一种基于碳纳米管纱线的断裂预警绳索及其制备方法与流程

本发明属于新材料的领域，涉及一种断裂预警绳索及其制备方法。

背景技术：

当前绳索材料主要分两大类，一类是以金属材料为基体的钢丝绳，另一类是以高强聚丙稀、超高分子量聚乙烯等有机高分子材料为基体的绳索。而以有机高分子材料为基体的绳索中碳纤维复合材料绳索更加具有不可比拟的优越性，不仅重量轻，比强度、比模量高，而且耐腐蚀，在高温和低温环境中线膨胀系数小，性能稳定而柔软。

我国在绳网监控技术部分研究起步较晚，但是近些年技术取得了一定成果，季晓华等人设计了一种基于x射线的钢丝绳芯无损探伤系统，实现了钢丝绳芯缺陷图像的在线智能识别和分析等功能，可初步实现绳网状态的监控及断裂检测。而随着合成纤维绳的研发和普及应用，信号可检测技术也层出不穷，最近李金钊等人在分析国内外有关研究基础上，提出一种基于光阻法原理的中空纤维膜组件完整性在线检测方法及检测装置：通过光敏电阻探测器接收到的光强改变引起的电信号变化，判断膜组件完整性是否被破坏。有人提出了一种合成绳无损检测方法：使用x射线、太赫兹、永磁和电磁分析来决定是否继续使用该绳子。因此，实现力学监控系统在系泊绳、登山绳的状态监控以及“海洋牧场”防护网的预警、识别、拦截等领域具有重要应用。

技术实现要素：

本发明的目的是设计一种基于新型传感纤维的断裂预警绳索的制备方法，以碳纳米管膜为原料，通过不同长度的搭接技术，加捻制备导电纱线，再通过编织工艺将多根不同断裂伸长率的导电纱线编入纤维绳索中，起到断裂预警作用。

为了达到上述的目的，提供了一种基于碳纳米管纱线的断裂预警绳索，其特征在于，所述断裂预警绳索内编织有一根碳纳米管导电纱线或多根不同断裂伸长率且相互不连通的碳纳米管导电纱线；所述导电纱线由碳纳米管膜首尾搭接并加捻后得到；

拉伸情况下，将断裂预警绳索的导电纱线进行通电，通过监测断裂预警绳索导电纱线的电阻变化，对绳索内导电纱线断裂情况的实时监控，反映出绳索的受力情况，当导电纱线的电阻变为无限大时，说明导电纱线被拉断，绳索受到了大于等于该伸长率的拉伸。

优选地，所述碳纳米管导电纱线为多根时，碳纳米管导电纱线之间的断裂伸长率的差异控制在0.5％以上。

本发明还提供了上述基于碳纳米管纱线的断裂预警绳索的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤1：将纳米管膜进行首尾搭接后，进行加捻，获得碳纳米管导电纱线；

步骤2：将步骤1得到的碳纳米管导电纱线作为断裂预警绳索的股纱或者股纱的一部分与绳索用纤维一起编织，得到基于碳纳米管纱线的断裂预警绳索。

优选地，所述步骤1中碳纳米管膜为两条或两条以上。

优选的，所述步骤1中碳纳米管膜的厚度为5～50μm，宽度为0.5～10cm。

优选的，所述步骤1中碳纳米管膜搭接处的搭接长度为0.5～10cm，加捻捻度为0.1～100/cm，捻回角度为10～70°。

优选地，所述步骤1中碳纳米管导电纱线的直径范围为10μm～5mm。

优选地，所述步骤1中碳纳米管导电纱线的断裂伸长率为0.5～10％。

优选的，所述步骤2中绳索用纤维为工业纤维或高性能纤维。

更优选地，所述工业纤维为丙纶，锦纶或氨纶中的一种或几种的混纺纤维；高性能纤维为超高分子量聚乙烯纤维或芳纶中的一种或两种纤维的混纺纤维。

优选的，所述步骤2中碳纳米管导电纱线为1～50根。

更优选地，所述步骤2中当碳纳米管导电纱线为多根时，碳纳米管导电纱线之间彼此不连通，碳纳米管导电纱线之间的断裂伸长率的差异控制在0.5％以上。

优选地，所述碳纳米管导电纱线作为股纱的一部分是将碳纳米管导电纱线与绳索用纤维混纺后，在与绳索用纤维一起进行编织。

本发明的原理：

通过调控碳纳米管膜的厚度和宽度，可获不同直径的直径碳纳米管纱线，由于搭接处为碳纳米管纱线的弱结处，搭接处的强度由捻度和搭接长度决定，因此可通过调控捻度和搭接长度参数，制备不同断裂伸长率的碳纳米管导电纱线。当两条以上碳管膜拼接时，导电纱线的伸长率由最短的搭接处决定。

通过调整内嵌碳纳米管导电纱线的数量得到不同精度的预警绳索。

将导电纱线进行通电，测试其电阻情况。以定伸长率对绳索进行拉伸，当某根导电纱线的电阻变为无限大时，说明该纱线被拉断，从而得到该绳索规格下，导电纱线搭接长度同其断裂伸长率的关系。

通过监测预警绳索导电纱线的电阻变化，推断导电纱线是否断裂，从而反映预警绳索的伸长状态；在绳索拉伸情况下，绳索内特定断裂伸长率的导电纱线断裂时，表明绳索受到了大于等于该伸长率的拉伸，从而反映出该绳索的拉伸状态，实现预警绳索断裂的目的。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明获得的断裂预警绳索，在不影响绳索原本力学性能的情况下，可以梯度性地反映绳索的伸长情况，从而达到断裂预警的效果。

2.本发明获得的碳纳米管导电纱线的制备解决了碳纳米管纤维直径细，可织性差的缺点，同时还能控制纱线的直径，以满足不同绳索条件的需求。

3.本发明提供了不同搭接长度的导电纱线，并提供了确定搭接长度与断裂伸长率之间关系的方法，有很强的实用性，满足不同绳索的实际生产需要。

4.本发明获得的断裂预警绳索，在安全绳，系泊绳，登山绳等绳索领域，以及水下防护绳网等领域有广阔的应用前景。

5.本发明提供的制备方法、原理和生产过程简单易实现，适用于规模化、产业化生产。

附图说明

图1为本发明的碳纳米管膜搭接工艺示意图；1为碳纳米管膜，2为搭接处；

图2为本发明的多根碳纳米管膜搭接工艺示意图；

图3为实例1断裂预警绳索的横截面图；3为碳纳米管导电纱线，4为芳纶纱线

图4为实例1断裂预警绳索的侧视图；

图5为实例2断裂预警绳索的横截面图；3为碳纳米管导电纱线，5为超高分子量聚乙烯纤维。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

本实施例提供了一种基于碳纳米管纱线的断裂预警绳索，具体制备步骤如下：

步骤1：碳纳米管导电纱线的制备：

将厚度为15μm，纯度>90％的碳纳米管膜(苏州捷迪纳米材料有限公司)裁剪为长100cm、宽2cm的长条，将2条上述长条搭接，搭接处的重叠长度分别为1.5cm；然后进行加捻，纱线捻度为5/cm，捻回角度为30°，将两端固定，得到碳纳米管导电纱线，所得导电纱线的直径为150μm；

步骤2：断裂预警绳索的编织：

将1根步骤2得到的碳纳米管导电纱线同等直径的6股芳纶k-129纤维(杜邦公司生产)合股编织，在保证导电纱线不连通的情况下，制备编织，得到碳纳米管纱线的断裂预警绳索；断裂预警绳索的截面图和侧视图如图3～4所示；

步骤3：导电纱线断裂伸长率的确定：

将步骤2得到的样品的导电纱线进行通电，测试其电阻情况，以定伸长率对绳索进行拉伸，当某根导电纱线的电阻变为无限大时，说明该纱线被拉断，从而得到该绳索规格下，导电纱线搭接长度同其断裂伸长率的关系；导电纱线的断裂伸长率的通过拉伸仪来测试，断裂时纱线的伸长量除以纱线的总长度，为该纱线的断裂伸长率，经测定本导电纱线的断裂伸长率约2.1％。

通过监测导电纱线的电阻情况，当导电纱线电阻为无穷大时，说明该导电纱线断裂，此时的绳索伸长率约2.1％，从而起到预警的效果。

实施例2

本实施例提供了一种基于碳纳米管纱线的断裂预警绳索，具体制备步骤如下：

步骤1：碳纳米管导电纱线的制备：

将厚度为10μm，纯度>90％的碳纳米管膜(苏州捷迪纳米材料有限公司)裁剪为长100cm、宽3cm的长条，将8条上述长条分别两两搭接，搭接处的重叠长度分别为0.5cm，1cm，1.5cm，2cm；然后进行加捻，纱线捻度为10/cm，捻回角度为20°，将两端固定，得到4根碳纳米管导电纱线，所得导电纱线的直径为200μm；

步骤2：断裂预警绳索的编织：

将步骤2得到的碳纳米管4根导电纱线分别同等直径的10股超高分子量聚乙烯纤维(江苏神鹤科技发展有限公司)合股编织，在保证导电纱线不连通的情况下，制备编织，得到基于碳纳米管纱线的断裂预警绳索；断裂预警绳索的截面图如图5所示；

步骤3：导电纱线断裂伸长率的确定：

将步骤2得到的断裂预警绳索的导电纱线进行通电，测试其电阻情况，以定伸长率对绳索进行拉伸，当某根导电纱线的电阻变为无限大时，说明该纱线被拉断，从而得到该绳索规格下，导电纱线搭接长度同其断裂伸长率的关系；导电纱线的断裂伸长率的通过拉伸仪来测试，断裂时纱线的伸长量除以纱线的总长度，为该纱线的断裂伸长率，经测定4根碳纳米管导电纱线的断裂伸长率分别为1％，2％，3％，4％。

通过分别监测每根导电纱线的电阻情况，当不同伸长率的导电纱线电阻为无穷大时，说明相应的导电纱线断裂，可以预测到整根绳索的伸长率，从而起到预警的效果。