的示意图；
图3是本发明另一实施例提供的建筑外墙监测模块中复合光电薄膜的示意图；
图4是本发明又一实施例提供的建筑外墙监测模块中复合光电薄膜的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，是本发明实施例提供的建筑外墙监测模块的结构示意图，该建筑外墙监测模块可应用于现有建筑的外墙，并对外墙的状态进行实时监测。本实施例的建筑外墙监测模块包括复合光电薄膜11以及电信号检测单元12，在使用时，复合光电薄膜11贴附到建筑外墙20表面，电信号检测单元12则与复合光电薄膜11电性连接。在建筑外墙20的表面，可设置多个建筑外墙监测模块，即该多个建筑外墙监测模块的复合光电薄膜11分别贴附到建筑外墙20的表面，并覆盖整个建筑的外墙(或需要监控的外墙)，多个建筑外墙监测模块的电信号检测单元12则可分别连接到一个信号收集装置，再通过分析信号收集装置收集的信号，获得建筑外墙20的状态。在本发明的一个实施例中，上述建筑外墙20的表面可由保温层构成。
具体地，上述复合光电薄膜11包括由压电高分子材料构成的压电薄膜层，其中，压电高分子材料可以为聚偏氟乙烯(PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、亚乙烯基二氰与乙酸乙烯酯、异丁烯、苯甲酸乙烯酯等。根据压电高分子材料本身的特性，压电薄膜层可在其产生形变前后产生不同的电信号(电压/电流)。在本实施例中，压电薄膜层上形成有电极引出导线(例如其中一根电极引出导线从压电薄膜层的上表面引出，另一根电极引出导线从压电薄膜层的下表面引出)。特别地，上述压电薄膜层的厚度最好控制在3微米左右，从而使得压电薄膜层接近透明，不会影响建筑的整体外观。
电信号检测单元12与电极引出导线电性连接，并用于检测电极引出导线上的电信号。
在建筑外墙20的表面产生应力变化时，压电薄膜层将跟随建筑外墙20的表面产生变形，从而通过电极引出导线输出变化的电信号。通过电信号检测单元12对电极引出导线输出的电信号进行分析，即可获得建筑外墙20的表面的应力变化，从而可判断建筑外墙20的表面是否出现开裂、空鼓脱落等异常状态。
上述建筑外墙监测模块，通过贴附于建筑外墙20的表面的复合光电薄膜11输出的电信号获取建筑外墙表面的应力变化，可有效实现对建筑外墙20的状态的安全风险进行识别和管控，进而做到对于建筑外墙20异常运行状态如脱落等现象进行预警并做出防范措施，减少或避免潜在的危害。
在本发明的一个实施例中，上述复合光电薄膜11还包括分散在压电薄膜层的表面的贵金属纳米颗粒。具体地，贵金属可以为银(Ag)、金(Au)、铂(Pt)、钯(Pd)等，即该贵金属纳米颗粒可以为银纳米颗粒、金纳米颗粒、铂纳米颗粒、钯纳米颗粒等，且上述贵金属纳米颗粒的粒径优选为5～15nm，贵金属纳米颗粒的表面覆盖率优选15％～40％。
上述贵金属纳米颗粒可压电薄膜层的压电效应进行放大，从而在压电薄膜层的应力发生变化时，电极引出导线输出的电信号变化幅度更大，有助于电信号的检测。根据实验数据，在增加贵金属纳米颗粒后，复合光电薄膜11的应力响应时间低于100毫秒，工作压力范围为0～30kPa，灵敏度可达18kPa-1。
在本发明的一个实施例中，上述复合光电薄膜11除了压电薄膜层外，还包括分散在压电薄膜层的光电半导体颗粒，且光电半导体颗粒在光照时通过电极引出导线输出电流。特别地，上述光电半导体颗粒可嵌入到压电薄膜层内。
相应地，建筑外墙监测模块还包括储能单元，且储能单元与电极引出导线电性连接，该储能单元可包括电信号处理装置和蓄电池，并通过电信号处理装置对电极引出导线输出的电信号进行变压、滤波、稳压等操作，然后再将电信号处理装置输出的电能储藏到蓄电池。即电极引出导线的输出分为两路，一路连接电信号检测单元12进行电信号检测，另一路输出到储能单元储存。上述储能单元可为电信号检测单元12及建筑内部的用电设备(例如照明设备、通风设备、空调设备等)供电。
上述复合光电薄膜11兼具有压电传感器功能和光伏电池功能，其中压电传感器功能基于呈薄膜形态的压电高分子材料的固有压电属性实现，其安装到建筑外墙20的表面即可运转，借助于压电效应能够将建筑外墙20的表面产生的应力变化转换为电信号(电压/电流的)变化，可以有效地对建筑墙面在运行过程中因开裂、空鼓、脱落等异常运行状态做出响应(表现为线路中电流强度的变化)，并借助外接设备对于电流强度的实时检测，实现对于墙面运行状态的监测，达到对于墙面异常运行状态的预警；光伏电池功能则借助于压电高分子材料上的光电半导体颗粒实现，在光源比如自然光存在的情况下，光电半导体颗粒产生光生电能，并通过外接线路导出电能，从而为外接设备与建筑物等提供能源。将上述复合光电薄膜与建筑外墙20的表面连接，同时对大面积墙面按照一定的规格进行网格划分，每个网格贴附一个复合光电薄膜11，通过比较相邻网格的复合光电薄膜11输出的电信号，即可对处于异常状态的网格进行定位，且网格划分越精细，对于墙面异常部位的定位越准确。
上述建筑外墙监测模块，兼具压电传感器功能和光伏电池功能，可有效解决房产开发商、施工单位、住户的痼疾——建筑墙面出现的开裂、空鼓、脱落等问题，不但可以对墙面运行异常状态进行预警，而且可以为建筑运行提供电能。
特别地，上述复合光电薄膜11的压电薄膜层表面的贵金属纳米颗粒，可作为光电半导体颗粒的光催化剂，有助于形成光生载流子，从而使得在相同的光照条件下复合光电薄膜11产生更多电能。
结合图2所示，在本发明的一个实施例中，图1中的复合光电薄膜11的压电薄膜层可由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)采用旋涂法制备而成，即在制备压电薄膜层时，以PMMA作为压电高分子材料，采用旋涂法制备厚度约3μm的PMMA薄膜111。
相应地，光电半导体颗粒包括碲化镉(CdTe)颗粒112，其中碲化镉颗粒112在喷涂到未干的压电薄膜层后通过压力机施压嵌入压电薄膜层(即PMMA薄膜111)。
本实施例中的贵金属纳米颗粒采用银纳米纤维113，且银纳米纤维113则分散至嵌入有碲化镉颗粒的压电薄膜层。具体地，银纳米纤维113可在嵌入有碲化镉颗粒的压电薄膜层干燥后，采用低温等离子方式分散至压电薄膜层。电极引出导线则可直接设置在压电薄膜层的上表面和下表面。
上述附着有碲化镉颗粒112和银纳米纤维113的压电薄膜层可直接安装(例如通过胶水粘贴)至建筑外墙20，再将电极引出导线与电信号检测单元12及储能单元电性连接，实现对于墙面运行状态的实施监测，同时碲化镉颗粒112产生的光电流可以为电信号检测单元12的工作提供电源，多余的电能则可通过储能单元储存起来，以便为其他用电设备供电。
特别地，上述PMMA薄膜111的厚度为2.5-3.5微米，碲化镉颗粒112的粒径小于3微米，银纳米纤维113的平均直径为10nm。
结合图3所示，在本发明的另一实施例中，压电薄膜层为由聚偏氟乙烯(PVDF)、钛源有机物、本征单层石墨烯的混合物溶胶通过静电纺丝法制备而成的纳米纤维膜114。在制备时，可将聚偏氟乙烯、钛源有机物(如钛酸四正丁酯，TBT)、本征单层石墨烯(G)的混合物作为溶胶，采用静电纺丝法制备纤维粒径约为40-60nm、厚度约2μm的PVDF-G-TBT纳米纤维薄膜114。纳米纤维薄膜114的厚度可以根据需要通过控制静电纺丝的时间来实现。为实现高透明柔性薄膜，最好将纳米纤维薄膜114的厚度控制在小于3μm。
相应地，光电半导体颗粒包括二氧化钛(TiO2)颗粒116，上述二氧化钛颗粒116和银纳米颗粒115可通过水热法分散至纳米纤维膜114。具体地，可采用水热法处理PVDF-G-TBT纳米纤维膜114，经水热处理并干燥后得到嵌有二氧化钛颗粒116的纳米纤维薄膜114。
本实施例中的贵金属纳米颗粒可采用银纳米颗粒115，且银纳米颗粒115分散至PVDF-G-TBT纳米纤维膜114。具体地，银纳米颗粒115可采用低温等离子方式分散至PVDF-G-TBT纳米纤维膜114。电极引出导线则可直接设置在纳米纤维膜114的上表面和下表面。
上述附着有二氧化钛颗粒116和银纳米颗粒115的纳米纤维薄膜114可直接安装(例如通过胶水粘贴)至建筑外墙20，再将电极引出导线与电信号检测单元12及储能单元电性连接，实现对于墙面运行状态的实施监测，同时二氧化钛颗粒116产生的光电流可以为电信号检测单元12的工作提供电源，多余的电能则可通过储能单元储存起来，以便为其他用电设备供电。
结合图4所示，在本发明的又一实施例中，图1实施例的复合光电薄膜11包括两层相叠的纳米纤维膜114(参考图3，每一纳米纤维薄膜114上附着有二氧化钛颗粒116和银纳米颗粒115)以及一层本征单层石墨烯层117构成，且本征单层石墨烯层117位于两层纳米纤维膜114之间。
具体地，可将图3的附着有二氧化钛颗粒116和银纳米颗粒115的纳米纤维薄膜114置于抽滤漏斗底部，倒入本征单层石墨烯的水分散液，采用抽滤法在纳米纤维薄膜114上沉积一定厚度的本征单层石墨烯层117，获得纳米纤维双层薄膜，本征单层石墨烯层的厚度可以通过控制抽滤时间来控制，其厚度最好控制在30-70nm。然后在制备的纳米纤维双层薄膜的抽滤本征单层石墨烯层117上方覆盖一层纳米纤维薄膜114，即可获得具有三层类三明治结构的复层功能薄膜。复层功能薄膜的透明度、柔韧性可以通过控制静电纺丝时间、抽滤时间等来控制。
上述复层功能薄膜可直接安装(例如通过胶水粘贴)至建筑外墙20，再将电极引出导线与电信号检测单元12及储能单元电性连接，实现对于墙面运行状态的实施监测，同时二氧化钛颗粒116产生的光电流可以为电信号检测单元12的工作提供电源，多余的电能则可通过储能单元储存起来，以便为其他用电设备供电。
通过贵金属纳米颗粒(即银纳米颗粒115)与本征单层石墨烯的协同作用，复合光电薄膜11的导电性能提升4000倍以上，对于应力响应的瞬时电流可以放大1万倍以上。
本发明还提供一种建筑，该建筑包括外墙以及多个如上所述的建筑外墙监测模块，多个建筑外墙监测模块的复合光电薄膜11分别贴附在外墙的表面，且多个建筑外墙监测模块的复合光电薄膜11在外墙的表面呈阵列分布。例如可对墙面按照一定的规格进行网格划分，每个网格贴附一个复合光电薄膜11，网格划分越精细，对于墙面异常部位的定位越准确。
在本发明的一个实施例中，建筑的外墙的最外层为保温层，复合光电薄膜11贴附在保温层的外侧表面。上述复合光电薄膜11可在工厂中贴附到保温板的外侧表面，从而在现场施工时，只需将保温板安装到建筑的墙体即可。此外，复合光电薄膜11也可在现场施工时贴附到外墙的表面。
在本发明的一个实施例中，上述建筑还包括外墙状态监控装置，该外墙状态监控装置分别与所有建筑外墙监测模块的电信号检测单元12电性连接，并根据建筑外墙监测模块中复合光电薄膜11在外墙的位置关系及对应的电信号检测单元12的检测结果判断外墙是否出现异常。即通过比较相邻的复合光电薄膜11输出的电信号，即可判断复合光电薄膜11所在的墙体是否出现异常，并对处于异常状态的复合光电薄膜11(即墙体)进行定位。
例如，当某一复合光电薄膜11的输出与相邻多个复合光电薄膜11的输出不同时，可确认该复合光电薄膜11的输出异常，其表示该复合光电薄膜11所在的墙体出现开裂、空鼓或脱落等异常，从而相关人员可以对对应的墙体进行检查和维护。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种建筑外墙监测模块，其特征在于，包括用于贴附到建筑外墙表面的复合光电薄膜以及与所述复合光电薄膜电性连接的电信号检测单元；所述复合光电薄膜包括由压电高分子材料构成的压电薄膜层，所述压电薄膜层上形成有电极引出导线，且所述压电薄膜层在所述建筑外墙表面产生应力变化时通过所述电极引出导线输出变化的电信号；所述电信号检测单元与所述电极引出导线电性连接，并用于检测所述电极引出导线上的电信号；
所述压电薄膜层为由聚偏氟乙烯、钛源有机物、本征单层石墨烯的混合物溶胶通过静电纺丝法制备而成的纳米纤维膜；所述复合光电薄膜包括两层相叠的纳米纤维膜以及一层本征单层石墨烯层构成，且所述本征单层石墨烯层位于两层纳米纤维膜之间；所述复合光电薄膜还包括贵金属纳米颗粒和光电半导体颗粒，所述贵金属纳米颗粒和光电半导体颗粒分散在所述纳米纤维膜上。
2.根据权利要求1所述的建筑外墙监测模块，其特征在于，所述贵金属纳米颗粒的粒径为5~15nm，且所述贵金属纳米颗粒的表面覆盖率为15%~40%。
3.根据权利要求2所述的建筑外墙监测模块，其特征在于，所述光电半导体颗粒在光照时通过所述电极引出导线输出电流；所述建筑外墙监测模块包括储能单元，且所述储能单元与所述电极引出导线电性连接。
4.根据权利要求3所述的建筑外墙监测模块，其特征在于，所述光电半导体颗粒包括二氧化钛颗粒，所述二氧化钛颗粒通过水热法分散至所述纳米纤维膜。
5.根据权利要求1所述的建筑外墙监测模块，其特征在于，所述纳米纤维膜的厚度小于3微米，且所述纳米纤维膜由直径为40-60nm的纤维构成。
6.一种建筑，其特征在于，包括外墙以及多个如权利要求1-5中任一项所述的建筑外墙监测模块，多个所述建筑外墙监测模块的复合光电薄膜分别贴附在所述外墙的表面，且多个所述建筑外墙监测模块的复合光电薄膜在所述外墙的表面呈阵列分布。
7.根据权利要求6所述的建筑，其特征在于，所述建筑包括外墙状态监控装置，所述外墙状态监控装置分别与所有建筑外墙监测模块的电信号检测单元电性连接，并根据建筑外墙监测模块中复合光电薄膜在外墙的位置关系及对应的电信号检测单元的检测结果判断所述外墙是否出现异常。
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