專利名稱：一種分布式智能繩索的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種建筑結(jié)構(gòu)用的復(fù)合材料及智能傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種分 布式智能繩索。
背景技術(shù)：
高強(qiáng)、輕型、優(yōu)質(zhì)的新型建筑復(fù)合材料作為現(xiàn)代化建筑的基礎(chǔ)材料，其發(fā)展越來(lái)越 受到重視。新型建筑復(fù)合材料作為建筑物的主要基材，在建筑中占有十分重要的地位。隨 著我國(guó)新型建筑復(fù)合材料需求的大幅度攀升，原有建筑復(fù)合材料已經(jīng)不能滿足新型建筑物 的需求。雖然建筑復(fù)合材料管理部門已通過(guò)加大對(duì)建筑復(fù)合材料生產(chǎn)設(shè)施的投資來(lái)增加供 應(yīng)量，但目前使用的傳統(tǒng)的建筑復(fù)合材料已滿足不了現(xiàn)代化建筑物的需求，有些甚至過(guò)時(shí)； 傳統(tǒng)的建筑復(fù)合材料資源也在不斷地減少和消失，建筑行業(yè)的新型建筑材料資源已成為現(xiàn) 代化建筑的瓶頸問(wèn)題。此外，隨著我國(guó)城市化建設(shè)的快速發(fā)展，土地資源越來(lái)越緊張，建筑面積的選擇已 受到較大的制約。因此，為解決這些瓶頸問(wèn)題，一方面需要增加和擴(kuò)大傳統(tǒng)的建筑材料和建 筑復(fù)合材料的供應(yīng)以滿足建筑行業(yè)的需求。但是新建城市、道路、橋梁的擴(kuò)大需要增加新的 土地和基礎(chǔ)設(shè)施投資，勢(shì)必造成傳統(tǒng)的建筑材料需要大量增加，所以傳統(tǒng)的建筑材料在能 源、礦產(chǎn)、環(huán)保、資金、地理位置、規(guī)劃等多方面受到制約。另一方面，要對(duì)老建筑物、道路、橋 梁進(jìn)行改造和加固，特別是歷史文物建筑，即利用原有老建筑物的基礎(chǔ)和原貌使其最大限 度地發(fā)揮作用，提高老建筑物使用功能和土地資源利用，降低對(duì)新建筑物的投資，減少新增 土地面積和建筑材料運(yùn)輸過(guò)程中的能耗，必需大量使用輕型高強(qiáng)的新型建筑復(fù)合材料，建 設(shè)有我國(guó)特色的新資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的新型建筑物，已成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域迫切 需要解決的問(wèn)題?，F(xiàn)有的新型輕質(zhì)建筑復(fù)合材料，都是采用單一的縱向纖維束與樹(shù)脂復(fù)合 制成的產(chǎn)品，雖然抗拉強(qiáng)度高，但耐折強(qiáng)度低。已經(jīng)滿足不了新建筑物的需要。再者，一方面，自然災(zāi)害頻發(fā)，容易對(duì)建筑物造成大面積跨塌和損傷事故；另一方 面，大量原有的和新建的橋梁、隧道、水壩和古舊建筑物，如何對(duì)這些建筑物進(jìn)行自監(jiān)測(cè)、自 診斷，及時(shí)開(kāi)展對(duì)這些建筑物的檢查、維修和監(jiān)測(cè)，并優(yōu)化配置新型建筑材料和建筑復(fù)合材 料資源，以及提高新型建筑材料的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和提高建筑物的使用功能和建設(shè)效率，提高建 筑物的建設(shè)安全和建筑物的使用安全，也是一個(gè)需要迫切解決的問(wèn)題。要對(duì)建筑物進(jìn)行健 康監(jiān)測(cè)和檢查必需要另行附加傳感器件才能實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)有的傳感器主要有傳統(tǒng)型電阻式應(yīng) 變片和振弦傳感器，它們都是粘貼于被測(cè)試的建筑上使用，現(xiàn)有的智能筋及封裝式光纖光 柵傳感器是將傳感器封裝于薄金屬套管中或是埋于FRP纖維材料的層間后，再粘貼于被測(cè) 試的建筑物上，以上幾種方法都給施工布設(shè)傳感器帶來(lái)了很多不便、成活率不高、耐久性不 長(zhǎng)，測(cè)試時(shí)傳感器的精度也低、不準(zhǔn)確；所以傳統(tǒng)型智能筋應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)上的壽命很 短，難以推廣。當(dāng)今大量的現(xiàn)代化建筑物又急需大量的既是高強(qiáng)的承重受力材料，又是傳感器型 的智能復(fù)合材料。此外，如何開(kāi)展自主創(chuàng)新，形成有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型高強(qiáng)智能形復(fù)合材料也是迫切需要關(guān)注和解決的問(wèn)題。 發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)和不足，提供一種分布式智能 繩索。本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本繩索包括從內(nèi)向外依次連接的光導(dǎo)纖維、碳纖維和玄武巖纖維合股層、尼龍纖 維套管和保護(hù)涂層。制備方法包括下列步驟①將纖維從紗架上引出，經(jīng)過(guò)輸送裝置，按比例依層次將碳纖維、玄武巖纖維合成 股紗，再將光導(dǎo)纖維自由導(dǎo)出隨多個(gè)股紗經(jīng)高強(qiáng)制繩機(jī)制成繩體，使光導(dǎo)纖維始終保持在 繩體中央，同時(shí)將高強(qiáng)尼龍纖維在繩體外經(jīng)雙層編織機(jī)制成尼龍纖維套管； ②在尼龍纖維套管表面涂覆一層硅烷偶聯(lián)劑和表面處理劑；③經(jīng)卷取、切割和包裝而成分布式智能繩索產(chǎn)品。本實(shí)用新型具有下列優(yōu)點(diǎn)和積極效果1、本實(shí)用新型采用高性能的玄武巖纖維、碳纖維和尼龍纖維材料與光導(dǎo)纖維相復(fù) 合，首先制造出分布式智能繩索；光導(dǎo)纖維作為繩索的傳感器元件被包覆在幾種纖維的中 央，具有傳導(dǎo)性能好、耐腐蝕、承載能力高和耐久性能強(qiáng)等特點(diǎn)的優(yōu)質(zhì)繩索，同時(shí)還在繩索 的外表編織一層柔軟、耐磨察、強(qiáng)度高的高強(qiáng)尼龍纖維套管，并在尼龍纖維套管上涂覆一種 硅烷偶聯(lián)劑，使其具有和樹(shù)脂親合性好、粘結(jié)強(qiáng)的分布式智能繩索。2、本實(shí)用新型還具有自重輕、便于運(yùn)輸、使用和安裝方便，成活率大、耐腐蝕性和 耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。用分布式智能繩索制成的分布式復(fù)合材料智能筋，不但抗拉強(qiáng)度高，而且 耐折性能強(qiáng)，既是優(yōu)良的智能傳感材料，又是高強(qiáng)的承載受力材料。分布式智能繩索，經(jīng)濟(jì)、 高效、適用，能夠有效的解決當(dāng)今建筑行業(yè)中缺乏高性能和高檔次新型復(fù)合材料分布式智 能筋的瓶頸問(wèn)題；3、分布式智能繩索與其它智能材料相比，其價(jià)格上還有明顯的優(yōu)勢(shì)，要低20%以 上。本實(shí)用新型由于引入了光導(dǎo)纖維在高強(qiáng)纖維繩索中組成了高性能的分布式智能繩索， 使其具有承載力材料和傳感器的雙重功能。用分布式智能繩索制成的復(fù)合材料不但是高強(qiáng) 的建筑材料，還能使建筑物實(shí)現(xiàn)自監(jiān)測(cè)、自診斷功能。為修建新型的建筑工程和建筑物如橋 墩、橋梁、隧道等工程的施工與監(jiān)測(cè)提供了優(yōu)質(zhì)新型的智能傳感器和新形的建筑復(fù)合材料， 這種新型智能的監(jiān)測(cè)傳感材料更加穩(wěn)定、可靠，并克服了傳統(tǒng)型智能傳感器施工成活低、抗 環(huán)境腐蝕和抗蠕變性能較差、耐久性明顯不好等問(wèn)題。4、本分布式智能繩索是一種能夠滿足新、老建筑工程和建筑物的需求，并具有優(yōu) 良的力學(xué)、耐化學(xué)腐蝕性能、抗蠕變性能等，又有較低的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，是一種自監(jiān)測(cè)、自診斷， 并具有優(yōu)化配置的新資源和智能型多功能的新型建筑復(fù)合材料的主要基材之一。

圖1是本繩索的結(jié)構(gòu)示意圖。其中[0020]1-光導(dǎo)纖維；2-碳纖維和玄武巖纖維合股層；3-尼龍纖維套管；4-保護(hù)涂層；A-斜截面。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明一、分布式智能繩索1、總體如圖1，本繩索包括從內(nèi)向外依次連接的光導(dǎo)纖維1、碳纖維和玄武巖纖維合股層 2、尼龍纖維套管3和保護(hù)涂層4。2、功能部件1)光導(dǎo)纖維1所述的光導(dǎo)纖維1是一種通信光纖；為裸光纖或護(hù)套光纖，護(hù)套光纖為松套光纖或緊套光纖。光導(dǎo)纖維1具有傳導(dǎo)速度快、導(dǎo)光性能強(qiáng)和容量大等優(yōu)點(diǎn)作為傳感器材料。松套光纖，其護(hù)套與光纖之間沒(méi)有固化，因此只受溫度影響，而不受應(yīng)力影響，用 來(lái)測(cè)量全線的溫度分布；緊套光纖，其護(hù)套與光纖之間是固化的，用來(lái)測(cè)量應(yīng)力或者應(yīng)變；用緊套光纖測(cè)量 應(yīng)力應(yīng)變，可以并列放置松套光纖做溫度補(bǔ)償。分布式智能繩索中可以同時(shí)放置多根光導(dǎo)纖維1，以作備用。光導(dǎo)纖維1要事先進(jìn)行溫度和應(yīng)變(或應(yīng)力)標(biāo)定。2)碳纖維和玄武巖纖維合股層2所述的碳纖維和玄武巖纖維合股層2是一種由碳纖維和玄武巖纖維在合股機(jī)與 張力的作用下經(jīng)過(guò)拉緊而形成的合股層，其重量百分比分別是碳纖維為50-60% ；玄武巖纖維40-50%。碳纖維和玄武巖纖維合股層2的功能是增強(qiáng)。3)尼龍纖維套管3所述的尼龍纖維套管3是一種經(jīng)過(guò)雙層編織機(jī)將繩索芯體(光導(dǎo)纖維1和碳纖維 和玄武巖纖維合股層2)包裹在其中，用尼龍纖維編織成的套管。尼龍纖維套管3的功能是套在繩索芯體表面，使繩索具有表面柔軟和耐磨性強(qiáng)等特點(diǎn)。尼龍纖維的材料選用尼龍纖維或聚丙烯纖維。4)保護(hù)涂層4所述的保護(hù)涂層4是一種在繩索表面涂覆的一層硅烷偶聯(lián)劑和表面處理劑。保護(hù)涂層4的功能是耐化學(xué)腐蝕、耐水、耐冷凍。硅烷偶聯(lián)劑和表面處理劑選用如環(huán)氧樹(shù)脂、乙烯基樹(shù)脂、聚酯樹(shù)脂和酚醛樹(shù)脂等 相結(jié)合的KH550或KH560。[0051]二、分布式智能繩索的制備方法1)步驟安裝制備裝置，其中包括輸送45%左右的玄武巖纖維和55%左右的碳纖維、纖維 合股、輸送光導(dǎo)纖維、高強(qiáng)拉制纖維成股、雙層編織智能繩索外套管。供料裝置供給連續(xù)纖 維，繩索連續(xù)生產(chǎn)。2)步驟②涂覆硅烷偶聯(lián)劑和表面處理劑，采用噴涂硅烷偶聯(lián)劑的方式對(duì)繩索表面進(jìn)行涂 層，使繩索與增強(qiáng)型樹(shù)脂粘結(jié)性能強(qiáng)，能制造出優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)、耐折耐久性能好的復(fù)合材料智能 筋。3)步驟③包括卷取、切割、包裝。繩索可用機(jī)器或人工切割，以端口整齊，并能找到光纖為要點(diǎn)。繩索包裝，端口焊接，并包扎好光纖連接端口。根據(jù)實(shí)際情況，可以在使用現(xiàn)場(chǎng)焊 接光纖，此時(shí)包扎好端部，以便保護(hù)光纖端頭。此處焊接工藝指將傳感光纖和接出用的普通 通訊光纖對(duì)接，采用專用石英纖維熔凝設(shè)備，以便連接到光分析器。三、分布式智能繩索成型機(jī)理1、本繩索由高強(qiáng)纖維和光導(dǎo)纖維結(jié)合為一體，光導(dǎo)纖維被各種高強(qiáng)纖維緊緊地包 覆在中央，自身既是復(fù)合材料的傳感器又是增強(qiáng)材料的骨架之一。光導(dǎo)纖維作為傳感器材料，具有傳導(dǎo)速度快、導(dǎo)光性能強(qiáng)和容量大等優(yōu)點(diǎn)；碳纖維作為增強(qiáng)材料，具有強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)；玄武巖纖維作為外層受力材料，具有耐高溫、耐腐蝕、強(qiáng)度高、與樹(shù)脂粘結(jié)性能強(qiáng) 等優(yōu)點(diǎn)；高強(qiáng)尼龍纖維作為保護(hù)外套材料，具有耐磨性好的優(yōu)點(diǎn)。本繩索具備了其它分布式智能傳感器和受力構(gòu)件復(fù)合材料都沒(méi)有的基本性能。本 方法不僅適用于建筑行業(yè)中復(fù)合材料分布式智能筋或智能傳感器用分布式智能繩索的制 作方法，也適用于其他行業(yè)中類似于智能繩索的制造方法。2、在現(xiàn)有的技術(shù)中有大量的且各種各樣的繩索，用它來(lái)固定各種建筑物或其它物 體，這些繩索一般都是編織或擰絞而成，并由兩股以上的纖維材料組成。到目前為止，這些 繩索的制造方法有手工，有半機(jī)械和機(jī)械化，而智能繩索又都是以手工制成，而且只是在繩 索上粘貼各種各樣的傳感器。本方法是將光導(dǎo)纖維、碳纖維、玄武巖纖維和尼龍纖維等材料集合成一體。這些高 強(qiáng)混雜纖維應(yīng)分兩個(gè)以上的層次布置，光導(dǎo)纖維布置在繩體的最里層和中央，中部纖維依 此按光導(dǎo)纖維、碳纖維、玄武巖纖維直線排序，逐層布置為無(wú)卷曲、無(wú)捻度、無(wú)擰絞的纖維繩 中心體，繩中心體的纖維張力要求基本均勻；外部為高強(qiáng)尼龍纖維并被編織成人字形、交叉 螺旋形等形狀。所有纖維表面都要涂敷如環(huán)氧樹(shù)脂、乙烯基樹(shù)脂、聚酯樹(shù)脂和酚醛樹(shù)脂等相 結(jié)合的KH550或KH560偶聯(lián)劑和表面處理劑。本方法可以在一般通用的制繩機(jī)、多股編織 機(jī)和雙層編織機(jī)上進(jìn)行機(jī)械化生產(chǎn)。3、本方法用連續(xù)機(jī)械化的生產(chǎn)方式代替手工、半機(jī)械化生產(chǎn)，既能制造連續(xù)分布 式智能繩索，又能制造單段的分布式智能繩或圈狀式、螺旋狀式的分布式智能繩索。本方法是通過(guò)輸送碳纖維、玄武巖纖維，經(jīng)過(guò)纖維合股，輸送光導(dǎo)纖維，高強(qiáng)制繩，雙層編織，卷取 和切割包裝等工序完成。在分布式智能繩索預(yù)成型階段內(nèi)含有向纖維繩中央輸送光導(dǎo)纖維 的步驟；采用本方法所述的連續(xù)制造分布式智能繩索成型工藝，生產(chǎn)的分布智能繩索，不僅 僅實(shí)現(xiàn)了方分布式智能繩索的連續(xù)機(jī)械化生產(chǎn)，更重要的是克服了傳統(tǒng)的復(fù)合材料智能筋 用單一的纖維束制造，使復(fù)合材料智能筋耐折性差的缺陷。使用分布式智能繩索時(shí)可以按 照人們的需要隨意裁剪長(zhǎng)度，然后撥開(kāi)繩索兩端找出光纖與光纜搭結(jié)，這是傳統(tǒng)的復(fù)合材 料智能筋無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。本方法制成的分布式智能繩索產(chǎn)品的表面柔軟，耐磨性強(qiáng)，具有很好 的耐折性。分布式智能繩索其長(zhǎng)度可以從lm-500m，直徑可以從4mm-150mm保持智能繩索的 兩端不分散開(kāi)。4、本方法的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，它將大量使用的分布式智能繩索實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化生 產(chǎn)，提高了生產(chǎn)效率，減輕了生產(chǎn)工人的勞動(dòng)力強(qiáng)度，減少了昂貴的碳纖維原料的損耗和作 業(yè)場(chǎng)地，經(jīng)濟(jì)和節(jié)能效果明顯，而且它加工出的分布式智能繩索形狀、尺寸和繩中纖維的張 力能保持規(guī)整一致，提高了用分布式智能繩索制作的分布式智能筋或復(fù)合材料產(chǎn)品的強(qiáng)度 和耐折耐久性能好，包裝、運(yùn)輸使用方便。5、用本方法生產(chǎn)的分布式智能繩索，實(shí)現(xiàn)了 1)技術(shù)指標(biāo)空間分辨率10cm;應(yīng)變測(cè)量精度士 0. 0025 % ；溫度測(cè)量精度0. 60C ；測(cè)量時(shí)間3min。2)表面柔軟，耐磨性強(qiáng)，光損耗少，分辨率好，使用成活率高。3)分布式智能繩索其長(zhǎng)度可以從lm-500m以上，直徑可以從4mm-150mm，保持智能 繩索的兩端不分散開(kāi)。三、分布式智能繩索的使用方法與應(yīng)用1、分布式智能繩索兩端的光纖與一定長(zhǎng)度的光纜相聯(lián)結(jié)，光纜作為測(cè)試儀器的聯(lián) 結(jié)導(dǎo)線。由于分布式智能繩索可以按建筑物的尺寸要求在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行剪裁后，找出兩端光纖 與光纜搭結(jié)，克服了傳統(tǒng)的復(fù)合材料智能筋必需采用定長(zhǎng)制，在現(xiàn)場(chǎng)剪裁后無(wú)法與光纜搭 結(jié)的難題。分布式智能繩索最大的特點(diǎn)是使用預(yù)應(yīng)力復(fù)合材料制作建筑結(jié)構(gòu)時(shí)可以提高復(fù) 合材料在建筑結(jié)構(gòu)中的抗拉強(qiáng)度、彈性模量和抗疲勞性能。2、另外，利用本分布式智能繩索制成分布式智能筋。傳統(tǒng)型智能筋應(yīng)用于建筑結(jié) 構(gòu)監(jiān)測(cè)上的壽命短、量程短、成活率不高，所以推廣和應(yīng)用都受到制約。本分布式智能筋，在 施工時(shí)能與建筑物的鋼筋或復(fù)合筋同時(shí)布設(shè)，自身成為鋼筋的一員，與其它鋼筋一樣被扎 成鋼筋網(wǎng)，施工也很方便。這種分布式智能筋，強(qiáng)度高，具有耐折性、穩(wěn)定性好、耐腐蝕、抗電 磁干擾強(qiáng)、體積小、重量輕、量程長(zhǎng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。它可以測(cè)量如應(yīng)變、應(yīng)力、溫度和混 凝土內(nèi)部的裂紋與位置等多項(xiàng)物理變化狀況。3、本分布式智能繩索還可以用于大橋和建筑物的斜拉索以及汽車、輪船、礦山等 方面的健康監(jiān)測(cè)和健康檢查的受力材料和傳感材料。
權(quán)利要求一種分布式智能繩索，其特征在于包括從內(nèi)向外依次連接的光導(dǎo)纖維(1)、碳纖維和玄武巖纖維合股層(2)、尼龍纖維套管(3)和保護(hù)涂層(4)。
2.按權(quán)利要求1所述的一種分布式智能繩索，其特征在于 所述的光導(dǎo)纖維(1)是一種通信光纖；為裸光纖或護(hù)套光纖，護(hù)套光纖為松套光纖或緊套光纖。
3.按權(quán)利要求1所述的一種分布式智能繩索，其特征在于所述的尼龍纖維套管(3)是一種經(jīng)過(guò)雙層編織機(jī)將繩索芯體包裹在其中，用尼龍纖維 編織成的套管。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種分布式智能繩索，涉及一種建筑結(jié)構(gòu)用的復(fù)合材料及智能傳感器領(lǐng)域。本繩索包括從內(nèi)向外依次連接的光導(dǎo)纖維(1)、碳纖維和玄武巖纖維合股層(2)、尼龍纖維套管(3)和保護(hù)涂層(4)。制作方法包括①將纖維從紗架上引出，經(jīng)過(guò)輸送裝置，按比例依層次將碳纖維、玄武巖纖維合成股紗，再將光導(dǎo)纖維自由導(dǎo)出隨多個(gè)股紗經(jīng)高強(qiáng)制繩機(jī)制成繩體，同時(shí)將高強(qiáng)尼龍纖維在繩體外經(jīng)雙層編織機(jī)制成尼龍纖維套管；②在尼龍纖維套管表面涂覆一層硅烷偶聯(lián)劑和表面處理劑；③經(jīng)卷取、切割和包裝而成分布式智能繩索產(chǎn)品。本繩索是一種自監(jiān)測(cè)、自診斷，并具有優(yōu)化配置的新資源和智能型多功能的新型建筑復(fù)合材料的主要基材之一。
文檔編號(hào)D07B1/04GK201686878SQ20102015623
公開(kāi)日2010年12月29日 申請(qǐng)日期2010年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月7日
發(fā)明者王渝珍, 鄭文衡, 金文成 申請(qǐng)人:金文成