用于低频海洋电场探测的碳纤维电极及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于低频海洋电场探测的碳纤维电极及制备方法；对普通粘胶基碳纤维进行超声波+浓硝酸联合氧化处理后，使用本发明专利技术制备的纳米复合材料薄膜对其进行涂覆处理作为电极芯；该电极的制备方法，使用乙醇对碳纤维进行预处理后，将其浸泡在浓硝酸中，在超声波环境中进行氧化处理；将氧化完的碳纤维浸入制备的纳米复合材料分散体中，使用提拉法进行提拉，干燥24小时，使一层透明薄膜涂覆在碳纤维表面；将碳纤维末端与铜柱相连后套上密封圈，将整个电极放入有小孔的电极保护罩中完成封装。本发明专利技术制备的电极具有电极比表面积大，表面活性大的优点，因此对低频电场信号能进行正确响应，同时涂覆的纳米薄膜具有力学强度高，热稳定性好。

【技术实现步骤摘要】
用于低频海洋电场探测的碳纤维电极及制备方法
本专利技术涉及一种电场传感器，特别是一种用于低频海洋电场信号探测的新型碳纤维电极及制备方法。技术背景在国家海洋战略和国际化战略的支撑下，我国海洋科技迅速发展，海洋电法勘探作为研究海洋地质和勘探海洋资源的新方法之一，逐渐得到国内科学界的广泛关注。海洋电场探测电极作为该方法的核心敏感元件，该元件的灵敏度和稳定性最终决定了海洋电法勘探的实地使用效果。目前制备电极的材料根据响应电场的机理不同分为活性电极和惰性电极两种，其中又分别以Ag/AgCl,碳纤维作为主要代表。Ag/AgCl由于其阻抗小，极差漂移小，自噪声小等优点，在早期被认为是最适合制备海洋电场探测电极的材料，但在实际的应用之中逐渐发现由于其自身的电场响应机理，制备工艺以及环境等因素，由其制备而成的产品使用寿命比较短，无法满足某些科研工程项目需要进行长期监测的要求。相较之下，碳纤维由于其响应电场的过程是一个纯物理过程，同时其本身强度高，抗腐蚀能力强，能满足在复杂多变的海洋环境中长期稳定工作的要求，但由于其受容抗效应的影响较大无法对微弱低频信号进行正确响应，因此需要对其进行改性。
技术实现思路
本专利技术针对现有碳纤维由于其表面含氧官能团较少，表面活性低，导致其在测量过程中易受电容容抗效应的影响而无法响应微弱的低频信号的技术问题，本专利技术提出了一种用于低频海洋电场探测的新型碳纤维电极及制备方法。用于低频海洋电场探测的碳纤维电极，包括电极主体，防水密封圈，电路连接用铜柱，电极保护罩；所述的电极主体由改性碳纤维束组成，该改性碳纤维由粘胶基碳纤维先经超声波+浓硝酸联合处理后，在表面涂覆一层纳米复合材料薄膜后制备完成。所述的用于低频海洋电场探测的碳纤维电极的制备方法，包括如下步骤：1)预处理：将碳纤维置于无水乙醇溶液中超声清洗90min，用蒸馏水清洗后，放入80℃烘箱中2h；2)超声波+浓硝酸联合氧化处理：取1)预处理完的碳纤维浸泡在质量分数高于68％浓硝酸中，在超声波仪器中70-150℃处理4h，然后用去离子水和无水乙醇反复清洗至pH>6,在80℃的烘箱中烘干后置于恒温恒湿箱中平衡1d；3)环氧化棉籽油制备：将棉籽油，甲酸，50％过氧化氢按摩尔比1.8:7.4:1混合后，在65℃下反应6小时，将产物用乙醚，碳酸氢钠冲洗过滤后，再用蒸馏水洗涤直至PH达到7.0，将产物干燥后用真空蒸发器除去溶剂得到环氧化棉籽油；4)纳米复合材料分散体制备：将3)制备的环氧棉籽油预热12h除去水分后，与异佛尔酮二异氰酸酯，N-甲基二乙醇胺按摩尔比1：2：0.98混合后，在二月桂酸二丁基锡的催化作用下，在50-100℃下反应3小时，然后在搅拌下加入5wt％甲基乙基酮和三乙胺，在20-60℃下反应30分钟得到离聚物，再加入2wt％的3-氨丙基三甲氧基硅氧烷反应1h，将产物在剧烈搅拌的过程中分散到20wt％蒸馏水中搅拌30分钟，蒸发剩余的甲基乙基酮得到纳米复合材料分散体；5)纳米复合材料薄膜的制备及涂覆：将2)氧化处理完的碳纤维浸入4)制备的纳米复合材料分散体中放置30min,然后用提拉法以5cm/min的速率提拉，在25℃下干燥24小时，使一层透明薄膜涂覆在碳纤维表面；6)电极封装：将20束5)涂覆完的碳纤维一端用导电银胶浸涂后，将此端碳纤维，焊锡，铜柱至于热塑管中，在高温处理下使得焊锡融化，热塑管收缩完成连接；套上密封圈后，将整个电极放入有小孔的电极保护罩中，使电极与碳纤维尽可能贴合，完成封装。作为优选，超声波+浓硝酸的联合氧化方法为：将碳纤维浸泡在浓硝酸中，在超声波仪器中110℃处理4h，然后用去离子水和无水乙醇反复清洗至pH>6,在80℃的烘箱中烘干后置于恒温恒湿箱中平衡1d。作为优选，环氧化棉籽油制备方法为：将棉籽油和甲酸按摩尔比1：4.12的比例加入三颈500ml圆底烧瓶中，然后，使用注射器小心地加入50％过氧化氢并使其在65℃下反应6小时，令棉籽油：过氧化氢的摩尔波比为1.8：1；将得到的反应混合物减压至室温，用乙醚洗涤，然后用碳酸氢钠溶液冲洗；然后过滤溶液，并用蒸馏水洗涤直至达到pH7.0；将产物用无水硫酸镁干燥后，通过真空蒸发器除去溶剂，并收集产物得到环氧化棉籽油。作为优选，纳米复合材料分散体的制备方法为：将环氧化棉籽油在60℃真空干燥下预热12小时以除去水分，使用机械搅拌器，温度计，氮气入口和带有干燥管的冷凝器实施的干燥的500ml圆底三颈反应釜作为反应器，将环氧化棉籽油，异佛尔酮二异氰酸酯，N-甲基二乙醇胺按摩尔比1：2：0.98混合后加入反应器，在一滴0.1wt％二月桂酸二丁基锡的催化作用下在78℃下反应3h，然后，在搅拌下逐渐引入5wt％甲基乙基酮以防止粘度和胶凝增加，在40℃下加入三乙胺反应30分钟以得到离聚物，加入2wt％的3-氨丙基三甲氧基硅氧烷反应1h，在剧烈机械搅拌下将产物分散到20wt％的蒸馏水中，继续搅拌30分钟以获得有效的分散体，将此分散体转移到旋转蒸发器中，并在部分真空蒸馏下分离甲基乙基酮制得纳米复合材料分散体。有益效果本专利技术制备的电极具有电极比表面积大，表面活性大的优点，因此对低频电场信号能进行正确响应，纳米薄膜具有力学强度高，热稳定性好等优点。与传统方法相比，其技术进步是显著的，其优势如下：1.超声波+浓硝酸的联合处理对碳纤维表面产生氧化刻蚀作用，浓硝酸在110℃下的处理相较于在高温下处理，能避免碳纤维在刻蚀的过程中不会发生剧烈反应从而导致碳纤维拉伸性能严重下降的情况的发生，同时超声波的空化作用能进一步促进浓硝酸的氧化刻蚀作用，使得碳纤维的比表面积增大，同时纳米复合材料在涂覆在碳纤维表面形成薄膜的过程中，使其有机成分进入到无机的纳米二氧化硅网络结构之中,从而形成有机-无机的交联网络结构，进一步增大碳纤的比表面积；2.超声波+浓硝酸的联合处理在碳纤维表面引入了大量的羟基，羰基等大量含氧基团，提高了碳纤维比表面的氧碳元素比和氧碳元素比，使得表面的活性元素含量增多；纳米复合材料在涂覆在碳纤维表面形成薄膜的过程中，其中偶联剂中的不饱和残键会与经硝酸氧化的碳纤维表面形成氢键和化学键的结合，使得被硝酸氧化造成的破碎得到一定程度上的修复，同时引入了大量含氮基团，使得碳纤维表面的活性进一步提高；3.纳米复合材料材料由于其较高二氧化硅粒子浓度，使其具有较高的交联密度和界面相互作用，导致其具有较强的拉伸性能和刚性；同时功能性材料3-氨丙基三甲氧基硅氧烷的引入，改善了棉籽油的热稳定性，使得纳米材料薄膜的热稳定性得到提高。本专利技术通过超声波+浓硝酸联合氧化处理+纳米薄膜涂覆处理，使得电极的比表面积增大，表面活性增大，使得电极能对低频的海洋电场信号进行正确响应，在海洋电场源定位、环境监测、地质勘探等领域有广泛的应用前景。附图说明图1为新型碳纤维电极的结构示意图；图2为新型碳纤电极的电场响应测试结果，(a)，(b)，(c)，(d)分别为幅值为250mV，频率为1Hz，0.1Hz，0.01Hz，0.001Hz下改性电极和未改性电极的响应情况。具体实施方式下面结合具体实例对本专利技术作进一步详细说明。实施例1:如图1所示，一种用于低频海洋电场探测的新型碳纤维电极，其结构包括电路连接用铜柱1，防水密封圈2，电极主体3，电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于低频海洋电场探测的碳纤维电极，包括电极主体，防水密封圈，电路连接用铜柱，电极保护罩；其特征在于：电极主体由改性碳纤维束组成，该改性碳纤维由粘胶基碳纤维先经超声波+浓硝酸联合处理后，在表面涂覆一层纳米复合材料薄膜后制备完成。

【技术特征摘要】
1.用于低频海洋电场探测的碳纤维电极，包括电极主体，防水密封圈，电路连接用铜柱，电极保护罩；其特征在于：电极主体由改性碳纤维束组成，该改性碳纤维由粘胶基碳纤维先经超声波+浓硝酸联合处理后，在表面涂覆一层纳米复合材料薄膜后制备完成。2.根据权利要求1所述的用于低频海洋电场探测的碳纤维电极的制备方法，包括如下步骤：1)预处理：将碳纤维置于无水乙醇溶液中超声清洗90min，用蒸馏水清洗后，放入80℃烘箱中2h；2)超声波+浓硝酸联合氧化处理：取1)预处理完的碳纤维浸泡在质量分数高于68％浓硝酸中，在超声波仪器中70-150℃处理4h，然后用去离子水和无水乙醇反复清洗至pH>6,在80℃的烘箱中烘干后置于恒温恒湿箱中平衡1d；3)环氧化棉籽油制备：将棉籽油，甲酸，50％过氧化氢按摩尔比1.8:7.4:1混合后，在65℃下反应6小时，将产物用乙醚，碳酸氢钠冲洗过滤后，再用蒸馏水洗涤直至PH达到7.0，将产物干燥后用真空蒸发器除去溶剂得到环氧化棉籽油；4)纳米复合材料分散体制备：将3)制备的环氧棉籽油预热12h除去水分后，与异佛尔酮二异氰酸酯，N-甲基二乙醇胺按摩尔比1：2：0.98混合后，在二月桂酸二丁基锡的催化作用下，在50-100℃下反应3小时，然后在搅拌下加入5wt％甲基乙基酮和三乙胺，在20-60℃下反应30分钟得到离聚物，再加入2wt％的3-氨丙基三甲氧基硅氧烷反应1h，将产物在剧烈搅拌的过程中分散到20wt％蒸馏水中搅拌30分钟，蒸发剩余的甲基乙基酮得到纳米复合材料分散体；5)纳米复合材料薄膜的制备及涂覆：将2)氧化处理完的碳纤维浸入4)制备的纳米复合材料分散体中放置30min,然后用提拉法以5cm/min的速率提拉，在25℃下干燥24小时，使一层透明薄膜涂覆在碳纤维表面；6)电极封装：将20束5)涂覆完的碳纤维一端用导电银胶浸涂后，将此端碳纤维，焊锡，铜柱至于热塑管中，在高温...

【专利技术属性】
技术研发人员：林君，王泽臣，辛青，臧月，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33