CN101323507B - 多功能型砂浆混凝土用合成纤维及其制备方法 - Google Patents

多功能型砂浆混凝土用合成纤维及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种多功能型砂浆混凝土用合成纤维及其制备方法。所述合成纤维由如下物质制备而成：0.1％～10.0％的经表面处理的界面改性剂、0.1％～5.0％的润湿剂、85.0％～99.0％的聚合物。其制备方法是先将聚合物原料投入混合机中，再加入润湿剂，搅拌均匀后加入界面改性剂，混合均匀后制备成母粒；然后再将母粒与纺丝用聚合物进行混合，纺出纤维。本发明制备的合成纤维表面具有一定的亲水性，在混凝土中良好的分散性；经过表面处理的界面改性剂能赋予纤维表面物理粗糙度，增强纤维-基材之间的粘结力；界面改性剂亦能参与水化反应，从而改善纤维-基材之间的界面性能。因此本发明制备的合成纤维能够减少或抑制砂浆混凝土早期的塑性开裂，改善纤维-基材的界面性能，并提高砂浆混凝土的抗冲击性能。

Description

多功能型砂浆混凝土用合成纤维及其制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种改性合成纤维，具体地讲，本发明设计的是一种用于改善混凝土抗开裂性能、改善合成纤维与基材界面性能、提高合成纤维增强砂浆或混凝土的多功能型混凝土用合成纤维，以及该纤维的制造方法。
背景技术
砂浆及混凝土均是应用非常广泛的建筑材料，目前正向高性能、功能化、高耐久性方向发展。为了满足这些要求，新型的砂浆混凝土外加剂也不断发展，它对改善砂浆混凝土的性能、提高工程质量起到了非常重要的作用。而合成纤维作为砂浆混凝土中的次要加强筋也日益得到重视和发展。
合成纤维在砂浆混凝土中已经得到了广泛的使用，它的主要功能是防止砂浆混凝土早期的塑性开裂，提高砂浆混凝土的密实性与抗渗透能力。由于裂缝的减少或消除，保持了砂浆混凝土结构的整体性，改善了其耐久性，从而减少了结构修补与维护成本，达到了节材节能的目的。除此之外，合成纤维的使用无需改变砂浆混凝土的配合比与施工条件，应用方便。目前得到应用的合成纤维主要有聚乙烯纤维(乙纶)、聚丙烯纤维(丙纶)、聚丙烯腈(腈纶)、聚乙烯醇(维尼纶)、聚酰胺纤维(尼龙)、聚酯纤维(涤纶)及上述聚合物复合纤维等。
合成纤维在砂浆混凝土中的使用拓宽了纤维的应用领域。在纺织行业适用的纤维并不具备在砂浆混凝土中应用的性能，为了发挥合成纤维在混凝土中的相应作用，要求其除了具备合适的力学性能外，还必须在砂浆混凝土中具有良好的分散性，这样才能使之发挥阻裂作用；纤维与混凝土的界面粘结强度也是影响纤维在混凝土中使用效果的主要因素之一。在纤维混凝土承受拉力时，荷载由混凝土通过纤维-混凝土界面传递给纤维，如果界面没有粘结，纤维容易产生滑移无法产生增强作用；界面粘结不充分，则可能发生界面粘结破坏，纤维也无法充分发挥其增强作用。只有在界面粘结充分的情况下，纤维才能充分发挥增强作用。针对以上情况，提高合成纤维在砂浆混凝土中的分散性，改善纤维-混凝土基材之间的弱界面状态，成为研究开发的重点与热点之一。
目前，有如下已知的改善合成纤维在混凝土中的分散性并改善纤维-基材界面性能的技术：
以聚丙烯纤维为例，它是疏水性高分子材料，为了提高其在砂浆混凝土中的分散性，需要通过改性使之具有一定的亲水性。
CN1407148报道了用“与水泥具有粘结性并具有熔融可纺性的高聚物”与聚丙烯共混纺丝，并采
用烷基磷酸乙醇铵对纤维进行表面处理，从而提高了纤维的分散性和与水泥之间的亲和性。此种方法使用的聚酯型高聚物树脂与聚丙烯树脂存在不相容性，且在混凝土碱性环境下会发后水解，从而恶化复合纤维的性能，影响砂浆混凝土长期耐久性。
CN1743292发明了一种纤维分散液，其包括纤维、水、分散剂、消泡剂和防霉杀菌剂等组分。这种分散液由于含大量的水，使用时需要调整混凝土的配合比，储运不便。
CN1743551公开的纤维为圆柱形，表面涂有有机硅、有机硅氧烷及分散剂、烷基磷酸乙酰胺或表面采用辐射接枝聚丙烯酸的化学方法处理。此专利提及的改性方法使纺丝工艺复杂化，且辐射接枝的化学方法成本较高，不利于工业化连续生产。
CN1273951、JP7267709、JP1192753分别披露了三叶形或圆弧形截面、矩形截面和膜裂纤维，有利于纤维在砂浆及混凝土中的搅拌分散性。
JP7291690则使用了7～15％的水溶性纤维与聚丙烯纤维共混，同时使用了粒径小于1微米的碳酸钙粉体，从而使纤维具有良好的亲水性。水溶性纤维的存在影响聚丙烯纤维性质的稳定性，碳酸钙粉体不但在熔融纺丝时易于凝聚，堵塞过滤网或喷丝孔缩短滤网与纺丝组件的更换周期，影响工业上稳定连续化生产，而且会使纤维的力学性能下降。
JP6248506使用了烷基磷酸酯与粒径小于1微米的碳酸钙粉体来改善分散性；JP7052127则使用了烷基磷酸酯与W/O型乳化剂处理聚丙烯纤维表面；EP0225036向聚丙烯纤维中添加抗静电剂，并制备表面刻痕或异形截面的纤维；JP6219797使用了碱金属盐及碱金属磷酸盐处理聚丙烯纤维表面，改善了纤维的分散性来提高纤维在混凝土中的分散性。
US2006078729对聚丙烯纤维表面进行氧化或氟化，其表面的润湿指数达38dyn/cm甚至更高。良好的亲水性使纤维混凝土的弯曲韧性、弯曲强度及冲击强度都得到显著提高。其缺点是强氧化剂对环境有一定的污染。
US006569526制备出异形截面的粗单丝聚合物纤维，其分散性得到很好的改善，主要用来提高纤维混凝土的抗冲击性能。
改善纤维与基材界面的已知技术有如下专利：
CN1234013采用某些二醇醚和甘油醚涂布纤维材料，提高了混凝土与纤维的粘合。
CN1152054通过添加β晶型成核剂制备出Y型截面的多孔隙纤维，Y形截面增加了纤维与混凝土间的接触面积，从而提高两者之间的粘着力，而纤维的多孔隙则增加了纤维表面的粗糙度，进一步提高混凝土与纤维之间的粘着力。此改性方法存在的缺点有：成核剂的存在使纤维在拉伸过程中晶型发生转变，引起纤维体积收缩，故拉伸后纤维中留下孔隙，但孔隙的大小及分布无法控制，造成纤维性能的不均一性；另一方面，由于纤维为Y形截面，难以保持较好的力学性能，其弹性模量偏低。
CN1273952所述聚合物纤维经涂层改性、高能射线辐照改性和偶联剂改性处理后，在混凝土、砂浆中的分散性和与混凝土、砂浆的相互握裹力均有十分明显的提高。但此改性方法同样存在工艺复杂、生产效率不高等不足之处。
WO2004031095通过聚烯烃类树脂与用乙烯醋酸乙烯酯及乙烯基聚合物接枝的聚合物共混来制备纤维，此纤维具有良好的亲水性，并表现出与水泥基材优异的界面粘结性能。
US5786080通过化学方法在纤维表面沉积钙矾石，纤维表面这种亲水性的稳定沉积物，能提高纤维与基材之间的物理作用力。而US5705233则是通过等离子体来处理纤维表面，以此来改善纤维-基材之间的界面。
US4710540采用γ-氨丙基三乙氧基硅烷、马来酸酐接枝的聚丙烯与聚烯烃共混，制备出的纤维与混凝土具有良好粘结性能。
从以上已知的对合成纤维的改性方法可以看出，现有技术的研究均集中在提高纤维分散性与改善纤维-基材之间的界面性能方面，主要通过使用表面活性剂涂覆、化学氧化或接枝、高能辐射及添加碳酸钙粉体等方法来使纤维具有一定的亲水性、表面适度粗糙，从而使纤维具有较好的分散性及界面粘结性能，但是改性方法中的一些缺点，影响了生产效率与工业化生产。
发明内容
本发明要解决的技术问题就是上述现有技术所存在的那些缺点，提出了一种生产工艺相对简单，纤维的分散性良好，同时极大地提高了合成纤维与基材的界面粘结性能，而且可适度利用硅灰、粉煤灰等工业废渣，达到了节能节材的目的的多功能型砂浆混凝土用合成纤维及其制备方法。
申请人通过研究发现，把适量的纳米二氧化硅、硅灰与粉煤灰等粉体作为界面改性剂纺入纤维，具有以下优点：
1、界面改性剂粉体纺入纤维之后，均匀地分布在纤维的表面，能赋予纤维表面一定的亲水性，保证纤维在混凝土中良好的分散性(参见附件中图一)；
2、纤维表面的粉体能赋予纤维表面物理粗糙度(参见附件中图二)，从而使纤维与基材之间存在一定的物理作用力，增强纤维-基材之间的粘结力；
3、纤维表面的粉体能参与水化反应，从而改善纤维-基材之间的界面性能(参见附件中图三)；
4、纳米二氧化硅、硅灰与粉煤灰等粉体是良好的高分子材料阻燃剂，纺入纤维后能提高纤维的阻燃效果，改善纤维混凝土在高温条件下的性能，提高纤维混凝土的防火抗爆裂性能。从以上分析可以看出，通过把适量的纳米二氧化硅、硅灰与粉煤灰等粉体纺入纤维，可实现砂浆混凝土用合成纤维的多功能化。
申请人经过研究还发现，纳米二氧化硅、硅灰与粉煤灰等粉体的粒径小易团聚，堆积密度小，在与聚合物共混制备母粒时，两者之间的粘附性能差，因此需先用润湿剂对聚合物进行湿润，再加入纳米二氧化硅、硅灰与粉煤灰等粉体进行高速混合，这样既可顺利实现纳米二氧化硅、硅灰与粉煤灰等粉体在聚合物中的均匀分散，同时也保证了界面改性剂在纤维产品表面的稳定性。
基于上述研究，本发明所述的多功能型砂浆混凝土用合成纤维由下列组分按重量比制备而成：
0.1％～10.0％的经表面处理的界面改性剂、0.1％～5.0％的润湿剂和85.0％～99.0％的聚合物。
本发明所采用的经表面处理的界面改性剂为能在砂浆或混凝土中参与水化反应的微细粉体材料，选自二氧化硅、硅灰或粉煤灰中的任意一种或一种以上任意比例的混合物。上述可作为界面改性剂使用的物质的粒径应小于1微米，熔点应在320℃以上，且化学性质稳定，以满足聚合物共混及纺丝所需要的温度。
本发明之所以要采用经表面处理的改性剂，是为了防止界面改性剂团聚。特别是纳米二氧化硅，其表面多硅醇键，表面积大，易团聚，通过采用改性剂对其进行表面处理，可以实现表面双亲状态，亲油性可使之与聚合物有良好的结合性，亲水性可使最终纤维表面具有亲水性，同时在砂浆混凝土中能参与水化反应。
本发明采用硅烷偶联剂对改性剂进行表面处理，以纳米二氧化硅为例，其具体改性方法是：用去离子水将纳米二氧化硅配置成质量浓度为5％的悬浮液，在乳化机中以5000r/min的转速，分散30min，转移到反应釜中，搅拌并升温，当温度达到70℃时，一次加入配制好的充分水解的质量浓度为15％硅烷偶联剂水溶液，且保证硅烷偶联剂的用量为纳米二氧化硅的1％，恒温反应1.0-3.5小时；将悬浮液过滤、低温烘干备用。当采用硅灰或粉煤灰或硅灰与粉煤灰的混合物或二氧化硅与硅灰和/或粉煤灰的混合物作为界面改性剂时，改性方法和上述单用二氧化硅时的改性方法相同。上述方法为常规的公知方法。
上述改性用的硅烷偶联剂选自γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)、γ-(2、3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷(KH560)、γ-甲基丙烯酸丙酯基三甲氧基硅烷(KH570)中的任意一种，优选γ-甲基丙烯酸丙酯基三甲氧基硅烷(KH570)。
本发明所采用的润湿剂为液体石蜡，其密度(25℃)：0.80～0.95g/cm3，运动粘度(25℃)：4.00～120.00mm2/s，开口闪点不低于170℃。
本发明所采用的聚合物为常见的可以进行熔融纺丝的聚合物，包括聚乙烯(低密度聚乙烯、高密度聚乙烯)，聚丙烯，聚酯(聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丙二醇酯)，聚酰胺(尼龙6、尼龙66)，可以单一选用上述聚合物中的一种，也可以选用一类聚合物中两种聚合物以任意比例混合而成的聚合物，还可以选用上述某一类聚合物的一种与另一类聚合物的一种两两组合以任意比例共混而成的聚合物。
本发明所述多功能型砂浆混凝土用合成纤维采用如下方法制备：
先将聚合物原料投入高速混合机中，再加入润湿剂，搅拌均匀后加入经表面处理的界面改性剂，混合均匀后用挤出机制备成母粒；然后再将含界面改性剂的聚合物母粒与纺丝用聚合物进行混合，按常规纺丝工艺纺出纤维。
制备母粒时所用的聚合物与纺丝用聚合物可以相同，也可以不同，两者的总用量为最终成品的85.0％～99.0％。
在制备过程中，将润湿剂加入高速混合机后，先搅拌10～100秒，停留5-30秒后再搅拌，反复3～10次，使润湿剂均匀润湿聚合物表面。
将表面处理过的纳米二氧化硅加入高速混合机后，搅拌混合3～60min后出料，在双螺杆挤出机中挤出造粒，作为纺丝母粒备用。
当采用硅灰或粉煤灰或硅灰与粉煤灰的混合物或二氧化硅与硅灰或粉煤灰的混合物作为界面改性剂时，其工艺条件与上述制备过程中的相同。
当选用硅灰与粉煤灰深颜色物质作为界面改性剂时，纺丝时需要掺入适量的聚合物白色色母粒，此处所用的白色色母粒是添加了白色颜料(主要是钛白粉)的聚合物，一般有市售。此聚合物白色色母粒的基材与纺纤维用的聚合物要相同，其用量与制备界面改性剂母粒所用的聚合物、纺丝用聚合物的用量之和为最终成品的85.0％～99.0％，从而保证最终纤维产品为白色或浅色。
含有界面改性剂的母粒与纺丝原料进行纺丝前先分别放入真空转鼓干燥机内干燥，使所有的纺丝原料的含水率低于50ppm后再进行纺丝。当纺织过程中要使用到聚合物白色色母粒时，也要达到前述的干燥要求。干燥后的母粒与纺丝原料混合后按常规工艺进行纺丝，成品长度为6～50mm的聚合物短纤维，纤维的长度、纤度、力学性能可按实际需要来设定。
本发明制备的多功能型砂浆混凝土用合成纤维，具有以下特征：
1、本发明的聚合物纤维熔融纺丝工艺与传统方式无异，与其他纤维改性方法相比，不需要改造纺丝设备，具有工艺简洁、易于工业化生产等特点。
2、所用润湿剂与聚合物原料均为常见化工原料，来源广泛而稳定，当采用硅灰与粉煤灰等矿物掺和料时，还可以合理利用工业废渣，达到节能节材的效果。
3、本发明制备的多功能型聚合物纤维在砂浆混凝土中分散性良好，对新拌砂浆及混凝土的工作性无影响，有较好的坍落度保持能力。
4、在较低的体积掺率下，在不同的配合比条件下具有良好的抗塑性开裂效果。对硬化砂浆混凝土而言，能大幅度提高其抗冲击性能。这表明纤维与水泥基材具有良好的界面粘结力，纤维发挥了良好的增强增韧作用。
5、由于纳米二氧化硅、硅灰及粉煤灰可以作为高分子材料的阻燃剂，纺入纤维后能提高纤维的阻燃效果，改善纤维混凝土在高温条件下的性能，提高纤维混凝土的防火抗爆裂性能。
附图说明
图1为实施例1中所制备的纤维在砂浆中的良好分散情况示意图。
砂浆的配合比为水泥∶砂∶水＝1∶1.5∶0.5，纤维的掺量为0.6kg/m3，砂浆成型24小时后，取样，用普通数码相机拍摄而成。从图1可以看出纤维在砂浆中的分散非常均匀，表明本发明的多功能型砂浆混凝土用合成纤维具有良好的分散性。
图2为实施例1中所制备的纤维在普通光学显微镜下界面改性剂在纤维中分布的形态示意图。
图2中A、B两图的放大倍数分别为100倍、200倍。从A图中可以看出，每一根纤维上的表面都有微小粉体的均匀分布，而B图更直观地看到了粉体在纤维表面的分布。
图3是表面分布了界面改性剂的合成纤维在砂浆或混凝土基材中改善纤维-基材界面性能的作用的示意图。
具体实施方式
为了对比上述纤维的抗开裂效果与纤维混凝土的抗冲击性能，按常规方法制备了未改性的聚丙烯纤维。产品编号记为A。
纤维制备实例1
称取一定质量的纳米二氧化硅，用去离子水配置质量浓度为5％的悬浮液，在乳化机中以5000r/min的转速，分散30min，转移到反应釜中，搅拌并升温，当温度达到70℃时，一次加入配制好的充分水解的质量浓度为15％的γ-甲基丙烯酸丙酯基三甲氧基硅烷(KH570)水溶液，且保证KH570的用量为纳米二氧化硅的1％，恒温反应1.0小时；将悬浮液过滤、低温烘干备用。
将4.25kg聚丙烯树脂S700(扬子石化产)、0.25kg液体石蜡(南京新源化工有限公司产)在高速混合机中搅拌1.5min，混合均匀后，再加入已用KH570表面处理的纳米二氧化硅0.5kg，混合两分钟，转速为1000r/min，把高速混合机中的混合料加入螺杆挤出机料斗中，设置好螺杆挤出机的挤出工艺参数，母料丝条经水槽冷却后进行切粒。把含有改性剂的聚丙烯母粒在真空转鼓干燥机干燥4小时，温度为80℃，把干燥好的聚丙烯母粒与S700新料以1∶49的质量比混合均匀后，装入纺丝机的储料筒内，设定好纺丝机的各项参数，按常规聚丙烯短纤维纺丝流程进行生产。产品编号记为B。
纤维制备实例2
把纤维制备实例1中制备好的母粒与S700新料以1∶24的质量比混合均匀后，装入纺丝机的储料筒内，设定好纺丝机的各项参数，按常规聚丙烯短纤维纺丝流程进行生产。产品编号记为C。
纤维制备实例3
把纤维制备实例1中制备好的母粒与S700新料以1∶9的质量比混合均匀后，装入纺丝机的储料筒内，设定好纺丝机的各项参数，按常规聚丙烯短纤维纺丝流程进行生产。产品编号记为D。
纤维制备实例4
称取一定质量的硅灰，用去离子水配置质量浓度为5％的悬浮液，在乳化机中以5000r/min的转速，分散30min，转移到反应釜中，搅拌并升温，当温度达到70℃时，一次加入配制好的充分水解的质量浓度为15％的γ-甲基丙烯酸丙酯基三甲氧基硅烷(KH570)水溶液，且保证KH570的用量为硅灰的1％，恒温反应2.0小时；将悬浮液过滤、低温烘干备用。
将4.20kg聚丙烯树脂S700(扬子石化产)、0.30kg液体石蜡(南京新源化工有限公司产)在高速混合机中搅拌1.5min，混合均匀后，再加入已用KH570表面处理的硅灰0.5kg，混合两分钟，转速为1500r/min，在螺杆挤出机上挤出造粒。把含有改性剂的聚丙烯母粒在料斗式塑料干燥机中干燥4小时，温度为80℃，把干燥好的含有硅灰界面改性剂的聚丙烯母粒、市售的聚丙烯白色色母粒及S700新料以1∶2∶47的质量比混合均匀后，装入纺丝机的储料筒内，设定好纺丝机的各项参数，按常规聚丙烯短纤维纺丝流程进行生产。产品编号记为E。
纤维制备实例5
称取一定质量的纳米二氧化硅，用去离子水配置质量浓度为5％的悬浮液，在乳化机中以5000r/min的转速，分散30min，转移到反应釜中，搅拌并升温，当温度达到70℃时，一次加入配制好的充分水解的质量浓度为15％的γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)水溶液，且保证KH550的用量为纳米二氧化硅的1％，恒温反应1.0小时；将悬浮液过滤、低温烘干备用。
将19kg聚酰胺66(尼龙66)FYR26H(中国神马集团有限责任公司)、1.0kg液体石蜡在高速混合机中搅拌1.0min，混合均匀后，再加入已用KH550表面处理的纳米二氧化硅5kg，混合两分钟，转速为2000r/min。混合后在螺杆挤出机上挤出造粒。把含有纳米二氧化硅界面改性剂尼龙66母粒在干燥器中干燥10～12小时，温度为85±5℃。把干燥好的尼龙66母粒与新料以1∶99的质量比混合均匀后，装入纺丝机的储料筒内，按常规尼龙66短纤维纺丝流程进行生产。产品编号记为F。
纤维制备实例6
用纤维制备实例4同样的方法制备出KH570表面处理的硅灰，备用。
将17kg聚酰胺66(尼龙66)FYR26H(中国神马集团有限责任公司)、1.0kg液体石蜡在高速混合机中搅拌1.0min，混合均匀后，再加入已用KH570表面处理的硅灰2kg，混合3分钟，转速为2000r/min。混合后在螺杆挤出机上挤出造粒。把尼龙66母粒在干燥器中干燥10～12小时，温度为85±5℃。把干燥好的尼龙66母粒、尼龙66白色色母粒及尼龙新料以1∶2∶22的质量比混合均匀后，装入纺丝机的储料筒内，按常规尼龙66短纤维纺丝流程进行生产。产品编号记为G。
纤维制备实例7
称取一定质量的纳米二氧化硅，用去离子水配置质量浓度为5％的悬浮液，在乳化机中以5000r/min的转速，分散30min，转移到反应釜中，搅拌并升温，当温度达到70℃时，一次加入配制好的充分水解的质量浓度为15％的γ-(2、3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷(KH560)水溶液，且保证KH560的用量为纳米二氧化硅的1％，恒温反应1.5小时；将悬浮液过滤、低温烘干备用。
将3.25kg聚丙烯树脂S700(扬子石化产)、0.50kg的PET树脂IG701(中国石化仪征化纤股份有限公司)、0.25kg液体石蜡(南京新源化工有限公司产)在高速混合机中搅拌2.0min，混合均匀后，再加入已用KH560表面处理的纳米二氧化硅1.0kg，混合两分钟，转速为2000r/min。在螺杆挤出机上挤出造粒。把PP/PET共混母粒在干燥器中干燥24小时，温度为100℃，使含水量低于50ppm。
将90kg聚丙烯树脂S700(扬子石化产)、10kg的PET树脂IG701(中国石化仪征化纤股份有限公司)混合后在挤出机共混挤出造粒，干燥好后备用。
取干燥好的PP/PET共混母粒与未加纳米二氧化硅改性的共混母粒以1∶99的质量比混合均匀后，装入纺丝机的储料筒内，设定好纺丝机的各项参数，按常规PP/PET复合短纤维纺丝流程进行生产。产品编号记为H。
纤维制备实例8
称取一定质量的粉煤灰，用去离子水配置质量浓度为5％的悬浮液，在乳化机中以5000r/min的转速，分散30min，转移到反应釜中，搅拌并升温，当温度达到70℃时，一次加入配制好的充分水解的质量浓度为15％的γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)水溶液，且保证KH550的用量为粉煤灰的1％，恒温反应3.0小时；将悬浮液过滤、低温烘干备用。
将4.25kg聚丙烯树脂S700(扬子石化产)、0.25kg液体石蜡(南京新源化工有限公司产)在高速混合机中搅拌1.5min，混合均匀后，再加入0.5kg已用KH550表面处理的粉煤灰，混合两分钟，转速为1000r/min，把高速混合机中的混合料加入螺杆挤出机料斗中，设置好螺杆挤出机的挤出工艺参数，母料丝条经水槽冷却后进行切粒。把含有改性剂的聚丙烯母粒在真空转鼓干燥机干燥4小时，温度为80℃，把干燥好的含界面改性剂的聚丙烯母粒、聚丙烯白色色母粒与S700新料以1∶3∶46的质量比混合均匀后，装入纺丝机的储料筒内，设定好纺丝机的各项参数，按常规聚丙烯短纤维纺丝流程进行生产。产品编号记为I。
纤维制备实例9
称取相同质量的硅灰与粉煤灰，用去离子水配置质量浓度为5％的悬浮液，在乳化机中以5000r/min的转速，分散30min，转移到反应釜中，搅拌并升温，当温度达到70℃时，一次加入配制好的充分水解的质量浓度为15％的γ-甲基丙烯酸丙酯基三甲氧基硅烷(KH570)水溶液，且保证KH570的用量为硅灰与粉煤灰重量总和的1％，恒温反应2.0小时；将悬浮液过滤、低温烘干备用。
将4.25kg聚丙烯树脂S700(扬子石化产)、0.25kg液体石蜡(南京新源化工有限公司产)在高速混合机中搅拌1.5min，混合均匀后，再加入已用KH570表面处理的硅灰与粉煤灰各0.25kg混合两分钟，转速为1000r/min，把高速混合机中的混合料加入螺杆挤出机料斗中，设置好螺杆挤出机的挤出工艺参数，母料丝条经水槽冷却后进行切粒。把含有改性剂的聚丙烯母粒在真空转鼓干燥机干燥4小时，温度为80℃，把干燥好的含有界面改性剂的聚丙烯母粒、聚丙烯白色色母粒与S700新料以1∶1∶48的质量比混合均匀后，装入纺丝机的储料筒内，设定好纺丝机的各项参数，按常规聚丙烯短纤维纺丝流程进行生产。产品编号记为J。
纤维制备实例10
称取相同质量的纳米二氧化硅与粉煤灰，用去离子水配置质量浓度为5％的悬浮液，在乳化机中以5000r/min的转速，分散30min，转移到反应釜中，搅拌并升温，当温度达到70℃时，一次加入配制好的充分水解的质量浓度为15％的γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)水溶液，且保证KH550的用量为纳米二氧化硅与粉煤灰重量总和的1％，恒温反应2.0小时；将悬浮液过滤、低温烘干备用。
将4.25kg聚丙烯树脂S700(扬子石化产)、0.25kg液体石蜡(南京新源化工有限公司产)在高速混合机中搅拌1.5min，混合均匀后，再加入已用KH550表面处理的二氧化硅与粉煤灰各0.25kg混合两分钟，转速为1000r/min，把高速混合机中的混合料加入螺杆挤出机料斗中，设置好螺杆挤出机的挤出工艺参数，母料丝条经水槽冷却后进行切粒。把含有改性剂的聚丙烯母粒在真空转鼓干燥机干燥4小时，温度为80℃，把干燥好的含有界面改性剂的聚丙烯母粒、聚丙烯白色色母粒与S700新料以1∶1∶48的质量比混合均匀后，装入纺丝机的储料筒内，设定好纺丝机的各项参数，按常规聚丙烯短纤维纺丝流程进行生产。产品编号记为K。
纤维制备实例11
称取相同质量的二氧化硅与硅灰，用去离子水配置质量浓度为5％的悬浮液，在乳化机中以5000r/min的转速，分散30min，转移到反应釜中，搅拌并升温，当温度达到70℃时，一次加入配制好的充分水解的质量浓度为15％的γ-甲基丙烯酸丙酯基三甲氧基硅烷(KH570)水溶液，且保证KH570的用量为二氧化硅与硅灰重量总和的1％，恒温反应3.5小时；将悬浮液过滤、低温烘干备用。
将4.25kg聚丙烯树脂S700(扬子石化产)、0.25kg液体石蜡(南京新源化工有限公司产)在高速混合机中搅拌1.5min，混合均匀后，再加入已用KH570表面处理的二氧化硅与硅灰各0.25kg混合两分钟，转速为1000r/min，把高速混合机中的混合料加入螺杆挤出机料斗中，设置好螺杆挤出机的挤出工艺参数，母料丝条经水槽冷却后进行切粒。把含有改性剂的聚丙烯母粒在真空转鼓干燥机干燥4小时，温度为80℃，把干燥好的含有界面改性剂的聚丙烯母粒、聚丙烯白色色母粒与S700新料以1∶1∶48的质量比混合均匀后，装入纺丝机的储料筒内，设定好纺丝机的各项参数，按常规聚丙烯短纤维纺丝流程进行生产。产品编号记为L。
纤维制备实例12
称取二氧化硅∶硅灰∶粉煤灰质量比为的3∶1∶1称取一定量的界面改性剂，用去离子水配置质量浓度为5％的悬浮液，在乳化机中以5000r/min的转速，分散30min，转移到反应釜中，搅拌并升温，当温度达到70℃时，一次加入配制好的充分水解的质量浓度为15％的γ-(2、3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷(KH560)水溶液，且保证KH560的用量为界面改性剂重量总和的1％，恒温反应3.0小时；将悬浮液过滤、低温烘干备用。
将4.25kg聚丙烯树脂S700(扬子石化产)、0.25kg液体石蜡(南京新源化工有限公司产)在高速混合机中搅拌1.5min，混合均匀后，再加入已用KH560表面处理的二氧化硅、硅灰与粉煤灰分别为：0.30kg、0.10kg、0.10kg，混合两分钟，转速为1000r/min，把高速混合机中的混合料加入螺杆挤出机料斗中，设置好螺杆挤出机的挤出工艺参数，母料丝条经水槽冷却后进行切粒。把含有改性剂的聚丙烯母粒在真空转鼓干燥机干燥4小时，温度为80℃，把干燥好的含有界面改性剂的聚丙烯母粒、聚丙烯白色色母粒与S700新料以1∶1∶48的质量比混合均匀后，装入纺丝机的储料筒内，设定好纺丝机的各项参数，按常规聚丙烯短纤维纺丝流程进行生产。产品编号记为M。
纤维制备实例13
用纤维制备实例1中同样的方法制备出KH570表面处理的二氧化硅，备用。
将4.25kg PET树脂IG701(中国石化仪征化纤股份有限公司)、0.25kg液体石蜡(南京新源化工有限公司产)在高速混合机中搅拌1.5min，混合均匀后，再加入已用KH570表面处理的二氧化硅0.50kg混合两分钟，转速为1000r/min，把高速混合机中的混合料加入螺杆挤出机料斗中，设置好螺杆挤出机的挤出工艺参数，母料丝条经水槽冷却后进行切粒。把含有改性剂的聚酯母粒在真空转鼓干燥机干燥24小时，温度为80℃，把干燥好的含有界面改性剂的聚酯母粒与IG701新料以1∶49的质量比混合均匀后，装入纺丝机的储料筒内，设定好纺丝机的各项参数，按常规聚酯短纤维纺丝流程进行生产。产品编号记为N。
纤维制备实例14
用纤维制备实例5中同样的方法制备出KH550表面处理的二氧化硅，备用。
将4.25kgPET树脂IG701(中国石化仪征化纤股份有限公司)、0.25kg液体石蜡(南京新源化工有限公司产)在高速混合机中搅拌1.5min，混合均匀后，再加入已用KH550表面处理的二氧化硅0.50kg混合两分钟，转速为2000r/min，把高速混合机中的混合料加入螺杆挤出机料斗中，设置好螺杆挤出机的挤出工艺参数，母料丝条经水槽冷却后进行切粒。把含有改性剂的聚酯母粒在真空转鼓干燥机干燥24小时，温度为80℃，把干燥好的含有界面改性剂的聚酯母粒与聚丙烯S700新料以1∶24的质量比混合均匀后，装入纺丝机的储料筒内，设定好纺丝机的各项参数，按常规聚丙短纤维纺丝流程进行生产。产品编号记为O。
纤维制备实例15
用纤维制备实例1中同样的方法制备出KH570表面处理的二氧化硅，备用。
将3.25kg聚丙烯树脂S700(扬子石化产)、0.50kg的聚酰胺66(尼龙66)FYR26H(中国神马集团有限责任公司)、0.25kg液体石蜡(南京新源化工有限公司产)在高速混合机中搅拌2.0min，混合均匀后，再加入已用KH570表面处理的纳米二氧化硅1.0kg，混合两分钟，转速为2000r/min。在螺杆挤出机上挤出造粒。把PP/PA66共混母粒在干燥器中干燥24小时，温度为100℃，使含水量低于50ppm。
将90kg聚丙烯树脂S700(扬子石化产)、10kg聚酰胺66(尼龙66)FYR26H(中国神马集团有限责任公司)混合后在挤出机共混挤出造粒。干燥好后备用。
取干燥好的PP/PA66共混母粒与未加纳米二氧化硅改性的共混母粒以1∶9的质量比混合均匀后，装入纺丝机的储料筒内，设定好纺丝机的各项参数，按常规PP/PA66复合短纤维纺丝流程进行生产。产品编号记为P。
纤维制备实例16
用纤维制备实例1中同样的方法制备出KH570表面处理的二氧化硅，备用。
将2.0kgPET树脂IG701(中国石化仪征化纤股份有限公司)、1.75kg的聚酰胺66(尼龙66)FYR26H(中国神马集团有限责任公司)、0.25kg液体石蜡(南京新源化工有限公司产)在高速混合机中搅拌2.0min，混合均匀后，再加入已用KH570表面处理的纳米二氧化硅1.0kg，混合两分钟，转速为2000r/min。在螺杆挤出机上挤出造粒。把PET/PA66共混母粒在干燥器中干燥24小时，温度为100℃，使含水量低于50ppm。
取干燥好的PET/PA66共混母粒与聚丙烯S700新料的以1∶99的质量比混合均匀后，装入纺丝机的储料筒内，设定好纺丝机的各项参数，按常规PP复合短纤维纺丝流程进行生产。产品编号记为Q。
上述实例中纤维的基本性能如下：
表1纤维制备实例中纤维样品的性能
  样品编号 改性剂含量 纤度(dtex)   抗拉强度(MPa) 模量(GPa)   断裂伸长率(％)
  A   PP-0.0％   4.43   540   3.68   22
  B   PP-a-0.2％   4.37   525   3.63   21
  C   PP-a-0.4％   4.60   511   3.59   19
  D   PP-a-1.0％   4.29   497   3.60   23
  E   PP-b-0.2％   4.81   492   3.55   18
  F   PA66-a-0.2％   3.97   670   5.41   25
  G   PA66-b-0.4％   4.23   647   5.33   24
  H   PP/PET-a-0.2％   4.09   583   4.17   17
  I   PP-c-0.2％   5.12   467   3.94   14
  J   PP-b-0.1％-c-0.1％   5.30   453   4.01   14
  K   PP-a-0.1％-c-0.1％   4.80   469   4.22   19
  L   PP-a-0.1％-b-0.1％   4.43   521   3.88   26
  M   PP-a-0.12％-b-0.04％-c-0.04％   5.01   460   3.95   21
  N   PET-a-0.2％   5.17   621   6.28   17
  O   PP/PET-a-0.4％   4.89   544   5.20   25
  P   PP/PA66-a-2％   4.44   598   5.11   22
  Q   PP/PET/PA66-a-0.2％   5.13   527   5.08   19
注：PP-a-0.2％表示聚丙烯纤维中纳米二氧化硅的质量百分含量为0.2％，PP-b-0.2％表示聚丙烯纤维中硅灰的质量百分含量为0.2％，PP-c-0.2％表示聚丙烯纤维中粉煤灰的质量百分含量为0.2％，PP/PET-a-0.2％表示聚丙烯与聚酯共混纤维中纳米二氧化硅的质量百分含量为0.2％，余类推。
把上述实例中所制备的各种聚合物短纤维加入到混凝土中，根据纤维混凝土结构技术规程CECS38-2004的方法测定各样品的表面开裂程度。为了比较所制备的纤维在不同配合比混凝土中的抗开裂效果，设计了三组配合比。
表2纤维增强混凝土抗开裂性能实验配合比(W/C＝0.32)
  样品   水泥(kg)   集料(kg)   砂(kg)   水(kg)   减水剂(％)   纤维(kg/m3)
  空白   470   1140   760   150.4   1.1   -
  FRC   470   1140   760   150.4   1.1   0.6
FRC(Fiber Reinforced Concrete)为纤维增强混凝土的缩写，后同。
表3纤维增强混凝土抗开裂性能实验配合比(W/C＝0.37)
  样品   水泥(kg)   集料(kg)   砂(kg)   水(kg)   减水剂(％)   纤维(kg/m3)
  空白   470   1126   751   174   0.9   -
  FRC   470   1126   751   174   0.9   0.6
表4纤维增强混凝土(含硅灰10％)抗开裂性能实验配合比(W/C＝0.35)
  样品   水泥(kg)   硅灰(kg)   集料(kg)   砂(kg)   水(kg)   减水剂(％)   PP((kg/m3))
  空白   504   56   986   658   196   1.0   -
  FRC   504   56   986   658   196   1.0   0.6
Figure S2008101225295D00141
Figure S2008101225295D00151
Figure S2008101225295D00161
注：裂缝宽度及权值的单位为毫米(mm)，裂缝面积为平方毫米(mm2)
结果表明：从上述结果看出，不同纤维对不同配合比的混凝土的开裂抑制效果总体良好，裂缝降低系数在90％以上，而改性剂含量较高的样品(C、D、G等)的裂缝降低系数达100％，即完全消除了塑性收缩裂缝。综合各方面因素，B、E、H等样品是实际应用最佳选择。
为了考察界面改性剂对纤维一基材界面的改性效果，按照美国混凝土学会(ACI)544委员会提出的落重法对28天龄期的试件进行了抗冲击实验。按表8的配合比拌和混凝土，试件成型后标准养护28天进行实验。结果如下：
表8纤维增强混凝土抗冲击性能实验配合比(W/C＝0.32)
  样品   水泥(kg)   集料(kg)   砂(kg)   水(kg)   减水剂(％)   纤维(kg/m3)
  空白   470   1140   760   150.4   1.1   -
  FRC   470   1140   760   150.4   1.1   0.6
表9落重法抗冲击实验结果
  样品编号   N1   N2   ΔN   W(N·m)   ΔW(N·m)
  A   48   56   8   1128.4   161.2
  B   173   193   20   3888.95   403
  C   189   212   23   4271.8   463.45
  D   201   225   24   4533.75   483.6
  E   180   198   18   3989.7   362.7
  F   223   256   33   5158.4   664.95
  G   230   259   29   5218.85   584.35
  H   215   241   26   4856.15   523.9
  I   192   213   21   4291.95   423.15
  J   213   232   19   4674.8   382.85
  K   224   246   22   4956.9   443.3
  L   209   231   22   4654.65   443.3
  M   199   219   20   4412.85   403
  N   237   260   27   5239   544.05
  O   244   270   26   5440.5   523.9
  P   236   261   25   5259.15   503.75
  Q   227   250   23   5037.5   463.45
说明：N1：初裂的冲击次数；N2：试件破坏时的冲击次数；ΔN＝N2-N1；
W：试件破坏时所吸收的能量；ΔW：初裂后继续吸收能量。
从实验结果来看，添加不同种类的多功能纤维后，混凝土的初裂强度及断裂韧性都得到了较大的提高。一方面，合成纤维减少了试件的塑性收缩裂缝，保持了试件的整体性与连续性，不存在力学薄弱区域，因此纤维混凝土被反复冲击吸收足够多的能量后才出现初裂；另一方面，由于本发明所制备的纤维与混凝土基材之间具有良好的界面粘结性能，初裂后，纤维连接混凝土的裂缝处并把外界能量通过界面传递到基材，从而吸收了更多的能量，提高混凝土的冲击韧性。

Claims (8)

1.一种多功能型砂浆混凝土用合成纤维，其特征在于由下列组分按重量比制备而成：0.1％～10.0％的经过表面处理的界面改性剂、0.1％～5.0％的润湿剂和85.0％～99.0％的聚合物，其中，界面改性剂为在砂浆或混凝土中能参与水化反应的微细粉体材料，选自二氧化硅、硅灰或粉煤灰中的任意一种或两种以上任意比例的混合物，界面改性剂采用硅烷偶联剂进行表面处理，所述润湿剂为液体石蜡，所述聚合物为可以进行熔融纺丝的聚合物，选自聚乙烯，聚丙烯，聚酯或聚酰胺中的一种或两种任意比例的混合物
2.根据权利要求1所述多功能型砂浆混凝土用合成纤维，其特征在于所述界面改性剂的粒径小于1微米。
3.根据权利要求1所述多功能型砂浆混凝土用合成纤维，其特征在于界面改性剂的熔点在320℃以上。
4.根据权利要求1所述多功能型砂浆混凝土用合成纤维，其特征在于所述液体石蜡25℃时的密度比重为0.80～0.95，25℃时的运动粘度为4.00～120.00mm2/s，开口闪点不低于170℃。
5.根据权利要求1中所述多功能型砂浆混凝土用合成纤维，其特征在于所述聚乙烯选自低密度聚乙烯和/或高密度聚乙烯；聚丙烯选自等规度不小于96％的纺丝级聚丙烯；聚酯选自聚对苯二甲酸乙二醇酯和/或聚对苯二甲酸丙二醇酯；聚酰胺选自尼龙6和/或尼龙66。
6.权利要求1至5任意一项所述多功能型砂浆混凝土用合成纤维的制备方法，其特征在于聚合物包括制备母粒用的聚合物原料和纺丝用聚合物，先将聚合物原料投入混合机中，再加入润湿剂，搅拌均匀后加入经过表面处理的界面改性剂，混合均匀后用挤出机制备成母粒；然后再将聚合物母粒与纺丝用聚合物进行混合，纺出纤维。
7.根据权利要求6所述多功能型砂浆混凝土用合成纤维的制备方法，其特征在于选用硅灰与粉煤灰作为界面改性剂时，所述聚合物还包括聚合物白色色母粒，纺丝时渗入聚合物白色色母粒，此聚合物白色色母粒的基材与纺纤维用的聚合物相同，聚合物白色色母粒与制备母粒用的聚合物、纺丝用聚合物的用量之和为最终成品的85.0％～99.0％。
8.根据权利要求6或7所述所述多功能型砂浆混凝土用合成纤维的制备方法，其特征在于所有纺丝原料在纺丝前要进行干燥，使其含水率低于50ppm。
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