GO增强CNT覆膜砂的智能混凝土、无线传感器及制法制造技术

技术编号:15381384 阅读:207 留言:0更新日期:2017-05-18 22:59
本发明专利技术涉及一种工程结构无线监测用氧化石墨烯增强碳纳米管覆膜砂的智能混凝土、自带天线的无线传感器及其制备方法。所述GO增强CNT覆膜砂的智能混凝土包括GO粉剂、相应GO分散剂或GO分散液,CNT粉剂、相应CNT分散剂或CNT分散液,矿物掺合料,山砂,高效减水剂,有机溶剂,聚合物乳液,水和水泥。所制得的自带天线GO增强CNT覆膜砂的智能混凝土传感器具有与混凝土基体兼容性强、耐久性佳、力学韧性高,机电传感灵敏度高、线性度好等诸多优点,相应传感器可安置在支座与支撑的路/桥面单元之间或嵌于路/桥面单元内,可实现工厂规模化生产,流水线前后工序相互独立,在各类工程结构无线原位监测领域具有卓越的应用前景。

GO enhanced CNT coated sand smart concrete, wireless sensor and method of making

The invention relates to an intelligent concrete with graphene oxide reinforced carbon nanotube coated sand for wireless monitoring of an engineering structure, a wireless sensor with an antenna and a preparation method thereof. The enhanced GO smart concrete CNT coated sand including GO powder, corresponding GO dispersant or GO dispersion, CNT powder, CNT dispersant or corresponding CNT dispersions, mineral admixtures, sand, superplasticizer, organic solvent, polymer emulsion, water and cement. The built-in antenna GO enhanced intelligent concrete sensor CNT coated sand and concrete matrix has strong compatibility, good durability, high toughness, mechanical and electrical advantages of high sensing sensitivity and good linearity, between the corresponding sensor can be placed in the support and support the road / deck unit or embedded in the road / deck unit and can realize the large-scale factory production line before and after the procedure, independent of each other, has excellent application prospect in the field of wireless monitoring of engineering structures in situ.

【技术实现步骤摘要】
GO增强CNT覆膜砂的智能混凝土、无线传感器及制法
本专利技术涉及一种工程结构无线监测用氧化石墨烯增强碳纳米管覆膜砂的智能混凝土、自带天线的无线传感器及其制备方法。
技术介绍
处于暴露环境中的混凝土交通桥梁、路面、建筑物、大型基础和人行道等易受到重复碾压荷载与长期磨损剥蚀为主要致损因素的损坏,且这种损坏还可能随着更多、更大重型车辆或更大有效承载运输工具的使用而加剧和更频繁地发生。因此,将水泥(混凝土)基材中掺加各类导电/压电填料,诸如炭黑、碳纤维、镍粉、碳纳米管(CNT)、石墨烯纳米片(GnP)、锆钛酸铅(PZT)、聚偏氟二乙烯(PVDF)等,进而制成压阻、压电、压阻/压电复合型传感器,并有效提升这些传感器的抗裂韧性、耐磨蚀性及与结构体系的兼容性。与此同时,利用这些本征传感器的电学性能(电压、电流、电阻率、电容、阻抗等)随所受应力、应变信号的变化而变化的智能特性,并通过外粘、内嵌等工艺,实现对这些交通结构的关键部位进行实时、在位的智能检测、监测就显得极为重要。中国专利公开号CN106007553A、CN105268339A分别首次公开了一种先将CNT均匀分散于聚乙烯醇胶体、纳米硅胶中,之后将制备的CNT/聚乙烯醇预聚合溶液、CNT/纳米硅胶溶液作为复合改性剂掺入到水泥砂浆中,有效阻止CNT产生团聚,并充分发挥CNT、聚乙烯醇或纳米硅胶在水泥基材料中的韧性及耐久性增强效果,并且能够通过内部电阻变化反映出基材内部应力变化。国际专利ZL200980125145.1用水泥熟料作为锚固过渡金属的纳米颗粒的基底允许在水泥熟料颗粒和晶粒上连续、大规模合成产生CNT,进而形成后续CNT/水泥熟料复合物及结构产品。中国专利公开号CN106277876A公开了采用原位聚合法在CNT表面负载具有良好导电及亲水性能的聚吡咯导电高分子,并将其作为导电填料添加到水泥基体中,制成了具有良好导电性能、自感知性能和力学性能的水泥基导电复合材料。尽管上述专利中通过不同工艺将CNT导电改性剂添加到水泥或砂浆基体中,对增强水泥复合材料有着不同的优势和独特的作用,但它们设计和制备的方法基本还是一样的。具体方法就是在混合过程中分散导电填料,要么是在干燥的环境下将导电填料和其他组分混合,要么是先混合添加剂(聚乙烯醇、纳米硅胶)然后添加到混合物中。对于这两种方法,导电填料(CNT)集聚、改性剂材料的均匀性以及混合体系稠度都很难被控制或者保证。此外,还不能实现传感材料的大规模制备工艺,生产成本很难降下来,这将极大地限制其在量大面广的建筑结构在线监测、交通智能监测、室内取暖与户外融雪化冰等
中的广泛应用。
技术实现思路
本专利技术为克服上述缺陷,提供一种新的GO增强CNT覆膜砂的智能混凝土、无线传感器及其制备方法。本专利技术采用如下技术方案:一种GO增强CNT覆膜砂的智能混凝土,包括具有以下质量份数的各组分:0.00001~0.001份GO粉剂、0~0.005份相应GO分散剂或直接含有0.00001~0.001份GO的分散液,0.00005~0.05份CNT粉剂、0.0001~0.05份相应CNT分散剂或直接含有0.00005~0.05份CNT的分散液,0~0.15份矿物掺合料,1.5~3份山砂,0~0.02份高效减水剂,0~0.15份有机溶剂,0.05~0.5份聚合物乳液,0.25~0.5份水和1份水泥。所述CNT粉剂为纯CNT、羧基化CNT、氨基化CNT或磺酸基化CNT;CNT分散液为CNT水分散液、CNT醇分散液、CNT-二甲基甲酰胺分散液或CNT酯分散液。优选的,所述CNT类型为单壁CNT或多壁CNT,直径1-50nm,长度2-50μm。所述GO粉剂或GO分散液可由Brodie法、Staudenmaier法、Hummers法或改进Hummers法合成或购买。所述GO分散剂为聚羧酸类高效减水剂、高分子类阿拉伯树胶、非离子型壬基酚聚氧乙烯醚其中的一种或几种组合;所述CNT分散剂为阴离子型十二烷基苯磺酸钠、聚对苯乙烯磺酸钠、聚羧酸类高效减水剂、阳离子型十六烷基三甲基溴化铵、非离子型壬基酚聚氧乙烯醚、高分子类阿拉伯树胶、生物类脱氧胆酸钠其中的一种或几种组合。优选地,GO及CNT分散剂选同一种或几种组合。所述山砂为压碎花岗岩而制成的山砂,最大粒径、最小粒径分别为2.36mm、0.15mm,细度模数在1.5-2.2之间。所述水泥为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥中的一种。所述高效减水剂为聚羧酸类、萘系磺酸盐类、氨基磺酸盐类、密胺树脂类、脂肪族类高效减水剂中的一种或几种组合。所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、乙酸乙酯、氯仿中的一种。所述聚合物乳液为含有一定电解质的聚丙烯酸酯乳液、聚苯丙乳液、VAE可再分散胶乳、水性聚苯胺乳液中的一种。所述矿物掺合料为粉煤灰、超细矿粉、硅粉、纳米CaCO3、纳米SiO2中的一种。所述水为普通自来水、蒸馏水中的一种。其中要特别指出的是,用于分散CNT、GO的水与CNT分散液、GO分散液中的水是同一类的蒸馏水。所述GO增强CNT覆膜砂的智能混凝土的制备方法,包括如下步骤:(1)CNT覆膜砂的制备第一步:将有机溶剂加到CNT分散液中,再与聚合物乳液混合,形成油墨状CNT粘稠分散液;其中,所述CNT分散液是将CNT粉剂加入溶有CNT分散剂的水中通过超声分散法获得,或直接购买即可。第二步:将干燥的山砂铺平,放置备用;值得一提的是,山砂被散开成薄薄的一层,且厚度不超过6mm。第三步:将油墨状CNT喷涂至砂层表面,经风干、干燥形成CNT覆膜砂。(2)GO增强CNT覆膜砂的智能混凝土的制备第一步:将GO粉剂、GO分散剂或直接购买的GO分散液加入溶有高效减水剂的部分水中,通过超声分散法或高速剪切法制得GO/高效减水剂分散液备用;第二步:将水泥、矿物掺合料(若需要的话)及依据水胶比确定的剩余水依次加入胶砂搅拌锅内混匀;第三步:依次加入CNT覆膜砂、GO/高效减水剂分散液,搅匀;第四步:分批装入预先放置有网状对电极的模具中,振捣密实、抹平,浇注或压实成型。浇注或压实成型之后还包括以下步骤:覆盖塑料薄膜,并在室温、密封环境中放置3-24小时,然后将GO增强CNT覆膜砂的智能混凝土试件脱模,浸在石灰水溶液中养护固化至预定龄期。一种采用所述GO增强CNT覆膜砂的智能混凝土制备无线传感器的方法,包括如下步骤:模压成型GO增强CNT覆膜砂的智能混凝土块或片,烘干后用航空插头将GO增强CNT覆膜砂的智能混凝土内嵌对电极接入涵盖微处理器、总线接口、通信接口、数据采集板的分布式监测节点;并在智能混凝土块或片体两平行对面分别用导电银浆粘贴天线基片及平面天线,然后接入涵盖矢量分析仪、模数转换器及解调器的无线数据传输通信设备,实现无线数据的通信传输;之后在智能混凝土四周用聚醚喷剂喷成一绝缘、绝湿的封装薄层,其组合聚合物乳液防水效能共同形成密实封装层。一种采用所述方法制备得到的自带平面天线的GO增强CNT覆膜砂的智能混凝土无线传感器,可实现无线数据传输与通信,这种自带天线传感器形状可以是混凝土粗骨料块体、也可以是压实的圆薄片状;传感器的大小可根据实际需求调整。与现有技术相比,本专利技术具有如下优异技术效果:本专利技术首先通过组合超声处理分散、表面活性剂分散本文档来自技高网
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GO增强CNT覆膜砂的智能混凝土、无线传感器及制法

【技术保护点】
一种GO增强CNT覆膜砂的智能混凝土,其特征在于,包括具有以下质量份数的各组分:0.00001~0.001份GO粉剂、0~0.005份相应GO分散剂或直接含有0.00001~0.001份GO的分散液,0.00005~0.05份CNT粉剂、0.0001~0.05份相应CNT分散剂或直接含有0.00005~0.05份CNT的分散液,0~0.15份矿物掺合料,1.5~3份山砂,0~0.02份高效减水剂,0~0.15份有机溶剂,0.05~0.5份聚合物乳液,0.25~0.5份水和1份水泥。

【技术特征摘要】
1.一种GO增强CNT覆膜砂的智能混凝土,其特征在于,包括具有以下质量份数的各组分:0.00001~0.001份GO粉剂、0~0.005份相应GO分散剂或直接含有0.00001~0.001份GO的分散液,0.00005~0.05份CNT粉剂、0.0001~0.05份相应CNT分散剂或直接含有0.00005~0.05份CNT的分散液,0~0.15份矿物掺合料,1.5~3份山砂,0~0.02份高效减水剂,0~0.15份有机溶剂,0.05~0.5份聚合物乳液,0.25~0.5份水和1份水泥。2.根据权利要求1所述的GO增强CNT覆膜砂的智能混凝土,其特征在于,所述CNT粉剂为纯CNT、羧基化CNT、氨基化CNT或磺酸基化CNT;CNT分散液为CNT水分散液、CNT醇分散液、CNT-二甲基甲酰胺分散液或CNT酯分散液;优选的,所述CNT类型为单壁CNT或多壁CNT,直径1-50nm,长度2-50μm。3.根据权利要求1所述的GO增强CNT覆膜砂的智能混凝土,其特征在于,所述GO分散剂为聚羧酸类高效减水剂、高分子类阿拉伯树胶、非离子型壬基酚聚氧乙烯醚其中的一种或几种组合;所述CNT分散剂为阴离子型十二烷基苯磺酸钠、聚对苯乙烯磺酸钠、阳离子型十六烷基三甲基溴化铵、非离子型壬基酚聚氧乙烯醚、高分子类阿拉伯树胶、生物类脱氧胆酸钠其中的一种或几种组合;优选地,GO及CNT分散剂选同一种或几种组合。4.根据权利要求1所述的GO增强CNT覆膜砂的智能混凝土,其特征在于,所述山砂为压碎花岗岩而制成的山砂,最大粒径、最小粒径分别为2.36mm、0.15mm,细度模数在1.5-2.2之间;所述水泥为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥中的一种。5.根据权利要求1所述的GO增强CNT覆膜砂的智能混凝土,其特征在于,所述高效减水剂为聚羧酸类、萘系磺酸盐类、氨基磺酸盐类、密胺树脂类、脂肪族类高效减水剂中的一种或几种组合;所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、乙酸乙酯、氯仿中的一种;所述聚合物乳液为含有一定电解质的聚丙烯酸酯乳液、聚苯...

【专利技术属性】
技术研发人员:罗健林李秋义钟国麟张春巍
申请(专利权)人:青岛理工大学
类型:发明
国别省市:山东,37

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