CN102674728B - 一种混凝土用聚合物粗纤维及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种聚合物粗纤维及制备方法，其形状为圆柱形，所述粗纤维的表面上设有一个以上沿轴向分布的锚固片。制备方法：将聚合物干燥至恒重后加入到双螺杆挤出机中，经喷丝板孔挤出后，对丝条进行冷却；然后在高于聚合物玻璃化温度的条件下进行分级多次拉伸；在完成拉伸后，在丝条表面切出锚固片；然后进行热定型，最后按长度进行切断、打包，即得。本发明通过改变纤维的外观形貌，使粗纤维与基体之间具有良好的界面作用力，从而提高或改善粗纤维增强混凝土的防裂、抗折、韧性、抗冲击性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚合物粗纤维及制备方法，特别是涉及一种混凝土用聚合物粗纤维及制备方法。
背景技术
混凝土是一种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，抵抗温度应力，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。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；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；中国专利ZL200510002624.8公开了一种异型塑钢纤维的生产方法，其直径为0.5-1.5mm，长度为20-60mm，通过先进的生产工艺和纤维结构的特殊处理，以获得表面粗糙、断面为五叶、六叶及多棱形状，横截面为凹凸形、波浪形、锯齿形状的纤维；中国专利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。
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。
本发明的混凝土用聚合物粗纤维为圆柱形，所述粗纤维的表面上设有一个以上沿轴向分布的锚固片。
所述粗纤维的长度为20mm-60mm，截面半径为0.05-0.6mm。
作为优选，所述混凝土用聚合物粗纤维的截面半径为0.15mm-0.4mm。
作为优选，所述锚固片的宽度为粗纤维半径的5-100%，锚固片的长度为其宽度的100-150%。在此范围内，锚固片能很好的起到锚固作用，不易被折断。所述锚固片的宽度更优选为粗纤维半径的50-80%。
所述锚固片与粗纤维轴向之间的夹角优选为15°-45°，此范围内，锚固片在起到锚固作用的同时不易被折断。进一步优选为20°-30°。
作为优选，在粗纤维表面的任一圆周上只允许存在一个锚固片。这样能保证粗纤维自身的强度。
本发明的混凝土用聚合物粗纤维除了圆柱形，还可以为棱柱形，锚固片不设在棱上，其它的与圆柱形聚合物粗纤维一致。
本发明的混凝土用聚合物粗纤维，在表面设有稳定的锚固片，可以增加脱粘后纤维拔出或滑移过程中的持续阻碍作用，保证纤维在整个耗能过程中持续发挥作用，从而实现更好的界面粘结及宏观增强增韧效果。
本发明的混凝土用聚合物粗纤维的制备方法为：将聚合物干燥至恒重后加入到双螺杆挤出机中，经喷丝板孔挤出后，对丝条进行冷却；然后在高于聚合物玻璃化温度的条件下进行分级多次拉伸；在完成拉伸后，在丝条表面切出锚固片；然后进行热定型，最后按长度进行切断、打包，即得。
所述聚合物选自聚乙烯、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。
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、通过粗纤维轴向正反两个方向合理分布的锚固片有效地形成物理粘结作用，从而增大纤维在载荷条件下的拔出阻力，更好地发挥粗纤维的增强增韧作用。
3、通过合适角度切刀即可在粗纤维表面形成锚固片，方便可行且高效。
附图说明
图1为本发明实施例的混凝土用聚合物粗纤维的形状示意图。
图2为本发明实施例使用的切刀示意图。
其中，1-环向支座，2-切刀底座，3-切刀，4-锚固片。
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柱形聚合物粗纤维、表面有压痕的异形截面聚合物粗纤维作为参照样。产品分别标记为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，熔融后经圆形喷丝孔挤出，螺杆各区的设定温度如下：
| 一区 | 二区 | 三区 | 四区 | 五区 | 六区 | 机头 |
| 150℃ | 200℃ | 220℃ | 225℃ | 230℃ | 220℃ | 220℃ |
将丝条用冷却水冷却后，在85-135℃下分三级进行拉伸，总牵伸倍数为7.5倍。完成拉伸后，使用切刀在丝条表面切出锚固片，本实施例中锚固片的切出方法为：将丝条经过管道式锚固片切削装置，所述装置具有一系列环向支座，丝条在穿过环向支座后继续沿轴向向前运动，切刀的底座固定在环向支座上，切刀与丝条轴向方向成a角度，切刀底座上连接有压缩气源，在压缩气体作用下切刀向纤维运动，并且切入丝条表面，切口宽度为L1，由于丝条在继续沿轴向向前运动，设定在切刀切入丝条到离开丝条的过程中，丝条沿轴向的运动距离为L2，则得到一个宽度为L1、长度为L2的锚固片，锚固片与丝条轴向的夹角为a。其它锚固片以类似方式完成，反向锚固片的切削，只是切刀的固定方向及丝条运动方向与前述方向相反，其它的与上述方法一致。上述切刀的动作在极短的时间内同时协调完成，不影响生产的连续性。
切出锚固片后，对丝条在110℃下进行热定型，最后切成长度为25mm的聚合物粗纤维。该纤维半径（r0）为0.4mm，锚固片的宽度L1的为半径（r0）的40%即0.16mm，锚固片长度L2为L1的120%即0.192mm，锚固片与粗纤维轴向的夹角a为30°。将该粗纤维产品标记为C。产品的形状见图1，切刀的示意图见图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，熔融后经圆形喷丝孔挤出，螺杆各区的设定温度如下：
| 一区 | 二区 | 三区 | 四区 | 五区 | 六区 | 机头 |
| 150℃ | 200℃ | 220℃ | 225℃ | 230℃ | 220℃ | 220℃ |
将丝条用冷却水冷却后，在85-135℃下分二级进行拉伸，总牵伸倍数为5.8倍。完成拉伸后，使用切刀在丝条表面切出锚固片，锚固片的切法与实施例1一致，切出锚固片后，对丝条在110℃下进行热定型，最后切成长度为60mm的聚合物粗纤维。该纤维半径（r0）为0.6mm，锚固片的宽度L1的为半径（r0）的100%即0.6mm，锚固片长度L2为L1的100%即0.6mm，锚固片与粗纤维轴向的夹角a为15°。将该粗纤维产品标记为D。
实施例3
将聚甲基丙烯酸甲酯树脂干燥至恒重后加入双螺杆挤出机，熔融后经正方形喷丝孔挤出，螺杆各区的设定温度如下：
| 一区 | 二区 | 三区 | 四区 | 五区 | 六区 | 机头 |
| 140℃ | 210℃ | 235℃ | 250℃ | 245℃ | 240℃ | 240℃ |
将丝条用冷却水冷却后，在70-130℃下分五级进行拉伸，总牵伸倍数为10倍。完成拉伸后，使用切刀在丝条表面切出锚固片，锚固片的切法与实施例1一致，切出锚固片后，对丝条在100℃下进行热定型，最后切成长度为40mm的聚合物粗纤维。该纤维半径（r0）为0.2mm，锚固片的宽度L1的为半径（r0）的80%即0.16mm，锚固片长度L2为L1的110%即0.176mm，锚固片与粗纤维轴向的夹角a为20°。将该粗纤维产品标记为E。
实施例4
将聚甲醛树脂干燥至恒重后加入双螺杆挤出机，熔融后经正六边形喷丝孔挤出，螺杆各区的设定温度如下：
| 一区 | 二区 | 三区 | 四区 | 五区 | 六区 | 机头 |
| 180℃ | 190℃ | 200℃ | 205℃ | 205℃ | 200℃ | 200℃ |
将丝条用冷却水冷却后，在75-120℃下分四级进行拉伸，总牵伸倍数为5.0倍。完成拉伸后，使用切刀在丝条表面切出锚固片，锚固片的切法与实施例1一致，切出锚固片后，对丝条在100℃下进行热定型，最后切成长度为50mm的聚合物粗纤维。该纤维半径（r0）为0.35mm，锚固片的宽度L1的为半径（r0）的60%即0.21mm，锚固片长度L2为L1的120%即0.252mm，锚固片与粗纤维轴向的夹角a为45°。将该粗纤维产品标记为F。
性能测试：
为了验证聚合物粗纤维对界面性能的改善，将上述实施例聚合物粗纤维进行粘结强度实验，实验方法参考CECS 13：2009纤维混凝土试验方法标准（6.13钢纤维与水泥砂浆粘结强度实验），电脑记录载荷-位移曲线，拔出载荷峰值直接从载荷-位移曲线上读取，粘结强度为拔出载荷峰值与埋入纤维长度表面积相除得到，拔出功为载荷-位移曲线与坐标轴形成的积分面积。测试数据与市售的表面平滑的圆柱形聚合物粗纤维A和表面有压痕的异形截面聚合物粗纤维B进行对比。测试结果见下表：
| 产品编号 | A | B | C | D | E | F |
| 截面半径（mm） | 0.5 | 0.5 | 0.4 | 0.6 | 0.2 | 0.35 |
| 拔出载荷峰值(N) | 48.02 | 67.13 | 107.01 | 166.17 | 49.98 | 91.66 |
| 粘结强度（MPa） | 1.53 | 2.14 | 4.26 | 4.41 | 3.98 | 4.17 |
| 拔出功（J） | 0.432 | 0.718 | 0.976 | 1.214 | 0.985 | 1.071 |
将实施例聚合物粗纤维和对比产品A和B分别掺入混凝土中，配方见下表：
| 粗纤维编号 | 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 |
| D | 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 |
注：上述物料的单位为kg/m3
将上述掺有粗纤维的混凝土进行性能测试，测试指标和参考方法分别为：干燥收缩减少比例，参考GB/T 50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准；抗折性能提高比例，参考GB/T 50081-2002普通混凝土力学性能试验方法标准；抗冲击性提高比例，参考GB/T21120-2007水泥混凝土和砂浆用合成纤维；抗弯韧性提高比例，参考JGJ/T 221-2010纤维混凝土应用技术规程。
测试结果见下表(以A样品的测试结果为基准)：
| 产品编号 | A | B | C | D | E | F |
| 干燥收缩减少比例 | 0% | 42% | 79% | 96% | 87% | 84% |
| 抗折性能提高比例 | 0% | 23% | 46% | 49% | 38% | 40% |
| 抗冲击性提高比例 | 0% | 84% | 128% | 153% | 111% | 124% |
| 抗弯韧性提高比例 | 0% | 103% | 256% | 287% | 216% | 228% |
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，与市售的表面平滑的圆柱形聚合物粗纤维和表面有压痕的异形截面聚合物粗纤维相比，本发明的混凝土用聚合物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 (7)
1.一种混凝土用聚合物粗纤维，形状为圆柱形，其特征在于，所述粗纤维的表面上设有一个以上沿轴向分布的锚固片，所述锚固片与粗纤维轴向之间的夹角为15°-45°；
所述混凝土用聚合物粗纤维是通过如下方法制备得到的：将聚合物干燥至恒重后加入到双螺杆挤出机中，经喷丝板孔挤出后，对丝条进行冷却；然后在高于聚合物玻璃化温度的条件下进行分级多次拉伸；在完成拉伸后，在丝条表面切出锚固片；然后进行热定型，最后按长度进行切断、打包，即得；
所述聚合物选自聚乙烯、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。
2.如权利要求1所述的混凝土用聚合物粗纤维，其特征在于，所述混凝土用聚合物粗纤维的长度为20mm-60mm，截面半径为0.05-0.6mm。
3.如权利要求2所述的混凝土用聚合物粗纤维，其特征在于，所述混凝土用聚合物粗纤维的截面半径为0.15mm-0.4mm。
4.如权利要求1所述的混凝土用聚合物粗纤维，其特征在于，所述锚固片的宽度为粗纤维半径的5-100%，锚固片的长度为其宽度的100-150%。
5.如权利要求4所述的混凝土用聚合物粗纤维，其特征在于，所述锚固片的宽度为粗纤维半径的50-80%。
6.如权利要求1所述的混凝土用聚合物粗纤维，其特征在于，所述锚固片与粗纤维轴向之间的夹角为20°-30°。
7.如权利要求1所述的混凝土用聚合物粗纤维，其特征在于，分级拉伸的级数为2-5级，总拉伸倍数为3-10倍。
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