一种基于气液界面自组装的结构裂缝监测用透明传感器制备方法与流程

本发明涉及传感器领域，具体涉及基于气液界面的结构裂缝监测用透明传感器制备方法。

背景技术

作为力学断面的裂缝能显著的改变结构中的应力场和应变场，从而破坏结构的整体性，进而影响到结构的承载能力，加速结构的破坏速率，是结构损伤到某一危险程度的集中体现。为了保障结构的安全性、完整性和耐久性，就需要采取有效的技术手段监测结构中的裂缝，合理准确的评定结构的安全状况，并且及时修复和控制结构损伤，防止结构的病害发展、性能退化及突然失效所带来的严重经济损失和恶劣的社会影响。目前土木工程领域对于混凝土结构的变形和裂缝监测的传感元件主要有光纤、图像、应力应变、压电传感、智能皮肤和信息涂层技术等，然而这些技术手段对于裂缝发展的监测还存在一定局限性，比如在裂缝扩展到较大值时，混凝土结构的承载能力还在安全范围内，这些技术手段由于自身的损坏而无法监测裂缝的继续发展情况。因此具备大应变特性的柔性传感器就显得尤为重要。

有学者先将mwcnts和swcnts纯化，之后将mwcnts分散在三氯甲烷中，而将swcnts溶解在三氯甲烷和dnf的混合液(85:15)中，之后通过l-b方法在气液界面制备出了稳定的单层cnt薄膜。有学者先将swcnts酸处理。之后利用十八烷基胺(oda)将swcnts功能化，再将功能化的swcnts分散在三氯甲烷中，通过l-b方法获得了大面积、高度有序和厚度可控的多层swcnts薄膜。有学者将swcnts在二氯乙烷和pmpv的混合液中处理后，此过程中swcnts没有发生任何共价功能化，有pmpv吸附的swcnts在二氯乙烷有机溶剂中能稳定悬浮。之后通过l-b方法制得了密集对齐的swcnts薄膜。有学者先将swcnts用咪唑盐改性，然后超声分散于水溶液中，加入三氯乙烷后将混合液超声处理12h，swcnts-im就会在水油界面通过自组装形成一层swcnts薄膜。有学者在室温条件下将swcnts分散在1乙基3甲基咪唑醋酸盐制得稳定的悬浮液置于一玻璃片上，沿45°角倒入去离子水中，有机盐溶解于水后，swcnts会漂浮在去离子水的表面而形成一层薄膜。有学者将swcnts和pfo-bpy混合溶液经过超声、离心等一系列处理后得到的下层悬浮液分散在三氯甲烷中，三氯甲烷会在气液界面迅速扩展和蒸发，通过自组装方法就得到了排列有序的swcnts薄膜。有学者先将硅基板亲水性处理和胺功能化，然后将硅基板浸泡在利用经酸处理的swcnts水溶液中，通过-cooh和-nh2之间的静电作用实现了swcnts网络结构的自组装。

上述这2种制备方法在试验过程中使用了有毒的有机溶剂、碳纳米管还需要进行纯化和功能化等处理。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术使用了有毒的有机溶剂且处理过程复杂的缺点，而提出一种基于气液界面的结构裂缝监测用透明传感器制备方法。

一种基于气液界面的结构裂缝监测用透明传感器制备方法包括以下步骤：

步骤一：聚二甲基硅氧烷(pdms)基板制备；

步骤一一：按质量比为10:1称取聚二甲基硅氧烷和聚二甲基硅氧烷固化剂，进行磁力搅拌，得到二甲基硅氧烷和聚二甲基硅氧烷固化剂的混合液；

步骤一二：将步骤一一得到的二甲基硅氧烷和聚二甲基硅氧烷固化剂的混合液进行真空干燥，得到聚二甲基硅氧烷薄膜；

步骤一三：将步骤一二得到的聚二甲基硅氧烷薄膜进行烘干，得到聚二甲基硅氧烷(pdms)基板；

步骤二：透明导电swcnt薄膜制备；

步骤二一：将十二烷基苯磺酸钠(sdbs)完全溶解于去离子水中，得到十二烷基苯磺酸钠水溶液，静置待用；

步骤二二：将swcnts(单壁碳纳米管)分散在步骤二一得到的十二烷基磺酸钠水溶液中，进行超声分散，得到swcnts与十二烷基苯磺酸钠的混合液，其中swcnts与十二烷基苯磺酸钠(sdbs)的质量比为1:5；

步骤二三：将步骤二二得到的swcnts与十二烷基苯磺酸钠的混合液进行离心，取出上层悬浮液待用，去除底部固体物质；

步骤二四：取步骤二三取出的swcnts与十二烷基苯磺酸钠的混合液，加入无水乙醇，swcnts与十二烷基苯磺酸钠的混合液与无水乙醇的体积比为1:5，进行超声振荡后离心分离，离心得到的swcnts溶解于无水乙醇中，待用；

步骤二五：用滴管吸取步骤二四得到的swcnts与无水乙醇的混合溶液，沿着玻璃皿的内壁缓慢滴入盛有2/3深度去离子水的玻璃皿中，待水面上层有一层油状物形成后，面积大约为玻璃皿面积的2/3时停止滴入；沿滴入swcnts与无水乙醇的混合溶液的位置，滴入少量步骤二一配置好的十二烷基苯磺酸钠水溶液；

步骤二六：用镊子夹取步骤一三制备好的聚二甲基硅氧烷基板，采用粘附提拉方式缓慢地将透明玻璃皿中漂浮的油状物粘结在聚二甲基硅氧烷基板上，放置于无水乙醇溶液中清洗，粘有swcnts的一面朝下；

步骤二七：将步骤二六清洗后的聚二甲基硅氧烷基板进行烘干后，用万用表测试试件的电阻，测量电阻时加导电铜箔，基板和铜箔之间用导电银浆粘接，得到透明导电swcnt薄膜；

步骤二八：将步骤一三得到的聚二甲基硅氧烷(pdms)基板覆盖于步骤二七得到的透明导电swcnt薄膜上，得到具有三明治结构的透明导电swcnt薄膜。

本发明的有益效果为：

本发明提供一种基于气液界面自组装的结构裂缝监测用透明传感器制备方法，本发明中swcnts未经纯化处理，也没有使用任何有毒的有机溶剂，在环保方面有了较大提高。且可以简单的实现大面积制备。本发明在l-b技术和自组装方法基础上，利用碳纳米管之间范德华力和sdbs水溶液的推力作用，在气液界面制得了分布均匀的swcnts导电网络，并通过粘取提拉法转移到pdms基板上制得三明治结构的透明导电swcnt薄膜。本发明传感器是一种大变形(＞100％)的拉敏传感器，在监测过程中，电源异常时，因为此传感器透明，可以直观的观测得到裂缝的宽度，尤其是钢箱梁内部疲劳裂缝的监测。

经过50次疲劳拉伸后的三明治结构的透明导电swcnt薄膜电阻的变化率在0～100％应变范围内表现出良好的线性相关性，通过对试验数据拟合得到的拟合线性方程为：y＝-10.608+2.438x，拟合优度为r²＝0.986，根据敏感系数的定义，本发明三明治结构的透明导电swcnt薄膜的敏感系数为2.44。这说明三明治结构的的透明导电swcnt薄膜在0～100％的拉伸应变范围内，是一种具备良好拉敏性能的传感材料，可以作为传感器用于结构健康监测领域中结构裂缝的监测等应用。

附图说明

图1为单层swcnts网络的sem图像；

图2为不同层数swcnts随机导电网络的透明导电swcnt薄膜的透明度；

图3为三明治结构透明导电swcnt薄膜经50次疲劳拉伸后的应变传感性。

具体实施方式

具体实施方式一：一种基于气液界面自组装的结构裂缝监测用透明传感器制备方法包括以下步骤：

步骤一：聚二甲基硅氧烷(pdms)基板制备；

步骤一一：按质量比为10:1称取聚二甲基硅氧烷和聚二甲基硅氧烷固化剂，进行磁力搅拌，得到二甲基硅氧烷和聚二甲基硅氧烷固化剂的混合液；

步骤一二：将步骤一一得到的二甲基硅氧烷和聚二甲基硅氧烷固化剂的混合液进行真空干燥，得到聚二甲基硅氧烷薄膜；

步骤一三：将步骤一二得到的聚二甲基硅氧烷薄膜进行烘干，得到聚二甲基硅氧烷(pdms)基板；

步骤二：透明导电swcnt薄膜制备；

步骤二一：将十二烷基苯磺酸钠(sdbs)完全溶解于去离子水中，得到十二烷基苯磺酸钠水溶液，静置待用；

步骤二二：将swcnts(单壁碳纳米管)分散在步骤二一得到的十二烷基磺酸钠水溶液中，进行超声分散，得到swcnts与十二烷基苯磺酸钠的混合液，其中swcnts与十二烷基苯磺酸钠(sdbs)的质量比为1:5；

步骤二三：将步骤二二得到的swcnts与十二烷基苯磺酸钠的混合液进行离心，取出上层悬浮液待用，去除底部固体物质；

步骤二四：取步骤二三取出的swcnts与十二烷基苯磺酸钠的混合液，加入无水乙醇，swcnts与十二烷基苯磺酸钠的混合液与无水乙醇的体积比为1:5，进行超声振荡后离心分离，离心得到的swcnts溶解于无水乙醇中，待用；

步骤二五：用滴管吸取步骤二四得到的swcnts与无水乙醇的混合溶液，沿着玻璃皿的内壁缓慢滴入盛有2/3深度去离子水的玻璃皿中，待水面上层有一层油状物形成后，面积大约为玻璃皿面积的2/3时停止滴入；沿滴入swcnts与无水乙醇的混合溶液的位置，滴入少量步骤二一配置好的十二烷基苯磺酸钠水溶液；

步骤二六：用镊子夹取步骤一三制备好的聚二甲基硅氧烷基板，采用粘附提拉方式缓慢地将透明玻璃皿中漂浮的油状物粘结在聚二甲基硅氧烷基板上，放置于无水乙醇溶液中清洗，粘有swcnts的一面朝下(重复步骤二六，就可以得到粘结不同层数的swcnts随机导电网络)；

步骤二七：将步骤二六清洗后的聚二甲基硅氧烷基板进行烘干后，用万用表测试试件的电阻，测量电阻时加导电铜箔，基板和铜箔之间用导电银浆粘接，得到透明导电swcnt薄膜；

步骤二八：将步骤一三得到的聚二甲基硅氧烷(pdms)基板覆盖于步骤二七得到的透明导电swcnt薄膜上，得到具有三明治结构的透明导电swcnt薄膜(将步骤一中制得的pdms基板覆盖于步骤二七得到的薄膜的swcnts随机导电网络一侧，就得到了三明治结构的透明导电swcnt薄膜)，即得到结构裂缝监测用透明传感器。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一一中磁力搅拌的时间为10min，转速为300rpm。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤一二中真空干燥的时间为2h，温度为65℃。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤一三中烘干的时间为2h，温度为65℃。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤二一中得到十二烷基苯磺酸钠水溶液的具体过称为：

将十二烷基苯磺酸钠溶解于去离子水中，将溶液放置于温度为85℃的烘箱中静置10min后，在200w功率的超声清洗仪中超声1h，再进行搅拌1h，静置待用。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述步骤二二中超声分散的时间为24h，温度为20℃～45℃。

其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述步骤二三中进行离心的时间为60min，转速为10000rpm。

其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述步骤二四中超声振荡的时间为30min，离心的时间为60min，转速为10000rpm。

其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述步骤二六中聚二甲基硅氧烷基板得尺寸为35mm×10mm×0.2mm。

其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。

实施例一：

本试验中三明治结构的透明导电swcnt薄膜的制备过程如下：

步骤一：pdms基板制备

(1)称取pdms的本体和固化剂，质量比为10:1。在300rpm下磁力搅拌10min，之后将得到的液体按一定质量导入塑料培养皿中。

(2)将装有pdms的培养皿水平放置于真空干燥箱中，抽真空排除pdms中的气泡且使成膜均匀平整，65℃真空干燥2h。通过这样方式制得的薄膜厚度在200μm左右。

(3)将真空干燥后的装有pdms薄膜的培养皿放置于烘箱中，在65℃下烘干2h。

步骤二：透明导电swcnt薄膜制备

(1)十二烷基苯磺酸钠(sdbs)水溶液制备。将64mgsdbs溶解于去离子水中，为了完全溶解，将溶液放置于温度为85℃的烘箱中静置10min，之后在200w功率的超声清洗仪中超声1h，最后再搅拌1h，静置待用。这样操作的目的主要是使sdbs充分完全的溶于水溶液。

(2)将8.0mgswcnts分散在5ml的上述十二烷基磺酸钠(sdbs)水溶液中，其中swcnts与sdbs的质量比为1:5。室温下(20～45℃)超声分散24h，功率为200w的超声清洗仪。

(3)将所得的swcnts/sdbs溶液在10000rpm下离心分离60min，将上层悬浮液倒入透明玻璃瓶中待用，底部固体物质去除不要。

(4)量取1ml左右的swcnts/sdbs混合溶液于透明玻璃瓶中，加入5ml无水乙醇，之后超声振荡30min，然后将所得的溶液在10000rpm下离心分离60min，最后离心得到的swcnts溶解于无水乙醇中，放置于透明玻璃瓶中待用。

(5)用滴管吸取上一步骤的swcnts/alcohol的混合溶液，沿着玻璃皿的内壁缓慢滴入盛有2/3深度去离子水的φ96mm×15mm玻璃皿中，待水面上层有一层油状物形成后，面积大约为玻璃皿面积的2/3时停止滴入。之后沿滴入swcnts/alcohol混合溶液的位置，滴入少量第一步配置好的sdbs水溶液。后滴入的sdbs水溶液起到一定推力作用，使得在气液界面自组装形成的swcnts导电网络更加致密稳定。

(6)用镊子夹取步骤一制备好的pdms薄膜，尺寸为35mm×10mm×0.2mm，采用粘附提拉方式缓慢地将透明玻璃皿中漂浮的油状物粘结在pdms薄膜上，然后放置与无水乙醇溶液中清洗，粘有swcnts的一面朝下。

(7)最后将清洗后的pdms/swcnts薄膜放置在65℃烘箱中干燥1h。之后用万用表测试试件的电阻。测量电阻时加0.2mm厚的导电铜箔，薄膜和铜箔之间用导电银浆粘接。

单层均匀且连续，具有良好的微观结构特征swcnts随机导电网络的sem图像见图1。

图2表示的是不同层数swcnts随机导电网络的透明导电swcnt薄膜的透明度，1～6层swcnts随机导电网络的透明导电swcnt薄膜的透明度(550nm)分别为98％、93％、91％、89％、81％和79％。

图3所示为经过50次疲劳拉伸后的三明治结构的透明导电swcnt薄膜电阻的变化率在0～100％应变范围内表现出良好的线性相关性，通过对试验数据拟合得到的拟合线性方程为：y＝-10.608+2.438x，拟合优度为r²＝0.986，根据敏感系数的定义，此三明治结构的透明导电swcnt薄膜的敏感系数为2.44。这说明三明治结构的的透明导电swcnt薄膜在0～100％的拉伸应变范围内，是一种具备良好拉敏性能的传感材料，可以作为传感器用于结构健康监测领域中结构裂缝的监测等应用。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。