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技术

本发明专利技术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。所述复合机敏材料包括：按重量份计，双类型树脂80‑120份，非金属碳类材料0.5‑8份、活性稀释剂5‑15份、固化剂30‑70份、固化促进剂0‑4份、增韧剂5‑10份和分散剂5‑25份；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。本发明专利技术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(可达180℃)以及成本低等诸多优势，适合用于路面结构层的应变变化的检测。

A Composite Sensitive Material for Strain Sensor and Its Preparation Method and Application

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及道路检测装置
，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。
技术介绍
本专利技术
技术介绍
中公开的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，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。
技术实现思路
针对上述存在的问题，本专利技术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，本专利技术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。本专利技术第一目的：提供一种用于应变传感器的复合机敏材料。本专利技术第二目的：提供一种用于应变传感器的复合机敏材料的制备方法。本专利技术第三目的：提供一种路面应变检测传感器。本专利技术第四目的：提供所述用于应变传感器的复合机敏材料的应用。为实现上述专利技术目的，本专利技术公开了下述技术方案：首先，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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，本专利技术公开一种路面应变检测传感器，该传感器的材质包括本专利技术提出的复合机敏材料或本专利技术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，本专利技术发现，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。而本专利技术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，本专利技术开本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于应变传感器的复合机敏材料，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种用于应变传感器的复合机敏材料，其特征在于，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。2.如权利要求1所述的用于应变传感器的复合机敏材料，其特征在于，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。3.如权利要求1所述的用于应变传感器的复合机敏材料，其特征在于，所述碳纳米管和碳黑的质量比为：1：5-12；优选地，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；优选地，所述碳纳米管比表面积≥240m2/g，电导率≥160s/cm；优选地，所述碳黑比表面积为60-140m2/g。4.如权利要求1-3任一项所述的用于应变传感器的复合机敏材料，其特征在于，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；优选地，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。5.如权利要求1-3任一项所述的用于应变传感器的复合机敏材料，其特征在于，所述固化促进剂为2、4、6三(二甲氨基甲基)苯酚(DMP...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚占勇，辛雪，梁明，张吉哲，蒋红光，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37