一种碳纳米纸传感器监测聚合物基复合材料Tg的方法与流程

本发明属于聚合物性能表征技术领域，具体涉及一种碳纳米纸传感器监测聚合物基复合材料Tg的方法。

背景技术：

玻璃化转变温度（Tg）是聚合物材料的一个重要的特征参数，它决定了材料的使用温度。聚合物基复合材料的力学性能取决于其使用温度，在Tg时，聚合物的热力学性质、体积性质、光学性质和电学性质等方面都会发生明显的变化，所以Tg非常重要。

目前用于监测聚合物复合材料Tg的方法主要有差热扫描量热法（DSC）、动态热力学分析法（DMA）、介电松弛法（DRS）和核磁共振法（NMR）等，上述方法的设备投入较高，同时对被测试样的尺寸与重量有要求，无法实时在线进行聚合物基复合材料生产过程的Tg监测。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种碳纳米纸传感器监测聚合物基复合材料Tg的方法，目的是低成本地在线实时监测聚合物基复合材料生产过程的Tg变化。

实现本发明目的的技术方案按照以下步骤进行：

（1）将四根铜导线固定于长方形碳纳米纸表面，形成碳纳米纸传感器，将此传感器埋入待监测聚合物基复合材料的预浸料内部，按聚合物基复合材料预浸料的标准固化工艺，固化成型得到聚合物基复合材料；

（2）聚合物基复合材料固化成型后，再次加热复合材料，利用四探针电阻测量仪测量复合材料内部碳纳米纸传感器电阻，得到复合材料固化成型后升温过程的碳纳米纸传感器电阻变化-温度关系曲线，曲线的电阻变化突变点即为复合材料的玻璃化转变温度。

其中，所述的四根铜导线利用导电胶固定在碳纳米纸表面。

与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：

碳纳米纸是由碳纳米管与其间空隙靠分子间范得华力相互作用而形成的三维网络结构，碳纳米纸之间空隙位于20-100nm间，属于典型的介孔材料，碳纳米纸传感器的碳纳米管三维网络结构于复合材料具有非常优异的界面结合性能，树脂与碳纳米纸具有优异的浸润特性，在复合材料固化过程中，树脂与碳纳米纸完全一体成型，不会影响复合材料的力学性能。

在复合材料成型后，升温加热阶段，当加热温度低于Tg时，树脂的分子链段运动受限，碳纳米管电阻决定了碳纳米纸传感器电阻变化，此时电阻随温度升高而下降；当温度升高到超过Tg时，被冻结树脂分子链开始运动，从而加大了碳纳米纸传感器的碳纳米管间距，从而使碳纳米纸传感器电阻随温度升高而增加。

本发明方法的测量过程简便、宜行，传感器及解调系统成本低，最主要是能够实现工程应用领域复合材料成型过程的实时在线监测。

附图说明

图1是本发明碳纳米纸传感器的结构示意图；

其中：1：四探针电阻测量仪；2：导电胶；3：碳纳米纸；4：铜导线；

图2是本发明实施例中碳纳米纸传感器监测复合材料加热过程的电阻变化-温度曲线。

具体实施方式

本发明实施例采用的碳纳米纸是专利申请CN2012104391772（基于碳纳米管三维网络薄膜的温度传感器制备方法）中制备的碳纳米纸；

本发明实施例中涉及的聚合物基复合材料是玻璃纤维/环氧树脂，威海光威有限公司（6509/G15000/33%）；

本发明实施例中使用的四探针电阻测量仪型号为RTS-8，购买自广州四探针科技；

本发明实施例中光纤光栅采集使用的是sm125静态解调仪（美国MOI）。

实施例

本实施例的碳纳米纸传感器监测聚合物基复合材料Tg的方法按照以下步骤进行：

（1）如图1所示，将四根铜导线4固定于长方形碳纳米纸3表面，形成碳纳米纸传感器，将此传感器埋入待监测聚合物基复合材料的预浸料内部，按聚合物基复合材料预浸料的标准固化工艺，固化成型得到聚合物基复合材料，本实施例中的聚合物基复合材料是玻璃纤维/环氧树脂，具体固化工艺是按照[0]₁₆的铺层方式，铺放在涂有脱模剂的模具上，其中碳纳米纸传感器和光纤光栅放在复合材料第8层和第9层中间，铺有预浸料的模具封装在真空袋里，一并放在烘箱里，抽真空，动态升温，动态升温工艺为：按照1℃/min的升温速度从室温升高到200℃，并保持20min；

（2）玻璃纤维/环氧树脂固化成型后，再次加热玻璃纤维/环氧树脂，利用四探针电阻测量仪测量复合材料内部碳纳米纸传感器电阻，其中碳纳米纸传感器的初始电阻R₀，升温过程中电阻改变值为△R，以△R/ R₀表示升温过程的碳纳米纸电阻变化，如图2所示，得到复合材料固化成型后升温过程的碳纳米纸传感器电阻变化-温度关系曲线，曲线的电阻变化突变点即为复合材料的玻璃化转变温度Tg，本实施例中为122℃。