感知土木工程结构超大变形的聚合物基复合材料及其制备方法与应用

摘要

本发明公开了一种感知土木工程结构超大变形的聚合物基复合材料及其制备方法与应用。所述聚合物基复合材料以聚丙烯酰胺、蒙脱石、水、甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮和碳基材料为原料，利用聚丙烯酰胺吸水后的粘结性，在其中填充蒙脱石制备出柔度可调的具有大变形的聚合物基材料；在聚合物基体中掺加碳基材料制备得到导电性良好的复合材料。本发明的感知应变的复合材料以聚合物为基体，且这种材料是柔性的，能够对土木工程结构的超大变形进行感知，而且制备所需要的各项原材料容易获得，制备方法及需要的仪器容易实现。

说明书

技术领域

本发明涉及一种感知变形的聚合物基复合材料及其制备方法与应用，特别是涉及一种感知土木工程结构超大变形的聚合物基复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

土木工程结构涉及人类生活的方方面面，对结构的监测有着重大的意义。土木工程结构即建造在地上或地下、陆上或水中，直接或间接为人类生活、生产、军事、科研服务的各种工程设施，例如房屋、道路、堤坝、桥梁、电站、飞机场以及防护工程。近几年有大量的建筑、桥梁及其他公共设施因结构破坏而造成了不可挽回的重大生命和经济损失，如果能够很好的对结构监测，那么就能够尽量减少损失。所以为了保障安全，减少损失，需要对结构的破坏变形进行监测，以达到在破坏前就提前做出防护措施的目的。

对结构的变形监测，工作人员也做过大量的研究。通常采用在结构表面粘贴应变片或应变计，但是此种方法存在成本高和监测的变形范围小的缺点。近年来，随着导电高分子材料研究的全面开展，工作人员对其的拉敏、压敏、温敏等各种与导电相关的特性进行研究。特别是复合型导电聚合物，由于具有高分子材料的特性和导电性，且制备工艺简单，所以备受关注。目前所见报道集中于对导电硅橡胶的拉敏性研究，且变形较小；但对本发明材料的拉敏研究还未见报道。

所以，若研究出能够对土木工程结构的变形产生感知的聚合物基复合材料，将其铺设在结构表面监测结构变形，特别是能够感知土木工程结构的超大变形，进而可以为事故的发生提供预警，减少损失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种感知土木工程结构超大变形的聚合物基复合材料及其制备方法与应用，该复合材料以聚合物为基体，且这种材料是柔性的，能够对土木工程结构的超大变形进行感知。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种感知土木工程结构超大变形的聚合物基复合材料，由聚丙烯酰胺、蒙脱石、水、甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮和碳基材料制成而成，所述碳基材料包括碳纤维、碳纳米管和炭黑，其中：以质量比计，碳纤维：碳纳米管：炭黑=2～4:10～20:15～25，水：聚丙烯酰胺：蒙脱石=10:3～4：3～5；碳基材料的用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总质量的2.4～3.6%，甲基纤维素的用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总质量的0.2～0.6%，聚乙烯吡咯烷酮的用量为碳纳米管的15～25%。

一种上述聚合物基复合材料的制备方法，利用聚丙烯酰胺吸水后的粘结性，在其中填充蒙脱石制备出柔度可调的具有大变形的聚合物基材料；在聚合物基体中掺加碳基材料制备得到导电性良好的复合材料。具体制备步骤如下：

一、在一定量的水中加入碳纤维、碳纳米管以及作为分散剂的甲基纤维素和聚乙烯吡咯烷酮，人工搅拌均匀后置于超声波细胞粉碎仪内分散0.5～2小时，且分散过程中保证温度不能过高，在20～30℃左右，再用超声波清洗器进行分散，每次分散20～40分钟，间隔30分钟后进行第二次分散，共分散4次；

二、向步骤一中得到的分散液中加入炭黑，用水泥净浆搅拌机搅拌均匀，一边搅拌一边缓慢地加入拌合均匀的聚丙烯酰胺和蒙脱石，先慢速搅拌3～5分钟，后快速搅拌5～8分钟，24小时后进行二次搅拌3～5分钟即可，至此各材料分散均匀；

三、将步骤二制备的阳极材料填塞至模具内，挤压密实。

上述聚合物基复合材料可以在铺设在土木工程结构表面用于监测结构变形。

本发明的基本原理如下：

将制备本发明的复合材料所需要的原材料通过人工及机器搅拌和超声分散等工艺，制备得到分散均匀的聚合物基复合材料。利用聚丙烯酰胺吸水后的粘结性作为框架，在其中填充蒙脱石，通过调节聚丙烯酰胺和蒙脱石的比例调节材料的柔度；在基体材料中掺入相互能够搭接成导电网络的碳基材料可以有效的改善材料的导电性；本发明研究的阳极材料为粘弹性体，材料在拉伸断裂前能够达到的拉伸率可以达到100%，即100万微应变；本发明材料的电阻阻值随着其拉伸率变化，利用这种变化关系对结构的变形进行感知；并且通过试验验证本材料不具有重复使用的性质。

本发明给出了材料的电阻阻值与拉伸率之间的函数关系、试验原理、所需的各种原材料及复合材料的制备方法。按照本发明中给出的各原材料的配比及制备工艺，最终制备得出能够感知结构变形的复合材料，尤其是能够感知土木工程结构的超大变形。本发明具有以下优点：

1、本发明的复合材料是可以通过改变聚丙烯酰胺与蒙脱石用量，进而调节材料的柔度的。

2、本发明的感知应变的复合材料能够感知的变形可以达到100万微应变，在土木工程结构领域感知的是结构的超大变形。

3、本发明给出了一种配比的复合材料的电阻值与拉伸率之间的明确关系式，借此通过监测电阻可以感知变形。

4、复合材料的制备所需要的各项原材料容易获得，制备方法及需要的仪器容易实现，所以本发明的复合材料方便制备。

5、在实际工程中通过铺设在结构表面，通过监测材料电阻阻值变化感知结构变形，本发明提供的复合材料是能够产生较大变形的柔性复合材料，应区别于一般的应变传感材料。

附图说明

图1为四电极测试原理图；

图2为测试结果拟合。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：本实施方式提供了一种感知土木工程超大变形的聚合物基复合材料及其制备方法，下面对复合材料的感知变形性能和制备方法进行逐一说明。

一、复合材料的制备

本实施方式中材料的制备步骤、各材料的用量及制备工艺说明如下：

本实施方式中复合材料使用的原材料中水：聚丙烯酰胺：蒙脱石=10:3:5，碳基材料中碳纤维：碳纳米管：炭黑=3:15:20，甲基纤维素用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总量的0.4%，聚乙烯吡咯烷酮用量为碳纳米管的20%，碳基材料的用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总量的2.8%，具体操作步骤：

（1）在150g水中加入碳纤维0.265g、碳纳米管1.326g以及甲基纤维素0.48g和聚乙烯吡咯烷酮0.265g，其中碳纤维：碳纳米管：炭黑=3:15:20，人工搅拌3分钟；搅拌后置于超声波细胞粉碎仪内分散1小时，再用超声波清洗仪分散，每次分散30分钟，间隔30分钟后进行第二次分散，共分散4次，即2个小时；

（2）向步骤（1）中得到的分散液中加入炭黑1.768g，用水泥净浆搅拌机搅拌3分钟；一边搅拌一边缓慢地加入拌合均匀的聚丙烯酰胺45g和蒙脱石75g，先慢速（搅拌叶公转65r/min）搅拌4分钟，后快速（搅拌叶公转125r/min）搅拌6分钟，24小时后进行二次搅拌，慢速（搅拌叶公转65r/min）搅拌4分钟即可，至此各材料分散均匀；

（3）根据步骤（1）和步骤（2）完成制备的复合阳极材料，将其密封保存，根据测试需要模具的不同将上述制备的阳极材料填塞至模具内，挤压密实。

二、复合材料感知变形性能

本发明的聚合物基复合材料利用电阻值与拉伸变形的关系，使材料具有感知土木工程结构超大变形的作用。本发明通过试验给出一种配比为水：聚丙烯酰胺：蒙脱石配=10:3:5，碳基材料用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总量的2.8%的电阻值与拉伸率之间的关系。具体试验采用的是四电极法测试材料在给定拉伸长度下的电阻阻值，通过数据处理得出材料的电阻随拉伸率的变化关系。

本发明采用的四电极测试原理见图1，四电极试样的尺寸为图中标注尺寸，采用采集卡两个通道采集，一个通道与参比电阻并联采集其电压U1，另一通道与中间两个电极并联采集两端电压U2，然后利用公式R2=U2R1/U1可得到待测部分试件的电阻。试验中对试件拉伸的步长为2mm，一直拉伸测试到试件被完全拉断。本发明中的电源采用恒流，为了减小极化电流的取值应尽量小，保证采集卡能够采集到数值即可，本试验中采用电流为0.001A。

图2中曲线分别代表3个试样的测试结果，图中较粗曲线为本发明对数据拟合得到的标准曲线，根据标准曲线可得知本发明材料的电阻阻值与拉伸率之间存在的关系为：y=197.99817+0.09308×exp(8.63158×x)，其中y表示电阻阻值，x表示拉伸率。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，水：聚丙烯酰胺：蒙脱石=10:3:4，碳基材料中碳纤维：碳纳米管：炭黑=2:10:25，甲基纤维素用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总量的0.3%，聚乙烯吡咯烷酮用量为碳纳米管的18%，碳基材料的用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总量的2.6%。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是，水：聚丙烯酰胺：蒙脱石=10:4:3，碳基材料中碳纤维：碳纳米管：炭黑=4:20:15，甲基纤维素用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总量的0.5%，聚乙烯吡咯烷酮用量为碳纳米管的22%，碳基材料的用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总量的3.2%。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是，水：聚丙烯酰胺：蒙脱石=10:4:4，碳基材料中碳纤维：碳纳米管：炭黑=3:15:20，甲基纤维素用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总量的0.4%，聚乙烯吡咯烷酮用量为碳纳米管的20%，碳基材料的用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总量的2.8%。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是，水：聚丙烯酰胺：蒙脱石=10:4:5，碳基材料中碳纤维：碳纳米管：炭黑=3:15:20，甲基纤维素用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总量的0.4%，聚乙烯吡咯烷酮用量为碳纳米管的20%，碳基材料的用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总量的2.8%。