本发明涉及道路检测装置
技术领域：
，尤其涉及一种用于应变传感器的复合机敏材料及其制备方法和应用。
背景技术：
：本发明
背景技术：
中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。沥青混凝土路面结构层的施工及工作环境往往较为恶劣，常用的高精度、高灵敏度的传感器往往不适合道路沥青路面施工、运行过程的恶劣环境，导致成活率极低、与路面结构的兼容性差、小范围检测精度不够、工作寿命低于结构与材料服役时间等问题。但是，目前市面上较成熟的进口电阻式应变计检测系统虽然可以有效检测路面应变变化，但其价格较为昂贵，约5000-6000元/个，难以在科研、工程和未来智慧道路建设中大规模推广应用。近年来，高分子化合物复合机敏材料的发展为解决应变传感器变形协调性差、长期工作性能不足的问题提供了一个新的思路。复合机敏材料是一种对自身所受力、变形、温度、湿度等外界因素作用具有自我感知能力的新型功能材料。复合机敏材料通常呈现出半导体或导体的电学特性，其材料本身的电阻率往往介于良导体和绝缘体之间，具有一定的导电性。当复合机敏材料受到外界因素作用时，其导电特性会发生改变，在宏观上表现出复合机敏材料输出电信号(如电阻)的变化，从而将外界因素与复合机敏材料输出的电信号建立一定相关性，进而获取被测量结构与材料的变形、受力等相关力学信息。例如，专利文献201810297973.4公开了一种监测沥青路面车辙压应变的应变传感器及其使用方法，该应变传感器包括柱体形条、分别安装在柱体形条两端的用于均匀导电的电极，所述柱体形条由PET复合机敏材料制成；电极外部需连接外接线路供测量使用，在电极外侧设置有封装层。该传感器具有灵敏度高、可靠性高以及耐久性好等特点，可以随时进行监测与信号收集，劳动强度低。但该专利所述传感器对微小应变的监测性能有待进一步改善。技术实现要素：针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种用于应变传感器的复合机敏材料及其制备方法和应用。经试验验证，本发明提出的复合机敏材料具有精度高、使用寿命长、成活率高、耐高温以及成本第等诸多优势，适合用于路面结构层的应变变化的检测。本发明第一目的：提供一种用于应变传感器的复合机敏材料。本发明第二目的：提供一种用于应变传感器的复合机敏材料的制备方法。本发明第三目的：提供一种路面应变检测传感器。本发明第四目的：提供所述用于应变传感器的复合机敏材料的应用。为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：首先，本发明公开一种用于应变传感器的复合机敏材料，其以双类型树脂为基体，多尺度非金属碳类材料为导电体，复配活性稀释剂、固化剂、固化促进剂、增韧剂和分散剂；其中，所述双类型树脂由双酚A型环氧树脂和酚醛环氧树脂组成；所述多尺度非金属碳类材料由碳纳米管和碳黑组成；按重量份计，所述基体为80-120份，非金属碳类材料为0.5-8份、活性稀释剂为5-15份、固化剂为30-70份、固化促进剂为0-4份、增韧剂为5-10份和分散剂为5-25份。作为进一步的技术方案，所述双酚A型环氧树脂和酚醛环氧树脂的质量百分比为30:70-50:50。作为进一步的技术方案，所述碳纳米管和碳黑的质量比为1：5-12。作为进一步的技术方案，所述碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管中的至少一种。作为进一步的技术方案，所述碳纳米管比表面积≥240m2/g，电导率≥160s/cm。作为进一步的技术方案，所述碳黑比表面积为60-140m2/g。作为进一步的技术方案，所述活性稀释剂为二环氧丙烷乙基醚、缩水甘油醚、多缩水甘油醚、环氧丙烷丁基醚、环氧丙烷苯基醚、三环氧丙烷丙基醚中的一种或多种。作为进一步的技术方案，所述固化剂为酸酐类或芳胺类固化剂；例如，所述酸酐类固化剂为四氢邻苯二甲酸酐、十二烷基琥珀酸酐、甲基环己烯四酸二酐中的一种或多种；所述芳胺类固化剂为4,4’—二氨基二苯甲烷、4,4’—二氨基二苯基砜、间苯二胺中的一种或多种。作为进一步的技术方案，所述固化促进剂为2、4、6三(二甲氨基甲基)苯酚(DMP-30)、2-乙基-4-甲基咪唑、双酚A中的一种或多种的混合物。作为进一步的技术方案，所述分散剂为丙酮、N-甲基吡咯烷酮(NMP),N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)中的任意一种。作为进一步的技术方案，所述增韧剂为有机硅树脂。本发明复合机敏材料的特点之一是：采用双类型树脂为基体，双类型树脂基体可以充分发挥双酚A型环氧树脂柔韧性好、酚醛环氧树脂耐热性优的优点；因此，以双类型树脂为基体，有助于改善所制备的复合机敏材料的耐热性、力学性能及耐候性，延长适用期。本发明复合机敏材料的特点之二是：以碳纳米管和碳黑组成的多尺度非金属碳类材料为导电体。所述多尺度导电体是采用碳黑的微米级尺寸和碳纳米管的纳米级尺寸的协同作用，以构建一个微观和纳观双体系的导电网络，在该导电网络中，微观结构的碳黑导电材料起到导电网络体搭建和导电接触点的双重作用，纳观结构的碳纳米管导电材料起道导电网络体充填部分的作用。其次，本发明公开所述用于应变传感器的复合机敏材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将多尺度非金属碳类导电材料干燥后进行研磨处理；然后加入分散剂进行搅拌，完成后活性稀释剂进行搅拌、超声分散，得到多尺度非金属碳类导电材料悬浮分散液；(2)在步骤(1)的悬浮分散液中加入双类型树脂，搅拌均匀后进行超声分散，然后加入固化剂、固化促进剂和增韧剂，搅拌均匀后将产物进行真空干燥，完成后进行固化，即得。作为进一步的技术方案，步骤(1)中，所述搅拌时间20-30min。作为进一步的技术方案，步骤(1)中，所述超声分散的时间为20-40min。作为进一步的技术方案，步骤(2)中，加入双类型树脂后搅拌工艺参数为：转速800-3000rpm，时间30-40min。作为进一步的技术方案，步骤(2)中，所述超声分散的时间为60-180min。作为进一步的技术方案，步骤(2)中，所述固化的方法为：先在100-120℃固化2-4小时，然后在150-160℃固化1-2小时，冷却至室温后得到复合机敏材料。再次，本发明公开一种路面应变检测传感器，该传感器的材质包括本发明提出的复合机敏材料或本发明方法制备的复合机敏材料。需要说明的是，尽管已有将复合机敏材料作为路面应变检测传感器的材料，但是，本发明发现，以复合机敏材料为核心开发适用于沥青混凝土路面的应变传感器，需要至少满足以下几个条件：(1)复合机敏材料的强度与沥青混凝土相应层位结构强度相当。(2)沥青混凝土路面在铺筑过程中材料的拌和、铺筑、碾压等温度较高，约处于130℃-160℃，因此所研发的复合机敏材料应变传感器可耐受温度应高于上述所列温度。(3)对路面的应变变形量较为敏感，监测精度高。(4)可以耐受路面服役运行过程的恶劣环境。(5)与路面的兼容性好，相互协调变形作用和体系融合效果优。而本发明开发的复合机敏材料，在监测性能方面，本一方面耐受温度可达180℃，完全适用于沥青混凝土路面在铺筑过程中拌和、碾压等温度较高的情况；另一方面可以有效监测道路的变形情况，监测精度和灵敏度高；在工程应用及使用寿命方面，本发明开发的复合机敏材料应变传感器可以有效的应用于施工及工作环境往往较为恶劣的道路工程领域，其刚度与沥青混凝土路面结构层的刚度匹配，使用寿命长，成活率高；在传感器性价比方面，本发明开发的复合机敏材料应变传感器成本控制在1000元/个以内，在保证监测精度和工程应用的前提下极大的降低了传感器的单价，具有显著的经济效益和社会效益，因此，本发明的复合机敏材料非常适合用于路面应变检测传感器的制备。最后，本发明公开了所述复合机敏材料及其传感器在道路检测中的应用。与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：(1)本发明的复合机敏材料应变传感器可耐受温度达到180℃，而且监测精度和灵敏度高，可以有效监测道路的变形情况，适用于沥青混凝土路面在铺筑过程中拌和、碾压等温度较高的情况。(2)本发明的复合机敏材料其刚度与沥青混凝土路面结构层的刚度匹配，使用寿命长，成活率高；而且在保证监测精度和工程应用的前提下极大的降低了传感器的单价。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属
技术领域：
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如，在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。正如前文所述，目前市面上较成熟的进口电阻式应变计检测系统虽然可以有效检测路面应变变化，但其价格较为昂贵，难以在科研、工程和未来智慧道路建设中大规模推广应用。因此，本发明提出一种用于应变传感器的复合机敏材料及其制备方法；现结合具体实施方式对本发明进一步进行说明。实施例1一种用于应变传感器的复合机敏材料及其制备方法，包括下列步骤：(1)称取比表面积为250m2/g，电导率为186s/cm多壁碳纳米管2.0份，称取表面积为80m2/g的碳黑16份，然后进行干燥、研磨处理。(2)称取步骤(1)制备的多尺度非金属碳类导电材料6份，加入分散剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)12份，机械搅拌30min；然后加入活性稀释剂多缩水甘油醚8份，超声分散20min，制得多尺度非金属碳类导电材料悬浮分散液。(3)称取双酚A型环氧树脂40份、酚醛环氧树脂60份，加入到步骤(2)制得的悬浮分散液中，机械搅拌30min(转速2000rpm)、超声分散60min。(4)超声分散结束后，加入固化剂四氢邻苯二甲酸酐35份、固化促进剂DMP-303份和增韧剂有机硅树脂7份，搅拌5min；完成后将样品浇筑至模具中。(5)将步骤(4)得到的浇筑体置于真空干燥箱干燥6h。取出浇注体，置于110℃电热鼓风干燥箱中高温固化4小时，然后置于150℃电热鼓风干燥箱中高温固化2小时，脱模即得。实施例2一种用于应变传感器的复合机敏材料及其制备方法，包括下列步骤：(1)称取比表面积为250m2/g，电导率为186s/cm多壁碳纳米管2.0份，称取表面积为60m2/g的碳黑10份，然后进行干燥、研磨处理。(2)称取步骤(1)制备的多尺度非金属碳类导电材料0.5份，加入分散剂N,N-二甲基甲酰胺(DMF)25份，机械搅拌30min；然后加入活性稀释剂二环氧丙烷乙基醚5份，超声分散20min，制得多尺度非金属碳类导电材料悬浮分散液。(3)称取双酚A型环氧树脂51.5份、酚醛环氧树脂68.5份，加入到步骤(2)制得的悬浮分散液中，机械搅拌35min(转速3000rpm)、超声分散100min。(4)超声分散结束后，加入固化剂十二烷基琥珀酸酐30份、固化促进剂双酚A4份和增韧剂有机硅树脂10份，搅拌5min；完成后将样品浇筑至模具中。(5)将步骤(4)得到的浇筑体置于真空干燥箱干燥6h。取出浇注体，置于100℃电热鼓风干燥箱中高温固化4小时，然后置于155℃电热鼓风干燥箱中高温固化2小时，脱模即得。实施例3一种用于应变传感器的复合机敏材料及其制备方法，包括下列步骤：(1)称取比表面积为250m2/g，电导率为186s/cm多壁碳纳米管2.0份，称取表面积为120m2/g的碳黑20份，然后进行干燥、研磨处理。(2)称取步骤(1)制备的多尺度非金属碳类导电材料7份，加入分散剂二甲基亚砜(DMSO)10份，机械搅拌20min；然后加入活性稀释剂环氧丙烷丁基醚15份，超声分散30min，制得多尺度非金属碳类导电材料悬浮分散液。(3)称取双酚A型环氧树脂60份、酚醛环氧树脂40份，加入到步骤(2)制得的悬浮分散液中，机械搅拌40min(转速800rpm)、超声分散120min。(4)超声分散结束后，加入固化剂甲基环己烯四酸二酐70份、固化促进剂2-乙基-4-甲基咪唑2份和增韧剂有机硅树脂8份，搅拌5min；完成后将样品浇筑至模具中。(5)将步骤(4)得到的浇筑体置于真空干燥箱干燥6h。取出浇注体，置于120℃电热鼓风干燥箱中高温固化2小时，然后置于160℃电热鼓风干燥箱中高温固化1小时，脱模即得。实施例4一种用于应变传感器的复合机敏材料及其制备方法，包括下列步骤：(1)称取比表面积为250m2/g，电导率为186s/cm多壁碳纳米管2.0份，称取表面积为140m2/g的碳黑24份，然后进行干燥、研磨处理。(2)称取步骤(1)制备的多尺度非金属碳类导电材料8份，加入分散剂丙酮5份，机械搅拌25min；然后加入活性稀释剂三环氧丙烷丙基醚15份，超声分散40min，制得多尺度非金属碳类导电材料悬浮分散液。(3)称取双酚A型环氧树脂40份、酚醛环氧树脂40份，加入到步骤(2)制得的悬浮分散液中，机械搅拌35min(转速2500rpm)、超声分散180min。(4)超声分散结束后，加入固化剂4,4’—二氨基二苯甲烷70份和增韧剂有机硅树脂5份，搅拌5min；完成后将样品浇筑至模具中。(5)将步骤(4)得到的浇筑体置于真空干燥箱干燥6h。取出浇注体，置于115℃电热鼓风干燥箱中高温固化3小时，然后置于150℃电热鼓风干燥箱中高温固化1.5小时，脱模即得。性能测试：(1)对上述实施例制备的复合机敏材料的力学和耐温性能进行测试，结果如表1所示。实施例1实施例2实施例3实施例4拉伸强度/MPa68647173弹性模量/MPa1250118312961194耐温极限/℃180173177182可以看出：本发明开发的复合机敏材料具有良好的拉伸强度和弹性模量，能够和沥青混凝土路面结构层的刚度匹配，使用寿命长，成活率高；同时，本发明开发的复合机敏材料的耐温极限达到了180℃，完全适用于沥青混凝土路面在铺筑过程中拌和、碾压等处于130℃-160℃的高温情况，可适应施工及工作环境较为恶劣的道路工程领域。(2)对上述实施例制备的复合机敏材料的应变监测精度进行测试，结果显示：在0-10000με范围内，电阻随应变具有明显的变化趋势。以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3