CN112229317A - 具有大变形性能及其监测功能的柔性传感膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具有大变形性能及其监测功能的柔性传感膜及制备方法，碳纳米管聚氨酯复合材料薄膜的两端分别通过导电银浆连接一根导线形成柔性传感膜，其制备方法包括步骤：S1制备羧基化碳纳米管；S2配制碳纳米管的DMF分散液；S3配制医用级热塑性聚氨酯的DMF溶液；S4混合配液；S5滴涂烘干制得碳纳米管聚氨酯复合材料；S6、配置电极制膜。该柔性传感膜能够有效实现对桥梁等结构大变形的监测，而且兼具应变和拉力监测功能，并且在300‑350％的大变形下依然具有较高的灵敏度；制备工艺简单、可操作性强、重复性好等优点。

Description

具有大变形性能及其监测功能的柔性传感膜及其制备方法
技术领域
本发明属于传感膜材料技术领域，具体涉及一种以热塑性聚氨酯为基体添加碳纳米管的柔性传感膜及其制备方法。
背景技术
碳纳米管作为目前最具研究潜力的碳基导电材料，具备良好的力学性能和超高的导电率，并且与大多数柔性基材具有良好的兼容性，非常适合制备柔性功能复合材料，其中柔性导电复合材料主要是利用碳纳米管良好的力学电学性能，结合柔性基材的柔性和拉伸性能制备兼具较好的力学性能和导电性能的复合材料。柔性导电复合材料具有广阔的应用前景，例如柔性传感器、飞行器柔性蒙皮以及材料结构健康监测等。其中柔性传感器是其重要的应用领域，碳纳米管导电复合材料柔性传感器是基于压阻效应，通过将应变转化为电阻变化，从而实现对应变的监测。
由于传统的柔性传感器监测的应变范围很小，难以适用于对于大型跨海跨江大桥的结构健康监测。大型桥梁由于受到风振或地震的影响，桥梁的许多部位会发生大变形，但是很多情况下这种大变形难以用应变片、激光测量仪等设备测得。
热塑性聚氨酯弹性体(简称TPU)是一类在分子链中含有氨基甲酸酯基团(-NHCOO-)的具有优良的弹性和物理机械性能的嵌段型线性高分子聚合物。一般是由二异氰酸酯与端羟基的聚醚/聚酯/聚己内酯多元醇加上小分子醇/胺作为链增长剂相互反应制得。常规TPU虽然具备优异的机械性能、弹性、加工流动性、耐磨、透明性及耐低温等性能。
但针对特殊应用领域如军工、汽车、电线电缆、工程配件等，其在阻燃、耐磨、抗静电等特殊功能方面仍存在差距，因此具备特殊性能或性能加强的功能型TPU便应运而生。TPU因其优越的性能和环保概念日益受到人们的欢迎。TPU硬度范围宽，在60HA～95HA，耐磨、耐油，透明，弹性好，在日用品、体育用品、玩具、装饰材料等领域得到广泛应用。碳纳米管与热塑性聚氨酯的复合则将两者的优点集于一体，成为具有新型功能的材料。
发明内容
针对现有技术以上缺陷或改进需求中的至少一种，本发明提供了一种具有大变形性能及其监测功能的柔性传感膜的制备方法，该柔性传感膜能够有效实现对桥梁等结构大变形的监测，而且兼具应变和拉力监测功能，并且在大变形下依然具有较高的灵敏度；制备工艺简单、可操作性强、重复性好等优点。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种具有大变形性能及其监测功能的柔性传感膜，其特征在于：包括碳纳米管聚氨酯复合材料薄膜、导电银浆和导线，所述碳纳米管聚氨酯复合材料薄膜的两端分别通过导电银浆连接一根导线；
所述柔性传感膜的渗滤阈值为3～5wt％,导电性为3×10-5～2×10-3S/m；应变灵敏度系数(k＝(ΔR/R0)/ε)≥25；有效拉伸范围为0～350％。
为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，还提供了一种具有大变形性能及其监测功能的柔性传感膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
包括如下步骤：
(1)对碳纳米管进行酸化处理，制备羧基化碳纳米管：将碳纳米管加入到质子酸中混合，反应温度为50～70℃，在超声功率为200W、超声频率为40KHz的超声波清洗器中冷凝回流3～5h，超声后用250～350ml去离子水稀释，然后用直径为0.2μm的微孔滤膜抽滤，去离子水反复洗涤直至中性，最后在80℃下烘12h，研磨至粉末状，即得羧基化碳纳米管；其中，每100ml质子酸加入的碳纳米管量为0.1g～0.5g。
所述碳纳米管材料是一种采用化学气相沉积法(CVD)制备的具备高纯度和高长径比的碳纳米管，具备很好的导电性能。常用于聚合物中的添加剂，催化剂，电磁波吸收和屏蔽，能量转换，锂电池阳极，储氢，纳米管复合材料(通过填充或涂覆)，传感器，复合材料中的增强，超级电容器等等。碳纳米管选用多壁碳纳米管(MWNT)，型号为XFM31，纯度95(wt)％，外径>50nm,长度<10μm，电导率(S/cm)>100,由Nanjing XFNANO Materials Tech.,Ltd生产。
所述质子酸为硝酸、硫酸中的一种，或硫酸与硝酸的混合酸；
(2)配制碳纳米管的DMF(二甲基甲酰胺)分散液:将步骤(1)制得的羧基化碳纳米管加入到20ml DMF溶剂中，在功率为200W、频率为40KHz条件下超声分散2～4h得到混合溶液Ⅰ。
(3)配制聚氨酯的DMF溶液，得到混合溶液Ⅱ。
所属聚氨酯为热塑性聚氨酯(TPU):美国Lubrizol公司生产的Tecoflex，型号LM-95A，密度1100kg/m3，硬度94Shore A。将30g TPU溶解于100ml DMF中,得到混合溶液Ⅱ。
(4)将混合溶液Ⅰ与混合溶液Ⅱ在100～120℃下搅拌1～2h，直至搅拌均匀，得到混合溶液Ⅲ。
(5)将混合溶液Ⅲ倒入模具中，在室温下静置，直至混合溶液Ⅲ在模具中均匀分布，放入真空干燥箱中100～120℃除去DMF，得到碳纳米管聚氨酯复合材料。
(6)将碳纳米管聚氨酯复合材料进行冷却处理，用导电银浆将两根导线分别连接在碳纳米管聚氨酯复合材料的两端，得到柔性传感膜。
优选地，步骤S5中，混合溶液Ⅲ在模具中均匀分布的方法为，将混合溶液Ⅲ倒入微量移液器中，在常温下用微量移液器在平整玻璃片上进行滴涂形成薄液层。
上述优选技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、本发明的具有大变形性能及其监测功能的柔性传感膜及其制备方法，该柔性传感膜能够有效实现对桥梁等结构大变形的监测，而且兼具应变和拉力监测功能，并且在大变形下依然具有较高的灵敏度；制备工艺简单、可操作性强、重复性好等优点。
2、本发明的具有大变形性能及其监测功能的柔性传感膜，柔性传感膜本身具有300％-350％的大变形性能，能用于对桥梁等土木工程结构大变形的监测。
3、本发明的具有大变形性能及其监测功能的柔性传感膜，聚氨酯采用医用级热塑性聚氨酯，并对碳纳米管进行了良好的分散，该复合材料在300-350％的大变形下仍然具有良好的应变传感功能。
4、本发明成功地为制备新型功能性TPU纳米复合材料提供了新的途径，同时也为今后开发新型高性能聚合物纳米复合材料提供了新的思路与探索，使得本发明在学术上具有创新研究价值，在实际应用中具有广泛的社会经济效益和战略价值。
附图说明
图1是显示复合薄膜的SEM照片的示意图。
图2是显示对柔性传感膜进行拉敏测试的示意图。
图3是柔性传感膜在拉缩循环下的应力、应变、电阻变化率随时间的变化图。
图4是反映柔性传感膜应变灵敏度系数的电阻变化率随应变的变化图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。
实施例1
1)配制溶液：将150.8mg的羧基化的多壁碳纳米管加入到20mlDMF溶液中，并进行超声形成稳定的氧化石墨DMF分散液，在功率为200W、频率为40KHz条件下超声分散2～4h，得到混合溶液Ⅰ；将30g TPU(美国Lubrizol公司生产的Tecoflex，型号LM-95A)溶解于100mlDMF中,得到混合溶液Ⅱ；将混合溶液Ⅰ与混合溶液Ⅱ在100～120℃下搅拌1～2h，直至搅拌均匀，得到混合溶液Ⅲ。
2)滴涂：将混合溶液Ⅲ倒入微量移液器中，在常温下用微量移液器在尺寸为15cm*15cm的平整玻璃片上进行滴涂形成薄液层。
3)烘干：将得到的薄液层在120～150℃的烘箱中进行烘干，将DMF去除干净，控制膜厚度0.07～0.1mm，烘干得到复合薄膜(标记为1#MCNT/TPU)。对该复合薄膜进行电镜分析，得到如图1所示的SEM图。
4)配置电极：用导电银浆将两根导线分别连接在碳纳米管热塑性聚氨酯复合薄膜的两端，得到柔性传感膜(碳纳米管含量为3wt％)。
5)拉断测试：如图2所示，对薄膜材料在万能拉力机上进行拉断测试，拉断延伸率为300％～350％。
6)拉敏测试：在万能材料拉力机对复合材料进行拉缩循环，并且在柔性传感膜的电极处连接电阻仪，对拉缩循环过程中进行实时电阻记录。拉伸应变为300％～350％；拉伸速率为1mm/s；实验共进行5次循环，得到图3所示柔性传感膜的应力、应变、电阻变化率随时间变化图。并且绘制柔性传感膜电阻变化率随应变的变化图，如图4所示，测得应变灵敏度系数(k＝(ΔR/R0)/ε)为25，其中R0为柔性传感膜的初始电阻值，ΔR为柔性传感膜的电阻变化值，ε为柔性传感膜的应变值(ε＝Δl/l0)，l0为柔性传感膜的初始长度，Δl为柔性传感膜的长度变化值。
实施例2
1)配制溶液：将303mg的羧基化的多壁碳纳米管加入到40ml DMF溶液中，并进行超声形成稳定的氧化石墨DMF分散液，在功率为200W、频率为40KHz条件下超声分散2～4h，得到混合溶液Ⅰ；将30g TPU(美国Lubrizol公司生产的Tecoflex，型号LM-95A)溶解于100mlDMF中,得到混合溶液Ⅱ；待其稳定后倒入预先溶胀在DMF中的TPU溶液，常温下搅拌2～5h，于100W下超声分散1～2h排除糊状液体里的空气并静置1～2h；将混合溶液Ⅰ与混合溶液Ⅱ在100～120℃下搅拌1～2h，直至搅拌均匀，得到混合溶液Ⅲ。
2)滴涂：将混合溶液Ⅲ倒入微量移液器中，在常温下用微量移液器在尺寸为15cm*15cm的平整玻璃片上进行滴涂形成薄液层。
3)烘干：将得到的薄液层在120～150℃的烘箱中进行烘干，将DMF去除干净，控制膜厚度0.07～0.1mm，烘干得到复合薄膜(标记为2#MCNT/TPU)。对该复合薄膜进行电镜分析，得到如图1所示的SEM图。
4)配置电极：用导电银浆将两根导线分别连接在碳纳米管热塑性聚氨酯复合薄膜的两端，得到柔性传感膜(碳纳米管含量为5wt％)。
5)拉断测试：如图2所示，对薄膜材料在万能拉力机上进行拉断测试，拉断延伸率为300％～350％。
6)拉敏测试：在万能材料拉力机对复合材料进行拉缩循环，并且在柔性传感膜的电极处连接电阻仪，对拉缩循环过程中进行实时电阻记录。拉伸应变为300％～350％；拉伸速率为1mm/s；实验共进行5次循环。并且绘制柔性传感膜电阻变化率随应变的变化图，如图4所示，测得应变灵敏度系数为30。
综上所述，与现有技术相比，本发明的方案存在如下显著优势：
1、本发明的具有大变形性能及其监测功能的柔性传感膜及其制备方法，该柔性传感膜能够有效实现对桥梁等结构大变形的监测，而且兼具应变和拉力监测功能，并且在大变形下依然具有较高的灵敏度；制备工艺简单、可操作性强、重复性好等优点。
2、本发明的具有大变形性能及其监测功能的柔性传感膜，柔性传感膜本身具有300％-350％的大变形性能，能用于对桥梁等土木工程结构大变形的监测。
3、本发明的具有大变形性能及其监测功能的柔性传感膜，聚氨酯采用医用级热塑性聚氨酯，并对碳纳米管进行了良好的分散，该复合材料在300-350％的大变形下仍然具有良好的应变传感功能。
4、本发明成功地为制备新型功能性TPU纳米复合材料提供了新的途径，同时也为今后开发新型高性能聚合物纳米复合材料提供了新的思路与探索，使得本发明在学术上具有创新研究价值，在实际应用中具有广泛的社会经济效益和战略价值。
可以理解的是，以上所描述的***的实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，既可以位于一个地方，或者也可以分布到不同网络单元上。可以根据实际需要选择其中的部分或全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
另外，本领域内的技术人员应当理解的是，在本发明实施例的申请文件中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本发明实施例的说明书中，说明了大量具体细节。然而应当理解的是，本发明实施例的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明实施例公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明实施例的示例性实施例的描述中，本发明实施例的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。
然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明实施例要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明实施例的单独实施例。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.具有大变形性能及其监测功能的柔性传感膜，其特征在于：包括碳纳米管聚氨酯复合材料薄膜、导电银浆和导线，所述碳纳米管聚氨酯复合材料薄膜的两端分别通过导电银浆连接一根导线；所述聚氨酯为医用级热塑性聚氨酯；
所述柔性传感膜的渗滤阈值为3～5wt％,导电性为3×10-5～2×10-3S/m；应变灵敏度系数≥25；有效拉伸范围为0～350％。
2.具有大变形性能及其监测功能的柔性传感膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、对碳纳米管进行酸化处理，制备羧基化碳纳米管；
S2、配制碳纳米管的DMF分散液，超声分散得到混合溶液Ⅰ；
S3、配制医用级热塑性聚氨酯的DMF溶液，得到混合溶液Ⅱ；
S4、将混合溶液Ⅰ与混合溶液Ⅱ在预定温度范围下搅拌预定时长，直至搅拌均匀，得到混合溶液Ⅲ；
S5、将混合溶液Ⅲ倒入模具中，在室温下静置，直至混合溶液Ⅲ在模具中均匀分布，放入真空干燥箱中除去DMF，得到碳纳米管聚氨酯复合材料；
S6、将碳纳米管聚氨酯复合材料进行冷却处理，用导电银浆将两根导线分别连接在碳纳米管聚氨酯复合材料的两端，得到柔性传感膜。
3.如权利要求2所述的具有大变形性能及其监测功能的柔性传感膜的制备方法，其特征在于：
步骤S1具体为：
将碳纳米管加入到质子酸中混合，反应温度为50～70℃，在超声波清洗器中冷凝回流3～5h，超声后用250～350ml去离子水稀释，然后用微孔滤膜抽滤，去离子水反复洗涤直至中性，最后在预定温度下烘预定时长，研磨至粉末状，即得羧基化碳纳米管。
4.如权利要求3所述的具有大变形性能及其监测功能的柔性传感膜的制备方法，其特征在于：
步骤S1中，每100ml质子酸加入的碳纳米管量为0.1g～0.5g。
5.如权利要求3所述的具有大变形性能及其监测功能的柔性传感膜的制备方法，其特征在于：
所述碳纳米管是采用化学气相沉积法制备的。
6.如权利要求3所述的具有大变形性能及其监测功能的柔性传感膜的制备方法，其特征在于：
所述碳纳米管为多壁碳纳米管。
7.如权利要求3所述的具有大变形性能及其监测功能的柔性传感膜的制备方法，其特征在于：
所述质子酸为硝酸、硫酸中的一种，或硫酸与硝酸的混合酸。
8.如权利要求2所述的具有大变形性能及其监测功能的柔性传感膜的制备方法，其特征在于：
步骤S2具体为：
将步骤S1制得的羧基化碳纳米管加入到DMF溶剂中，超声分散2～4h得到混合溶液Ⅰ。
9.如权利要求2所述的具有大变形性能及其监测功能的柔性传感膜的制备方法，其特征在于：
步骤S3具体为：
将热塑性聚氨酯溶解于DMF溶剂中,得到混合溶液Ⅱ。
10.如权利要求2所述的具有大变形性能及其监测功能的柔性传感膜的制备方法，其特征在于：
步骤S5中，混合溶液Ⅲ在模具中均匀分布的方法为，将混合溶液Ⅲ倒入微量移液器中，在常温下用微量移液器在平整玻璃片上进行滴涂形成薄液层。
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