發(fā)布時(shí)間：2020-04-23 16:11

【摘要】：氯離子侵蝕是影響鋼筋混凝土耐久性的主要因素之一,當(dāng)氯離子在鋼筋表面達(dá)到一定濃度后會(huì)導(dǎo)致鋼筋鈍化膜脫落引起鋼筋產(chǎn)生銹蝕、斷裂,從而影響結(jié)構(gòu)的服役壽命,造成嚴(yán)重的工程事故和經(jīng)濟(jì)損失。光纖傳感器具有響應(yīng)快、抗電磁干擾、可對(duì)待測結(jié)構(gòu)的任何部位實(shí)時(shí)監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn),微結(jié)構(gòu)光纖(Microstructured optical fiber,MOF)的空氣孔給敏感材料的負(fù)載、傳感反應(yīng)提供安全、充足的空間,提高了光纖傳感的靈敏和穩(wěn)定性。因此,研發(fā)一種用于混凝土環(huán)境中氯離子濃度監(jiān)測的MOF傳感器,對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)警具有重要的工程與經(jīng)濟(jì)意義。本文在國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(NO.61575150)和973項(xiàng)目(2015CB655101)資助下,設(shè)計(jì)了一種熒光型的氯離子MOF傳感器,制備了兩種基于光澤精的氯離子敏感膜,選擇單芯懸掛光纖(Suspended core fiber,SCF)為光纖探針,利用COMSOL Multiphysics對(duì)SCF的消逝場強(qiáng)度影響因素進(jìn)行研究,并對(duì)氯離子光纖傳感器的傳感性能進(jìn)行了研究。研究的主要內(nèi)容和結(jié)論如下:(1)制備了氯離子溶膠-凝膠敏感膜,采用溶劑改性、納米粒子摻雜以及兩親共聚物共混三種方法對(duì)P(VDF-TrFE)的親水化處理制備了親水化氯離子P(VDF-TrFE)敏感膜。分別采用SEM對(duì)敏感膜表面形貌進(jìn)行了表征,FT-IR對(duì)敏感膜進(jìn)行成分分析,接觸角測試和氯離子猝滅熒光檢測對(duì)P(VDF-TrFE)氯敏膜的親水性能和氯離子敏感性能進(jìn)行了表征。結(jié)果表明,兩性聚合物摻雜對(duì)P(VDF-TrFE)的親水和氯敏性能的影響最大,當(dāng)PMMA:P(VDF-TrFE)=1:9,PVP%=2wt%時(shí)氯敏膜表現(xiàn)出最佳的氯敏性,可檢測的氯離子濃度范圍在0.02M-0.10M,檢測的靈敏度K_(SV)為15.069M~(-1)。(2)運(yùn)用波動(dòng)光學(xué)的知識(shí)推導(dǎo)出單芯懸掛光纖消逝場的傳播方程,結(jié)果表明消逝場沿著入射光的x軸分量上行進(jìn),振幅在z方向的以指數(shù)形式衰減。利用COMSOL Multiphysics(Ver.5.2)研究了敏感膜厚度、膜折射率、纖芯直徑、空氣孔尺寸對(duì)SCF消逝場強(qiáng)度的影響,結(jié)果表明影響程度以纖芯直徑,相對(duì)折射率,膜厚度,空氣孔尺寸遞減。其中纖芯直徑對(duì)SCF消逝場強(qiáng)度影響最大,當(dāng)纖芯直徑從8μm減小到0.8μm時(shí),消逝場提高了約365倍。(3)設(shè)計(jì)了Φ250μmSCF結(jié)合sol-gel膜,Φ250μmSCF結(jié)合P(VDF-TrFE)膜以及Φ125μmSCF結(jié)合sol-gel膜三種光纖傳感器,通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氯離子溶液的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)并結(jié)合斯特恩-沃爾默方程對(duì)標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行擬合,三種傳感器的標(biāo)定方程為I_0/I=1+1.463[Cl~-](R~2=0.987),I_0/I=1+14.661[Cl~-](R~2=0.992)以及I_0/I=1+2.374[Cl~-](R~2=0.989)。Φ250μmSCF結(jié)合sol-gel膜的傳感器在不同pH值的氯化鉀混凝土模擬液進(jìn)行了標(biāo)定和擬合,K_(SV)值隨著pH的升高而變大,從1.751(pH=9.5)增加到1.982(pH=13.5)。對(duì)此類光纖傳感器進(jìn)行干擾離子實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明OH~-對(duì)傳感器影響最大,故傳感器用于檢測混凝土環(huán)境中氯離子時(shí),需在堿性環(huán)境下進(jìn)行標(biāo)定。
【圖文】：

本論文采用兩種方法進(jìn)行膜親水性能的表征——膜表面接觸角和氯離子感膜熒光的猝滅。表面接觸角是表征材料親水性能的重要指標(biāo)之一，根據(jù)化學(xué)的知識(shí)，，接觸角越小說明材料的親水性能越好。在本文所述的所有接測試中，滴在膜表面的去離子水滴的體積保持在 0.77μL。.1.5 親水化 P(VDF-TrFE)膜對(duì)氯離子的檢測P(VDF-TrFE)親水化的目的是為了讓膜所產(chǎn)生的熒光能被氯離子猝滅從現(xiàn)膜對(duì)氯離子敏感，所以利用熒光分光光度對(duì)親水化處理后的 P(VDF-Tr澤精膜進(jìn)行氯離子檢測，已檢驗(yàn)?zāi)そ?jīng)過親水化處理后能否用于氯離子濃度。實(shí)驗(yàn)的裝置如圖 2-1，具體方法是將樣品放入裝有 4mL 去離子水的比色皿后用 320nm 波長的光去激發(fā)敏感膜產(chǎn)生熒光，選擇 350nm 的濾光片濾去光光，將 0.0047g 或者 0.0234g 的 KCl 固體分 5 次加入到比色皿中以得到 0.0.1M為梯度的氯離子溶液，每加入一次KCl都對(duì)膜的熒光光譜進(jìn)行一次檢

22*LuchLuc+++ ν →+ +Luc+ Cl→(Luc+C2**+++(Luc+ Cl)→Luc+C*2基態(tài)的電子（Luc2+）受陽離子（Luc2+*）這時(shí)基核外電子傾向于躍遷入低能級(jí)軌道存在著空位，+。但是電荷轉(zhuǎn)移中間產(chǎn)物氯離子回到基態(tài)，從而如圖 2-3 所示。由此可以的，比較符合光纖傳感
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TU317

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5 何s

本文編號(hào)：2637911