耐油液腐蚀动态吸-脱水高分子复合敏感材料及制备方法
技术领域
本发明涉及一种耐油液腐蚀动态吸-脱水高分子复合敏感材料及制备方法，以及该材料在油液中水分含量测定中的应用，属于有机合成领域和水分传感技术领域。
背景技术
在现代社会，以润滑油、液压油、变压器油为代表的各种油液在现代化工农业生产、汽车、船舶、航空交通运输、电力系统等各类行业中都有着广泛的应用。各类油液在其生产、制造、储存运输及实际应用过程中，环境因素对其性能将起到一定的影响，特别是环境中的水分。微量水分会通过各种途径混入油液中，引起油液的物理化学性质发生变化，并影响其功能的正常发挥。例如，电力系统变压器油中水分质量分数每增长 1 倍，油液的绝缘寿命将会减半。当变压器油中微水含量超过一定阈值，甚至可以导致绝缘击穿、烧毁设备等重大事故[刘玉仙． 油纸绝缘变压器中水分的聚积及其对热老化寿命的影响［J］，变压器，2004( 2): 8-12．]。润滑油中的水分超出 0. 1% 时,可能使得油液中的添加剂遇水会分解或沉淀析出，失去作用，导致润滑油功能失效。同时，润滑油中的水分还可以使机械设备表面发生电化学反应,使设备锈蚀磨损损坏；生锈粒子的催化作用下反过来会加速润滑油在水分作用下的氧化过程，使润滑油变性，失去应有的功效 [柴世文，徐永明，韩晓明，梁军战，基于水活度的润滑油微水在线检测方法研究［J］,机械研究与应用· 2017 年（1）:133-136,140］。液压系统故障75%以上是由于液压油污染引起，而水分侵蚀又是液压油的液体污染的主要形式。它使得使液压油液乳化，改变油液的黏度和使用性能，而且会在高温时生成气泡，使系统产生气蚀，对元件的工作寿命造成影响[滕怀波，张洪朋，刘恩辰，曾 霖，陈海泉，薄 昭，船舶液压油水分含量检测新方法［J］，船 舶 工 程，2017（4）83-87]。
为此，需要对于油液中的水分含量进行快速，准确测定，以保证各类油品发挥功效，使得应用油液的各种设备安全稳定运行。目前，用于油品中水分含量检测的方法可分为离线检测和在线检测两类。其中离线检测主要有蒸馏法、卡尔-费休滴定法、称重法、红外光谱法等，这类方法采取的方式是“在线抽样，离线测量”，其准确度较高，方法成熟，且应用广泛，但是步骤繁琐，耗时较长，难以实时提供油品中水分含量信息，不能满足需求；在线检测主要有微波法、射线法、介电常数法等，它们的特点是测试速度快，可实时监控油品中水分含量，受到广泛关注。目前在线检测最常用而有效的手段之一是使用电容式湿度传感器。通过检测传感器在油品中的电容变化，可快速准确地确定其中的水分含量（即水活度）。
通过电容式湿度传感器检测油品中的水分含量，其原理是基于油中水活度的概念。油中水活度在数值上等于油品与其所处密闭小空间达到水分交换平衡时，环境的相对湿度值。利用湿度传感器可以测定平衡相对湿度，其原理是油品中微量水分吸附到电容型湿度传感器表面，会引起湿度传感器的介电常数变化，从而改变传感器的电容。由电容值可以得到油液的平衡相对湿度，即水活度。由此，将油液中的水分含量测定，转换为相对湿度测定，大大简化测试过程。而且该方法还具有几个明显优点：它能直观表示油品中水含量与饱和水含量之间的差距，从而精确反映油品中出现游离水的风险，而且它与被测油品性质无关，可以在不考虑化学成分或物理特性的情况下适用于各种油品。
通常测定相对湿度采用的是以聚酰亚胺为代表的电容型湿度传感器。但是用于油品中水活度检测的电容型传感器，由于油液为多种有机化合物混合物，其中还存在杂质、水分以及各种添加剂等，具有酸性等较强的腐蚀性，要在复杂的腐蚀性环境下，完成对于油液中微量水分的灵敏、准确和快速检测，这对于电容型水分传感器提出了极高的要求。
用于相对湿度检测的电容型湿度传感器通常都是采用聚酰亚胺等高分子为敏感材料。以共价键长链形成高分子材料一般具有良好的加工性，但是在光、氧、热、应力、酸碱介质等外界环境因素作用下，高分子容易发生降解或交联等涉及分子结构改变的化学老化，或发生蠕变、松弛等涉及分子构象及聚集态结构改变的物理老化，导致材料性能劣化或功能失效。
当高分子电容型水分传感器置于油品中，在高温下，吸收的能量大于或等于化学键的离解能时，高分子链就会发生热降解造成基团脱落和分子链断裂，从而使其化学组成结构破坏，性能变差；油品中水分存在，可能引起其存在微量酸性介质，酸将直接进攻高分子链上的杂原子或者缺陷处等发生共价键作用，甚至引起水解等，对于高分子材料起到化学腐蚀作用，导致高分子材料的化学组成发生变化，引起其性能改变；油品和其中所含的水分接触高分子敏感膜时，还可发生物理腐蚀作用，即油品与水分可以破坏高分子链之间的相互作用，取而代之的是高分子链与油品和水分介质之间的作用，这导致高分子链的次价键作用发生变化，使得高分子链的链段运动更加容易，起到自动增塑作用，导致其物理性能发生改变，敏感膜力学性能变差，膜开裂甚至出现多孔结构，其介电特性等也显著改变，导致传感器的性能变差。在实际使用环境中，这些因素同时作用，相互促进，还将产生协同效应，使得高分子材料的化学组成和结构，以及分子聚集态结构等改变的速率显著提高，加速老化。
因此，单一的聚酰亚胺材料难以满足油液腐蚀性环境中对于传感器材料的高稳定性和高灵敏度等要求。
一般的聚酰亚胺是难溶于有机溶剂的，将聚酰亚胺制成湿度传感器时，通常是先将前驱体聚酰氨酸旋涂或者浸涂在电极上再高温亚胺化。但大多数情况下，电极的基底材料不耐高温，且酰亚胺化过程中由于水分加热蒸发，在薄膜器件表面形成气孔，使电容型水分传感器失效的问题这就限制了聚酰亚胺的应用。可溶性聚酰亚胺可以解决制作电极中的问题，但是聚酰亚胺材料耐腐蚀性不佳，难以测定油液中水分的问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提出了一种耐油液腐蚀动态吸-脱水高分子复合敏感材料及制备方法，采用三元材料进行溶液共混和热处理，反应温度相对较低，条件温和，易于实现大规模批量化制备。该材料由聚酰亚胺，聚甲基丙烯酸缩水甘油酯和正硅酸四乙酯通过溶液复合和热处理制备而成，各组分之间形成交联互穿网络结构。其可以对于油液中水分进行快速动态脱附和吸附，而且可以通过与水分子作用引起复合物的电容变化，实现对于腐蚀性油液中水分快速灵敏检测，也可以用于空气湿度等检测。
一种用于制备耐油液腐蚀动态吸-脱水高分子复合敏感材料的聚酰亚胺的合成方法，
1）投料摩尔比，二胺：二酐=1:1，共聚二胺Ar2：Ar3=1：0-9；反应温度为室温至80摄氏度，反应10-100 h；
2）加入脱水剂，反应10-100 h；
反应方程式如下：
式中Ar1=含有氟基团、酮基或联苯结构的有机酸酐，Ar2、Ar3=含有羧基、羟基、氟基团或者咪唑基团的二胺结构。
所述的有机酸酐为芳香酐，所述的芳香酐为如下的一种或者二种，包括：3,3,4,4-二苯酮四羧酸二酐、4,4'-(六氟异丙烯)二酞酸酐、3，3'，4，4'-联苯四甲酸二酐；所述的二胺结构为芳香胺，所述的芳香胺为如下二胺中的一种或者二种，包括：3,5-二氨基苯甲酸，2-（3-氨基苯基）-5-氨基苯并咪唑，间苯二胺，4，4'-二氨基二苯甲烷，3，3'-二甲基-4，4'-二氨基二苯甲烷，2,2-双（3-氨基-4-羟基苯基）六氟丙烷。
所述的脱水剂为三乙胺、苯甲酸、3-甲基吡啶、乙酸酐、异喹啉中的一种或者二种。
一种根据上述任一种合成方法得到的聚酰亚胺。
一种耐油液腐蚀动态吸-脱水高分子复合敏感材料的制备方法，步骤如下：
第一步反应，将聚甲基丙烯酸缩水甘油酯、根据所述的聚酰亚胺，溶解于有机溶剂，搅拌混合1-10 h，然后加入正硅酸四乙酯，在搅拌下在室温至80摄氏度下，反应1-48 h；第二步反应，升高温度至100-200摄氏度，反应1-24 h，制得耐油液腐蚀动态吸-脱水高分子复合敏感材料。
所述的聚酰亚胺的浓度为10 mg~400 mg/mL；聚酰亚胺与聚甲基丙烯酸缩水甘油酯的重量比为1:0.02~1:1；聚酰亚胺与正硅酸四乙酯的重量比为1:0.2~1:1.5；所用的有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺，N,N-二甲基乙酰胺，N-甲基吡咯烷酮，二甲基亚砜中的一种或者几种的混合物。
所述的制备方法，第一步反应得到的混合溶液，通过旋涂、浸涂、浇铸或者静电纺丝方式，制备成薄膜、纤维或者块状固体形态，然后再进行第二步反应。
所述的制备方法，制备的复合敏感材料中正硅酸四乙酯转化形成二氧化硅粒子。
所述的制备方法，制备的复合敏感材料中聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸缩水甘油酯和二氧化硅粒子各组分之间形成交联互穿网络结构。
一种根据所述的制备方法得到的耐油液腐蚀动态吸-脱水高分子复合敏感材料，其特征在于，具有动态吸-脱水特性，作为电容型湿度传感器感湿材料，用于环境的湿度检测，包括腐蚀性油液环境中油液水分含量检测、空气湿度检测。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种耐油液腐蚀动态吸-脱水高分子复合敏感材料及制备方法，该材料由聚酰亚胺，聚甲基丙烯酸缩水甘油酯和正硅酸四乙酯通过溶液复合和热处理制备而成。该复合敏感材料各组分之间通过化学键合形成交联互穿网络结构，形成大量的化学作用交联点，极大增强了分子间作用力，阻碍油液组分扩散进入高分子链，使得复合材料具有良好的热稳定性和耐溶剂稳定性；交联结构的形成还可以提高化学键能量，提高高分子复合物的耐化学腐蚀性、耐溶剂和水分的物理腐蚀性，增强抗化学老化和物理老化能力。复合材料中的聚酰亚胺玻璃化温度通常在300°C以上，其耐高温达400℃以上，长期使用温度范围-200～300℃,其耐热性良好。聚酰亚胺的介电常数在3左右，水分子吸附其上，介电常数发生变化，可作为制备电容型湿度传感器的感湿材料。其可以对于油液中水分进行快速动态脱附和吸附，而且可以通过与水分子作用引起复合物的电容变化，实现对于油液中水分快速灵敏检测。
本发明制备的聚酰亚胺采用两步法化学合成，具有可溶性，可以方便地通过溶液方法制备水分检测的传感器，而无需采用常规的高温酰亚胺化过程，也避免了酰亚胺化过程中由于水分加热蒸发，在薄膜器件表面形成气孔，使电容型水分传感器失效的问题。而且，其可以通过端基或者主链苯环上活性官能团，与聚甲基丙烯酸缩水甘油酯和正硅酸四乙酯作用，形成化学交联网络结构，提高耐油液腐蚀稳定性，解决常规聚酰亚胺材料耐腐蚀性不佳，难以测定油液中水分的问题。
本发明制备的复合材料中的聚甲基丙烯酸缩水甘油酯具有环氧基团，反应活性高，可在相对较低温度下与聚酰亚胺以及溶胶化正硅酸四乙酯等的活性基团相互作用，形成交联网状结构，提高耐油液腐蚀性。
本发明提供的复合材料中正硅酸四乙酯可以发生溶胶化反应，带有大量羟基活性官能团，一方面易于通过官能团反应形成交联网络结构，提高稳定性，一方面亲水性羟基有利于水分子吸附作用，可以提高响应灵敏度。而热处理后形成的二氧化硅纳米粒子，具有大的比表面积，可以加速油液中水分子的动态脱附和吸附过程，实现对于油液中水分的快速检测。
本发明提出的复合材料制备方法，采用三元材料进行溶液共混和热处理，反应温度相对较低，条件温和，易于实现大规模批量化制备。
附图说明
图1为本发明实施例1所得到的聚酰亚胺的红外光谱图。
图2为本发明实施例1所得到的聚酰亚胺的核磁谱图。
图3为本发明实施例8所得到的耐油液腐蚀动态吸-脱水高分子复合敏感材料的制备示意图。
图4为本发明实施例8所得的耐油液腐蚀动态吸-脱水高分子复合敏感材料在变压器油浸泡前后的电容响应。
图5为本发明实施例8所得的耐油液腐蚀动态吸-脱水高分子复合敏感材料在润滑油浸泡前后的电容响应。
图6为本发明实施例8所得的耐油液腐蚀动态吸-脱水高分子复合敏感材料在液压油浸泡前后的电容响应。
图7为本发明实施例8所得的耐油液腐蚀动态吸-脱水高分子复合敏感材料在高低水活度环境下切换的响应时间图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步阐述。
耐油液腐蚀动态吸-脱水高分子复合敏感材料中聚酰亚胺的合成
实施例1
①第一步，投料摩尔比，4，4'-(六氟异丙烯)二酞酸酐：3，5’-二氨基苯甲酸：间苯二胺=2：1：1，将芳香胺和芳香酐溶于N-甲基吡咯烷酮，进行机械搅拌，室温反应，反应时间为24h，（其中芳香酐为4，4'-(六氟异丙烯)二酞酸酐，共聚二胺摩尔比：3，5’-二氨基苯甲酸：间苯二胺=1:1）；
②第二步，加入脱水剂，乙酸酐和3-甲基吡啶，反应时间为24 h，在甲醇中沉淀出来，80摄氏度真空干燥，得到灰紫色絮状产物；
③由步骤②得到的聚酰亚胺其结构式如下：
图1为实施例1所得到的聚酰亚胺的红外光谱图；图2为本发明实施例1所得到的聚酰亚胺的核磁谱图。
实施例2
①实验步骤同实施例1，其中共聚二胺摩尔比，3，5’-二氨基苯甲酸：间苯二胺=1:0；第一步和第二步反应时间均为24 h；脱水剂为乙酸酐和3-甲基吡啶；反应温度为室温；
②由①得到灰紫色絮状产物；
③由步骤②得到的聚酰亚胺其结构式如下：
实施例3
①实验步骤同实施例1，其中共聚二胺摩尔比，间苯二胺：2-（3-氨基苯基）-5-氨基苯并咪唑=1：1；第一步和第二步反应时间均为24 h；脱水剂为乙酸酐和3-甲基吡啶；反应温度为室温；
②由①得到淡黄色絮状产物；
③由步骤②得到的聚酰亚胺其结构式如下：
实施例4
①实验步骤同实施例1，投料摩尔比， 4，4'-二氨基二苯甲烷：3，3'，4，4'-联苯四甲酸二酐=1：1；第一步和第二步的反应时间均为10 h；脱水剂为乙酸酐和三乙胺；反应温度40摄氏度；
②由步骤①得到黄色絮状产物，得到的聚酰亚胺结构式如下：
实施例5
①实验步骤同实施例1，投料摩尔比，3，3'-二甲基-4，4'-二氨基二苯甲烷：3，3'，4，4'-联苯四甲酸二酐=1：1；第一步和第二步的反应时间均为100 h；脱水剂为苯甲酸；反应温度80摄氏度；
②由步骤①得到淡黄色粉状产物，得到的聚酰亚胺结构式如下：
实施例6
①实验步骤同实施例1，投料摩尔比，4，4'-二氨基二苯甲烷：3，5’-二氨基苯甲酸：3，3'，4，4'-联苯四甲酸二酐=10：1：9（其中共聚二胺比，3，5’-二氨基苯甲酸：3，3'，4，4'-联苯四甲酸二酐=1：9）；第一步和第二步的反应时间分别为均为48 h和96 h；脱水剂为异喹啉；反应温度为室温；
②由步骤①得到淡紫色粉状产物，得到的聚酰亚胺结构式如下：
实施例7
①实验步骤同实施例1，投料摩尔比，3,3,4,4-二苯酮四羧酸二酐：2,2-双（3-氨基-4-羟基苯基）六氟丙烷=1：1；第一步和第二步的反应时间分别为均为96 h和48 h；脱水剂为乙酸酐和三乙胺；反应温度为室温；
②由步骤①得到白色絮状状产物，得到的聚酰亚胺结构式如下：
耐油液腐蚀动态吸-脱水高分子复合敏感材料的制备
实施例8
①将由实施例1得到的聚酰亚胺溶解于N,N-二甲基乙酰胺，配置成10 mg/ml的溶液，加入聚酰亚胺重量比0.02倍的聚甲基丙烯酸缩水甘油酯，搅拌混合2 h，然后加入聚酰亚胺重量比0.2倍的正硅酸四乙酯，在室温下搅拌，反应24 h；
②取步骤①溶液旋涂负载到叉指电极上，旋涂之后将电极放于烘箱中，升温至160摄氏度维持0.5 h，得到耐油液腐蚀动态吸-脱水高分子复合敏感材料。
图3为实施例8所得到的耐油液腐蚀动态吸-脱水高分子复合敏感材料的制备示意图。
图4为实施例8所得的耐油液腐蚀动态吸-脱水高分子复合敏感材料在变压器油浸泡前后的电容响应。
图5为实施例8所得的耐油液腐蚀动态吸-脱水高分子复合敏感材料在润滑油浸泡前后的电容响应。
图6为实施例8所得的耐油液腐蚀动态吸-脱水高分子复合敏感材料在液压油浸泡前后的电容响应。
图7为实施例8所得的耐油液腐蚀动态吸-脱水高分子复合敏感材料在高低水活度环境下切换的响应时间图。由图中可知，材料在0.97的高水活度环境和0.14的低水活度环境之间相互切换时，电容响应可以迅速达到平衡，体现出快速动态吸-脱水特性。
①将由实施例2得到的聚酰亚胺溶解于N,N-二甲基乙酰胺，配置成20mg/ml的溶液，加入聚酰亚胺重量比0.1倍的聚甲基丙烯酸缩水甘油酯，搅拌混合1 h，然后加入聚酰亚胺重量比0.8倍的正硅酸四乙酯，在室温下搅拌，反应24 h；
②取步骤①溶液旋涂负载到叉指电极上，旋涂之后将电极放于烘箱中，升温至100摄氏度维持0.5 h，得到耐油液腐蚀动态吸-脱水高分子复合敏感材料。
①将由实施例3得到的聚酰亚胺溶解于N,N-二甲基乙酰胺，配置成100 mg/ml的溶液，加入聚酰亚胺重量比1倍的聚甲基丙烯酸缩水甘油酯，搅拌混合24 h，然后加入聚酰亚胺重量比1.5倍的正硅酸四乙酯，在室温下搅拌，反应24 h；
②取步骤①溶液旋涂负载到叉指电极上，旋涂之后将电极放于烘箱中，升温至160摄氏度维持0.5 h，得到耐油液腐蚀动态吸-脱水高分子复合敏感材料。
①将由实施例4得到的聚酰亚胺溶解于N,N-二甲基甲酰胺，配置成200 mg/ml的溶液，加入聚酰亚胺重量比0.2倍的聚甲基丙烯酸缩水甘油酯，在40摄氏度下搅拌混合48 h，然后加入聚酰亚胺重量比1.5倍的正硅酸四乙酯，继续在40摄氏度下搅拌，反应12 h。
②取步骤①溶液作为静电纺丝液，在纺丝电压为10 kV电压，流速为1 mL/h，接收距离10 cm的条件下，将该复合物以纳米纤维的形式沉积到叉指电极上，沉积时间为5 min。将沉积有电纺纤维的叉指电极放于烘箱中，升温至120摄氏度维持8 h。
①将由实施例5得到的聚酰亚胺溶解于N-甲基吡咯烷酮，配置成300 mg/ml的溶液，加入聚酰亚胺重量比1倍的聚甲基丙烯酸缩水甘油酯，在80摄氏度下搅拌混合48 h，然后加入聚酰亚胺重量比1倍的正硅酸四乙酯，继续在80摄氏度下搅拌，反应12 h。
②将叉指电极浸没①溶液中保持1 min后取出，转移至烘箱中160摄氏度维持12h。
①将由实施例6得到的聚酰亚胺溶解于N,N-二甲基乙酰胺，配置成400 mg/ml的溶液，加入聚酰亚胺重量比1倍的聚甲基丙烯酸缩水甘油酯，室温搅拌混合48 h，然后加入聚酰亚胺重量比1.5倍的正硅酸四乙酯，在室温下搅拌，反应12 h。
②取步骤①溶液浇筑到聚四氟乙烯上，110摄氏度真空加热干燥24 h后，升温至200摄氏度维持24 h。将浇筑得到的交联复合膜从聚酰亚胺膜上剥离下来，在交联复合膜两侧蒸镀导电层制备三明治结构复合电极。
①将由实施例7得到的聚酰亚胺溶解于二甲基亚砜，配置成400 mg/ml的溶液，加入聚酰亚胺重量比0.5倍的聚甲基丙烯酸缩水甘油酯，室温搅拌混合48 h，然后加入聚酰亚胺重量比1.2倍的正硅酸四乙酯，在室温下搅拌，反应12 h。
②取步骤①溶液旋涂负载到叉指电极上，旋涂之后将电极放于烘箱中，升温至160摄氏度维持12 h。
上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。
