CN109023576B - 高界面结合强度建筑增强聚丙烯腈短切纤维及其制备方法和应用 - Google Patents

高界面结合强度建筑增强聚丙烯腈短切纤维及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高界面结合强度建筑增强聚丙烯腈短切纤维及其制备方法和应用，主要解决现有技术存在的增强材料抗压性能差的问题。通过采用一种建筑增强聚丙烯腈短切纤维，由聚丙烯腈基原丝短切制得，其特征在于所述纤维截面周长与等面积圆周长比小于等于3；所述纤维截面为直边多边形、弧边多边形中的一种的技术方案，较好地解决了该问题，具有建筑增强材料抗压性能好的优势，可应用于建筑增强材料的工业生产中。

Description

高界面结合强度建筑增强聚丙烯腈短切纤维及其制备方法和 应用
技术领域
本发明涉及一种高界面结合强度建筑增强聚丙烯腈短切纤维及其制备方法，更具体的说，本发明涉及一种用于高界面结合强度建筑水泥增强聚丙烯腈纤维及其制备方法和应用。
背景技术
水泥材料是建筑材料中广泛使用的一种基材，它具有用途广、施工工艺简单、价格低廉等一系列优势，可制作水泥砂浆、水泥混凝土等建筑材料。随着水泥砂浆、水泥混凝土材料的固化成型，材料中水分逐渐挥发在材料中形成大量细孔，成为材料发生断裂时的缺陷，水泥材料存在易开裂、脆性大等缺点，为水泥材料在生活和工业中的使用带来了很多潜在危险。
在水泥材料中加入有机或无机纤维是一种广泛使用一种抑制水泥材料开裂的常用方法。有机纤维因其可加工性能好、力学性能好等优点在建筑增强材料中得到广泛的使用，常用的有机纤维主要有：聚丙烯腈纤维、芳纶纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、聚酰亚胺、聚酯纤维纤维等。其中聚丙烯腈纤维具有耐酸碱、耐高温、价格低廉等优点，作为建筑增强纤维得到了广泛的使用。
聚丙烯腈纤维与水泥基材的界面结合状态显著影响纤维增强材料的抗压性能，如何提高聚丙烯腈纤维与水泥基材的界面结合强度，一直以来是建筑增强聚丙烯腈纤维的研发重点和难点。
聚丙烯腈纤维制备方式有多种，以二甲基亚砜为溶剂的一步法制备聚丙烯腈纤维具有纺丝原液固含量高、经济性好的优点得到广泛使用。
日本专利JP58120811A，JP60021905A，JP61163149A，JP06115989A，JP08003812A公开了5篇建聚丙烯腈纤维的制备过程，但所制备的纤维非高抗压强度聚丙烯腈纤维得，更未表明应纤维使增强材料具有高抗压强度性能时所具备的截面特性与合适的截面形状。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明主要解决的技术问题之一是现有技术中存在的聚丙烯腈短切纤维与水泥界面结合差、增强材料抗压性能差的问题。提供一种建筑增强聚丙烯腈短切纤维，较好地解决了该问题，具有增强材料抗压性能高的特点。
本发明所要解决的技术问题之二是提供一种与解决技术问题之一相对应的高界面结合强度建筑增强聚丙烯腈短切纤维的制备方法。
本发明所要解决的技术问题之三是提供一种与解决技术问题之一相对应的高界面结合强度建筑增强聚丙烯腈短切纤维的应用。
为解决上述技术问题之一，本发明采用的技术方案如下：一种强度建筑增强聚丙烯腈短切纤维，由聚丙烯腈基原丝短切制得，其特征在于所述纤维截面周长与等面积圆周长比小于等于3；所述纤维截面为直边多边形、弧边多边形中的一种。
上述技术方案中，所述直边多边形的边数优选为3-18；所述弧边多边形的弧边数优选为2-18。
上述技术方案中，所述直边多边形选自凸多边形、凹多边形中的一种，进一步，所述凸多边形优选自正凸多边形、非正凸多边形中的一种，所述凹多边形优选自正凹多边形、非正凹多边形中的一种，更进一步所述凹多边形选自星形多角形，例如但不限定为正星形多角形，如正星形十边形，即五角星；所述弧边多边形为至少一个边为弧边的多边形，进一步优选自内陷弧边多边形，所述内陷弧边可以等长或不等长。
上述技术方案中，优选方案为：所述纤维截面周长与等面积圆周长比小于等于2.5；所述直边多边形的边数优选为3-10；所述弧边多边形的弧边数优选为3-10；纤维总长度为5-32mm。
上述技术方案中，进一步优选方案为：所述纤维截面周长与等面积圆周长比小于等于2；所述直边多边形的边数优选为4-8；所述弧边多边形的弧边数优选为4-8；纤维总长度优选为6-28mm。
为了解决上述技术问题之二，本发明采用的技术方案为：一种解决上述技术问题之一技术方案中任一所述的建筑增强聚丙烯腈短切纤维的制备方法，包括以下步骤：
将所述纤维截面周长与等面积圆周长比小于等于3的聚丙烯腈原丝，经过纤维短切机进行短切，获得所述的建筑增强聚丙烯腈短切纤维；其中，所述纤维截面为直边多边形、弧边多边形中的一种。
上述技术方案中，所述聚丙烯腈原丝的可以由本领域技术人员所熟知的方法制得，例如但不限定为由特性粘数3-6dL/g的纺丝原液经凝固成型、牵伸和水洗、上油、干燥致密化、蒸汽牵伸和热定型、二次上油和油剂再干燥制得。
上述技术方案中，所述凝固成型的凝固浴介质优选为二甲基亚砜水溶液，凝固浴温度优选10-70℃，凝固浴质量浓度优选10-80％，牵伸比优选为0.5-0.95。
上述技术方案中，所述的水洗温度优选60-90℃，水洗牵伸比优选不小于1％。
上述技术方案中，所述的干燥致密化温度优选为80-150℃。
上述技术方案中，所述的蒸汽牵伸绝对压力优选为0.1-1MPa，牵伸比优选为1-5。
上述技术方案中，所述的热定型温度优选100-150℃，牵伸比优选为0.9-1.0。
上述技术方案中，优选方案为：所述制备聚丙烯腈原丝的纺丝原液特性粘数优选3.2-5.8dL/g；所述的凝固浴质量浓度优选为20-70％，凝固浴温度优选为25-65℃；所述的水洗温度优选60-90℃，水洗牵伸比优选不小于-0.8％；所述的干燥致密化温度优选为85-148℃，牵伸比优选不小于-0.4％；所述的蒸汽牵伸绝对压力优选为0.2-0.7MPa，牵伸比优选为1.5-3.5；所述的热定型温度优选105-145℃，牵伸比优选为0.92-1.0。
上述技术方案中，进一步优选方案为：所述制备聚丙烯腈原丝的纺丝原液特性粘数优选3.4-5.2dL/g；所述的凝固成型优选多级凝固液凝固，其中的第一道凝固液的温度优选为25-70℃，更优选为25-65℃；所述的水洗温度优选60-90℃，水洗牵伸比优选不小于-0.6％；所述的干燥致密化温度优选为85-140℃，牵伸比优选不小于-0.3％；所述的蒸汽牵伸绝对压力优选为0.3-0.7MPa，牵伸比优选为1.8-3.5；所述的热定型温度优选110-140℃，牵伸比优选为0.95-1.0。
为解决上述技术问题之三，本发明采用的技术方案如下：一种解决技术问题之一所述技术方案中任一所述的高界面结合强度建筑增强聚丙烯腈短切纤维的应用。
上述技术方案中，所述应用并没有严格限定，本领域技术人员可以根据本发明公开的内容结合现有技术对其作为建筑增强材料加以应用。
本发明中聚丙烯腈短切纤维截面周长与等面积圆周长比小于等于3，所述纤维截面为直边多边形、弧边多边形中的一种，可大大提高短切纤维在水泥中的结合性，在短切聚丙烯腈纤维增强建筑材料受压时，提高短切纤维的拉出强度，使得材料的抗压性能更好。
采用本发明的技术方案，由于采用具有特殊截面形状及结构参数的短切纤维，使聚丙烯腈短切纤维在建筑增强材料中增强材料抗压性能显著提高，短切纤维在水泥砂浆中的拉出强度可达3.8MPa，取得较好的技术效果。
下面通过实施例对本发明做进一步阐述。
附图说明
图1-图10分别为实施例1-10中纤维截面示意图；
图11-图13分别为比较例1-3中纤维截面示意图。
具体实施方式
【实施例1】
1、原液制备：将精制丙烯腈、甲基丙烯基磺酸钠、丙烯酸甲酯按质量比例99.7:0.2:0.1、固含量15％，偶氮二异丁腈占共聚单体0.1wt％，以二甲基亚砜为溶剂加入到反应器中，在氮气保护下50℃恒温反应20小时，得到特性粘数3.5dL/g的聚合原液。经“真空-氮气”置换脱单、真空脱泡，2微米精密过滤后制备出纺丝原液。
2、凝固成型：采用湿法纺丝进行初生纤维制备，纺丝原液经计量泵精确计量、再次过滤后，通过孔型为直边三角形的喷丝板进入第一凝固浴中，凝固温度45℃，浓度为50％，牵伸比为0.8，后续进行两级凝固牵伸，牵伸比分别为1.0、1.05，得到凝固纤维。
3、牵伸和水洗：三道热水牵伸温度分别为90、98、99℃，牵伸比分别为1.8、2.0、2.4；水洗温度80℃，牵伸比为1.0。
4、一次上油和干燥致密化：将步骤3得到的纤维进行一次上油后进行干燥致密化，干燥致密化温110℃。
5、蒸汽牵伸和热定型：将步骤4得到的纤维在0.6MPa的蒸汽中进行3.2倍牵伸,之后在130℃蒸汽中进行热定型，热定型牵伸比-0.2％。
6、二次上油和油剂再干燥：将步骤5得到的纤维经过二次上油和油剂再干燥；
7、纤维短切：将步骤6获得的纤维在纤维短切机中短切成长度12mm的短切纤维，纤维截面周长与等面积圆周长比1.5，纤维截面为直边三角形。
测试短切纤维在水泥砂浆中的拉出强度为3.0MPa。
【实施例2】
1、原液制备：同实施例1步骤1。
2、凝固成型：除改变喷丝孔形状为内陷弧边三角形外，凝固成型条件同实施例1步骤2。
3、牵伸和水洗：同实施例1步骤3。
4、一次上油和干燥致密化：同实施例1步骤4。
5、蒸汽牵伸和热定型：同实施例1步骤5。
6、二次上油和油剂再干燥：同实施例1步骤6。
7、纤维短切：将步骤6获得的纤维在纤维短切机中短切成长度12mm的短切纤维，纤维截面周长与等面积圆周长比1.5，纤维截面为内陷弧边三角形。
短切纤维在水泥砂浆中的拉出强度为3.1MPa。
【实施例3】
1、原液制备：同实施例1步骤1。
2、凝固成型：除改变喷丝孔形状为星形直边六边形外，凝固成型条件同实施例1步骤2。
3、牵伸和水洗：同实施例1步骤3。
4、一次上油和干燥致密化：同实施例1步骤4。
5、蒸汽牵伸和热定型：同实施例1步骤5。
6、二次上油和油剂再干燥：同实施例1步骤6。
7、纤维短切：将步骤6获得的纤维在纤维短切机中短切成长度12mm的短切纤维，纤维截面周长与等面积圆周长比1.5，纤维截面为星形直边六边形。
短切纤维在水泥砂浆中的拉出强度为3.3MPa。
【实施例4】
1、原液制备：同实施例1步骤1。
2、凝固成型：除改变喷丝孔形状为内陷弧边五边形外，凝固成型条件同实施例1步骤2。
3、牵伸和水洗：同实施例1步骤3。
4、一次上油和干燥致密化：同实施例1步骤4。
5、蒸汽牵伸和热定型：同实施例1步骤5。
6、二次上油和油剂再干燥：同实施例1步骤6。
7、纤维短切：将步骤6获得的纤维在纤维短切机中短切成长度12mm的短切纤维，纤维截面周长与等面积圆周长比1.5，纤维截面为内陷弧边五边形。
短切纤维在水泥砂浆中的拉出强度为3.7MPa。
【实施例5】
1、原液制备：同实施例1步骤1。
2、凝固成型：除改变喷丝孔形状为直边五边形外，凝固成型条件同实施例1步骤2。
3、牵伸和水洗：同实施例1步骤3。
4、一次上油和干燥致密化：同实施例1步骤4。
5、蒸汽牵伸和热定型：同实施例1步骤5。
6、二次上油和油剂再干燥：同实施例1步骤6。
7、纤维短切：将步骤6获得的纤维在纤维短切机中短切成长度12mm的短切纤维，纤维截面周长与等面积圆周长比1.5，纤维截面为直边五边形。
短切纤维在水泥砂浆中的拉出强度为3.8MPa。
【实施例6】
1、原液制备：同实施例1步骤1。
2、凝固成型：除改变喷丝孔形状为内陷弧边五边形外，凝固成型条件同实施例1步骤2。
3、牵伸和水洗：同实施例1步骤3。
4、一次上油和干燥致密化：同实施例1步骤4。
5、蒸汽牵伸和热定型：同实施例1步骤5。
6、二次上油和油剂再干燥：同实施例1步骤6。
7、纤维短切：将步骤6获得的纤维在纤维短切机中短切成长度12mm的短切纤维，纤维截面周长与等面积圆周长比2.5，纤维截面为内陷弧边五边形。
短切纤维在水泥砂浆中的拉出强度为3.6MPa。
【实施例7】
1、原液制备：同实施例1步骤1。
2、凝固成型：除改变喷丝孔形状为直边五边形外，凝固成型条件同实施例1步骤2。
3、牵伸和水洗：同实施例1步骤3。
4、一次上油和干燥致密化：同实施例1步骤4。
5、蒸汽牵伸和热定型：同实施例1步骤5。
6、二次上油和油剂再干燥：同实施例1步骤6。
7、纤维短切：将步骤6获得的纤维在纤维短切机中短切成长度12mm的短切纤维，纤维截面周长与等面积圆周长比2.8，纤维截面为直边五边形。
短切纤维在水泥砂浆中的拉出强度为3.6MPa。
【实施例8】
1、原液制备：同实施例1步骤1。
2、凝固成型：除改变喷丝孔形状为直边八边形外，凝固成型条件同实施例1步骤2。
3、牵伸和水洗：同实施例1步骤3。
4、一次上油和干燥致密化：同实施例1步骤4。
5、蒸汽牵伸和热定型：同实施例1步骤5。
6、二次上油和油剂再干燥：同实施例1步骤6。
7、纤维短切：将步骤6获得的纤维在纤维短切机中短切成长度12mm的短切纤维，纤维截面周长与等面积圆周长比1.5，纤维截面为直边八边形。
短切纤维在水泥砂浆中的拉出强度为3.4MPa。
【实施例9】
1、原液制备：同实施例1步骤1。
2、凝固成型：除改变喷丝孔形状为直边十二边形外，凝固成型条件同实施例1步骤2。
3、牵伸和水洗：同实施例1步骤3。
4、一次上油和干燥致密化：同实施例1步骤4。
5、蒸汽牵伸和热定型：同实施例1步骤5。
6、二次上油和油剂再干燥：同实施例1步骤6。
7、纤维短切：将步骤6获得的纤维在纤维短切机中短切成长度12mm的短切纤维，纤维截面周长与等面积圆周长比1.5，纤维截面为直边十二边形。
短切纤维在水泥砂浆中的拉出强度为3.2MPa。
【实施例10】
1、原液制备：同实施例1步骤1。
2、凝固成型：除改变喷丝孔形状为近圆形外，凝固成型条件同实施例1步骤2。
3、牵伸和水洗：同实施例1步骤3。
4、一次上油和干燥致密化：同实施例1步骤4。
5、蒸汽牵伸和热定型：同实施例1步骤5。
6、二次上油和油剂再干燥：同实施例1步骤6。
7、纤维短切：将步骤6获得的纤维在纤维短切机中短切成长度12mm的短切纤维，纤维截面形状接近圆形，纤维截面周长与等面积圆周长比1.02。
短切纤维在水泥砂浆中的拉出强度为2.0MPa。
【比较例1】
1、原液制备：同实施例1步骤1。
2、凝固成型：除改变喷丝孔形状为肾形外，凝固成型条件同实施例1步骤2。
3、牵伸和水洗：同实施例1步骤3。
4、一次上油和干燥致密化：同实施例1步骤4。
5、蒸汽牵伸和热定型：同实施例1步骤5。
6、二次上油和油剂再干燥：同实施例1步骤6。
7、纤维短切：将步骤6获得的纤维在纤维短切机中短切成长度12mm的短切纤维，纤维截面周长与等面积圆周长比1.5，纤维截面为肾形。
短切纤维在水泥砂浆中的拉出强度为2.2MPa。
【比较例2】
1、原液制备：同实施例1步骤1。
2、凝固成型：除改变喷丝孔形状为内陷弧边三角形外，凝固成型条件同实施例1步骤2。
3、牵伸和水洗：同实施例1步骤3。
4、一次上油和干燥致密化：同实施例1步骤4。
5、蒸汽牵伸和热定型：同实施例1步骤5。
6、二次上油和油剂再干燥：同实施例1步骤6。
7、将步骤6获得的纤维在纤维短切机中短切成长度12mm的短切纤维，纤维截面周长与等面积圆周长比5，纤维截面为内陷弧边三角形。
短切纤维与水泥砂浆的结合效果变差，拉出强度为1.9MPa。
【比较例3】
1、原液制备：同实施例1步骤1。
2、凝固成型：除改变喷丝孔形状为直边二十边形外，凝固成型条件同实施例1步骤2。
3、牵伸和水洗：同实施例1步骤3。
4、一次上油和干燥致密化：同实施例1步骤4。
5、蒸汽牵伸和热定型：同实施例1步骤5。
6、二次上油和油剂再干燥：同实施例1步骤6。
7、将步骤6获得的纤维在纤维短切机中短切成长度12mm的短切纤维，纤维截面周长与等面积圆周长比1.5，纤维截面为直边二十边形。
短切纤维在水泥砂浆中的拉出强度为2.1MPa。

Claims (8)

1.一种建筑增强聚丙烯腈短切纤维，由聚丙烯腈基原丝短切制得，其特征在于所述纤维截面周长与等面积圆周长比小于等于3且大于等于1.5；所述纤维截面形状为直边多边形、弧边多边形中的一种；所述直边多边形的边数为3-18；所述弧边多边形的弧边数为2-18；所述直边多边形选自凸多边形、凹多边形中的一种；所述弧边多边形选自内陷弧边多边形；
所述聚丙烯腈原丝由特性粘数3-6dL/g的纺丝原液经凝固成型、牵伸和水洗、上油、干燥致密化、蒸汽牵伸和热定型、二次上油和油剂再干燥制得。
2.一种权利要求1所述的建筑增强聚丙烯腈短切纤维的制备方法，包括以下步骤：
将所述纤维截面周长与等面积圆周长比小于等于3且大于等于1.5的聚丙烯腈原丝，经过纤维短切机进行短切，获得所述的建筑增强聚丙烯腈短切纤维；其中，所述纤维截面为直边多边形、弧边多边形中的一种。
3.根据权利要求2所述的建筑增强聚丙烯腈短切纤维的制备方法，其特征在于所述聚丙烯腈原丝由特性粘数3-6dL/g的纺丝原液经凝固成型、牵伸和水洗、上油、干燥致密化、蒸汽牵伸和热定型、二次上油和油剂再干燥制得。
4.根据权利要求3所述的建筑增强聚丙烯腈短切纤维的制备方法，其特征在于所述凝固成型的凝固浴介质为二甲基亚砜水溶液，凝固浴温度10-70 oC，凝固浴质量浓度10-80%，牵伸比为0.5-0.95。
5.根据权利要求3所述的建筑增强聚丙烯腈短切纤维的制备方法，其特征在于所述的水洗温度60-90 oC，水洗牵伸比不小于1%。
6.根据权利要求3所述的建筑增强聚丙烯腈短切纤维的制备方法，其特征在于所述的干燥致密化温度为80-150 oC。
7.根据权利要求3所述的建筑增强聚丙烯腈短切纤维的制备方法，其特征在于所述的蒸汽牵伸绝对压力为0.1-1 MPa，牵伸比为1-5；所述的热定型温度100-150 oC，牵伸比为0.9-1.0。
8.一种权利要求1所述的建筑增强聚丙烯腈短切纤维作为建筑增强材料的应用。
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