发明内容
本发明的一个目的是针对现有技术的不足,提供一种含有碳纤维复配成核剂的混凝土增强用高强度聚丙烯粗纤维,该纤维具有较高的强度和模量,可用于制备高性能混凝土材料。
本发明的含有碳纤维复配成核剂的混凝土增强用高强度聚丙烯粗纤维为共混物,该共混物包括聚丙烯、成核剂、增容剂、抗氧化剂、紫外吸收剂;各原料在含有碳纤维复配成核剂的混凝土增强用高强度聚丙烯粗纤维中的重量百分含量为:聚丙烯90~99﹪、成核剂0.1~2.5﹪、增容剂0.5~5﹪、抗氧化剂0.1~1.5﹪、紫外吸收剂0.1~1﹪;
所述的聚丙烯为等规度≥97﹪的均聚物,熔融指数为3~40g/10min;
所述的成核剂为有机无机复配成核剂;该有机无机复配成核剂由有机成分与无机成分按照质量比为1:20~20:1 构成,其中有机成分为碳纤维,无机成分为凹凸棒土、碳酸钙、氧化硅、蒙脱土中的一种或多种。
所述的碳纤维的长度为2~10mm,碳纤维单丝纤度为0.7~1.5dtex。
所述的增容剂为马来酸酐接枝聚丙烯、丙烯酸接枝聚丙烯、丙烯酰胺接枝聚丙烯、甲基丙烯酸接枝聚丙烯、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚丙烯中的一种或多种;增容剂的作用是提高无机填料与聚丙烯之间的相容性,增强界面粘结性,提高材料的力学性能。
所述的抗氧化剂为抗氧化剂1010、抗氧化剂b215、抗氧化剂168、抗氧化剂1076、抗氧化剂b225中的一种;抗氧化剂的作用是减少聚丙烯粗纤维加工过程中氧化降解。
所述的紫外吸收剂为UV-12、UV-326、UV-327、UV-328、UV-329、UV-770中的一种;紫外吸收剂的作用是减少聚丙烯粗纤维使用过程中的光老化。
本发明的另一个目的就是提供制备上述含有碳纤维复配成核剂的混凝土增强用高强度聚丙烯粗纤维的方法。
制备该含有碳纤维复配成核剂的混凝土增强用高强度聚丙烯粗纤维的方法具体是:
步骤(1).首先将成核剂干燥至恒重,然后将聚丙烯、成核剂、增容剂、抗氧化剂、紫外吸收剂,按照比例混合成混合料;
制备100重量份的含有碳纤维复配成核剂的混凝土增强用高强度聚丙烯粗纤维,所用的各物质的量为:90~99份的聚丙烯、0.1~2.5份的成核剂、0.5~5份的增容剂、0.1~1.5份的抗氧化剂、0.1~1份的紫外吸收剂。
步骤(2).将混合料通过双螺杆挤出机挤出,并由喷丝板喷丝,再经水冷、热水牵伸、热辊牵伸、热定型,得到高强度聚丙烯粗纤维。
所述的双螺杆挤出机的加工温度为:加料段120~150℃、塑化段150~180℃、均化段180~205℃,机头温度180~195℃,螺杆转速为80~250rpm。
所述的喷丝板的温度为250~270℃;喷丝板口模形状为圆形、椭圆形、三角形、正方形中的一种。
所述的水冷为将喷丝后的聚合物熔体经10~40℃的水浴骤冷,形成低结晶度聚丙烯纤维,便于在拉伸中获得更高的拉伸倍数和取向度;
所述的热水牵伸的水浴温度为60~95℃,牵伸倍率为2~6倍;
所述的热辊牵伸的牵伸温度为120~150℃,牵伸倍率为1.5~6倍;
所述的热定型温度为110~150℃,时间为15s~5min。
本发明采用有机无机复配的成核剂改性聚丙烯,诱导聚丙烯沿碳纤维单丝的方向结晶,使材料各向异性,从而提升聚丙烯粗纤维在拉伸方向的强度,获得高强度高模量的聚丙烯粗纤维。本发明聚丙烯粗纤维可增强混凝土的强度,延长其使用寿命。本发明方法改性与纺丝工艺一步完成,更有利于简化生产工艺,降低产品成本。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析(所用的聚丙烯为等规度≥97﹪的均聚物,熔融指数为3~40g/10min;碳纤维的长度为2~10mm,碳纤维单丝纤度为0.7~1.5dtex)。
实施例1.
步骤(1).将96g聚丙烯、3.5g马来酸酐接枝聚丙烯、0.3g抗氧化剂1010、0.2g紫外吸收剂UV-12混合成100g混合料;
步骤(2).将混合料加入到双螺杆挤出机挤出,双螺杆挤出机的加工温度为加料段150℃、塑化段180℃、均化段190℃,机头温度185℃,螺杆转速为200rpm;再由250℃喷丝板喷丝,喷丝板口模形状为圆形,再经10℃水浴水冷,在60℃水浴中进行热水牵伸,牵伸倍率为5倍,然后120℃下进行热辊牵伸,牵伸倍率为4倍,最后110℃下热定型5min,得到聚丙烯粗纤维。
实施例1制备得到的聚丙烯粗纤维当量直径为1mm,断裂强度为510Mpa,弹性模量为4000Mpa,断裂伸长率为14﹪。
实施例2.
步骤(1).将94.5g聚丙烯、1.5g碳纤维-凹凸棒土复配成核剂(碳纤维:凹凸棒土=1:20)、3.5g马来酸酐接枝聚丙烯、0.3g抗氧化剂1010、0.2g紫外吸收剂UV-12混合成100g混合料;
步骤(2).将混合料加入到双螺杆挤出机挤出,双螺杆挤出机的加工温度为加料段150℃、塑化段180℃、均化段190℃,机头温度185℃,螺杆转速为200rpm;再由250℃喷丝板喷丝,喷丝板口模形状为圆形,再经10℃水浴水冷,在60℃水浴中进行热水牵伸,牵伸倍率为5倍,然后120℃下进行热辊牵伸,牵伸倍率为4倍,最后110℃下热定型5min,得到聚丙烯粗纤维。
实施例2制备得到的聚丙烯粗纤维当量直径为1mm,断裂强度为660Mpa,弹性模量为12200Mpa,断裂伸长率为26﹪。
实施例3.
步骤(1).将95g聚丙烯、1g碳纤维-凹凸棒土复配成核剂(碳纤维:凹凸棒土=1:20)、3.5g马来酸酐接枝聚丙烯、0.3g抗氧化剂1010、0.2g紫外吸收剂UV-12混合成100g混合料;
步骤(2).将混合料加入到双螺杆挤出机挤出,双螺杆挤出机的加工温度为加料段150℃、塑化段180℃、均化段190℃,机头温度185℃,螺杆转速为200rpm;再由250℃喷丝板喷丝,喷丝板口模形状为圆形,再经10℃水浴水冷,在60℃水浴中进行热水牵伸,牵伸倍率为5倍,然后120℃下进行热辊牵伸,牵伸倍率为4倍,最后110℃下热定型5min,得到聚丙烯粗纤维。
实施例3制备得到的聚丙烯粗纤维当量直径为1mm,断裂强度为598Mpa,弹性模量为7900Mpa,断裂伸长率为19﹪。
实施例4.
步骤(1).将94.7g聚丙烯、1.3g碳纤维-凹凸棒土复配成核剂(碳纤维:凹凸棒土=1:20)、3.5g马来酸酐接枝聚丙烯、0.3g抗氧化剂1010、0.2g紫外吸收剂UV-12混合成100g混合料;
步骤(2).将混合料加入到双螺杆挤出机挤出,双螺杆挤出机的加工温度为加料段150℃、塑化段180℃、均化段190℃,机头温度185℃,螺杆转速为200rpm;再由250℃喷丝板喷丝,喷丝板口模形状为圆形,再经10℃水浴水冷,在60℃水浴中进行热水牵伸,牵伸倍率为5倍,然后120℃下进行热辊牵伸,牵伸倍率为4倍,最后110℃下热定型5min,得到聚丙烯粗纤维。
实施例4制备得到的聚丙烯粗纤维当量直径为1mm,断裂强度为630Mpa,弹性模量为10750Mpa,断裂伸长率为22﹪。
实施例5.
步骤(1).将94.8g聚丙烯、1.2g碳纤维-凹凸棒土复配成核剂(碳纤维:凹凸棒土=1:20)、3.5g马来酸酐接枝聚丙烯、0.3g抗氧化剂1010、0.2g紫外吸收剂UV-12混合成100g混合料;
步骤(2).将混合料加入到双螺杆挤出机挤出,双螺杆挤出机的加工温度为加料段150℃、塑化段180℃、均化段190℃,机头温度185℃,螺杆转速为200rpm;再由250℃喷丝板喷丝,喷丝板口模形状为圆形,再经10℃水浴水冷,在60℃水浴中进行热水牵伸,牵伸倍率为5倍,然后120℃下进行热辊牵伸,牵伸倍率为4倍,最后110℃下热定型5min,得到聚丙烯粗纤维。
实施例4制备得到的聚丙烯粗纤维当量直径为1mm,断裂强度为615Mpa,弹性模量为9550Mpa,断裂伸长率为21﹪。
表1 实施例1~5制备得到的聚丙烯粗纤维性能参数表
如表1所示,根据实施例1~5对比可知在加入有机无机复配成核剂后,聚丙烯粗纤维的强度与模量均有显著的提高,制备得到的聚丙烯粗纤维性能更佳。
实施例6.
步骤(1).将90g聚丙烯、2.5g碳纤维-凹凸棒土复配成核剂(碳纤维:凹凸棒土=20:1)、5g丙烯酸接枝聚丙烯、1.5g抗氧化剂b215、1g紫外吸收剂UV-326,混合成100g混合料;
步骤(2).将混合料加入到双螺杆挤出机挤出,双螺杆挤出机的加工温度为加料段120℃、塑化段150℃、均化段180℃,机头温度180℃,螺杆转速为80rpm;接着由250℃喷丝板喷丝,喷丝板口模形状为圆形,再经10℃水浴水冷,在60℃水浴中进行热水牵伸,牵伸倍率为2倍,然后120℃下进行热辊牵伸,牵伸倍率为1.5倍,最后110℃下热定型5min,得到高强度聚丙烯粗纤维。
实施例7.
步骤(1).将99g聚丙烯、0.1g碳纤维-碳酸钙复配成核剂(碳纤维:碳酸钙=1:10)、0.5g丙烯酰胺接枝聚丙烯、0.1g抗氧化剂168、0.3g紫外吸收剂UV-327,混合成100g混合料;
步骤(2).将混合料加入到双螺杆挤出机挤出,双螺杆挤出机的加工温度为加料段125℃、塑化段155℃、均化段185℃,机头温度185℃,螺杆转速为100rpm;接着由255℃喷丝板喷丝,喷丝板口模形状为圆形,再经15℃水浴水冷,在65℃水浴中进行热水牵伸,牵伸倍率为2倍,然后125℃下进行热辊牵伸,牵伸倍率为2倍,最后120℃下热定型4min,得到高强度聚丙烯粗纤维。
实施例8.
步骤(1).将98g聚丙烯、0.5g碳纤维-氧化硅复配成核剂(碳纤维:氧化硅=1:10)、1g甲基丙烯酸接枝聚丙烯、0.4g抗氧化剂1076、0.1g紫外吸收剂UV-328,混合成100g混合料;
步骤(2).将混合料加入到双螺杆挤出机挤出,双螺杆挤出机的加工温度为加料段130℃、塑化段160℃、均化段190℃,机头温度185℃,螺杆转速为150rpm;然后由260℃喷丝板喷丝,喷丝板口模形状为圆形,再经20℃水浴水冷,70℃水浴中进行热水牵伸,牵伸倍率为4倍,接着在130℃下进行热辊牵伸,牵伸倍率为3倍,最后125℃下热定型3min,得到高强度聚丙烯粗纤维。
实施例9.
步骤(1).将95g聚丙烯、1g碳纤维-蒙脱土复配成核剂(碳纤维:蒙脱土=1:10)、2g甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚丙烯、1g抗氧化剂b225、1g紫外吸收剂UV-329,混合成100g混合料;
步骤(2).将混合料加入到双螺杆挤出机挤出,双螺杆挤出机的加工温度为加料段135℃、塑化段165℃、均化段195℃,机头温度190℃,螺杆转速为200rpm;然后由265℃喷丝板喷丝,喷丝板口模形状为正方形,再经25℃水浴水冷,75℃水浴中进行热水牵伸,牵伸倍率为5倍,接着在140℃下进行热辊牵伸,牵伸倍率为4倍,最后在130℃下热定型2min,得到高强度聚丙烯粗纤维。
实施例10.
步骤(1). 将94g聚丙烯、2g碳纤维-凹凸棒土-蒙脱土复配成核剂(碳纤维:凹凸棒土:蒙脱土=1:5:5)、1.5g马来酸酐接枝聚丙烯、1g甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚丙烯、1g抗氧化剂b225、0.5g紫外吸收剂UV-770,混合成100g混合料;
步骤(2). 将混合料加入到双螺杆挤出机挤出,双螺杆挤出机的加工温度为加料段140℃、塑化段170℃、均化段200℃,机头温度195℃,螺杆转速为250rpm;然后由270℃喷丝板喷丝,喷丝板口模形状为三角形,再经30℃水浴水冷,在80℃水浴中进行热水牵伸,牵伸倍率为6倍,接着在145℃下进行热辊牵伸,牵伸倍率为5倍,最后在140℃下热定型1min,得到高强度聚丙烯粗纤维。
实施例11.
步骤(1). 将94g聚丙烯、2g碳纤维-碳酸钙-氧化硅复配成核剂(碳纤维:碳酸钙:氧化硅=1:2:3)、2g马来酸酐接枝聚丙烯、0.5g丙烯酸接枝聚丙烯、1g抗氧化剂168、0.5g紫外吸收剂UV-770,混合成100g混合料;
步骤(2). 将混合料加入到双螺杆挤出机挤出,双螺杆挤出机的加工温度为加料段145℃、塑化段175℃、均化段205℃,机头温度195℃,螺杆转速为250rpm;然后由270℃喷丝板喷丝,喷丝板口模形状为椭圆形,再经35℃水浴水冷,90℃水浴中进行热水牵伸,牵伸倍率为6倍,接着在150℃下进行热辊牵伸,牵伸倍率为6倍,最后在145℃下热定型30s,得到高强度聚丙烯粗纤维。
实施例12.
步骤(1). 将94g聚丙烯、2g碳纤维-凹凸棒土-蒙脱土-碳酸钙复配成核剂(碳纤维:凹凸棒土:蒙脱土:碳酸钙=1:2:3:5)、1g马来酸酐接枝聚丙烯、1g甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚丙烯、0.5g丙烯酸接枝聚丙烯、1g抗氧化剂168、0.5g紫外吸收剂UV-770,混合成100g混合料;
步骤(2). 将混合料加入到双螺杆挤出机挤出,双螺杆挤出机的加工温度为加料段150℃、塑化段180℃、均化段205℃,机头温度195℃,螺杆转速为250rpm;然后由270℃喷丝板喷丝,喷丝板口模形状为圆形,再经40℃水浴水冷,95℃水浴中进行热水牵伸,牵伸倍率为6倍,接着在150℃下进行热辊牵伸,牵伸倍率为6倍,最后在150℃下热定型15s,得到高强度聚丙烯粗纤维。
上述实施例并非是对于本发明的限制,本发明并非仅限于上述实施例,只要符合本发明要求,均属于本发明的保护范围。