CN102659333B - 一种混凝土用粗纤维及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种混凝土用粗纤维，为多角棱柱沿轴向螺旋式扭转后的形状，长度为20mm-60mm，截面的直径或等效直径为0.10-1.20mm，相邻的棱之间的表面是内凹的。制备方法为：将纤维制备原料干燥至恒重后加入到双螺杆挤出机中，经喷丝板孔挤出后，使用冷却液对丝条进行冷却，然后将丝条接入与喷丝板孔形状一致但成角度偏转的导丝板孔，将通过导丝板孔的丝条进行分级多次拉伸，完成拉伸后，再进行热定型，然后按长度进行切断、打包，即得。本发明通过纤维外观形貌的改变使粗纤维与基体之间具有良好的界面作用力，增加纤维本身的刚性，从而提高或改善粗纤维增强混凝土的防裂、抗折、韧性、抗冲击性等性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚合物纤维及其制备方法，特别是涉及一种混凝土用聚合物粗纤维及其制备方法。
背景技术
混凝土是一种应用广泛且非常重要的建筑材料，目前正向高性能、功能化、高耐久性方向发展。但混凝土固有的抗拉强度低、脆性大、韧性差、抵抗形变能力差等缺点制约了其发展与应用。近数十年来，人们通过使用合成纤维来增强混凝土，以达到改善其抗裂防渗性能、优化力学性能、提高抗冻融能力等目的。
合成纤维在混凝土中已经得到了广泛的使用，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。粗合成纤维是一种新型的增强增韧材料，耐腐蚀、易分散、掺量低于钢纤维，能提高混凝土的抗干缩开裂与韧性，在恶劣环境工程中能替代钢纤维或焊接纤维网，在路面工程中使用也不会损坏交通工具的轮胎。可广泛用于喷射混凝土、混凝土路面、桥面及工业地坪、机场跑道、装卸码头和停车场等。
纤维与混凝土的界面结合强度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，如果界面无粘结作用，纤维容易产生滑移而无法产生增强作用；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。针对以上情况，改善纤维-混凝土基材之间的弱界面状态，成为本技术领域研究开发的重点与热点之一。
针对改善纤维-基材界面的改性方法已有一些报道。中国专利ZL200410033670.X公开了一种混凝土用增强型改性聚丙烯粗纤维及其制备方法，通过用含有亲水基团的高分子化合物与聚丙烯共混，固化前再经过物理和化学的方法对粗纤维表面进行凹凸螺纹处理，从而使粗纤维与混凝土之间有良好的握裹力，改善或提高混凝土的韧性、抗冲击、抗裂、抗冻、防渗、弯拉以及耐久性等综合性能；中国专利ZL 200620024146.5公布了一种工程用碳塑加强筋，其特点是在直径为0.5-0.8毫米的柱面上轴向分布有若干个相互平行的“V”或“U”形凹槽；专利ZL 200810021644.3采用了向纤维中添加具有水化活性的界面改性剂、异形截面、表面压痕等组合技术来改善纤维与基体的界面性能；US6863969 B2也公开了一种混凝土用的粗纤维，纤维的截面形状为椭圆形或其他多边形，截面的平均宽度为1.0-5.0毫米，截面的平均厚度为0.1-0.3毫米，以此来减少纤维的成团并使纤维-基体的粘接力提高。US 20030082376A1也公开了类似的粗纤维产品。
从以上列举的改性方法可以看出，改性方法分为化学方法和物理方法两种，化学方法主要是通过添加亲水聚合物来改善纤维-基材之间的界面，但存在一定的局限性：纤维与基材之间的界面无法充分被水化产物填充，亲水性聚合物的存在会使界面存在水膜聚集，使水灰比过大，相应增大了孔隙率，从而影响纤维的增强增韧效果，而且其他组分的材料加入到聚合物中，将增加成型加工难度，同时也会在一定程度上降低其力学性能。现有技术的物理改性方法主要是通过形成粗糙的表面与制备异型截面来提高其在混凝土中握裹力，从而发挥出粗纤维的增强效果。纤维在基体中承受载荷时，通常以拔出及滑移耗能等方式来提高抗冲击及韧性变形能力，现有技术的粗糙表面是多为表面压痕，异形截面是为了增加纤维与基体的接触面积，这些类型的粗纤维在与基体脱粘后，所经历的行程都是相同的，因此对脱粘后的锚固与滑移耗能作用有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型混凝土用聚合物粗纤维，使其在复合材料体系中更好的锚固与结合，承受载荷时不容易被拔出而破坏，从而更好地改善纤维-混凝土基材的界面。
本发明的混凝土用粗纤维为多角棱柱沿轴向螺旋式扭转后的形状，长度为20mm-60mm，截面的直径或等效直径为0.10-1.20mm，相邻的棱之间的表面是内凹的。
作为优选，本发明的混凝土用粗纤维的棱宽为粗纤维截面外接圆半径的1-20%。
本发明的混凝土用粗纤维的螺旋状棱线和相邻棱之间的内凹面能增加纤维与基体的接触面积，这二个特征可以增加脱粘后纤维拔出或滑移过程中的阻碍作用及行程，使纤维在复合材料体系中更好的锚固与结合，承受载荷时不容易被拔出而破坏，从而更好地改善纤维-混凝土基材的界面，在一定程度上减少或抑制塑性及硬化混凝土的裂缝，提高韧性、抗折及抗冲击等力学性能。
本发明的混凝土用粗纤维的制备方法为：将纤维制备原料干燥至恒重后加入到双螺杆挤出机中，经喷丝板孔挤出后，使用冷却液对丝条进行冷却；将冷却后的丝条接入与喷丝板孔形状一致但成角度偏转的导丝板孔；将通过导丝板孔的丝条在高于纤维制备原料玻璃化温度的条件下进行分级多次拉伸；在完成拉伸后，对丝条进行热定型，然后按长度进行切断、打包，即得。
所述纤维制备原料选自聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、聚酯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛、聚碳酸酯及其它们的均聚物、共聚物和填充改性物。采用不同原料时，双螺杆挤出机中各区的温度设定不同。
作为优选，所述喷丝板孔与导丝板孔之间的距离为所要制得的粗纤维产品的长度的1.0-1.5倍，此范围内得到的粗纤维的锚固性能更佳。
作为优选，喷丝板孔与导丝板孔的偏转角为15°-75°，在此范围内得到的粗纤维的锚固性能更佳。
作为优选，所述冷却液的温度为-20℃～+10℃，相对较低的冷却液温度可以增加聚合物从熔融流动与冷却凝固时的过冷度，从而更好地保持粗纤维的异形截面形状。
本发明的制备方法中，分级拉伸的级数为2-5级，总拉伸倍数为3-10倍。由于是在高于纤维制备原料玻璃化温度的条件下进行分级多次拉伸，这样就保证了聚合物分子链的蠕动、伸展与排列，从而充分取向。
本发明的制备方法中，所述热定型为本领域常用的操作，热定型设定的温度通常为高于所用聚合物原料玻璃化温度10℃-80℃左右。
本发明的混凝土用粗纤维，其相邻棱之间存在的内凹面由喷丝板孔的形状、聚合物出口膨胀及冷却收缩共同控制。
本发明所述混凝土用聚合物粗纤维具有以下特点：
1、为了改善纤维-基材的界面性能，避免使用化学改性手段，工艺流程具有方便可行的优点。
2、通过螺旋型棱线来增大纤维在载荷条件下的拔出阻力，并通过棱线之间的内凹面来增大纤维与基体的接触面积，从而更好地发挥粗纤维的增强增韧作用。
3、通过采用相对较低的冷却液温度来增加聚合物从熔融流动与冷却凝固时的过冷度，从而更好地保持粗纤维的异形截面形状。
附图说明
图1为本发明实施例1粗纤维的示意图。
图2为本发明实施例1粗纤维制备过程中实现轴向螺旋式扭转的示意图。
其中，1-喷丝板，2-导丝板，3-扭转前的粗纤维。
图3为本发明实施例3粗纤维的示意图。
具体实施方式
下面用实施例进一步描述本发明，但所述实施例仅用于说明本发明而不是限制本发明。
以市售的表面平滑的圆形截面聚合物粗纤维、表面有压痕的异形截面聚合物粗纤维作为参照样。产品记号分别为A、B。
实施例1
将聚丙烯树脂干燥至恒重后加入双螺杆挤出机，各区设定温度为：
| 一区 | 二区 | 三区 | 四区 | 五区 | 六区 | 机头 |
| 150℃ | 200℃ | 220℃ | 225℃ | 230℃ | 220℃ | 220℃ |
熔融后经近似三角棱形喷丝板孔挤出，喷丝板孔的相邻棱之间的凹入部为圆弧状，丝条进入-5℃浴槽冷却液中，将冷却后的丝条接入与喷丝板孔形状一致但偏转45°的导丝板孔中，喷丝板孔与导丝板孔之间的距离为40mm，将通过导丝板孔的丝条在85-135℃下进行二级拉伸，各级的牵伸倍数分别为4倍与1.5倍，然后在110℃下进行热定型，最后切成长度为40mm的粗纤维。经测试，该产品截面外接圆的半径r0为0.48mm，棱宽L1为r0的10%即0.048mm，截面的等效直径D经计算为0.492mm。
本实施例产品记号为C，产品形状见图1，本实施例中粗纤维实现轴向螺旋式扭转的示意图见图2。
实施例2
将聚丙烯树脂干燥至恒重后加入双螺杆挤出机，各区设定温度为：
| 一区 | 二区 | 三区 | 四区 | 五区 | 六区 | 机头 |
| 150℃ | 200℃ | 220℃ | 225℃ | 230℃ | 220℃ | 220℃ |
熔融后经近似三角棱形喷丝板孔挤出，喷丝板孔的相邻棱之间的凹入部为圆弧状，丝条进入0℃浴槽冷却液中，将冷却后的丝条接入与喷丝板孔形状一致但偏转55°的导丝板孔中，喷丝板孔与导丝板孔之间的距离为60mm，将通过导丝板孔的丝条在85-135℃下进行五级拉伸，各级的牵伸倍数分别为3、2、1.4、1.1、1.05倍，然后在110℃下进行热定型，最后切成长度为55mm的粗纤维。经测试，截面外接圆的半径r0为0.60mm，棱宽L1为0.12mm（为截面外接圆半径的20%），切断后粗纤维成品的等效直径D为0.684mm，产品记号为E。
实施例3
将聚丙烯树脂干燥至恒重后加入双螺杆挤出机，各区设定温度为：
| 一区 | 二区 | 三区 | 四区 | 五区 | 六区 | 机头 |
| 150℃ | 200℃ | 220℃ | 225℃ | 230℃ | 220℃ | 220℃ |
熔融后经近似正五角棱喷丝板孔挤出，喷丝板孔的相邻棱之间的凹入部为圆弧状，丝条进入5℃浴槽冷却液中，将冷却后的丝条接入与喷丝板孔形状一致但偏转35°的导丝板孔中，喷丝板孔与导丝板孔之间的距离为45mm，将通过导丝板孔的丝条在85-135℃下进行三级拉伸，各级的牵伸倍数分别为3.8、2.0、1.2倍，然后在110℃下进行热定型，最后切成长度为30mm的粗纤维。截面外接圆的半径r0为0.35mm，棱宽L1为r0的12%即0.042mm，切断后粗纤维成品的等效直径D为0.485mm，产品记号为F。产品形状见图3。
实施例4
将聚酯切片干燥至恒重后加入双螺杆挤出机，各区设定温度为：
| 一区 | 二区 | 三区 | 四区 | 五区 | 六区 | 机头 |
| 220℃ | 270℃ | 280℃ | 285℃ | 280℃ | 280℃ | 280℃ |
熔融后经近似三角棱形喷丝板孔挤出，喷丝板孔的相邻棱之间的凹入部为圆弧状，丝条进入0℃浴槽冷却液中，将冷却后的丝条接入与喷丝板孔形状一致但偏转75°的导丝板孔中，喷丝板孔与导丝板孔之间的距离为28mm，将通过导丝板孔的丝条在125-220℃下进行分二级拉伸，各级的牵伸倍数分别为3倍与1.2倍，然后在180℃下进行热定型，最后切成长度为20mm的粗纤维。截面外接圆的半径r0为0.28mm，棱宽L1为r0的20%即，切断后粗纤维成品的等效直径D为0.325mm，产品记号为G。
实施例5
将聚甲醛树脂加入双螺杆挤出机，各区设定温度为：
| 一区 | 二区 | 三区 | 四区 | 五区 | 六区 | 机头 |
| 180℃ | 190℃ | 200℃ | 205℃ | 205℃ | 200℃ | 200℃ |
熔融后经近似正六角棱形喷丝板孔挤出，喷丝板孔的相邻棱之间的凹入部为圆弧状，丝条进入-20℃浴槽冷却液中，将冷却后的丝条接入与喷丝板孔形状一致但偏转15°的导丝板孔中，喷丝板孔与导丝板孔之间的距离为75mm，将通过导丝板孔的丝条在75-120℃下进行四级拉伸，各级的牵伸倍数分别为3、1.8、1.5、1.15倍，然后在100℃下进行热定型，最后切成长度为60mm的粗纤维。截面外接圆的半径r0为0.70mm，棱宽L1为r0的5%即0.035mm，切断后粗纤维成品的等效直径D为0.941mm，产品记号为H。
为了验证具有螺旋式偏转棱的粗合成纤维对界面性能的改善，将上述实施例粗纤维进行了单丝拔出实验，拔出加载速度为0.5mm/min，并与参照样A和B进行对比，以确定其效果与优势。
各产品的性能汇总如下表：
| 产品编号 | A | B | C | E | F | G | H |
| 拔出载荷峰值(N) | 11.96 | 20.32 | 31.46 | 40.12 | 27.51 | 28.42 | 49.91 |
| 粘结强度（MPa） | 1.27 | 2.16 | 3.34 | 3.55 | 3.13 | 4.31 | 2.89 |
| 拔出功（J） | 0.224 | 0.458 | 0.551 | 0.613 | 0.509 | 0.526 | 0.732 |
将参照样A和B及实施例粗纤维C、E、F、G、H分别应用于混凝土中，配方见下表：
| 产品编号 | 水泥 | 粗集料 | 砂 | 水 | 减水剂 | 粗纤维 |
| A | 415 | 1050 | 760 | 175 | 2.0 | 8.0 |
| B | 415 | 1050 | 760 | 175 | 2.0 | 8.0 |
| C | 415 | 1050 | 760 | 175 | 2.0 | 8.0 |
| E | 415 | 1050 | 760 | 175 | 2.0 | 8.0 |
| F | 415 | 1050 | 760 | 175 | 2.0 | 8.0 |
| G | 415 | 1050 | 760 | 175 | 2.0 | 8.0 |
| H | 415 | 1050 | 760 | 175 | 2.0 | 8.0 |
注：上述物料的单位为kg/m3
粗纤维的使用效果(以A样品的测试结果为基准)：
| 产品编号 | A | B | C | E | F | G | H |
| 干燥收缩减少比例 | 0% | 42% | 84% | 89% | 78% | 100% | 93% |
| 抗折性能提高比例 | 0% | 23% | 43% | 49% | 44% | 55% | 50% |
| 抗冲击性提高比例 | 0% | 84% | 138% | 150% | 137% | 163% | 147% |
| 抗弯韧性提高比例 | 0% | 103% | 259% | 266% | 237% | 284% | 278% |
上述指标的测试方法分别依据下述标准中的相应条款：GB/T 50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准；GB/T 50081-2002普通混凝土力学性能试验方法标准；GB/T21120-2007水泥混凝土和砂浆用合成纤维；JGJ/T 221-2010纤维混凝土应用技术规程。
从单丝拔出实验及在混凝土中的抗裂、抗折、抗冲击及抗弯韧性等结果可以看出，与普通圆形表面平滑及表面有压痕的粗纤维相比，本发明的粗纤维能显著提高纤维与基体的界面粘结强度，从而提高拔出过程中的耗能，因此相应地在改善混凝土材料韧性等力学性能方面具有较大优势。
Claims (5)
1.一种混凝土用粗纤维，其特征在于，所述粗纤维为多角棱柱沿轴向螺旋式扭转后的形状，长度为20mm-60mm，截面的直径或等效直径为0.10-1.20mm，相邻的棱之间的表面是内凹的，所述粗纤维的棱宽为粗纤维截面外接圆半径的1-20%。
2.一种制备权利要求1所述混凝土用粗纤维的方法，其特征在于，制备方法为：
将纤维制备原料干燥至恒重后加入到双螺杆挤出机中，经喷丝板孔挤出后，使用温度为-20℃～0℃的冷却液对丝条进行冷却；将冷却后的丝条接入与喷丝板孔形状一致但成角度偏转的导丝板孔；将通过导丝板孔的丝条在高于纤维制备原料玻璃化温度的条件下进行分级多次拉伸；在完成拉伸后，对丝条进行热定型，然后按长度进行切断、打包，即得；
所述纤维制备原料选自聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、聚酯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛、聚碳酸酯及其它们的均聚物、共聚物和填充改性物。
3.根据权利要求2所述的制备混凝土用粗纤维的方法，其特征在于，所述喷丝板孔与导丝板孔之间的距离为所要制得的粗纤维产品的长度的1.0-1.5倍。
4.根据权利要求2所述的制备混凝土用粗纤维的方法，其特征在于，所述喷丝板孔与导丝板孔形状之间的偏转角为15°-75°。
5.根据权利要求2至4任一项所述的制备混凝土用粗纤维的方法，其特征在于，所述分级拉伸的级数为2-5级，总拉伸倍数为3-10倍。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: JIANGSU SUBOTE NEW MATERIAL CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: BOTE NEW MATERIAL CO., LTD., JIANGSU Effective date: 20150212 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20150212 Address after: 210013 No. 12 West Beijing Road, Jiangsu, Nanjing Patentee after: Jiangsu Subute New Materials Co., Ltd. Patentee after: Nanjing Bote Building Materials Co., Ltd. Address before: 210013 No. 12 West Beijing Road, Jiangsu, Nanjing Patentee before: Jiangsu Bote New Materials Co., Ltd. Patentee before: Jiangsu Subute New Materials Co., Ltd. Patentee before: Jiangsu Provincial Architectural Science Institute Ltd. Patentee before: Nanjing Bote Building Materials Co., Ltd. |