CN115215614B - 一种建筑智能涂料、建筑智能皮肤及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种建筑智能涂料、建筑智能皮肤及其制备方法和应用，涉及智能建筑材料技术领域。本发明提供的建筑智能涂料，包括以下重量份数的制备原料：水泥基胶凝材料120～360份，水64～165份，微传感材料62～280份，添加剂6～108份，填料6～72份，减水剂2.4～10.8份，改性剂56～158份。本发明能够将传统监测技术只能对结构进行点或线监测转变成面监测，可广泛应用于建筑内外墙体，使建筑可以感知环境温湿度、压力变化等，辅助构建智慧人居；也可用于道路交通领域，实时监测车流车速，辅助构建智慧交通；本发明还可应用于大跨桥梁等大型结构在服役期内的性能与安全监测。

Description

一种建筑智能涂料、建筑智能皮肤及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及智能建筑材料技术领域，具体涉及一种建筑智能涂料、建筑智能皮肤及其制备方法和应用。
背景技术
目前研究人员致力于将物联网感知设施、通信系统等纳入公共基础设计统一规划建设，推进市政公用设施、建筑等物联网应用和智能化改造。传感技术是推进物联网和智能建筑建设的关键。建筑周围环境的监测是智能建筑建设的重要组成部分。然而，建筑周围环境信息，包括温湿度、压力、磁场等均会随着测量位置变化而呈现空间分布特性。传统的传感技术只局限于对结构某一位置信息的监测，难以准确代表结构所处环境。
有研究利用光纤传感器来监测结构的应变和温度信息，但同样仅限于对所布设光纤周围有限区域的监测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种建筑智能涂料、建筑智能皮肤及其制备方法和应用，本发明能够将传统监测技术只能对结构进行点或线监测转变成面监测，在智能家居、智慧交通、健康监测等领域具有广泛的应用前景。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种建筑智能涂料，包括以下重量份数的制备原料：水泥基胶凝材料120～360份，水64～165份，微传感材料62～280份，添加剂6～108份，填料6～72份，减水剂2.4～10.8份，改性剂56～158份。
优选地，所述水泥基胶凝材料包括普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、白水泥、硫铝酸盐水泥、磷酸镁水泥、氯氧镁水泥和硫氧镁水泥中的一种或多种；所述水泥基胶凝材料的粒度为50μm以下。
优选地，所述微传感材料包括MEMS传感器和NEMS传感器中的一种或多种；所述微传感材料的尺寸为2mm以下。
优选地，所述添加剂为矿物掺合料。
优选地，所述填料包括珍珠岩微粉、石灰石粉和玻璃微粉中的一种或多种；所述填料的粒度为20μm以下。
优选地，所述改性剂为纯丙乳液、硅丙乳液和丙烯酸乳液中的一种或多种；所述改性剂的固含量为30～60％。
本发明提供了一种建筑智能皮肤，由上述技术方案所述的建筑智能涂料涂覆得到。
本发明提供了上述技术方案所述建筑智能皮肤的制备方法，包括以下步骤：
将减水剂、改性剂和水混合，得到液体混合物；
将所述液体混合物和水泥基胶凝材料、添加剂以及填料混合，得到混合料；
将所述混合料和微传感材料混合后涂覆在基体表面，或者将微传感材料铺设在基体表面后再涂覆所述混合料，得到建筑智能皮肤。
优选地，所述微传感材料在基体表面的铺设形状包括线形、圆形、方形、圆柱面或球面。
本发明提供了上述技术方案所述建筑智能皮肤或上述技术方案所述制备方法制备得到的建筑智能皮肤在智能家居、智慧交通或结构健康监测中的应用。
本发明提供了一种建筑智能涂料，包括以下重量份数的制备原料：水泥基胶凝材料120～360份，水64～165份，微传感材料62～280份，添加剂6～108份，填料6～72份，减水剂2.4～10.8份，改性剂56～158份。本发明利用微传感材料均匀分布于结构表面并形成感知网络，从而在结构表面形成具有自感知自监测能力的建筑智能皮肤。不同于有机涂料，本发明提供的建筑智能涂料与结构主体相容性好，因此本发明提供的建筑智能涂料在保证优异的传感性能前提下，同时具有优异的耐久性能。本发明能够将传统监测技术只能对结构进行点或线监测转变成面监测，可广泛应用于建筑内外墙体，使建筑可以感知环境温湿度、压力变化等，辅助构建智慧人居；也可用于道路交通领域，实时监测车流车速，辅助构建智慧交通；本发明还可应用于大跨桥梁等大型结构在服役期内的性能与安全监测。
附图说明
图1为实施例7～8中微传感材料的方形阵列铺设示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种建筑智能涂料，包括以下重量份数的制备原料：水泥基胶凝材料120～360份，水64～165份，微传感材料62～280份，添加剂6～108份，填料6～72份，减水剂2.4～10.8份，改性剂56～158份。
以重量份数计，本发明提供的建筑智能涂料的制备原料包括水泥基胶凝材料120～360份，优选为320份。在本发明中，所述水泥基胶凝材料优选包括普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、白水泥、硫铝酸盐水泥、磷酸镁水泥、氯氧镁水泥和硫氧镁水泥中的一种或多种。在本发明中，所述水泥基胶凝材料的粒度优选为50μm以下，更优选为34.6～36.8μm。本发明提供的建筑智能涂料以水泥基涂料为基体，与结构主体具有良好的相容性，在保证优异的传感性能前提下，同时具有优异的耐久性。
以所述水泥基胶凝材料的重量份数为基准，本发明提供的建筑智能涂料的制备原料包括水64～165份，优选为146份。
以所述水泥基胶凝材料的重量份数为基准，本发明提供的建筑智能涂料的制备原料包括微传感材料62～280份，优选为190～240份。在本发明中，所述微传感材料优选包括MEMS传感器和NEMS传感器中的一种或多种。在本发明中，所述微传感材料的尺寸优选为2mm以下。在本发明中，所述MEMS传感器优选包括MEMS温度传感器、MEMS湿度传感器、MEMS压力传感器、MEMS振动传感器、MEMS速度传感器和MEMS磁场传感器中的一种或几种；所述NEMS传感器优选包括NEMS温度传感器、NEMS湿度传感器、NEMS压力传感器、NEMS振动传感器、NEMS速度传感器和NEMS磁场传感器中的一种或几种。
在本发明中，所述微传感材料的内部优选集成感知芯片和射频芯片；所述感知芯片所监测信号优选通过射频芯片蓝牙无线传输至移动终端。
在本发明中，所述微传感材料的供电方式优选包括微电源供电、振动能转换为电能供电和太阳能转化为电能供电中的一种或多种。
以所述水泥基胶凝材料的重量份数为基准，本发明提供的建筑智能涂料的制备原料包括添加剂6～108份，优选为32～60份。在本发明中，所述添加剂优选为矿物掺合料，更优选为硅灰、矿渣、偏高岭土和粉煤灰中的一种或多种。在本发明中，所述硅灰的粒度优选为0.1～1μm，更优选为0.6μm；所述矿渣、偏高岭土和粉煤灰的粒度独立优选为50μm以下。在本发明中，所述添加剂可以与水泥基胶凝材料水化产生的碱性物质反应，降低水泥基材料碱度及碱性物质溶出，减少碱性环境对微传感材料的腐蚀作用。
以所述水泥基胶凝材料的重量份数为基准，本发明提供的建筑智能涂料的制备原料包括填料6～72份，优选为16～50份。在本发明中，所述填料优选包括珍珠岩微粉、石灰石粉和玻璃微粉中的一种或多种。在本发明中，所述填料的粒度优选为20μm以下，更优选为14.3μm。在本发明中，所述填料可以填充水泥基材料孔隙，降低孔隙率。
以所述水泥基胶凝材料的重量份数为基准，本发明提供的建筑智能涂料的制备原料包括减水剂2.4～10.8份，优选为6.5～10份。在本发明中，所述减水剂优选为聚羧酸系高效减水剂；所述减水剂的减水率优选≥25％，更优选为30％。
以所述水泥基胶凝材料的重量份数为基准，本发明提供的建筑智能涂料的制备原料包括改性剂56～158份，优选为100～124份。在本发明中，所述改性剂优选为纯丙乳液、硅丙乳液和丙烯酸乳液中的一种或多种。在本发明中，所述改性剂的固含量优选为30～60％，更优选为40～50％。在本发明中，所述改性剂可以改善涂层的匀质性，避免涂层分层，同时提高涂层与基体的粘结能力。
本发明提供了一种建筑智能皮肤，由上述技术方案所述的建筑智能涂料涂覆得到。
本发明还提供了上述技术方案所述建筑智能皮肤的制备方法，包括以下步骤：
将减水剂、改性剂和水混合，得到液体混合物；
将所述液体混合物和水泥基胶凝材料、添加剂以及填料混合，得到混合料；
将所述混合料和微传感材料混合后涂覆在基体表面，或者将微传感材料铺设在基体表面后再涂覆所述混合料，得到建筑智能皮肤。
本发明将减水剂、改性剂和水混合，得到液体混合物。
得到液体混合物后，本发明将所述液体混合物和水泥基胶凝材料、添加剂以及填料混合，得到混合料。
得到混合料后，本发明将所述混合料和微传感材料混合后涂覆在基体表面，或者将微传感材料铺设在基体表面后再涂覆所述混合料，得到建筑智能皮肤。在本发明中，所述基体优选包括石材、钢材或木材。
在本发明中，所述微传感材料在基体表面的铺设形状优选为阵列分布，具体包括线形、圆形、方形、圆柱面或球面，更优选为方形。在本发明中，所述铺设形状内相邻微传感材料间距优选为0.05～2cm，更优选为0.5～1cm。
在本发明中，所述涂覆的方式优选包括喷涂、刷涂、滚涂或压制，更优选为喷涂。在本发明的具体实施例中，所述喷涂采用喷枪的喷涂口径优选为0.5～3mm，更优选为2mm；喷涂距离优选为15～30cm，更优选为25cm。在本发明中，所述涂覆的厚度优选为0.1～3mm，更优选为1.8mm。
本发明优选在所述涂覆后，将所得涂层进行养护，得到建筑智能皮肤。在本发明中，所述养护的温度优选为18～22℃；所述养护的相对湿度优选为95％；所述养护的时间优选为28天。
本发明将微传感材料均匀分布于结构表面并形成感知网络，从而在结构表面形成具有自感知自监测能力的建筑智能皮肤。
本发明提供了上述技术方案所述建筑智能皮肤或上述技术方案所述制备方法制备得到的建筑智能皮肤在智能家居、智慧交通或结构健康监测中的应用。本发明可广泛应用于建筑内外墙体，使建筑可以感知环境温湿度、压力变化，辅助构建智慧人居；也可用于道路交通领域，实时监测车流车速，辅助构建智慧交通；还可应用于大跨桥梁等大型结构在服役期内的性能与安全监测。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例采用的原料为：水泥基胶凝材料为P·Ⅰ42.5普通硅酸盐水泥，平均粒度为36.8μm；微传感材料为MEMS振动传感器，最大边长为1.5mm；添加剂为硅灰，平均粒度为0.6μm；填料为石灰石粉，平均粒度为14.3μm；减水剂为聚羧酸系高效减水剂，减水率为30％；改性剂为纯丙乳液，固含量为40％。
以重量份数计，取普通硅酸盐水泥320份，MEMS振动传感器190份，水146份，硅灰32份，石灰石粉16份，减水剂6.5份，纯丙乳液124份。将减水剂、改性剂和水混合，得到液体混合物；将所述液体混合物和水泥基胶凝材料、添加剂以及填料混合，得到混合料；将MEMS振动传感器与混合料混合均匀，喷涂在石材表面，喷涂口径为2mm，喷涂距离为25cm，厚度为1.8mm；将涂层置于温度20±2℃、相对湿度95％的标准养护室内养护28天，得到建筑智能皮肤。通过手机蓝牙与建筑智能皮肤连接，对信号强度进行检测。将建筑智能皮肤置于紫外加速老化试验箱中试验1500小时，观察其表面形貌变化，并再次对信号强度进行检测。
实施例2
与实施例1的制备方法基本相同，不同之处仅在于，将MEMS振动传感器的份数由“190份”调整为“210份”。
实施例3
与实施例1的制备方法基本相同，不同之处仅在于，将MEMS振动传感器的份数由“190份”调整为“240份”。
实施例4
本实施例采用的原料为：水泥基胶凝材料为白水泥(不含C4AF)，平均粒度为34.6μm；微传感材料为MEMS振动传感器，最大边长为1.5mm；添加剂为硅灰，平均粒度为0.6μm；填料为石灰石粉，平均粒度为14.3μm；减水剂为聚羧酸系高效减水剂，减水率为30％；改性剂为纯丙乳液，固含量为40％。
以重量份数计，取白水泥320份，MEMS振动传感器190份，水146份，硅灰32份，石灰石粉16份，减水剂6.5份，纯丙乳液124份。将减水剂、改性剂和水混合，得到液体混合物；将所述液体混合物和水泥基胶凝材料、添加剂以及填料混合，得到混合料；将MEMS振动传感器与混合料混合均匀，喷涂在石材表面，喷涂口径为2mm，喷涂距离为25cm，厚度为1.8mm；将涂层置于温度20±2℃、相对湿度95％的标准养护室内养护28天，得到建筑智能皮肤。通过手机蓝牙与建筑智能皮肤连接，对信号强度进行检测。将建筑智能皮肤置于紫外加速老化试验箱中试验1500小时，观察其表面形貌变化，并再次对信号强度进行检测。
实施例5
与实施例4的制备方法基本相同，不同之处仅在于，将MEMS振动传感器的份数由“190份”调整为“210份”。
实施例6
与实施例4的制备方法基本相同，不同之处仅在于，将MEMS振动传感器的份数由“190份”调整为“240份”。
实施例7
与实施例1不同之处仅在于，先将MEMS振动传感器预先按方形阵列铺设在石材表面，阵列内相邻MEMS振动传感器间距为0.5cm，再进行混合料涂覆，如图1所示。
实施例8
与实施例4不同之处仅在于，先将MEMS振动传感器预先按方形阵列铺设在石材表面，阵列内相邻MEMS振动传感器间距为0.5cm，再进行混合料涂覆，如图1所示。
测试例
对各实施例的信号强度RSSI和耐老化性能进行检测，结果如表1所示。表1中，RSSI的数值越接近于0，则代表接收到的信号越强。
表1实施例1～8制备的建筑智能皮肤信号强度RSSI和耐老化性能
Figure BDA0003771939960000071
Figure BDA0003771939960000081
由表1可知，随着微传感材料使用量增加，本发明制备的建筑智能皮肤RSSI值更接近于0，说明其信号强度更强。另一方面，与实施例1～3相比，实施例4～6建筑智能皮肤信号强度更强，这是因为白水泥水化产物中不含Fe2+、Fe3+的相应矿物，对电磁波信号衰减更小。实施例1～8制备的建筑智能皮肤在进行1500小时紫外加速老化测试后，其表面均无鼓泡、脱落和裂纹，远超过行业标准《建筑外墙涂料通用技术要求》JG/T 512-2017所规定的600小时最低要求，并且本发明制备的建筑智能皮肤在紫外加速老化测试后信号强度几乎无变化，说明其具有优异的耐老化性能。
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 (9)

1.一种建筑智能涂料，其特征在于，包括以下重量份数的制备原料：水泥基胶凝材料120~360份，水64~165份，微传感材料62~280份，添加剂6~108份，填料6~72份，减水剂2.4~10.8份，改性剂56~158份；
所述微传感材料的内部集成感知芯片和射频芯片；所述感知芯片所监测信号通过射频芯片蓝牙无线传输至移动终端；所述微传感材料的供电方式包括微电源供电、振动能转换为电能供电和太阳能转化为电能供电中的一种或多种；
所述微传感材料包括MEMS传感器和NEMS传感器中的一种或多种；所述微传感材料的尺寸为2mm以下。
2.根据权利要求1所述的建筑智能涂料，其特征在于，所述水泥基胶凝材料包括普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、白水泥、硫铝酸盐水泥、磷酸镁水泥、氯氧镁水泥和硫氧镁水泥中的一种或多种；所述水泥基胶凝材料的粒度为50μm以下。
3.根据权利要求1所述的建筑智能涂料，其特征在于，所述添加剂为矿物掺合料。
4.根据权利要求1所述的建筑智能涂料，其特征在于，所述填料包括珍珠岩微粉、石灰石粉和玻璃微粉中的一种或多种；所述填料的粒度为20μm以下。
5.根据权利要求1所述的建筑智能涂料，其特征在于，所述改性剂为纯丙乳液、硅丙乳液和丙烯酸乳液中的一种或多种；所述改性剂的固含量为30~60%。
6.一种建筑智能皮肤，其特征在于，由权利要求1~5任一项所述的建筑智能涂料涂覆得到。
7.权利要求6所述建筑智能皮肤的制备方法，包括以下步骤：
将减水剂、改性剂和水混合，得到液体混合物；
将所述液体混合物和水泥基胶凝材料、添加剂以及填料混合，得到混合料；
将所述混合料和微传感材料混合后涂覆在基体表面，或者将微传感材料铺设在基体表面后再涂覆所述混合料，得到建筑智能皮肤。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述微传感材料在基体表面的铺设形状包括线形、圆形、方形、圆柱面或球面。
9.权利要求6所述建筑智能皮肤或权利要求7~8任一项所述制备方法制备得到的建筑智能皮肤在智能家居、智慧交通或结构健康监测中的应用。
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