CN107207345A - 改进的聚丙烯纤维、用于制造该纤维的方法以及其用于生产纤维水泥产品的用途 - Google Patents

改进的聚丙烯纤维、用于制造该纤维的方法以及其用于生产纤维水泥产品的用途 Download PDF

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Abstract

本发明涉及改进的聚丙烯纤维、以及用于制造该聚丙烯纤维的方法和该聚丙烯纤维用于生产纤维水泥产品的用途。本发明进一步涉及包含本发明聚丙烯纤维的纤维水泥产品，例如平板或波纹纤维水泥片。与不含有本发明聚丙烯纤维的纤维水泥相比，本发明的纤维水泥产品具有改进的抗冲击性能。

Description

改进的聚丙烯纤维、用于制造该纤维的方法以及其用于生产 纤维水泥产品的用途
技术领域
本发明涉及改进的聚丙烯纤维、以及用于制造该聚丙烯纤维的方法和该聚丙烯纤维用于生产纤维水泥产品的用途。
背景技术
聚丙烯是通过对丙烯进行聚合获得的热塑性树脂。聚丙烯纤维通过众所周知的熔融纺丝工艺生产，其中熔融聚合物通过具有大量小开口的模头泵出以生产连续纤丝的丝束(tow).所述纤丝冷却并牵拉或伸长以增加拉伸强度。所述纤丝通常进行尺寸裁剪或精修(finish)，随后如果需要，可以进行干燥和回火，并可选地切短至所期望的长度，以提供纤维束。
由于聚丙烯具有出色的性能例如低密度、高强度和出色的耐热性和耐化学系，聚丙烯纤维广泛用于各种应用，例如纺织品、包装材料、容器、汽车部件等。
欧洲专利EP1812628以及等同的US申请US2013/0302608公开了用于生产熔融纺丝聚丙烯复纤丝、以及由其形成的纱线的方法。所述方法包括：作为一个必要特征，需要在成核剂的存在下形成熔融聚合组合物，对所形成的熔融聚合组合物进行挤出，在温度为50℃～130℃的液浴中将所形成的纤丝骤冷，在加热至约120℃和约150℃的温度的同时进行牵拉，其中，成核剂的存在和纤丝在液浴中足够长的停留时间确保了纤丝的足够结晶程度。所公开的纤维确实高度结晶，呈现出超过约80％的使用WAXS和SAXS技术测定的结晶度。在EP1812628(以及US2013/0302608)中进一步公开了通过该方法生产的这些聚丙烯纤维可以用于形成绳子和编织织物或无纺织物。虽然高结晶度的聚丙烯纤维确实在某些应用中具有其优点，例如，用于生产纺织品，高结晶度实际上对于生产纤维增强水泥产品并不是有利的性能。实际上，已知具有高结晶度的聚丙烯纤维通常呈现出相对低的韧度(即，低纤维强度)。然而，为了增强纤维水泥产品，混入的纤维的韧度是有助于纤维水泥最终产品机械强度的主要且必要的性能。因此，如EP1812628(以及等同的US2013/0302608)中所公开的高结晶度纤丝和纤维不适合用于生产纤维增强水泥产品，特别是为了确保建筑工人的安全以及最终用户的高性能产品，在全世界各国家中这些纤维增强水泥产品受到规定了该产品机械性能最低要求的严格的国家法律法规监管。
尽管已经研发了EP1812628中公开的生产方法的数个其它变体，但是通过这些已知方法生产的聚丙烯纤维显示出对于适用于需要非常高纤维强度的应用(例如在纤维水泥应用)的性能不足。此外，虽然不同研究组为了获得至少具有较高纤维强度的聚丙烯纤维，尝试研发对于已知工业方法的替代方法，但是这些方法被证实在工业规模上不是可行的。实际上，从实验室到工业规模的规模扩大存在关于技术可行性和经济可行性的不同挑战。而且，甚至当仅进行半工业规模时，某实验室规模的方法导致不一致或改变纤丝或纤维质量。
发明内容
因此，本发明的目的是提供用于生产具有改进性能的聚丙烯纤维的方法、特别是工业方法，所述聚丙烯纤维适用于在生产纤维水泥产品(即，纤维增强水泥产品)中使用、更优选用于在生产平板或波纹纤维水泥片中使用。
在这方面，本发明人研发了新型工业方法，用于生产关于纤维密度和强度的性能得以改进的聚丙烯单纤丝或复纤丝以及由此衍生的纤维。与现有技术中的前述方法相反，本发明的方法不需要存在或添加成核剂。
此外，与现有技术方法相反，本发明的方法首次使得在工业生产规模上高产量生产机械性能改进的单纤丝或复纤丝和由此衍生的纤维。
特别是，发现在挤出工艺中某些参数对于获得聚丙烯纤丝和纤维是决定性的，特别是适合用于对水泥质产品(cementitious product)进行增强、并由此适用于生产纤维增强水泥产品。
特别是，已经发现通过在生产加工期间以特定方法骤冷聚丙烯纤维，能够获得特别适用于在纤维水泥材料中使用的纤丝和纤维。
更具体地，根据本发明的方法包括如下步骤：在温度为约5℃～约50℃的液浴中对挤出的聚丙烯纤丝进行骤冷，其中，所述液浴表面和挤出机喷丝头之间的距离为约5mm～约200mm。
在具体实施方式中，根据本发明的方法包括如下步骤：在温度为约30℃～约50℃、例如优选约35℃～约45℃的液浴中对挤出的聚丙烯纤丝进行骤冷。
在其它具体实施方式中，根据本发明的方法包括如下步骤：在液浴中对挤出的聚丙烯纤丝进行骤冷，其中，所述液浴表面和挤出机喷丝头之间的距离为约5mm～约15mm。
在某些实施方式中，挤出纤丝在液浴中的停留时间为约1秒～约30秒，优选低于10秒，优选约1秒～约10秒，更优选约1秒～约5秒。
不受具体理论和假设的限制，发明人相信：在本发明的方法中，液浴的温度、挤出纤丝在液浴中的停留时间、以及所述液浴表面和挤出机喷丝头之间的距离是有益于纤维水泥最终产品中的所生产纤丝和纤维的总体性能的三个参数。
实际上，发明人发现：通过在温度为约5℃～约50℃的液浴中对挤出的聚丙烯纤丝骤冷有限的停留时间，其中，所述液浴表面和挤出机喷丝头之间的距离为约5mm～约200mm，可以获得结晶度相对低到中等且纤维强度非常良好的纤丝。更具体地说，根据本发明方法获得的单纤丝和复纤丝或纤维具有约40％～约60％的相对低到中等的结晶度(使用SAXS和DSC测定技术测定)，并具有至少7cN/dtex、例如约7cN/dtex～约20cN/dtex的韧度。
此外，本发明人发现所述方法优选在没有成核剂的情况下实施。实际上，成核剂通常引起所获得的纤丝和纤维的高度结晶，这对于本发明的纤丝和纤维是不期望的。
因此，在具体实施方式中，根据本发明的方法在没有成核剂的情况下实施。
使用本发明的生产方法，本发明人成功地生产了聚丙烯单纤丝、复纤丝、以及由此衍生的纤维，其特征为，线密度为约1～约75dtex/纤丝(dpf)，并且纤维强度或韧度为约7cN/dtex～约15cN/dtex以上，例如约8cN/dtex～约20cN/dtex以上。
此外，重要的是，发现当使用通过根据本发明方法可获得的纤维作为纤维水泥生产中的原料时，获得了抗冲击性能(即，夏比抗冲击性能)显著改进的纤维水泥产品。
在第一方面，本发明提供生产用于对水泥质产品进行增强的经拉制的聚丙烯纤丝(即，单纤丝或复纤丝)或由此衍生的纤维的方法，所述方法包括如下步骤：
(i)形成包含至少一种聚丙烯的熔融聚丙烯组合物；
(ii)通过喷丝头对该熔融聚合组合物进行挤出以形成一根聚合组合物的纤丝；
(iii)在温度为约5℃～约50℃的液浴中对挤出的聚丙烯纤丝进行骤冷，其中，所述液浴表面和所述喷丝头表面之间的距离为约5mm～约200mm；以及
(iv)在约130℃～180℃的温度下牵拉所述纤丝，以形成经拉制的聚丙烯纤丝；以及可选地
(v)将所述纤丝切为长度约3mm～约5mm的纤维。
在具体实施方式中，本发明的方法是工业级方法，即，能够在工业规模上以高度一致性实施且不会影响所生产纤丝和纤维的质量和机械性能的方法。
在其它实施方式中，本发明的方法用于生产经拉制的聚丙烯复纤丝或纤维，并且包括如下步骤：
(i)形成包含至少一种聚丙烯的熔融聚丙烯组合物；
(ii)通过喷丝头对熔融聚合组合物进行挤出以形成多根聚合组合物的纤丝；
(iii)在温度为约5℃～50℃的液浴中对挤出的聚丙烯纤丝进行骤冷，其中，所述液浴表面和所述喷丝头表面之间的距离为约5mm～约200mm；
(iv)收集多根纤丝以形成复纤丝；
(v)在约130℃～180℃的温度下牵拉所述复纤丝，以形成经拉制的聚丙烯复纤丝；以及可选地
将所述纤丝切为长度约3mm～约50mm的纤维。
在具体实施方式中，根据本发明的方法在没有成核剂的情况下实施。
在本发明方法的其它实施方式中，挤出纤丝在液浴中的停留时间为约1秒～约30秒，优选低于10秒，优选约1秒～约10秒，更优选约1秒～约5秒。
在其它具体实施方式中，在根据本发明的方法中，液浴温度为约30℃～约50℃、更优选约35℃～约45℃。
在某些具体实施方式中，在根据本发明的方法中，液浴表面和喷丝头表面之间的距离为约5mm～约160mm，例如(但不限于)约5mm～约10mm。
在某些具体实施方式中，在根据本发明的方法中，液浴表面和喷丝头表面之间的距离为约5mm～约15mm，例如(但不限于)约10mm～约15mm。
在某些具体实施方式中，在根据本发明的方法中，在实施步骤(ii)的挤出之后且在实施步骤(iii)的骤冷之前，熔融聚合组合物保持在约150℃～约200℃的温度范围，例如(但不限于)约165℃～约180℃的温度范围。
根据第二方面，本发明提供可通过本文中所述方法获得的经拉制的聚丙烯纤丝或经拉制的聚丙烯复纤丝，其中，纤丝或复纤丝的特征在于约1dtex/纤丝～约75dtex/纤丝(dpf)的线密度和约7cN/dtex～约15cN/dtex以上的韧度。
在具体实施方式中，本发明提供可通过本文中所述方法获得的经拉制的聚丙烯单纤丝或经拉制的聚丙烯复纤丝或由此衍生的纤维，其中，单纤丝或复纤丝的特征在于约1dtex/纤丝～约75dtex/纤丝(dpf)的线密度和约7cN/dtex～约20cN/dtex以上的韧度。
在具体实施方式中，本发明提供可通过本文中所述方法获得的经拉制的聚丙烯纤丝或经拉制的聚丙烯复纤丝，其中，纤丝或复纤丝的特征在于约5dtex/纤丝～约25dtex/纤丝的线密度和约10cN/dtex～约15cN/dtex的韧度。
在其它具体实施方式中，本发明提供可通过本文中所述方法获得的经拉制的聚丙烯单纤丝或经拉制的聚丙烯复纤丝或由此衍生的纤维，其中，单纤丝或复纤丝或纤维的特征在于约5dtex/纤丝～约25dtex/纤丝的线密度和约8cN/dtex～约20cN/dtex的韧度。
在具体实施方式中，本发明提供可通过本文中所述方法获得的经拉制的聚丙烯单纤丝或经拉制的聚丙烯复纤丝或由此衍生的纤维，其中，单纤丝或复纤丝或纤维的特征在于使用WAXS和DSC测定技术确定的结晶度为约40％～约60％。
在具体实施方式中，本发明提供可通过本文中所述方法获得的经拉制的聚丙烯单纤丝或经拉制的聚丙烯复纤丝或由此衍生的纤维，其中，单纤丝或复纤丝或纤维的特征在于使用WAXS和DSC测定技术确定的结晶度为约45％～约50％。
在具体实施方式中，本发明提供可通过本文中所述方法获得的经拉制的聚丙烯纤丝或经拉制的聚丙烯复纤丝，其中，纤丝或复纤丝的特征在于约5％～40％的断裂伸长率，例如(但不限于)约10％～约25％的断裂伸长率。
在第三方面，本发明提供可通过本文中所述方法获得的经拉制的聚丙烯纤丝或经拉制的聚丙烯复纤丝的用途，用于生产纤维水泥产品。
在第四方面，本发明提供用于生产纤维水泥产品的方法，所述方法至少包括如下步骤：从纤维材料开始制造纤维水泥产品，所述纤维材料源自可通过本文所述方法获得的经拉制的聚丙烯纤丝。
在第五方面，本发明提供可通过用于生产如本文所述纤维水泥产品的方法获得的纤维水泥产品，所述方法至少包括如下步骤：从纤维材料开始制造纤维水泥产品，所述纤维材料源自可通过本文所述方法获得的经拉制的聚丙烯纤丝。
独立权利要求和从属权利要求列出了本发明的具体特征和优选特征。从属权利要求的特征可适当地与独立权利要求或其它从属权利要求的特征结合，和/或与在上述说明书和/或下文中列出的特征结合。
本发明的上述和其它特性、特征和优点会在下文详细说明中结合附图变得显而易见，其通过例子说明本发明的原理。本说明书仅为了举例，而不是限制本发明的范围。下述引用的参考图是指附图。
附图的简要说明
图1是单纤丝挤出生产线的示意图。
(1)挤出机设备
(2)进口
(3)喷丝头
(4)纤丝
(5)液浴
(6)辊
(7)烘箱
(8)牵引辊
(9)第一牵引辊
(10)最终牵引辊
在不同附图中，相同的附图标记表示相同、相似或类似的元件。
示例性实施方式的描述
本发明将描述具体实施方式。
应注意，权利要求中使用的术语“包含”不应解释为被限制为其后列出的部分，其不排除其它部件或步骤。因此，其应被理解为指出所述特征、步骤或组分的存在，但这并不排除一种或多种其它特征、步骤或组分或其组合的存在或添加。因此，表述"包括部件A和B的装置"不应被限制为所述装置仅由部件A和B构成。其表示对于本发明，所述装置的相关部件仅为A和B。
整个说明书中，参考“一个实施方式”或“一种实施方式”。这样的参考表示在相关实施方式中描述的具体的特征包含在本发明的至少一个实施方式中。因此，在说明书中各处出现的短语“在一个实施方式中”或“在一种实施方式中”不一定全部都涉及同一个实施方式，虽然它们可能会涉及同一个实施方式。此外，具体特征或特性可以任何合适的方式在一个或多个实施方式中结合，这对于本领域普通技术人员而言是显而易见的。
提供下述术语仅用于帮助理解本发明。
除非上下文另外清楚地说明，否则，本文所用的单数形式一个摂、一种摂以及该“/所述包括单数和复数指代。”
本文所用的术语“包含”、“包括”和“由……组成”与“含有”、“蕴含”或“涵盖”、“囊括”同义，为封闭式或开放式表述，并不排除其它未列举的要素或方法步骤。
用端点列举的数值范围包括归入相应范围内的所有数值和部分，以及列举的端点。
本文中使用的术语“约”当用作定量值如参数、含量、持续时间等时是指包括特定值的+/-10％或更少，优选为+/-5％或更少，更优选为+/-1％或更少，更优选为+/-0.1％或更少的变量，所述变量适合于在本发明中使用。应理解，使用“约”的值其自身也是具体且优选被公开的。
在本文中“水泥质产品”或“水泥质材料”中的“水泥质”是指含有水泥的任何产品或材料，例如(但不限于)波特兰水泥、具有高氧化铝含量的水泥、含铁的波特兰水泥、火山灰水泥、矿渣水泥、灰泥、通过热压(autoclave)处理形成的硅酸钙、和特定粘合剂的组合。在更优选的实施方式中，本发明产品中的水泥是波特兰水泥。
本文中使用的术语“纤维水泥产品”是指至少包含纤维和水泥的产品。在本发明上下文中使用的纤维水泥产品还可以进一步包含其它成分，例如(但不限于)：石灰石、白垩、生石灰、熟石灰或消石灰、研磨砂、硅砂粉、石英粉、无定形二氧化硅、冷凝硅灰(condensedsilica fume)、氧化硅微粉、偏高岭石、硅石灰、云母、珍珠岩、蛭石、氢氧化铝、颜料、消泡剂、絮凝剂和其它添加剂。
本文中使用的术语“纤维增强水泥产品”是指至少包含增强纤维和水泥的产品。在本发明上下文中使用的纤维增强水泥产品还可以进一步包含其它非增强纤维(也称为“加工纤维”)以及其它成分，例如(但不限于)：石灰石、白垩、生石灰、熟石灰或消石灰、研磨砂、硅砂粉、石英粉、无定形二氧化硅、冷凝硅灰、氧化硅微粉、偏高岭石、硅石灰、云母、珍珠岩、蛭石、氢氧化铝、颜料、消泡剂、絮凝剂和其它添加剂。
本文所用术语“纤丝”是指无休止的聚丙烯纤维。
本文所用的术语“单纤丝”指从熔体挤出或纺丝为单一纤丝(individualfilament)的纤丝。亦即，虽然挤出的纤丝可以经过挤出后加工(例如，骤冷、干燥、牵拉、热加工、精修等)，所述纤丝从熔体以单个的形式初始挤出或纺丝。
本文所用的术语“复纤丝”指从熔体挤出或纺丝为多根纤丝的众多纤丝。亦即，虽然挤出的众多纤丝可以经过挤出后加工(例如，骤冷、干燥、牵拉、热加工、精修等)，所述多根纤丝同时从熔体(即以其多根的形式)初始挤出或纺丝。
在本发明上下文中使用的术语“纤维”或“短纤维”是指切为、断裂为、或撕裂为一定长度、即短纤维长度(staple length)的纤丝。
本文所用术语“(短)纤维长度”是指任何组成的一组(短)纤维的平均长度。对于切断合成纤维，例如聚丙烯纤维，(短纤维)长度是指这些纤维被切断的不连续长度(discretelength)，并因此对于存在于组中的各纤维是相同的。对于断裂或撕裂的合成纤维，例如聚丙烯纤维，(短纤维)长度是指断裂或撕裂这些纤维的平均长度。
在本发明上下文中，术语“聚丙烯”意图包括含有丙烯单体的任何聚合组合物，例如均聚物或与其它聚烯烃、二烯、或其它单体(例如乙烯、丁烯等)的共聚物。该术语还意图包括任何不同的构型和组成单体的排列(例如间同立构、全同立构等)。因此，本文中用于纤丝、单纤丝、复纤丝或纤维的术语意图包括聚丙烯均聚物或共聚物的无尽拉伸纤丝(endless stretches)、实际长束(strand)、线(threads)等。
在文本中使用的术语“成核剂”通常是能够提供成核位置使得在聚丙烯从熔融态转变为固体结构期间形成聚丙烯晶体的任何材料。通常，在文本中使用的术语“成核剂”是指在聚丙烯从熔融态转变为固体结构期间促进或增加聚丙烯结晶速率的试剂。示例性的成核剂非限制性列表包括：例如本领域众所周知的二亚苄基山梨糖醇成核剂，例如二亚苄基山梨糖醇(DBS)、单甲基二亚苄基山梨糖醇例如1,3:2,4-双(对甲基亚苄基)山梨糖醇(p-MDBS)、二甲基二亚苄基山梨糖醇例如1,3:2,4-双(3,4-二甲基亚苄基)山梨糖醇(3,4-MDBS)等。其它合适的成核剂可以包括苯甲酸钠，磷酸酯盐、例如日本旭电化公司(AsahiDenka of Japan)研发的NA-11和NA-21，或者南卡罗来纳州的美利肯化学公司(MillikenChemical)研发的超成核剂(hyper nucleating agent)例如Hyperform(R)HPN-68L。
下面，参考各种实施方式对本发明进行更具体的说明。应当理解各实施方式以实施例的方式提供，并且并不是对于本发明范围的限制。在这方面，对本领域的技术人员显而易见的是，可以在不偏离本发明的范围或精神的情况下对本发明进行各种修改和变化。例如，作为一个实施方式的部分描述或说明的特征可以用于另一实施方式，从而再获得另外一种实施方式。因此，本发明意图使本文覆盖这些实施方式的修改和变动，只要这些修改和变动包含在所附权利要求和其等同内容的范围之内。
在第一方面中，本发明提供用于生产聚丙烯纤丝的方法。特别是，本发明的方法能够生产特定类型聚丙烯纤丝，其具有有利特性例如高纤维密度、高纤维强度和高纤维伸长百分率的独特组合。
本发明人发现可通过本发明方法获得的以及/或者具有如上所述特定特征组合的纤丝或纤维特别合适用于在生产纤维水泥产品中使用，并由此用于对水泥质产品、例如(但不限于)平板或波纹纤维水泥片进行增强。
参考图1，描述本发明所公开方法的一个实施方式。根据所描述的实施方式，可以向挤出机设备(1)提供基于聚丙烯的熔体。实际上，在根据本发明的方法中，第一步包括：形成包含至少一种聚丙烯的熔融的聚丙烯组合物。随后，在第二步中，熔融聚合组合物通过喷丝头挤出以形成聚合组合物的单纤丝或复纤丝。
通常，在本发明方法中可以使用适用于形成经拉制的纤丝或纤维的任何聚丙烯。
例如，适用于本发明的聚丙烯通常是任何标准熔融流体。例如，在一个实施方式中，熔体流动速率(MFR；根据表示ISO1133测定)为约0.5～约30的标准挤出级聚丙烯树脂可以用于形成本发明的纤丝或纤维。在某些特定实施方式中，可以使用MFR为约0.5～约25的聚丙烯。在某些更优选实施方式中，用于形成经拉制的纤丝或纤维的聚丙烯的MFR为约0.5～约26，包括约0.5～约8，例如约0.5～约7，例如特别是约0.5～约6。在其它特定实施方式中，用于形成经拉制的纤丝或纤维的聚丙烯的MFR为约0.5～约2.8，流入约0.5～约2.0。
在本发明的特定实施方式中，在本发明方法中用于形成经拉制的纤丝或纤维的聚丙烯材料是高分子量聚丙烯。因此，在特定实施方式中，在本发明方法中使用的聚丙烯材料的分子量为约200.000克/摩尔以上，例如约250.000克/摩尔以上，特别是约300.000克/摩尔以上，例如更优选约350.000克/摩尔以上，例如约400.000克/摩尔，至少约500.000克/摩尔或至少约600.000克/摩尔，例如至少约700.000克/摩尔的分子量。
在本发明方法的特定实施方式中，发明人发现当使用平均分子量约180.000克/摩尔～190.000克/摩尔且分子量多分散性指数约2.6的聚丙烯原材料时，在工艺保持高度稳定的同时，整体聚丙烯纤丝生产工艺的速度可增加约30％。
向挤出机分别或同时提供、例如通过入口(2)提供用于形成经拉制的纤丝或纤维的聚合组合物的单独成分。例如，可以单独或同时向挤出机(1)提供粉末形式或颗粒形式的单独成分，例如一种或多种聚丙烯树脂。
在某些特定实施方式中，可以以颗粒形式提供一种或多种聚丙烯树脂，并进料至挤出机(1)的入口(2)。
包含聚丙烯树脂的混合物也可以含有本领域众所周知的各种其它添加剂。
例如，在某些实施方式中，当期望纤丝具有某一颜色时，所述混合物可包含合适的着色剂，例如染料或其它颜料，所述着色剂通过所谓的母料添加到混合物中。可以与混合物组合的其它添加剂可以包括：例如，抗静电剂、抗氧化剂、抗微生物剂、粘合剂、稳定剂、增塑剂、增亮剂化合物、澄清剂、紫外光稳定剂、表面活性剂、气味增强剂或气味预防剂、光散射剂、卤素清除剂等中的一种或多种。此外，如本领域中已知的，添加剂可以通过母料包含于熔体中，或者在某些实施方式中，添加剂可以作为表面处理施加到未牵拉纤维、或者可选地施加到经牵拉的纤维。
在根据本发明方法的具体实施方式中，本发明的聚丙烯纤丝或纤维由聚烯烃共混物形成，所述聚烯烃共混物中的一个是聚烯烃。例如，聚烯烃可以在挤出机设备中与第二聚合物混合。第二聚合物可以是不同的聚丙烯或另一聚烯烃。在某些其他实施方式中，纤丝或纤维的聚合成分是聚丙烯/聚乙烯共混物。在其它具体实施方式中，其他聚合物可以与聚丙烯共混。例如，在一个具体实施方式中，本发明的聚丙烯纤丝或纤维由聚丙烯/环状聚烯烃共混物形成。
在本发明方法的具体实施方式中，挤出机设备(1)可以是本领域众所周知的熔融纺丝设备。例如，聚丙烯树脂、可选地一种或多种其它聚烯烃、以及任何其它期望的添加剂可以放置在进料斗中，该进料斗将树脂进料至系统中。随后，在加热器逐步升高温度的同时，通过旋转的螺杆将树脂颗粒推入筒中。在旋转的螺杆末端，获得熔融聚合物。熔融混合物的形成通常在一温度、例如在约175℃～约325℃的温度下进行，以便确保基本所有的聚丙烯熔融。
在熔融的聚合物混合物形成后，在压力下将其输送到挤出机设备(1)的喷丝头(3)，在此能够通过喷孔、开口、或孔挤出以形成聚丙烯纤丝(4)。如上所述，在单纤丝或复纤丝的后处理期间，混合物可以挤出为例如片状取向或柱状取向的单纤丝或复纤丝，并通过切割、切片、或拉断成为单独的纤维。
喷丝头(3)通常加热到在防止成型期间纤丝(4)断裂的同时使得熔融聚合物挤出的温度。在某些具体实施方式中，喷丝头(3)加热到与形成熔融聚合物相同的温度，例如约175℃～约325℃的温度。在其它具体实施方式中，喷丝头(3)在挤出工艺期间可以加热到约220℃～约300℃的温度。然而，在替代实施方式中，喷丝头(3)可以是不同的温度，例如，比形成熔融聚合物温度更低或更高的温度。
在其它具体实施方式中，升高温度随着混合物从进料斗进入旋转螺杆，并进入至喷丝头的过程进行。在具体实施方式中，混合物在挤出之前可通过数个区：例如，第一区，其中温度相对较低，例如约75℃～约150℃；第二区，其中温度为约125℃～约175℃；以及在喷丝头处的第三区，其可选地同时包括在其上挤出熔体的纺丝头(spin head)和纺丝模头(spin die)，其可以保持在约175℃至约325℃的温度。
在本发明加工期间，挤出聚合物的一个或多个喷丝头喷孔、开口或孔的最大横截面距离(例如，在圆喷孔的特定情况下的直径)通常小于约1.0mm。例如，在一个实施方式中，喷丝头喷孔的最大横截面距离可以是约0.1mm～约0.5mm，例如约0.1mm～约0.3mm，包括约0.1mm～约0.25mm。
根据本发明，聚合物通过喷丝头以相对高产量挤出。随着每一孔的聚合物产量进一步增加，通过纤维韧度和模量的显著降低可以在该过程中检测到过大的剪切。具体的过度剪切产量通常可以根据具体的流出材料、喷丝头孔径尺寸以及流出温度中的一种或多种而变化。对于特定系统和材料以及获得该材料的方法的过度剪切产量值对于本领域技术人员而言是已知的。
在某些具体实施方式中，在此参考图1，在挤出之后，聚丙烯纤丝(4)在温度为约5℃～50℃、例如优选约45℃的液浴(5)中骤冷，并通过辊(6)引导。其中挤出的纤丝进行骤冷的液浴(5)可以是聚合物不溶于其中的液体。例如，液体可以是水、乙二醇、或任何本领域常规已知的合适液体。在其它具体实施方式中，在骤冷步骤期间，液浴温度为约30℃～约50℃、例如(但不限于)约35℃～约45℃。
在根据本发明方法的某些具体实施方式中，液浴表面和喷丝头表面之间的距离为约5mm～约200mm，例如优选约5mm～约160mm。在其它具体实施方式中，液浴表面和喷丝头表面之间的距离为约5mm～约100mm。
在其它具体实施方式中，液浴表面和喷丝头表面之间的距离为约5mm～约10mm，包括但不限于约5～6mm。
在本发明方法的某些其它实施方式中，在挤出步骤和液浴中的骤冷步骤之间，熔融的聚合组合物保持在约100℃～200℃的温度范围。实际上，在本发明的某些具体实施方式中，已经发现在本发明的某些具体实施方式中有利的是：纤丝的空气曝露部分、即在从喷丝头挤出之后通过将温度保持在至少高于约130℃、更优选约150℃～约200℃、最优选约150℃～约180℃、例如约165℃～180℃，来保持无定形状态。例如，在进入液浴(5)之前，纤丝(4)可以通过加热的轴环。
在液浴(5)中可以存在一个或多个辊(6)，以输送纤丝(4)通过浴(5)。在浴(5)中材料的停留时间可以取决于聚合材料中包含的特定材料、特定生产线速度等进行变化。在具体实施方式中，材料在浴(5)中的停留时间为约1秒～约1分钟，例如更优选约1秒～约30秒，例如最优选约1秒～约10秒。在本发明方法的其它具体实施方式中，材料在浴(5)中的停留时间为约1秒～约5秒，例如更优选约1秒～约4秒，例如最优选约1秒～约3秒。在本发明的某些具体实施方式中，材料在浴(5)中的停留时间为约5秒。
在纤丝(4)离开浴(5)处或附近，根据本领域已知的任何工艺从纤丝(4)上去除多余的液体，例如通过使用一系列的压送辊、通过使用真空、使用橡皮刮板的压制工艺、一个或多个气刀等。
在纤丝(4)骤冷后，可以施加任何可选的工艺。
在某些具体实施方式中，在纤丝(4)骤冷后，可选地，纤丝在未施加热的辊上拉伸，即也被称为纤丝(4)的冷拉伸的可选的加工步骤。
在某些其他实施方式中，纤丝可以进行额外的加工步骤，例如添加润滑剂。
在纤丝骤冷和如上所述的可选的其它加工步骤之后，在温度加热至约130℃～180℃之间的同时，对纤丝进行牵拉。
在某些具体实施方式中，纤丝(4)在温度加热至约130℃～约180℃的烘箱(7)中牵拉。根据这些实施方式，如本领域众所周知的，牵引辊(8)在烘箱(7)内或烘箱(7)外。
在替代实施方式中，并且对本领域技术人员显而易见的是，除了使用烘箱作为热源之外，还可以加热牵引辊(8)以使得在加热的同时牵拉纤丝。例如，牵引辊加热至约130℃～约180℃的温度。
根据其他实施方式，纤丝可以在加热至相似温度(即约130℃～约180℃)的热板上牵拉。
因此，应当理解，在本发明上下文中，任何合适的热源都可用于在牵拉期间将纤丝加热到约130℃～约180℃的温度。
根据本发明的某些具体实施方式，纤丝以约9～15的拉伸比(限定为第二或最终牵引辊(10)对第一牵引辊(9)的速度比)。例如，在某些其它实施方式中，其拉伸比为约10～约15，例如(但不限于)约10，特别是约11，更优选约12，更优选约13，例如约14，或者最优选约15。
额外地，如本领域众所周知的，所生产的纤丝可以缠绕在线圈或圆锥体上。
应当理解，除了使用牵引辊之外，可以在纤维上施加力以在骤冷步骤后拉伸纤丝的任何合适的工艺都可以可选地用于牵拉纤丝。例如，可以可选地使用任何机械设备以对纤丝进行牵拉，所述机械设备包括压送辊、牵伸辊、线圈、圆锥体、蒸气发生器、空气喷射、蒸汽喷射或其它气体喷射。
在牵拉步骤后，经拉制的纤丝可以进行冷却。
在某些实施方式中，在冷却经拉制的纤丝之后，可以进行经拉制的纤丝的附加可选加工。
例如，在某些实施方式中，经拉制的纤丝可以进行一个或多个分开的额外牵拉步骤。通常，这些一个或多个分开的牵拉步骤可以在与第一牵拉相似的温度、或高于第一牵拉的温度下进行。例如，在第二、第三、第四等牵拉步骤中使用的加热元件可以加热到比第一牵拉步骤的加热元件高约10℃～约50℃的温度。此外，第二、第三、第四等牵拉的拉伸比通常低于第一牵拉的拉伸比。例如，第二、第三、第四等牵拉以低于约5的拉伸比进行。在某些实施方式中，第二、第三、第四等牵拉以低于约3的拉伸比进行。
任选地，经拉制的纤丝可以进行热定型。例如，纤丝可以放松或实施非常低的拉伸比(例如约0.7～约1.3的拉伸比)、并在短时间(通常低于3分钟，例如低于约1分钟，或者例如低于约5秒)施加约130℃～约150℃温度。该可选的热定型步骤可以用于“锁住”牵拉后的纤丝的结晶结构。此外，这可以降低热收缩，在一些实施方式中这可以是期望的。
在其它实施方式中，经拉制的纤丝可以进行表面处理以改进某些特性，例如润湿性或粘附性。例如，纤丝可以纤纤丝化，经受等离子处理或电晕处理，或者可以包括添加表面纤维上浆，这些都是本领域通常已知的方法。典型地，该方法有助于改进纤维在含水介质(例如水泥基质)中的分散性，和/或改进纤维界面和存在于含水介质(例如水泥基质)中的一种或多种成分之间的相互作用。
在某些实施方式中，经拉制的纤丝绕在卷取辊上。
然而，在其它实施方式中，经拉制的单纤丝或复纤丝可进行进一步加工以形成本发明的(短)纤维，例如，通过将纤丝切断、撕拉或折断为某一长度的纤维。短纤维可以根据本领域常规已知工艺(例如，包括使用金属桨叶、旋转刀等)进行切断、撕拉、折断或由单纤丝或多纤丝形成。
通常，精修纤维包装在袋子中或压成捆，并运输到用于形成第二产品的第二位置。或者，精修纤维可以进料至第二加工生产线，用于进一步加工以形成第二产品，例如(但不限于)纤维水泥产品。
使用本发明的生产方法，本发明人成功地生产了经拉制的聚丙烯纤丝和纤维，其具有独特且有利的物理特性组合，这使得这些纤维适用于在需要高抗冲击性的产品、例如纤维水泥产品中使用。更具体地说，本发明提供了具有高密度、高韧度及高拉伸性的纤丝和纤维，这使得它们极其出色地用于在通常需要抗重冲击性的材料例如纤维水泥产品中使用。
因此，在第二方面中，本发明提供根据本发明方法可获得的聚丙烯纤丝和纤维。
更具体地说，根据本发明的聚丙烯单纤丝或由此衍生的纤维通常具有约1dtex(每纤丝)～约75dtex(每纤丝)的牵拉线密度(drawn linear density)。在具体实施方式中，根据本发明的单纤丝和由此衍生的纤维具有约1dtex(每纤丝)～约50dtex(每纤丝)的牵拉线密度。在其它具体实施方式中，根据本发明的单纤丝和由此衍生的纤维具有约1dtex(每纤丝)～约30dtex(每纤丝)的牵拉线密度。在其它具体实施方式中，根据本发明的单纤丝和纤维具有约10dtex(每纤丝)～约25dtex(每纤丝)的牵拉密度。
此外，根据本发明的聚丙烯多纤丝和由此衍生的纤维通常具有约1dtex(每纤丝)～约75dtex(每纤丝)的牵拉线密度，例如约1dtex(每纤丝)～约50dtex(每纤丝)，例如特别是约1dtex(每纤丝)～约30dtex(每纤丝)。在具体实施方式中，根据本发明的复纤丝和由此衍生的纤维具有约1dtex(每纤丝)～约25dtex(每纤丝)的牵拉线密度。在其它具体实施方式中，根据本发明的复纤丝或由此衍生的纤维具有约1dtex(每纤丝)～约20dtex(每纤丝)的牵拉线密度。在其它具体实施方式中，根据本发明的复纤丝或由此衍生的纤维具有约5dtex(每纤丝)～约20dtex(每纤丝)的牵拉线密度。
在本发明的具体实施方式中，如本文所设想的，线密度降低、韧度增加且基质界面相互作用增加的纤丝和纤维优选用于在生产纤维水泥产品和纤维混凝土产品中使用。
此外，根据本发明的单纤丝、复纤丝和由此衍生的纤维具有使用Textechno公司的“Favimat”测试机测定的约7～15cN/dtex以上的高韧度。
实际上，纤丝的机械特性通过FAVIMAT装置(Textechno)使用50mm的标距长度在20℃进行测试。力相对伸长的曲线以10mm/分钟、随后50mm/分钟的十字头速度进行，以确定线密度，随后确定其它拉伸性能(模量、拉伸强度、和断裂伸长百分率)。
在具体实施方式中，本发明的纤丝和纤维的韧度为约7cN/dtex～约15cN/dtex，例如约8cN/dtex～约15cN/dtex，更优选约9cN/dtex～约15cN/dtex，最优选约10cN/dtex～15cN/dtex。因此，在具体实施方式中，本发明的纤丝和纤维的韧度为约10cN/dtex以上，例如约11cN/dtex以上，包括约12cN/dtex以上，优选约13cN/dtex以上，更优选约14dtex以上，最优选约15、约16、约17、约18、约19、或约20cN/dtex以上。
此外，本发明的纤丝或纤维具有高模量，通常大于约50cN/dtex。在具体实施方式中，本发明的纤丝和纤维的模量大于约60cN/dtex，例如更优选大于约80cN/dtex，例如最优选大于约100cN/dtex，例如大于约150cN/dtex，最优选大于约160cN/dtex。在某些具体实施方式中，根据本发明的纤丝和纤维呈现约100cN/dtex～约150cN/dtex的模量。
此外，本发明经拉制的纤丝和纤维呈现出特定的伸长特性。
纤丝的机械特性通过FAVIMAT装置(Textechno)使用50mm的标距长度在20℃进行测试。力相对伸长的曲线以10mm/分钟、随后50mm/分钟的十字头速度进行，以确定线密度，随后确定其它拉伸性能(模量、拉伸强度、和断裂伸长率)。
例如，本发明的纤丝和纤维呈现约1％～约50％、例如约5％～约50％的(断裂)伸长率。在其它具体实施方式中，本发明的纤丝和纤维呈现约5％～约40％、例如约5％～约30％的(断裂)伸长率。在某些其它具体实施方式中，本发明的纤丝和纤维呈现约10％～约30％、例如约10％～约25％、例如更优选约10％～约20％的(断裂)伸长率。
与以前已知的其它聚丙烯纤丝相比，相信本发明的纤丝和本发明的纤维还具有独特的结晶结构。存在数个广泛接受的测定取向的聚合物系统中分子取向的方法，其中有光或X射线散射、吸收测测、机械性能和分析等。定量方法包括：宽角X射线散射(WAXS)、小角X射线散射(SAXS)、以及差示扫描量热法(DSC)。
通过使用WAXS技术，所公开的纤丝和纤维显示出中度结晶，获得足够高的挠性、以及足够高的拉伸强度，这些特性是这些纤丝和纤维用于如本文进一步公开的纤维水泥产品中都需要的。特别是，纤丝和纤维使用本领域技术人员已知的WAXS和DSC测定技术确定的结晶度为约40％～约60％，例如约40％～约55％。上述结晶度进一步使得本发明的纤丝和纤维特别适用于纤维水泥应用，特别是生产纤维增强水泥产品和用于对纤维水泥材料进行增强。
本发明的纤丝和/或纤维是基于聚丙烯的材料。在某些实施方式中，如下文详述，用一种或多种聚丙烯均聚物和/或共聚物作为本发明纤丝和/或纤维仅有的聚合成分形成本发明的纤丝和/或纤维。然而，在替代实施方式中，本发明的纤丝和/或纤维用聚丙烯共混物、例如聚丙烯/聚乙烯共混物形成。
在具体实施方式中，本发明的聚丙烯纤丝和纤维使用高全同立构规整度(例如(但不限于)至少90％的全同立构规整度，例如至少94％的全同立构规整度，例如约95％的全同立构规整度)的树脂。
通常，所公开的纤丝和纤维用于为复合结构材料增加强度。根据这些实施方式，当混入复合材料时，纤维能够加强或增强复合材料的结构基体(structural matrix)。
特别是，发现当使用可通过根据本发明的方法获得的纤维作为纤维水泥生产中的原料时，获得了抗冲击性能显著改进的纤维水泥产品。因此，本发明还涉及将本发明纤丝和/或纤维用于纤维水泥产品或材料的方法。
因此，在第三方面，本发明提供通过如本文所公开的经拉制的聚丙烯纤丝或经拉制的聚丙烯纤维的用途，用于生产纤维水泥产品。
由此，根据本发明的某些实施方式，所公开的纤丝和纤维能够有利地用作纤维水泥材料中的增强材料。
或者，在其它实施方式中，在如本文所述生产方法之后，纤丝和纤维在用作纤维灰泥产品的增强材料之前可以进行进一步加工。例如，在用作纤维水泥产品的增强材料之前，本发明的纤维可以是切碎的、原纤化的、平坦的、弯曲的、或本领域中通常已知的其它变形。
在任何这样的期望的后成型工艺之后，纤维可以与混凝土或水泥质材料混合以形成用于形成纤维水泥产品的原纤维水泥材料，所述纤维水泥产品与不包括本发明纤维的纤维水泥产品相比呈现出强度特性改进。
实际上，本发明的其它目的是提供即使在老化后也具有令人满意的抗挠性以及出色的抗冲击性的纤维水泥产品。因此，根据本发明的纤维水泥产品的特征在于这些产品是由根据本发明的聚丙烯纤维开始制造的。
因此，在另一个实施方式中，本发明涉及一种包括本发明纤维的纤维水泥产品。在这方面，本发明的纤维用于增强固化的纤维水泥材料的强度特性。特别是，本发明的纤维功能上改进了纤维水泥材料和含有这些纤维的产品的强度(固化基质抵抗裂纹产生的能力)以及断裂韧度(结构抵抗存在于结构中的裂纹扩展的能力)。
在具体实施方式中，本发明的纤维水泥产品能够包括大量在整个纤维水泥基质中分布的长度相对短的纤维。例如，本发明的纤维水泥产品能够包括大量如本文所述的单纤丝纤维和/或复纤丝纤维，其切断或切碎为约3mm～约50mm、例如约3～约25mm的长度。在某些具体实施方式中，纤维的不连续长度为小于约20mm、更优选小于约15mm，例如最优选约12mm。
在某些实施方式中，在本发明纤维水泥材料生产中，本发明的纤维能够与其它增强纤维结合。例如，一定量的本发明纤维与一定量的本领域已知的一种多多种任意其它类型的增强纤维一起混入本发明的纤维水泥产品中。
其它类型增强纤维的非限制性列表可以包括：例如，钢纤维、碳纤维、凯夫拉(R)(聚对苯二甲酰对苯二胺)纤维、超高分子量聚乙烯纤维、液晶纤维、聚乙烯醇纤维、玻璃纤维、不同线密度和/或韧度的聚丙烯纤维、纤维素纤维例如牛皮纸浆等。
在纤维水泥产品生产中与本发明纤维结合的合适基质材料通常可以是任何在纤维水泥产品生产中常用的基质原料。
因此，在第四方面，本发明提供用于生产纤维水泥产品的方法，所述方法至少包括：从本发明的经拉制的聚丙烯纤丝或经拉制的聚丙烯纤维开始制造纤维水泥产品的步骤。
典型地，在用于生产本发明纤维水泥产品的方法中，可以根据任何本领域通常已知的标准方法对各种起始成分材料进行混合、固化和/或其它处理。
在本发明的上下文中，纤维水泥产品应理解为含有水泥和合成(以及可选地天然)纤维的水泥质产品。所述纤维水泥产品由纤维水泥浆料制得(其以所谓的“生坯”纤维水泥产品形式形成)并随后固化。
一定程度上取决于采用的固化方法，纤维水泥浆料通常含有水、加工纤维或增强纤维(两者可都是合成有机纤维，任选地也可以是天然有机纤维，例如纤维素)、水泥(例如波特兰(Portland)水泥)、石灰石、白垩、生石灰、熟石灰或消石灰、研磨砂、硅砂粉、石英粉、无定形二氧化硅、冷凝硅灰、氧化硅微粉、高岭土、偏高岭石、硅石灰、云母、珍珠岩、蛭石、氢氧化铝(ATH)、颜料、消泡剂、絮凝剂和其它添加剂。加入任选的颜色添加剂(例如颜料)以大规模得到称为着色的纤维水泥产品。
通常使用众所周知的哈谢克法(Hatschek-process)、流浆法(flow-on process)或马格纳尼法(Magnani-process)或它们的组合制备纤维水泥产品，例如纤维水泥板或纤维水泥片或纤维水泥面板。
根据本发明的一些实施方式，可以使用哈谢克法制得未固化的纤维水泥产品。
在生产之后，纤维水泥产品随后在形成纤维水泥产品的环境中随时间推移而固化，或者可选地进行热固化(例如通过热压处理(autoclaving)等)。
在具体实施方式中，在通过哈谢克法(或流浆法或马格纳尼法或它们的组合)进行制造之后，所述“生坯”纤维水泥产品通常通过在空气中固化(空气固化的纤维水泥产品)或在压力下在水蒸汽存在下和升高的温度中固化(热压固化(autoclave crued))来进行固化。对于热压固化的产品，典型地，在原始纤维水泥浆料中加入砂。所述热压固化通常导致在所述纤维水泥产品中存在(埃)的雪硅钙石(Tobermorite)。
在其它具体实施方式中，在通过哈谢克法(或流浆法或马格纳尼法或它们的组合)进行制造之后，“生坯”纤维水泥板可首先在空气中预固化，随后将预固化的产品进一步空气固化直到其具有最终强度，或用压力和蒸汽进行热压固化，以给予产品其最终性质。
固化后，成为面板、片或板的纤维水泥产品可仍然包含显著重量的水，呈现潮湿状。其湿度可高达10％w，甚至是15％w，相对于干燥产品单位重量表示。干燥产品的重量定义为：当在105℃于通风炉中干燥产品、直到获得恒定重量时的产品重量。
在某些实施方式中，纤维水泥产品是经干燥的。优选通过空气干燥进行所述干燥，并当纤维水泥产品的湿度重量百分含量(相对单位重量干燥产品表示)小于或等于8重量％，甚至小于或等于6重量％，最优选为4重量％～6重量％(包括端值)时终止干燥。
在第五方面中，本发明提供通过该方法可获得的纤维水泥产品。
本文中所指的纤维水泥产品包括由纤维水泥制成的覆盖屋顶或墙的产品，例如，纤维水泥瓦、纤维水泥石板(slates)、纤维水泥覆面(fibre cement sidings)、纤维水泥板(boards)、平板纤维水泥片、波纹纤维水泥片等。
根据具体实施方式，根据本发明的纤维水泥产品可以是屋顶或外墙元件、平板片或波纹片。
在某些其它实施方式中，本发明的聚丙烯纤维特别适用于生产波纹纤维水泥片。
根据其它具体实施方式，本发明的纤维水泥产品具有如下的形状：管子、贮罐元件或任意其它形状的其它纤维水泥物体。
根据其它具体实施方式，本发明的纤维水泥产品可以是纤维水泥片、特别是或波纹纤维水泥片。
此处所用的片也称为面板或板，应理解为平板，常规矩形元件，由纤维水泥材料提供的纤维水泥面板或纤维水泥片。面板或片具有两个主要面或表面，所述主要面或表面是有最大表面积的表面。所述片可用于提供用于建筑或建筑物的内部和外部的墙体的外表面，例如外墙板、覆面(siding)等。
根据本发明的一些实施方式，纤维水泥产品可以是空气固化的纤维水泥产品，例如空气固化平板片、或空气固化波纹片。
与使用不同于本发明纤维的增强材料的现有已知纤维水泥产品相比，本发明的纤维水泥产品呈现出改进的结构特性。
不受限于具体理论，通过纤维水泥产品呈现的改进的增强性能相信主要是由于单个纤维的机械特性改进，即密度、韧度、弹性、模量等，而且还由于这些机械特性导致纤维之间的优化纠缠，并由此改进这些纤维混入其中的纤维水泥材料的强度和抗冲击性。此外，本发明的纤维还具有在固化的纤维水泥产品内的优化纠缠，并由此与包含现有已知纤维增强材料的纤维水泥材料相比，这些产品还能呈现出改进的断裂韧度。
相对于纤维水泥产品的总重量，本发明的纤维水泥产品包含约0.1～约5重量％、例如特别是约0.5～约4重量％的纤维，例如，更优选约1～3重量％的纤维。
根据具体实施方式，根据本发明的纤维水泥产品的特征在于：除了本发明的聚丙烯纤维织物，其包含约0.1重量％～约5重量％的其它增强纤维、例如纤维素纤维或其它无机或有机增强纤维。在具体实施方式中，有机纤维选自下组：聚乙烯醇聚丙烯腈纤维、聚乙烯、纤维素纤维(例如，木浆、或人造牛皮纸浆(annual kraft pulp))、聚酰胺纤维、聚酯纤维、芳族聚酰胺纤维和碳纤维。在其它具体实施方式中，无机纤维选自下组：玻璃纤维、岩棉纤维、渣棉纤维、硅灰石纤维、陶瓷纤维等。
在其它具体实施方式中，以重量％计，本发明的纤维水泥产品可以包含纤维化微纤维(fibrils fibrids)，例如约0.1～0.3重量％的聚烯烃纤维化微纤维，例如“合成木浆”。
根据某些具体实施方式，本发明的纤维水泥产品包含20～95重量％的纤维作为水硬性粘结剂。在本发明产品中的水泥选自下组：波特兰水泥、具有高氧化铝含量的水泥、含铁的波特兰水泥、火山灰水泥、矿渣水泥、灰泥、通过热压处理形成的硅酸钙、和特定粘合剂的组合。在更优选的实施方式中，本发明产品中的水泥是波特兰水泥。
根据具体实施方式，根据本发明的纤维水泥产品可选地包含其它成分。在本发明纤维水泥产品中的这些其它成分可以选自下组：飞灰、无定形二氧化硅、研磨石英、石屑、粘土、颜料、偏高岭石、高炉矿渣、碳酸钙、白榴火山灰、氢氧化铝、硅灰石、云母、珍珠岩、碳酸钙等。相比于组合物的总初始干重量，该其它成分的总量优选低于70重量％。
可以存在于本发明纤维水泥产品的其它添加剂可以选自下组：分散剂、塑化剂、消泡剂和絮凝剂。相比于组合物的总初始干重量，添加剂的总量优选为约0.1重量％～约1重量％。
可以存在于本发明纤维水泥产品中的其它成分可以选自下组：水、砂、二氧化硅砂粉、冷凝硅灰、氧化硅微粉、高岭土、偏高岭石、硅石灰、云母、珍珠岩、蛭石、氢氧化铝(ATH)、颜料、消泡剂、絮凝剂和/或其它添加剂(例如，着色添加剂)，取决于具体纤维水泥产品的类型，这些其它成分中的每一个以合适量存在，并且每一成分可以由本领域技术人员确定。
在其它具体实施方式中，根据本发明的纤维水泥产品是纤维混凝土产品，其进一步包含选自下组的至少一种：砾石、砂、石粉、和碎石。
本发明的纤维水泥产品的特征在于：即使在曝露于二氧化碳期间进行老化后，也具有高夏比抗冲击性能(根据标准ISO180或ASTM D256测定)。此外，根据本发明的产品具有高挠曲模量。
因此，与包含相同或者甚至更高纤维负荷值下相似或甚至更长增强纤维的现有已知纤维水泥材料相比，本发明的纤维水泥产品呈现出约4kJ/m2～约7kJ/m2、例如约5kJ/m2～约6kJ/m2的改进的夏比抗冲击性能(在空气干燥样品上用已知的夏比冲击试验进行测定)。
此外，即使在老化(可以通过大量CO2处理进行实验室模拟)后，与包含相同或者甚至更高纤维负荷值下的相似或甚至更长增强纤维的现有已知纤维水泥材料相比，本发明的纤维水泥产品呈现出约3kJ/m2～约6kJ/m2、例如约4kJ/m2～约5kJ/m2的改进的夏比抗冲击性能(在空气干燥样品上用已知的夏比冲击试验进行测定)。
现在参考以下实施例进一步详细描述本发明。
应理解，虽然已讨论了优选实施方式和/或材料用于提供根据本发明的实施方式，但可对本发明做出各种修改或改变而不偏离本发明的范围和构思。
实施例
应当理解，用于说明目的的以下实施例，不应理解为限制本发明的范围。虽然上文已经详细描述了本发明的一些示例性实施方式，但是本领域技术人员将容易理解在并未实质上偏离本发明的新的启示和优势的情况下，示例性实施方式中许多修改是可能的。因此，所有这类修改旨在包括于以下权利要求及其等价形式限定的本发明的范围内。进一步，可以理解许多实施方式不能获得某些实施方式的所有优点，但是不存在特定优点不应被解释为必然意味着这样的实施例在本发明的范围之外。
实施例1：低温液体骤冷对聚丙烯纤维机械性能的影响
研究分子量(Mw)约400.000g/摩尔的全同立构聚丙烯纤维。
1.1方法和材料
1.1.1根据本发明方法生产聚丙烯纤维
以约230℃～约270℃的挤出温度以及平均约250℃的模头区域温度，实施聚丙烯的熔融纺丝(如本领域通常已知的)。
通过由计量泵施加液压的喷丝头挤出聚丙烯制造复纤丝。在纺丝后，经挤出的纤丝在约20℃～45℃的不同温度的水浴中进行骤冷。在骤冷后，以约4～约10m/min速度的变速导纤丝辊引取纤丝，并在约150℃的温度牵拉，并使用缠绕机缠绕在管上。
使用具有直径0.3mm孔和4的L/D的纺丝板。
1.1.2根据本发明方法生产的聚丙烯纤维的表征
11个样品纤维的机械性能(即，模量、拉伸强度和断裂伸长率)是以200cN容量的荷重传感器、在20℃下使用Favimat试验机(用于单个纤维的自动线密度和拉伸试验仪，公司：Textechno)进行测量(参见表2)。
1.2结果
表1显示纤维性能(线密度、韧度和模量)与在生产过程中骤冷步骤期间使用的液浴温度之间的关系。表2中的结果表示来自数个样品测试的平均值。
用如上所述方法，获得了线密度约4detx(每根纤丝)～约30detx(每根纤丝)的聚丙烯纤维。
此外，观察到相对于在20℃进行空气骤冷，纤维的韧度在用20℃的水进行液体骤冷的情况下更高。
此外，本发明人发现，虽然本领域中已知的骤冷步骤通常在远高于50℃的温度下进行，足以令人惊讶地是，当在5℃～50℃、更优选约20℃～30℃、最优选约20℃的低液体骤冷温度下进行生产加工时，纤维的韧度增加(参见表1)。
表1.在不同骤冷条件下根据本发明获得的纤维的机械性能
1.3结论
在本发明中，显示出在温度为约20℃～约40℃的液体骤冷有利地有助于根据本发明生产的纤维的机械性能、特别是韧度。
实施例2：用于骤冷的液浴表面和喷丝头表面之间的距离对聚丙烯纤维机械性能 的影响
研究分子量(Mw)约400.000g/分子的全同立构聚丙烯纤维。
2.1方法和材料
2.1.1根据本发明方法生产聚丙烯纤维
以约230℃～约270℃的挤出温度以及平均约250℃的模头区域温度，实施聚丙烯的熔融纺丝(如本领域通常已知的)。
通过由计量泵施加液压的喷丝头挤出聚丙烯制造复纤丝。在纺丝后，经挤出的复纤丝在温度约45℃～45℃的水浴中进行骤冷。
特别是，研究用于骤冷的液浴表面和喷丝头表面之间的距离对聚丙烯纤维机械性能的影响。
在一系列实验中，水浴表面和喷丝头表面之间的距离为约5-6mm，而在另一系列实验中，水浴表面和喷丝头表面之间的距离为约100mm。
在骤冷后，以设定速度的变速导纤丝辊引取纤丝，并在约150℃的温度牵拉，并使用缠绕机缠绕在管上。
使用具有直径0.3mm孔和4的L/D的纺丝板。
2.1.2根据本发明方法生产的聚丙烯纤维的表征
对于各实验条件，11个样品纤维的机械性能(即，模量、拉伸强度和断裂伸长率)是以200cN容量的荷重传感器、在20℃下使用Favimat试验机(用于单个纤维的自动线密度和拉伸试验仪，公司：Textechno)进行测量的(参见表2)。
2.2结果
表2显示纤维性能(线密度、韧度和模量)与用于骤冷的液浴表面和喷丝头表面之间的关系。表2中的结果表示来自数个样品测试的平均值。
用如上所述方法，获得了约9detx(每根纤丝)～约30detx(每根纤丝)的高线密度聚丙烯纤维。
此外，观察到如果液浴表面和喷丝头表面之间的距离较大，则纤维的韧度和伸长率都较高(参见表2)。
表2.在用于骤冷的液浴和喷丝头表面之间不同距离的情况下根据本发明获得的纤维的机械性能
2.3结论
在本发明中，显示出在温度为约20℃～约40℃的液体骤冷有利地有助于根据本发明生产的纤维的机械性能、特别是韧度。
实施例3：使用本发明聚丙烯制造的纤维水泥产品的抗冲击性能
如上述实施例1所述的全同立构聚丙烯纤维(表1中编号1～6)用于纤维水泥的生产。
3.1方法和材料
3.1.1在小型哈谢克机器上生产纤维水泥
通过根据实验过程的哈谢克技术制造水泥质产品，所述实验过程复制了通过工业方法获得产品的主要性能。如上述实施例1所述的聚丙烯纤维(表1中编号1～6)用作基质原料的增强材料。
纤维水泥片在50℃硬化一整晚，并且然后在室温下在塑料保护盖板下硬化14天。
3.1.2夏比抗冲击性能的测定
根据标准ASTM D-256-81，在15mm*120mm的空气干燥小型哈谢克样品上，使用设备Zwick DIN 5102.100/00、以及100mm的跨距，测定夏比抗冲击性能。
在生产后两周，10个小型哈谢克样品以两个方向(机器方向和与此垂直的方向)进行测定。
在60℃和90％相对湿度的600L烘箱中，以1,5 1 CO2/分钟注入CO2，老化24小时后，再次测定相同样品的抗冲击性能。CO2浓度范围从调节开始的7％到调节结束的12％。
3.2结果
表3显示出相对于使用表1中所列聚丙烯纤维(实施例1)制造的纤维水泥产品的夏比抗冲击性能获得的结果。表3中的结果表示来自数个样品测试的平均值。观察到相对于在20℃进行空气骤冷，所获得纤维水泥产品的夏比抗冲击性能在用20℃的水进行液体骤冷的情况下更高。
此外，本发明人发现，虽然本领域中已知的骤冷步骤通常下远高于50℃的温度下进行，足以令人惊讶地是，当在5℃～50℃、更优选约20℃～30℃、最优选约20℃的低液体骤冷温度下进行生产加工时，所获得的纤维水泥产品的夏比抗冲击性能似乎是最好的(参见表3)。
此外，表3显示出所获得的纤维水泥产品在生产后立即具有改进的抗冲击性、同时当老化后(在二氧化碳饱和碳酸化(carbonatation)后)也具有改进的抗冲击性。
表3.使用不同骤冷条件下生产的聚丙烯纤维而获得的纤维水泥产品的夏比抗冲击性能
3.3结论
综上所述，显然，由根据本发明的聚丙烯纤维开始制造的纤维水泥产品显示出与抗冲击性有关的性能得以改进。
实施例4：使用室温的液体骤冷步骤的聚丙烯纤维的分子量对韧度的影响
研究分子量(Mw)约200.000g/分子～400.000g/分子的三种不同全同立构聚丙烯纤维。
4.1方法和材料
4.1.1根据本发明方法生产聚丙烯纤维
以约230℃的挤出温度以及模头区域温度，实施聚丙烯的熔融纺丝(如本领域通常已知的)。
通过由计量泵施加液压的喷丝头挤出聚丙烯制造纤维。在纺丝后，经挤出的纤丝在室温(即，约20℃)的水浴中进行骤冷。在骤冷后，以设定速度的变速导纤丝辊引取单纤丝，并在约150℃的温度牵拉，并使用缠绕机缠绕在管上。
使用两种类型的纺丝板，即直径0.5mm的8喷孔喷纤丝板、以及直径0.4mm的36喷孔喷纤丝板。
4.1.2根据本发明方法生产的聚丙烯纤维的表征
纤丝的机械特性通过FAVIMAT装置(Textechno)以200cN容量的荷重传感器、使用50mm的标距长度在20℃进行测试。力相对伸长的曲线以10mm/分钟、随后50mm/分钟的十字头速度进行，以确定线密度，随后确定其它拉伸性能(模量、拉伸强度、和断裂伸长率)(参见表1)。
4.2结果
在20℃的恒定液体骤冷温度下拉伸比和分子量对聚丙烯纤维性能的影响汇总在表4。
特别是，表4显示出一方面纤维的线密度、韧度和模量与另一方面2种聚丙烯纤维(一种具有高溶体流动指数(MFI)、以及另一种具有低熔体流动指数(MFI))的拉伸比之间的关系。表4中的结果表示来自数个样品测试的平均值。
由表4可见，对于具有高熔体流动指数和具有低熔体流动指数的两种类型聚丙烯，分别获得了具有约25(每纤丝)和约37dtex(每纤丝)的高线密度聚丙烯纤维。
此外，表1显示出，当比较编号2(高MFI)至编号8(低MFI)时，对于提供的相似线密度，使用高分子量(并由此具有低MFI)获得的韧度高于在低分子量聚丙烯(即，高MFI)情况下获得的韧度。
4.3结论
综上所述，根据本发明方法生产的聚丙烯纤维的性能与聚丙烯的分子量有关。
表4.在不同熔融纺丝条件下根据本发明获得的纤维的机械性能
实施例5：使用本发明聚丙烯制造的纤维水泥产品的抗冲击性能
根据本发明方法制造的全同立构聚丙烯纤维用于生产纤维水泥波纹片。
5.1方法和材料
5.1.1在小型哈谢克机器上生产纤维水泥
通过根据实验过程的哈谢克技术制造水泥质产品，所述实验过程复制了通过工业方法获得产品的主要性能。根据本发明方法以五个独立批次制造的聚丙烯纤维用作基质原料的增强材料。此外，生产用市售可购得聚丙烯纤维(Daiwabo D120-PP)增强的对照样品。
纤维水泥片在50℃硬化一整晚，并且然后在室温下在塑料保护盖板下硬化14天。
5.1.2夏比抗冲击性的测定
根据标准ASTM D-256-81，在15mm*120mm的空气干燥小型哈谢克样品上，使用设备Zwick DIN 5102.100/00、以及100mm的跨距，测定夏比抗冲击性。
在生产后两周，小型哈谢克样品的抗冲击性能以两个方向(机器方向和与此垂直的方向)进行测定。
5.2结果
表5显示出相对于根据本发明生产的聚丙烯纤维制造的纤维水泥产品的夏比抗冲击性、以及使用市售可购得聚丙烯纤维(Daiwabo D120-PP)制造的对照纤维水泥产品获得的结果。表5中的结果表示来自数个样品测试的平均值。观察到与使用市售可购得聚丙烯纤维(Daiwabo D120-PP)制造的对照纤维水泥产品相比，对于包含根据本发明生产的聚丙烯纤维的纤维水泥产品，所获得的纤维水泥产品的夏比抗冲击性显著更高。
此外，本发明人发现，虽然本领域中已知的骤冷步骤通常下远高于50℃的温度下进行，足以令人惊讶地是，当在35℃～40℃的较低液体骤冷温度下进行生产加工时，所获得的纤维水泥产品的夏比抗冲击性能似乎是最好的(参见表5)。
表5.通过使用根据本发明方法生产的聚丙烯纤维获得的纤维水泥产品的夏比抗冲击性能
5.3结论
综上所述，显然与由市售可得的聚丙烯纤维开始制造的纤维水泥产品相比，由根据本发明的聚丙烯纤维开始制造的纤维水泥产品显示出与抗冲击性有关的性能得以改进。

Claims (15)

1.生产用于对水泥质产品进行增强的经拉制的聚丙烯单纤丝或复纤丝中的至少一种、或由此衍生的至少一种纤维的方法，所述方法包括如下步骤：
(i)形成包含至少一种聚丙烯的熔融聚丙烯组合物；
(ii)通过喷丝头对熔融聚合组合物进行挤出以形成一根聚合组合物的纤丝；
(iii)在温度为约5℃～约50℃的液浴中对挤出的聚丙烯纤丝进行骤冷，其中，所述液浴表面和所述喷丝头表面之间的距离为约5mm～约200mm；以及
(iv)在约130℃～180℃的温度下牵拉所述纤丝，以形成经拉制的聚丙烯纤丝；以及可选地
(v)将所述纤丝切为长度约3mm～约5mm的一种或多种纤维。
2.如权利要求1所述的方法，所述方法在没有成核剂的情况下实施。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述挤出聚丙烯纤丝在所述液浴中的停留时间为约1秒～约5秒。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述液浴温度为约30℃～约50℃。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述液浴表面和喷丝头表面之间的距离为约5mm～约160mm。
6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤(ii)的挤出之后和在步骤(iii)的骤冷之前，熔融聚合组合物保持在约150℃～200℃的温度范围。
7.经拉制的聚丙烯单纤丝或复纤丝或由此衍生的纤维，其用于对水泥质产品进行增强、并且可通过如权利要求1～6中任一项所述的方法获得，其中，所述经拉制的聚丙烯单纤丝或复纤丝或由此衍生的纤维的特征在于使用WAXS和DSC测定技术确定的结晶度为约40％～约60％。
8.如权利要求7所述的经拉制的聚丙烯单纤丝或复纤丝或由此衍生的纤维，其中，所述经拉制的聚丙烯单纤丝或复纤丝或由此衍生的纤维的特征在于使用WAXS和DSC测定技术确定的结晶度为约45％～约50％。
9.如权利要求7或8所述的经拉制的聚丙烯单纤丝或复纤丝或由此衍生的纤维，其特征在于，韧度为约7cN/dtex至约20cN/dtex或更高。
10.如权利要求7～9中任一项所述的经拉制的聚丙烯单纤丝或复纤丝或由此衍生的纤维，其特征在于，线密度为约5dtex/纤丝～约25detx/纤丝，并且韧度为约7cN/dtex～约20cN/dtex。
11.如权利要求7～10中任一项所述的经拉制的聚丙烯单纤丝或复纤丝或由此衍生的纤维，其特征在于，断裂伸长率为约5％～40％。
12.如权利要求7～11中任一项所述的经拉制的聚丙烯单纤丝或复纤丝或由此衍生的纤维，其特征在于，断裂伸长率为约10％～25％。
13.如权利要求7～12中任一项所述的经拉制的聚丙烯单纤丝或复纤丝或由此衍生的纤维的用途，用于生产纤维增强水泥产品和/或用于对水泥质材料进行增强。
14.用于生产纤维增强水泥产品的方法，其至少包括如下步骤：从纤维材料开始制造纤维增强水泥产品，所述纤维材料源自如权利要求7～12中任一项所述的经拉制的聚丙烯单纤丝或复纤丝或由此衍生的纤维。
15.通过如权利要求14所述方法获得的纤维增强水泥产品。
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