含有光纤光栅纤维增强塑料板的制备方法及含有光纤光栅纤维增强塑料板、应用与流程

1.本发明涉及监测的技术领域，尤其是涉及一种含有光纤光栅纤维增强塑料板的制备方法及含有光纤光栅纤维增强塑料板、应用。


背景技术：

2.桥梁或建筑由于设计缺陷、超载和自然环境等因素的影响，可能会导致其承载能力和使用能力下降，严重时还会造成不可估量的损失。目前，常用的解决方法是采用纤维增强塑料板材向桥梁施加预应力的方式提升承载能力。但是，随着预应力技术的发展和广泛应用，新的问题悄然而至，如：无法监测板材中施加预应力的大小，以及随着时间、环境和超载等因素引起的应力损失的准确数据。另外，如何评价桥梁后期健康状况也是实际应用中需要解决的问题。
3.光纤光栅传感器不仅具有精度高、线性度好以及重复性佳等特点，而且还能抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀以及远距离传输，非常适合监测力学性能和外界温度，因此逐渐获得人们的青睐。
4.拉挤成型工艺中，光纤光栅的细度约为0.2mm左右，容易因张力不匀而导致光纤光栅浮出或偏移，甚至会纠缠在一起，因此不利于耦合光纤光栅板材的成型。光纤光栅呈现透明状，埋入增强塑料板后，颜色容易与材料本身融于一体，肉眼观察时很不容易发现，因此光纤光栅在与树脂基体结合后，难以从板材中取出部分光纤用于熔接，操作难度较大。专利cn105423938a中指出，刻槽法可将光纤光栅埋入，但却容易损伤板材的自身性能，减少使用寿命。因此，亟需一种工艺方法，不仅能够较为方便地将部分光纤从板材中取出用以熔接，而且还能够使光纤光栅稳定地保持在板材中心或者预先设计的位置，同时保证实际应用时的连续化生产的可操作性、安全性以及板材的使用寿命。
5.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

6.本发明的目的之一在于提供一种含有光纤光栅纤维增强塑料板的制备方法，能够解决光纤光栅埋入时容易浮出或发生偏移、光纤的头端难以剥离以及难以连续一体化生产的问题。
7.本发明的目的之二在于提供一种含有光纤光栅纤维增强塑料板，具有监测精度高和使用寿命长的优势。
8.本发明的目的之三在于提供一种含有光纤光栅纤维增强塑料板在加固建筑中的应用，具有可操作性强、安全性高以及板材的使用寿命长的特点。
9.为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
10.第一方面，本发明提供了一种含有光纤光栅纤维增强塑料板的制备方法，包括以下步骤：
11.纤维浸胶、光纤预处理、光纤引出、光纤定位以及加热成型，得到所述含有光纤光栅纤维增强塑料板；
12.其中，所述光纤预处理包括以下步骤：
13.利用定位片和光纤取出线对光纤的头端进行预处理，得到预处理后的光纤；
14.所述光纤引出包括以下步骤：
15.光纤穿过光纤夹持辊、导纤器和集束板，使预处理后的光纤的头端到达光纤定位辊；
16.所述光纤定位包括以下步骤：
17.抬起光纤定位辊使预处理后的光纤的头端穿过光纤定位板到达辅助压辊后压紧辅助压辊，预处理后的光纤的头端进入冷模后松开辅助压辊，压下光纤定位辊，预处理后的光纤的头端出热模后画线定位，记录长度位置。
18.进一步的，所述光纤上设有至少一个应变光栅和至少一个温度光栅传感器。
19.进一步的，所述定位片的单层厚度为0.01～0.5mm，长度为10～50cm，宽度为1～10cm。
20.进一步的，所述光纤取出线的直径为0.1～2mm，长度为10～50cm。
21.进一步的，所述光纤夹持辊的辊表面设有夹持凹槽；
22.进一步优选的，所述夹持凹槽的直径为0.3～1mm，深度为0.1～0.5mm。
23.进一步的，所述导纤器的侧边设有侧边槽；
24.进一步优选的，所述侧边槽的直径为0.3～0.5mm；
25.进一步优选的，所述导纤器的孔径为0.5～10mm。
26.进一步的，所述光纤定位辊的表面设有至少1个定位凹槽；
27.进一步优选的，所述定位凹槽的直径为0.3～0.5mm，深度为0.1～0.5mm，设有r为0.1～0.5mm的倒角。
28.进一步的，所述光纤定位板的长度为5～50cm，宽度为3～50cm，厚度为0.1～3mm；
29.进一步优选的，所述光纤定位板的边缘设有导流槽；
30.进一步优选的，所述光纤定位板上设有至少2个半圆形限位器；
31.进一步优选的，所述半圆形限位器的直径为0.5～5cm。
32.第二方面，本发明提供了一种含有光纤光栅纤维增强塑料板，是由上述任一项所述的制备方法制备得到的。
33.第三方面，本发明提供了一种含有光纤光栅纤维增强塑料板在加固建筑和监测建筑力学性能及其外界温度中的应用。
34.与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：
35.本发明提供的含有光纤光栅纤维增强塑料板的制备方法，包括纤维浸胶、光纤预处理、光纤引出、光纤定位和加热成型几大步骤，其中，光纤预处理、光纤引出以及光纤定位步骤能够定位光纤在纤维增强塑料板中的位置，便于取出光纤头端，稳定生产过程；纤维浸胶和加热成型步骤能够将光纤与增强塑料板材进行耦合。本发明的制备方法解决了光纤光栅埋入时容易浮出或发生偏移、光纤的头端难以剥离以及难以连续一体化生产的问题。
36.本发明提供的含有光纤光栅纤维增强塑料板，具有监测精度高和使用寿命长的优势。
37.本发明提供的含有光纤光栅纤维增强塑料板在建筑结构加固监测中的应用，具有可操作性强、安全性高以及板材的使用寿命长的特点。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
39.图1为本发明一种实施方式提供的含有光纤光栅纤维增强塑料板的制备示意图；
40.图2为本发明一种实施方式提供的定位片、光纤以及光纤取出线的位置配置示意图；
41.图3为本发明实施例1提供的光纤从光纤卷装中引出的示意图；
42.图4为本发明实施例1提供的光纤定位辊与光纤定位板的位置配置示意图；
43.图5为本发明实施例1提供的光纤在纤维增强塑料板中的横截面图；
44.图6为本发明实施例1提供的光纤在纤维增强塑料板中纵向布置的示意图。
45.图标：1-光纤卷装；2-光纤夹持辊；3-光纤；4-导纤器；5-集束板；6-光纤定位辊；7-光纤定位板；8-预处理后的光纤的头端；9-辅助压辊；10-冷模；11-热模；12-碳纤维增强塑料板；13-碳纤维；14-压辊；15-胶槽；16-导流槽；01-定位片；02-光纤取出线；06-定位凹槽；07-限位器；30-纤维增强塑料板；33-光纤光栅传感器。
具体实施方式
46.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
47.下面通过实施例对本发明作进一步说明。如无特别说明，实施例中的材料为根据现有方法制备而得，或直接从市场上购得。
48.根据本发明的第一个方面，提供了一种含有光纤光栅纤维增强塑料板的制备方法，包括以下步骤：
49.纤维浸胶、光纤预处理、光纤引出、光纤定位以及加热成型，得到含有光纤光栅纤维增强塑料板；
50.其中，本发明的光纤预处理包括以下步骤：
51.利用定位片和光纤取出线对光纤的头端进行预处理，得到预处理后的光纤；
52.本发明的光纤引出包括以下步骤：
53.光纤穿过光纤夹持辊、导纤器和集束板，使预处理后的光纤的头端到达光纤定位辊；
54.本发明的光纤定位包括以下步骤：
55.抬起光纤定位辊使预处理后的光纤的头端穿过光纤定位板到达辅助压辊后压紧辅助压辊，预处理后的光纤的头端进入冷模后松开辅助压辊，压下光纤定位辊，预处理后的
光纤的头端出热模后画线定位，记录长度位置。
56.本发明提供的含有光纤光栅纤维增强塑料板的制备方法，包括纤维浸胶、光纤预处理、光纤引出、光纤定位和加热成型几大步骤，其中，光纤预处理、光纤引出以及光纤定位步骤能够定位光纤在纤维增强塑料板中的位置，便于取出光纤头端，稳定生产过程；纤维浸胶和加热成型步骤能够将光纤与增强塑料板材进行耦合。本发明的制备方法解决了光纤光栅埋入时容易浮出或发生偏移、光纤的头端难以剥离以及难以连续一体化生产的问题。本发明的制备方法解决了现有技术中的光纤埋入纤维增强塑料板后取出难度大和在生产长距离纤维增强塑料板时的光纤裸露不稳定性的问题。
57.在本发明中，纤维浸胶是指纤维和光纤在制备成板材前的浸润树脂步骤。
58.在本发明中，光纤上设有至少一个应变光栅和至少一个温度光栅传感器。
59.在本发明中，光纤预处理步骤需要两个定位片和光纤取出线，光纤取出线是为了方便取出光纤用于划破定位片；光纤取出线与光纤平行排列，二者平行排列于定位片之中，定位片之间采用胶粘剂粘接，定位片表面适当进行脱模处理。
60.在一种优选的实施方式中，本发明的定位片的单层厚度为0.01～0.5mm，其典型但非限制性的厚度例如为0.01mm、0.05mm、0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm、0.5mm；本发明的定位片的长度为10～50cm，其典型但非限制性的厚度例如为10cm、15cm、20cm、25cm、30cm、35cm、40cm、45cm、50cm；本发明的定位片的宽度为1～10cm，其典型但非限制性的厚度例如为1cm、2cm、3cm、4cm、5cm、6m、7cm、8cm、9cm、10cm。
61.在一种优选的实施方式中，本发明的光纤取出线的直径为0.1～2mm，其典型但非限制性的直径例如为0.1mm、0.5mm、1mm、0.1mm、1.5mm、2mm；本发明的光纤取出线的长度为10～50cm，其典型但非限制性的长度例如为10cm、12cm、14cm、16cm、18cm、20cm、25cm、30cm、35cm、40cm、45cm、50cm。
62.在本发明中，光纤引出步骤需要两个光纤夹持辊，其中的一个引出辊表面刻有凹槽，该凹槽的直径为0.3～1mm，其典型但非限制性的直径例如为0.3mm、0.5mm、0.8mm、1mm；该凹槽的深度为0.1～0.5mm，其典型但非限制性的深度例如为0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm；引出辊采用弹簧加压或电动加压或气动加压；本发明利用光纤夹持辊来控制光纤张力，能够避免光纤退绕过程中发生损坏的问题。
63.在一种优选的实施方式中，本发明的导纤器内壁圆滑，导纤器的侧边设有侧边槽，该侧边槽的直径为0.3～0.5mm，其典型但非限制性的直径例如为0.3mm、0.4mm、0.5mm；本发明的导纤器的孔径为0.5～10mm，其典型但非限制性的孔径例如为0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm、5.5mm、6mm、6.5mm、7mm、7.5mm、8mm、8.5mm、9mm、10mm。
64.在本发明中，光纤定位步骤需要光纤定位辊、光纤定位板以及一对辅助压辊，辅助压辊可以夹紧或松开。
65.在一种优选的实施方式中，本发明的光纤定位辊的表面设有至少1个定位凹槽，优选设有1至5个凹槽，凹槽间距为0.1～10cm，该凹槽的直径为0.3～0.5mm，其典型但非限制性的直径例如为0.3mm、0.4mm、0.5mm；该凹槽的深度为0.1～0.5mm，其典型但非限制性的深度例如为0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm；该凹槽设有r为0.1～0.5mm的倒角，其典型但非限制性的r例如为0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm。
66.在本发明中，光纤定位辊上的多个凹槽可分别定位埋入光纤；光纤定位辊上可以
抬起或落下，光纤定位辊的位置可以按照实际需要进行调整；光纤定位辊和光纤定位板位置调整后，光纤光栅传感器可位于纤维增强塑料板正中心或设计位置。
67.在一种优选的实施方式中，本发明的光纤定位板的长度为5～50cm，其典型但非限制性的长度例如为5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm、35cm、40cm、45cm、50cm；本发明的光纤定位板的宽度为3～50cm，其典型但非限制性的宽度例如为3cm、5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm、35cm、40cm、45cm、50cm；本发明的光纤定位板的厚度为0.1～3mm，其典型但非限制性的厚度例如为0.1mm、0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm。
68.在本发明中，光纤定位板的位置可以按照实际需要进行调整。
69.在一种优选的实施方式中，本发明的光纤定位板的边缘设有导流槽；本发明的光纤定位板上设有至少2个半圆形限位器，该半圆形限位器的直径为0.5～5cm，其典型但非限制性的直径例如为0.5cm、1cm、1.5cm、2cm、2.5cm、3cm、3.5cm、4cm、4.5cm、5cm。
70.本发明通过光纤定位辊上设置多个凹槽数量和光纤定位板上设置多个半圆形限位器数量来埋入多根光纤。
71.一种含有光纤光栅纤维增强塑料板的典型的制备方法，如图1和图2所示，包括以下步骤：
72.s1：启动拉挤成型机器，在压辊14辅助和胶槽15浸胶下，碳纤维13拉挤成碳纤维增强塑料板12；
73.s2：对待埋入的光纤3的头端进行预处理，得到预处理后的光纤，定位片01使用铜制材料，长度为25cm，宽度为4cm，单层厚度为0.05mm，光纤取出线02使用铜制材料，长度为27cm，直径为0.3mm，定位片01表面抹脱模剂；
74.s3：从光纤卷装1中引出一段光纤3，约1.5m长度，用光纤夹持辊2夹持光纤3，并将光纤3穿过导纤器4到达集束板5；
75.s4：预处理后的光纤的头端8穿过集束板5到达光纤定位辊6；
76.s5：抬起光纤定位辊6使预处理后的光纤的头端8穿过光纤定位板7到达辅助压辊9；
77.s6：预处理后的光纤头端8到达辅助压辊9后压紧辅助压辊9；
78.s7：预处理后的光纤的头端8进入冷模10后松开辅助压辊9，压下光纤定位辊6，光纤3保持在中心凹槽中；
79.s8：预处理后的光纤的头端8出热模11后画线定位，量取所需板长后记录长度位置，约40m。
80.s9：取下耦合光纤光栅的纤维增强塑料板，取出光纤、熔接接头和封装固定，得到建筑加固用产品。
81.在本发明中，光纤预处理至少能够含有一根以上光纤，光纤上刻有一个以上光纤光栅传感器，包含一根以上光纤取出线，光纤取出线与光纤平行排列，二者平行排列于定位片之中，定位片之间采用胶粘剂粘接，定位片表面适当进行脱模处理；光纤引出至少需要一对光纤夹持辊，光纤夹持辊表面刻有凹槽，便于光纤容纳，采用机械或气动或电动方式加压；光纤定位位于纤维层数量的1/2处，至少能够定位一根光纤，光纤定位辊位于光纤定位板上的半圆形限位器之前，光纤埋入时，位于中间的凹槽之中。
82.在本发明中，通过控制一对光纤夹持辊来控制光纤张力，能够避免光纤退绕过程
中发生损坏的问题；通过处理光纤头端达到精确定位其在纤维增强塑料板中位置以便于取出头端、减少光纤损坏以及提高生产效率的目的；通过控制光纤在横向和纵向位置来控制光纤在纤维增强塑料板中位置；加热成型得到耦合光纤光栅传感器的纤维增强塑料板。
83.综上所述，本发明的制备方法能够稳定引出光纤，并施加一定张力，避免光纤光栅引出时因张力不均导致光纤缠绕损坏；光纤的头端在板材中的位置可方便且精确定位，避免了繁琐步骤；光纤的头端可高效地从板材中取出，避免取出光纤时因光纤定位不准确而导致光纤损坏；本发明的制备方法能够稳定地将光纤和光纤光栅传感器放置在增强塑料板的正中心或设计位置，能够有效避免生产过程中光纤裸露在板材表面的情况；本发明可通过设置光纤定位辊的凹槽数量和光纤定位板上的限位器数量来埋入多根光纤；本发明的制备方法能够实现拉挤工艺连续化，便于大批量生产含有光纤光栅纤维增强塑料板；本发明的制备方法采用一体化成型设计，有利于提高传感器的寿命和使用年限，避免对板材外观的破坏。
84.根据本发明的第二个方面，提供了一种含有光纤光栅纤维增强塑料板，是由上述任一项的制备方法制备得到的，具有监测精度高和使用寿命长的优势。
85.根据本发明的第三个方面，提供了一种上述的含有光纤光栅纤维增强塑料板在加固建筑和监测建筑力学性能及其外界温度中的应用，具有可操作性强、安全性高以及板材的使用寿命长的特点。
86.下面通过实施例对本发明作进一步说明。如无特别说明，实施例中的材料为根据现有方法制备而得，或直接从市场上购得。
87.实施例1
88.一种含有光纤光栅纤维增强塑料板的制备方法，见图1、图2、图3以及图4，包括以下步骤：
89.本实施例采用埋入一体成型设计纤维增强塑料板，包括纤维浸胶、光纤预处理、光纤引出、光纤定位以及加热成型，具体包括：
90.步骤1：启动拉挤成型机器，在压辊14辅助和胶槽15浸胶下，碳纤维13拉挤碳纤维增强塑料板12；
91.步骤2：对待埋入光纤3的头端进行预处理，得到预处理后的光纤的头端8，见图1和图2，定位片01采用铜制材料，长度为25cm，宽度为4cm，单层厚度为0.05mm，光纤取出线02使用铜制材料，长度为27cm，直径为0.3mm，定位片01的表面抹脱模剂；
92.步骤3：从光纤卷装1中引出一段光纤(见图3)，约1.5m长度，用光纤夹持辊2夹持光纤3，并将光纤3穿过导纤器4，见图1；
93.步骤4：预处理后的光纤的头端8穿过集束板5到达光纤定位辊6，见图1；
94.步骤5：抬起光纤定位辊6使预处理后的光纤的头端8穿过光纤定位板7(光纤定位辊6和光纤定位板7的位置关系见图4，光纤定位辊上设有多个定位凹槽06，光纤定位板的边缘设有导流槽16，光纤定位板上设有多个限位器07)，到达辅助压辊9，见图1；
95.步骤6：预处理后的光纤的头端8到达辅助压辊9后压紧辅助压辊9；
96.步骤7：预处理后的光纤的头端8进入冷模10后松开辅助压辊9，压下光纤定位辊6，光纤3保持在中心凹槽中，见图1；
97.步骤8：预处理光纤的头端8出热模11后画线定位，量取所需板长后记录长度位置，
约40m；
98.步骤9：取下耦合光纤光栅的纤维增强塑料板，取出光纤、熔接接头和封装固定，得到建筑加固用产品。
99.其中，光纤上刻有光纤光栅传感器，光纤引出线与光纤平行排列，二者平行排列与定位片之中，定位片之间采用胶粘剂粘接，定位片表面适当进行脱模处理；引出光纤时至少需要一对光纤夹持辊，通过控制光纤夹持辊控制光纤张力，避免光纤退绕过程中发生损坏，光纤夹持辊的表面刻有凹槽以容纳光纤，采用机械或气动或电动方式加压；在位于纤维层数量的1/2处进行光纤定位，光纤定位辊位于光纤定位板上的圆形限位器之前，光纤埋入时位于光纤定位辊的凹槽之中；加热成型得到耦合光纤光栅传感器的增强塑料板，见图5和图6，光纤3，纤维增强塑料板30，光纤光栅传感器33。
100.对比例1
101.cn105423938a中采用刻槽法将光纤光栅埋入。
102.cn105423938a中采用刻槽法将光纤光栅埋入，但却容易损伤板材的自身性能，减少使用寿命；而本发明的制备方法能够较为方便地将部分光纤从板材中取出用以熔接，而且还能够使光纤光栅稳定地保持在板材中心或者预先设计的位置，同时保证实际应用时的连续化生产的可操作性、安全性以及板材的使用寿命。
103.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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各实施例技术方案的范围。