一种用于检测混凝土环境中氯离子的光纤传感器的研究

发布时间：2020-04-23 16:11

【摘要】：氯离子侵蚀是影响钢筋混凝土耐久性的主要因素之一,当氯离子在钢筋表面达到一定浓度后会导致钢筋钝化膜脱落引起钢筋产生锈蚀、断裂,从而影响结构的服役寿命,造成严重的工程事故和经济损失。光纤传感器具有响应快、抗电磁干扰、可对待测结构的任何部位实时监测的优点,微结构光纤(Microstructured optical fiber,MOF)的空气孔给敏感材料的负载、传感反应提供安全、充足的空间,提高了光纤传感的灵敏和稳定性。因此,研发一种用于混凝土环境中氯离子浓度监测的MOF传感器,对钢筋混凝土结构预警具有重要的工程与经济意义。本文在国家自然科学基金面上项目(NO.61575150)和973项目(2015CB655101)资助下,设计了一种荧光型的氯离子MOF传感器,制备了两种基于光泽精的氯离子敏感膜,选择单芯悬挂光纤(Suspended core fiber,SCF)为光纤探针,利用COMSOL Multiphysics对SCF的消逝场强度影响因素进行研究,并对氯离子光纤传感器的传感性能进行了研究。研究的主要内容和结论如下:(1)制备了氯离子溶胶-凝胶敏感膜,采用溶剂改性、纳米粒子掺杂以及两亲共聚物共混三种方法对P(VDF-TrFE)的亲水化处理制备了亲水化氯离子P(VDF-TrFE)敏感膜。分别采用SEM对敏感膜表面形貌进行了表征,FT-IR对敏感膜进行成分分析,接触角测试和氯离子猝灭荧光检测对P(VDF-TrFE)氯敏膜的亲水性能和氯离子敏感性能进行了表征。结果表明,两性聚合物掺杂对P(VDF-TrFE)的亲水和氯敏性能的影响最大,当PMMA:P(VDF-TrFE)=1:9,PVP%=2wt%时氯敏膜表现出最佳的氯敏性,可检测的氯离子浓度范围在0.02M-0.10M,检测的灵敏度K_(SV)为15.069M~(-1)。(2)运用波动光学的知识推导出单芯悬挂光纤消逝场的传播方程,结果表明消逝场沿着入射光的x轴分量上行进,振幅在z方向的以指数形式衰减。利用COMSOL Multiphysics(Ver.5.2)研究了敏感膜厚度、膜折射率、纤芯直径、空气孔尺寸对SCF消逝场强度的影响,结果表明影响程度以纤芯直径,相对折射率,膜厚度,空气孔尺寸递减。其中纤芯直径对SCF消逝场强度影响最大,当纤芯直径从8μm减小到0.8μm时,消逝场提高了约365倍。(3)设计了Φ250μmSCF结合sol-gel膜,Φ250μmSCF结合P(VDF-TrFE)膜以及Φ125μmSCF结合sol-gel膜三种光纤传感器,通过对标准氯离子溶液的标定实验并结合斯特恩-沃尔默方程对标准曲线进行拟合,三种传感器的标定方程为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结合sol-gel膜的传感器在不同pH值的氯化钾混凝土模拟液进行了标定和拟合,K_(SV)值随着pH的升高而变大,从1.751(pH=9.5)增加到1.982(pH=13.5)。对此类光纤传感器进行干扰离子实验,结果表明OH~-对传感器影响最大,故传感器用于检测混凝土环境中氯离子时,需在碱性环境下进行标定。
【图文】：

装置图,亲水化,测试实验,荧光猝灭

本论文采用两种方法进行膜亲水性能的表征——膜表面接触角和氯离子感膜荧光的猝灭。表面接触角是表征材料亲水性能的重要指标之一，根据化学的知识，，接触角越小说明材料的亲水性能越好。在本文所述的所有接测试中，滴在膜表面的去离子水滴的体积保持在 0.77μL。.1.5 亲水化 P(VDF-TrFE)膜对氯离子的检测P(VDF-TrFE)亲水化的目的是为了让膜所产生的荧光能被氯离子猝灭从现膜对氯离子敏感，所以利用荧光分光光度对亲水化处理后的 P(VDF-Tr泽精膜进行氯离子检测，已检验膜经过亲水化处理后能否用于氯离子浓度。实验的装置如图 2-1，具体方法是将样品放入装有 4mL 去离子水的比色皿后用 320nm 波长的光去激发敏感膜产生荧光，选择 350nm 的滤光片滤去光光，将 0.0047g 或者 0.0234g 的 KCl 固体分 5 次加入到比色皿中以得到 0.0.1M为梯度的氯离子溶液，每加入一次KCl都对膜的荧光光谱进行一次检

分子结构图,光泽精,基态,核外电子

22*LuchLuc+++ ν →+ +Luc+ Cl→(Luc+C2**+++(Luc+ Cl)→Luc+C*2基态的电子（Luc2+）受阳离子（Luc2+*）这时基核外电子倾向于跃迁入低能级轨道存在着空位，+。但是电荷转移中间产物氯离子回到基态，从而如图 2-3 所示。由此可以的，比较符合光纤传感
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU317

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