感知土木工程結構超大變形的聚合物基復合材料及其制備方法與應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種感知變形的聚合物基復合材料及其制備方法與應用，特別是涉及一種感知土木工程結構超大變形的聚合物基復合材料及其制備方法與應用。
【背景技術】
[0002]土木工程結構涉及人類生活的方方面面，對結構的監測有著重大的意義。土木工程結構即建造在地上或地下、陸上或水中，直接或間接為人類生活、生產、軍事、科研服務的各種工程設施，例如房屋、道路、堤壩、橋梁、電站、飛機場以及防護工程。近幾年有大量的建筑、橋梁及其他公共設施因結構破壞而造成了不可挽回的重大生命和經濟損失，如果能夠很好的對結構監測，那么就能夠盡量減少損失。所以為了保障安全，減少損失，需要對結構的破壞變形進行監測，以達到在破壞前就提前做出防護措施的目的。
[0003]對結構的變形監測，工作人員也做過大量的研宄。通常采用在結構表面粘貼應變片或應變計，但是此種方法存在成本高和監測的變形范圍小的缺點。近年來，隨著導電高分子材料研宄的全面開展，工作人員對其的拉敏、壓敏、溫敏等各種與導電相關的特性進行研宄。特別是復合型導電聚合物，由于具有高分子材料的特性和導電性，且制備工藝簡單，所以備受關注。目前所見報道集中于對導電硅橡膠的拉敏性研宄，且變形較小；但對本發明材料的拉敏研宄還未見報道。
[0004]所以，若研宄出能夠對土木工程結構的變形產生感知的聚合物基復合材料，將其鋪設在結構表面監測結構變形，特別是能夠感知土木工程結構的超大變形，進而可以為事故的發生提供預警，減少損失。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種感知土木工程結構超大變形的聚合物基復合材料及其制備方法與應用，該復合材料以聚合物為基體，且這種材料是柔性的，能夠對土木工程結構的超大變形進行感知。
[0006]本發明的目的是通過如下技術方案實現的:
一種感知土木工程結構超大變形的聚合物基復合材料，由聚丙烯酰胺、蒙脫石、水、甲基纖維素、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纖維、碳納米管和炭黑，其中:以質量比計，碳纖維:碳納米管:炭黑=2?4:10?20:15?25，水:聚丙烯酰胺:蒙脫石=10:3?4:3?5 ;碳基材料的用量為聚丙烯酰胺和蒙脫石總質量的2.4?3.6%，甲基纖維素的用量為聚丙烯酰胺和蒙脫石總質量的0.2?0.6%，聚乙烯吡咯烷酮的用量為碳納米管的15?25%。
[0007]一種上述聚合物基復合材料的制備方法，利用聚丙烯酰胺吸水后的粘結性，在其中填充蒙脫石制備出柔度可調的具有大變形的聚合物基材料；在聚合物基體中摻加碳基材料制備得到導電性良好的復合材料。具體制備步驟如下: 一、在一定量的水中加入碳纖維、碳納米管以及作為分散劑的甲基纖維素和聚乙烯吡咯烷酮，人工攪拌均勻后置于超聲波細胞粉碎儀內分散0.5?2小時，且分散過程中保證溫度不能過高，在20?30°C左右，再用超聲波清洗器進行分散，每次分散20?40分鐘，間隔30分鐘后進行第二次分散，共分散4次；
二、向步驟一中得到的分散液中加入炭黑，用水泥凈漿攪拌機攪拌均勻，一邊攪拌一邊緩慢地加入拌合均勻的聚丙烯酰胺和蒙脫石，先慢速攪拌3?5分鐘，后快速攪拌5?8分鐘，24小時后進行二次攪拌3?5分鐘即可，至此各材料分散均勻；
三、將步驟二制備的陽極材料填塞至模具內，擠壓密實。
[0008]上述聚合物基復合材料可以在鋪設在土木工程結構表面用于監測結構變形。
[0009]本發明的基本原理如下:
將制備本發明的復合材料所需要的原材料通過人工及機器攪拌和超聲分散等工藝，制備得到分散均勻的聚合物基復合材料。利用聚丙烯酰胺吸水后的粘結性作為框架，在其中填充蒙脫石，通過調節聚丙烯酰胺和蒙脫石的比例調節材料的柔度；在基體材料中摻入相互能夠搭接成導電網絡的碳基材料可以有效的改善材料的導電性；本發明研宄的陽極材料為粘彈性體，材料在拉伸斷裂前能夠達到的拉伸率可以達到100%，即100萬微應變；本發明材料的電阻阻值隨著其拉伸率變化，利用這種變化關系對結構的變形進行感知；并且通過試驗驗證本材料不具有重復使用的性質。
[0010]本發明給出了材料的電阻阻值與拉伸率之間的函數關系、試驗原理、所需的各種原材料及復合材料的制備方法。按照本發明中給出的各原材料的配比及制備工藝，最終制備得出能夠感知結構變形的復合材料，尤其是能夠感知土木工程結構的超大變形。本發明具有以下優點:
1、本發明的復合材料是可以通過改變聚丙烯酰胺與蒙脫石用量，進而調節材料的柔度的。
[0011]2、本發明的感知應變的復合材料能夠感知的變形可以達到100萬微應變，在土木工程結構領域感知的是結構的超大變形。
[0012]3、本發明給出了一種配比的復合材料的電阻值與拉伸率之間的明確關系式，借此通過監測電阻可以感知變形。
[0013]4、復合材料的制備所需要的各項原材料容易獲得，制備方法及需要的儀器容易實現，所以本發明的復合材料方便制備。
[0014]5、在實際工程中通過鋪設在結構表面，通過監測材料電阻阻值變化感知結構變形，本發明提供的復合材料是能夠產生較大變形的柔性復合材料，應區別于一般的應變傳感材料。
【附圖說明】
[0015]圖1為四電極測試原理圖；
圖2為測試結果擬合。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖對本發明的技術方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發明的保護范圍中。
[0017]【具體實施方式】一:本實施方式提供了一種感知土木工程超大變形的聚合物基復合材料及其制備方法，下面對復合材料的感知變形性能和制備方法進行逐一說明。
[0018]一、復合材料的制備
本實施方式中材料的制備步驟、各材料的用量及制備工藝說明如下:
本實施方式中復合材料使用的原材料中水:聚丙烯酰胺:蒙脫石=10:3:5，碳基材料中碳纖維:碳納米管:炭黑=3:15:20，甲基纖維素用量為聚丙烯酰胺和蒙脫石總量的0.4%，聚乙烯吡咯烷酮用量為碳納米管的20%，碳基材料的用量為聚丙烯酰胺和蒙脫石總量的2.8%，具體操作步驟:
(1)在150g水中加入碳纖維0.265g、碳納米管1.326g以及甲基纖維素0.48g和聚乙烯吡咯烷酮0.265g，其中碳纖維:碳納米管:炭黑=3:15:20，人工攪拌3分鐘；攪拌后置于超聲波細胞粉碎儀內分散I小時，再用超聲波清洗儀分散，每次分散30分鐘，間隔30分鐘后進行第二次分散，共分散4次，即2個小時；
(2)向步驟(I)中得到的分散液中加入炭黑1.768g，用水泥凈漿攪拌機攪拌3分鐘；一邊攪拌一邊緩慢地加入拌合均勻的聚丙烯酰胺45g和蒙脫石75g，先慢速(攪拌葉公轉65r/min)攪拌4分鐘，后快速(攪拌葉公轉125r/min)攪拌6分鐘，24小時后進行二次攪拌，慢速(攪拌葉公轉65r/min)攪拌4分鐘即可，至此各材料分散均勾；
(3)根據步驟(I)和步驟(2)完成制備的復合陽極材料，將其密封保存，根據測試需要模具的不同