TW201514352A - 塗層纖維與包含其的混凝土組成物 - Google Patents

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Abstract

茲提供一種塗層纖維，該塗層纖維包含一包含聚酯的纖維以及在該纖維上的一塗層，該塗層包含藉由在該纖維上交聯一或多種含矽化合物而製備的一交聯聚矽氧，該一或多種含矽化合物係選自有機矽烷和有機聚矽氧樹脂，其中該等含矽化合物中之至少一者具有至少三個交聯基團，亦提供一種製備該纖維的方法、一種包含該塗層纖維的混凝土組成物、以及一種製備該混凝土組成物的方法。

Description

塗層纖維與包含其的混凝土組成物
本發明係關於一種塗層纖維，特別是塗佈有交聯聚矽氧的聚酯纖維及製備這種纖維的方法。本發明的塗層纖維可以均勻分散在混凝土中。本發明還有關一種包含這種塗層纖維的混凝土組成物、以及製備這種混凝土組成物的方法。本發明的混凝土組成物表現出改良的撓曲強度。
混凝土是一種普遍存在的建築材料，其包含骨材(aggregates)、水泥及可選擇的其他成分。雖然混凝土具有高壓縮強度，但它通常具有較低的拉伸和撓曲強度。為了改善拉伸強度和撓曲強度，可以添加諸如棒材和纖維等強化材。
聚酯纖維具有許多使它們成為混凝土強化料的有吸引力候選者的有益特性。聚酯纖維是強韌的、抗拉伸和收縮、耐化學腐蝕、乾濕皆有彈性、防黴及耐磨的。
包含具有纖維(例如聚酯纖維)嵌入其中的無機水泥基質的纖維強化水泥組成物是習知的。
聚酯纖維在混凝土中會表現出不良的分散性，從而產生不均勻的強化混凝土組成物。此外，聚酯纖維與混凝土的其他成分會表現出不 良的黏結，從而導致不盡理想的撓曲強度。
在第一個態樣中，本發明提供了一種塗層纖維，該塗層纖維包含：- 一包含聚酯的纖維，以及- 一在該纖維上的塗層，該塗層包含一藉由在該纖維上交聯一或多種含矽化合物而製備的交聯聚矽氧，該一或多種含矽化合物係選自有機矽烷和有機聚矽氧樹脂，其中該等含矽化合物中之至少一者具有至少三個交聯基團。
在一個實施例中，該交聯基團係獨立選自直接鍵結到矽的氫、羥基、丙烯酸酯、醯基、醯氧基、烯基、烷氧基、環氧基、胺、巰基及甲基丙烯酸酯。
在另一個實施例中，該一或多種具有至少三個交聯基團的含矽化合物可以包含下列通式(1)的有機矽烷：R(4-a)Si(R1X)a (1)
其中，X為已定義的交聯基團，R1為共價鍵或二價有機鍵聯基團，R為經取代或未經取代的有機自由基，並且a為3或4。
在進一步的實施例中，該一或多種具有至少三個交聯基團的含矽化合物可以包含有機聚矽氧樹脂。該有機聚矽氧樹脂可以是包含一個或更多個下列通式(2)結構單元的矽倍半氧烷(silsesquioxane)樹脂：(R3SiO(3-b)/2(R2X)b) (2)
其中R3係獨立為經取代或未經取代的有機自由基；R2為共價鍵或二價 有機鍵聯基團，X為如上所定義的交聯基團，並且b係獨立為0、1或2，前提是該矽倍半氧烷樹脂包含至少3個交聯基團X。較佳的是，該矽倍半氧烷樹脂平均每分子具有3個交聯基團。
在另一個實施例中，該等含矽化合物的交聯可以在聚矽氧聚醚存在下進行。
在進一步的實施例中，該塗層的交聯聚矽氧可以包含未反應的交聯基團。
在另一個實施例中，纖維上的塗層佔無塗層纖維的0.1至1.0wt%。
在第二態樣中，本發明提供了一種製備一塗層纖維的方法，該方法至少包含以下步驟：- 將在一液體中的一塗層組成物施用至一包含聚酯的纖維，該塗層組成物包含一或多種選自有機矽烷和有機聚矽氧樹脂的含矽化合物，其中該等含矽化合物中之至少一者具有至少三個交聯基團，以及- 在該包含聚酯的纖維上交聯該塗層組成物，以提供該塗層纖維。
在一個實施例中，施用一塗層組成物的步驟可至少包含下列步驟：- 將該包含聚酯的纖維與在該液體中的該塗層組成物混合，- 從該包含聚酯的纖維去除一部分的該液體，以提供塗佈有該塗層組成物之一包含聚酯的纖維。
在另一個實施例中，施用塗層組成物的步驟可包含將在液體中的該塗層組成物噴灑至該包含聚酯的纖維上。
在進一步的實施例中，該包含聚酯的纖維可以是複數個包含聚酯的纖維。在此一實施例中，本發明的第二態樣可進一步包含在交聯步驟之前分離塗佈有該塗層組成物之該等包含聚酯之纖維的步驟。
在第三態樣中，本發明提供了一種混凝土組成物，其包含：- 一依據第一態樣的塗層纖維；- 水泥；- 水；- 骨材；以及- 可選擇地塑化劑、加速劑及輸氣劑中之一或多者。
在第四態樣中，本發明提供一種製備一水泥組成物的方法，其至少包含下列步驟：- 混合一依據第一態樣的塗層纖維與水泥及骨材中之一或兩者，以提供一混合物；- 可選擇地添加骨材或水泥，若這些成分之任一者不存在於該混合物中；- 添加水到該混合物中；- 凝結該混合物。
在另一個實施例中，第四態樣的方法可進一步包含一或多個下列步驟：- 在添加該骨材之前添加塑化劑；- 在凝結該混合物之前添加輸氣劑。
在第五態樣中，本發明提供一種包含一或多種選自有機矽烷 和有機聚矽氧樹脂的含矽化合物且在一液體中的組成物作為纖維塗佈劑的用途，其中該等含矽化合物中之至少一者具有至少三個交聯基團。
在第五態樣的一個實施例中，用作一纖維塗佈劑的在該液體中的該組成物為乳液。
在第五態樣的另一個實施例中，該纖維為一包含聚酯的纖維。
在第六態樣中，本發明提供一種水泥組成物，其包含：- 一依據第一態樣的塗層纖維；- 水泥；- 可選擇地水、骨材、塑化劑、加速劑及輸氣劑中之一或多者。
在第六態樣的一個實施例中，該水泥組成物包含水。
可用於作為混凝土之強化材的塗層纖維包含纖維及在該纖維上的塗層。該纖維包含聚酯。在一個實施例中，該纖維可以由聚酯所組成，使得該纖維為聚酯纖維。
該纖維可以包含一或多種選自聚對苯二甲酸烷二酯(polyalkylene terephthalate)的聚酯，該聚對苯二甲酸烷二酯例如聚對苯二甲酸乙二酯、聚對苯二甲酸丁二酯或聚對苯二甲酸丙二酯；聚萘二甲酸乙二酯、聚己二酸乙二酯、聚烷酸羥酯(polyhydroxylalkanoate)、聚丁酸羥酯(polyhydroxyl butyrate)、聚(3-羥基丁酸酯-共-3-羥基戊酸酯)、聚乙交酯、聚乳 酸、4-羥基苯甲酸與6-羥基萘-2-甲酸(Vectran®)的聚縮合產物及聚己內酯。
聚酯纖維可作為主要的商業產品取得。聚酯纖維可以藉由本技術領域中習知的方法製備，例如二羧酸和二醇或羥基羧酸的縮聚合或共聚合，或相應環結構(如乳酸交酯或己內酯)的開環。
纖維的橫截面可以具有任何形狀，例如圓形、橢圓形或葉形，例如雙葉形或三葉形。本文中使用的橫截面是纖維在垂直於其最長軸之平面中的截面。典型上，纖維的橫截面具有圓形的形狀。
纖維可以是連續的股線，或者可以被切斷。當被切斷時，纖維可以具有沿著其最長軸在5mm至100mm範圍中的平均長度。當纖維具有圓形的橫截面時，其可具有在5微米至100微米範圍中的直徑。較佳的是，纖維具有在50至20000範圍中的縱橫比(長度/直徑)。
在纖維上的塗層包含交聯聚矽氧。交聯聚矽氧可以是交聯的有機聚矽氧烷。交聯聚矽氧是藉由交聯一或多種選自有機矽烷和有機聚矽氧樹脂的含矽化合物所製備。該等含矽化合物中之至少一者具有至少三個交聯基團。利用具有至少三個交聯基團的有機矽烷和有機聚矽氧樹脂中之一者或兩者在纖維上提供了廣泛交聯的、三維的塗層。這種三維的塗層表現出良好的機械強度。
在一個實施例中，一個或更多個中間塗層可以存在於聚酯纖維和包含交聯聚矽氧的塗層之間。然而，較佳的是，包含交聯聚矽氧的塗層與聚酯纖維的外表面直接接觸。因此，在另一個實施例中，在纖維和交聯聚矽氧塗層之間沒有中間塗層。這是有利的，因為交聯聚矽氧塗層會對聚酯纖維形成強固的鍵結。不希望受理論所束縛，但認為該含矽化合物的 一部分交聯基團可以在藉由交聯形成塗層的過程中與聚酯形成共價鍵，從而使塗層附著於纖維。
包含交聯聚矽氧的塗層可以形成塗層纖維的外表面。當此塗層形成塗層纖維的外表面時，該塗層賦予了改良的處理性能。舉例來說，塗層纖維在諸如水溶液的液體或諸如漿料的黏性混合物中的分散性提高。
包含交聯聚矽氧的塗層是藉由在纖維上交聯一或多種含矽化合物來製備。至少一個交聯基團應存在於該一或多種參與交聯反應的含矽化合物之各者上。本文所使用的用語「交聯基團」意指能夠參與交聯反應的反應性基團。因此，該一或多種含矽化合物的有機矽烷應具有至少一個交聯基團。同樣地，該一或多種含矽化合物的有機聚矽氧樹脂應具有至少一個交聯基團。然而，參與交聯反應的含矽化合物之至少一者應具有至少三個交聯基團，以提供高度交聯的三維塗層。
較佳的是，該等交聯基團也能夠與纖維的聚酯形成鍵結。
該交聯基團可獨立選自直接鍵結到矽的氫、羥基、丙烯酸酯、醯基、醯氧基、烯基、烷氧基、環氧基、胺、巰基及甲基丙烯酸酯中之一或多者。該等羥基、丙烯酸酯、醯基、烯基、烷氧基、環氧基、胺、巰基及甲基丙烯酸酯基團可直接鍵結到矽。
該等交聯基團應能夠經由交聯反應進行交聯。產生包含交聯聚矽氧之該塗層的交聯反應可以是縮合反應、矽氫化反應或取代反應。例如，諸如直接鍵結到矽的氫、醯基、醯氧基及烷氧基等可水解交聯基團可轉化為羥基，然後該等羥基可以進行縮合反應。當交聯基團包含直接鍵結到矽的氫和碳-碳雙鍵(諸如烯基、丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯)時，其交聯 可以是藉由矽氫化。諸如含鉑化合物的催化劑可以存在於塗層組成物中，以促進矽氫化。當交聯基團包含胺和環氧基時，交聯可以是藉由親核取代。
較佳的交聯基團包括直接鍵結到矽的氫、羥基、C1-6烷氧基、C1-6醯基及C1-6醯氧基，例如C1-5烷基-C(O)-O-基團。較佳的是，這樣的交聯基團直接鍵結到矽。
或者，二價鍵聯有機基團R1、R2可以存在，以將交聯基團鍵聯到有機矽烷或有機聚矽氧樹脂。二價有機基團可以獨立選自具有1至5個碳原子的伸烷基、在環結構中具有4至10個碳原子的二價芳基、以及在烷基部分中具有1至5個碳原子且在芳環結構中具有4至10個原子的二價烷芳基。該芳基可以在芳環結構中包含1至3個雜原子。該雜原子可以選自O、N及S。該伸烷基、二價芳基及二價烷芳基可以各自獨立為經取代或未經取代的。若經取代，則存在的一個或更多個氫原子可以用如上所定義的交聯基團取代，使得超過一個交聯基團係直接鍵結到二價有機基團。例如，該二價有機基團與交聯基團一起可以是三聚氰胺自由基。或者，存在的一個或更多個氫原子可以獨立用鹵素原子取代，例如氟或氯原子。
至少三個交聯基團存在於該等含矽化合物之至少一者上。以這種方式，提供了包含交聯聚矽氧的結構化三維塗層。相較之下，若少於三個交聯基團存在於含矽化合物上，則這些化合物在交聯後只能形成部分的分子鏈，而不是三維的網絡。
有機矽烷可用於交聯反應，以形成該塗層的交聯聚矽氧。可以單獨使用有機矽烷，可以使用有機矽烷的混合物，或者有機矽烷可以與其他的含矽化合物(例如以下討論的有機聚矽氧樹脂)組合使用。當單獨 使用或與其他不具有至少三個交聯基團的含矽化合物組合使用時，有機矽烷應含有至少三個交聯基團。此外，其他的化合物，例如聚矽氧聚醚也可以存在於交聯過程中。
該有機矽烷可以是下列通式(1)的化合物：R(4-a)Si(R1X)a (1)
其中，各X係獨立為已定義的交聯基團，R1為共價鍵或以上討論的二價有機鍵聯基團，R為經取代或未經取代的有機基團，並且a為3或4。
基團R較佳為具有1至10個(更佳1至5個)碳原子的烷基、具有2至10個(更佳2至5個)碳原子的烯基、在環結構中具有4至10個碳原子的芳基、以及在烷基部分中具有1至5個碳原子且在芳環結構中具有4至10個原子的烷芳基。該芳基可以在芳環結構中包含1至3個雜原子。該雜原子可以選自O、N及S。
有機自由基R可為經取代或未經取代的。因此，形成R的烷基、烯基、芳基及烷芳基各可以獨立為經取代或未經取代的。若經取代，則一或多個氫原子可由鹵素原子取代，例如氟或氯取代基。
典型而言，R1為共價鍵，交聯基團X為羥基或可水解基團，例如直接鍵結到矽的氫、醯基、醯氧基或烷氧基，並且基團R為具有1至10個碳原子的烷基或Ph(CH2)r-，其中Ph為苯基，並且r為0、1、2、3或4。交聯基團X的較佳醯基和醯氧基是具有1至5個碳原子者，包括羰基。用於交聯基團X的較佳烷氧基基團是具有1至5個碳原子者，且最佳為甲氧基和乙氧基。用於基團R的較佳烷基為甲基、乙基及正辛基。在一個實施例中，該有機矽烷為正辛基三乙氧基矽烷。
有機聚矽氧樹脂可用於交聯反應，以形成交聯聚矽氧。可以單獨使用有機聚矽氧樹脂，可以使用有機聚矽氧樹脂的混合物，或者可以將一或多種有機聚矽氧樹脂與其他的含矽化合物(例如有機矽烷)組合使用。當單獨使用或與其他不具有至少三個交聯基團的含矽化合物組合使用時，該有機聚矽氧樹脂應含有至少三個交聯基團。此外，其他的化合物，例如聚矽氧聚醚也可以存在於交聯過程中。有機聚矽氧樹脂可以藉由四種可能的單體單元M、D、T及Q中之一或多者來定義。本文中使用的有機聚矽氧樹脂可以包含選自基團MT、DT、MQ、MDT、MTQ及QDT的一或多種樹脂。
在一個實施例中，該有機聚矽氧樹脂可以包含0.2至10重量百分比的交聯基團X。較佳的是，該有機聚矽氧樹脂包含1至5重量百分比的交聯基團X，例如直接鍵結到矽的羥基基團。在另一個實施例中，該有機聚矽氧樹脂包含具有0.5重量百分比羥基基團的羥基化MDT聚矽氧樹脂並由62重量百分比的CH3SiO3/2、24重量百分比的(CH3)2SiO2/2、及14重量百分比的(CH3)3SiO1/2所組成。
較佳的是，該有機聚矽氧樹脂為矽倍半氧烷樹脂。該矽倍半氧烷樹脂可以包含一或多個下列通式(2)的結構單元：(R3SiO(3-b)/2(R2X)b) (2)
其中R3係獨立選自經取代或未經取代的有機基團，R2為共價鍵或如上所定義的二價有機鍵聯基團，並且X為如上所定義的交聯基團，並且b為0、1或2，前提是該矽倍半氧烷樹脂包含至少3個交聯基團。
在一個實施例中，該矽倍半氧烷樹脂包含至少三個通式(2) 的結構單元，其中b為1。在另一個實施例中，該矽倍半氧烷樹脂包含至少一個通式(2)的結構單元(其中b為1)以及至少一個通式(2)的結構單元(其中b為2)。
經取代或未經取代的有機自由基基團R3較佳為具有1至10個(更佳為1至5個)碳原子的烷基、具有2至10個(更佳為2至5個)碳原子的烯基、在環結構中具有4至10個碳原子的芳基、以及在烷基部分中具有1至5個碳原子且在芳基環結構中具有4至10個原子的烷芳基。該芳基基團可以在芳環結構中包含1至3個雜原子。該雜原子可以選自O、N及S。
有機自由基R3可為經取代或未經取代的。因此，形成R3的烷基、烯基、芳基及烷芳基各可以獨立為經取代或未經取代的。若經取代，則存在的一或多個氫原子可以被取代，一個或更多個氫原子可以由鹵素原子取代，例如氟或氯取代基。
典型而言，R2為共價鍵，交聯基團X為羥基或可水解基團，例如直接鍵結到矽的氫、醯基、醯氧基或烷氧基，並且基團R為具有1至5個碳原子的烷基或Ph(CH2)r-，其中Ph為苯基，並且r為0、1、2、3或4。交聯基團X的較佳醯基和醯氧基是具有1至5個碳原子者，包括羰基。交聯基團X的較佳烷氧基基團是具有1至5個碳原子者，且最佳為甲氧基和乙氧基。較佳的R3基團為甲基和苄基。
在一個實施例中，該矽倍半氧烷樹脂包含乙氧基封端的正辛基矽倍半氧烷樹脂、羥基封端的正辛基矽倍半氧烷樹脂、及羥基封端的甲基矽倍半氧烷樹脂和三甲基矽氧基封端的胺丙基苯基矽倍半氧烷樹脂之基 團中之一或多者。
另外的含矽化合物也可以存在作為參與交聯反應的該一或多個含矽化合物。例如，具有少於3個交聯基團的有機矽烷和有機聚矽氧樹脂中之一或兩者可以存在。較佳的是，這樣的有機矽烷和有機聚矽氧樹脂具有兩個交聯基團。該有機矽烷和有機聚矽氧可以如先前所述，差別之處在於只有一或兩個交聯基團存在於各化合物上。例如通式(1)的有機矽烷(其中a為1或2)及/或包含一或多個通式(2)結構單元(在樹脂中只具有一個或兩個交聯基團X)的有機聚矽氧樹脂可以存在。這樣的含矽化合物係揭示為以下的通式(3)和(4)。
因此，該一或多個含矽化合物可以進一步包含下列通式(3)的有機矽烷：R(4-c)Si(R1X)c (3)
其中X為已定義的交聯基團，R1為共價鍵或二價有機鍵聯基團，R為經取代或未經取代的有機基團，並且c為2。基團X、R1和R的較佳定義與用於以上通式(1)有機矽烷者相同。
該一或多個含矽化合物可以進一步包含矽倍半氧烷樹脂，並且該矽倍半氧烷樹脂包含一或多個下列式(4)的結構單元：(R3SiO(3-d)/2(R2X)d) (4)
其中R3係獨立為經取代或未經取代的有機自由基；R2為共價鍵或二價有機鍵聯基團，X為如上所定義的交聯基團，並且d為0、1或2，前提是該矽倍半氧烷樹脂包含2個交聯基團X。基團X、R2和R3的較佳定義與用於以上通式(2)之有機矽烷者相同。
在一個實施例中，該矽倍半氧烷樹脂包含兩個通式(2)的結構單元，其中b為1。在另一個實施例中，該矽倍半氧烷樹脂包含一個通式(2)的結構單元，其中b為1。
較佳的是，該塗層包含未反應的交聯基團。這樣的基團可以改良塗層纖維的特性。特別是，當塗層纖維用來作為複合材料如強化混凝土中的強化材時，該塗層纖維與無塗層纖維相比表現出改良的黏結性。
在纖維上的包含交聯聚矽氧之塗層可以佔無塗層纖維的至少0.05wt%、或者可以佔無塗層纖維的0.05至10wt%(或者0.05至2.0wt%)之範圍。
該塗層纖維可以藉由包含至少下列步驟的方法來製備：- 將一在一液體中的塗層組成物施用至一包含聚酯的纖維，該塗層組成物包含一或多種選自有機矽烷和有機聚矽氧樹脂的含矽化合物，其中該等含矽化合物之至少一者具有至少三個交聯基團，- 在該包含聚酯的纖維上交聯該塗層組成物，以提供該塗層纖維。
該包含聚酯的纖維在上面有討論。在一個實施例中，該包含聚酯的纖維為複數個包含聚酯的纖維，例如切短纖維。
該塗層組成物包含一或多種如上面討論的含矽化合物。該塗層組成物可以進一步包含額外化合物。該等額外化合物可以參與或可以不參與交聯反應。這些額外化合物之例子獨立包括相容劑(如乳化劑)及用於交聯反應的催化劑。
該塗層組成物係提供於一液體中。該塗層組成物可以溶解或分散在該液體中，使得其可以作為溶液或分散液(例如乳液)來施用。該 乳液可以是油包水或水包油的乳液。
該液體可以包含水或有機液體。當該液體為有機液體時，該塗層組成物通常作為該液體中的溶液存在。較佳的有機液體為烷醇(例如甲醇和乙醇)、芳香族液體(例如甲苯和二甲苯)、烷烴(例如己烷、庚烷及辛烷)、環烷烴(例如環戊烷、環己烷、環丁烷、環烷)、液體烴混合物(例如石油醚)、及聚矽氧油(例如二烷基聚矽氧烷，特別是二甲基聚矽氧烷)。當該液體包含水時，該塗層組成物可以作為分散液存在，例如水包油乳液或油包水乳液。可以存在諸如乳化劑的相容劑，以穩定該液體中的塗層組成物。聚矽氧聚醚是一類合適的乳化劑。
在液體中的塗層組成物可以藉由任何適當的方法施用到纖維。在一個實施例中，將纖維與液體中的塗層組成物混合。這可以藉由將纖維浸沒在液體中的塗層組成物中來實現。可以攪動(例如攪拌)纖維、塗層組成物及液體的混合物。隨後，可以將一部分的液體從纖維的表面去除，以提供塗佈有該塗層組成物的纖維。例如，可以將該塗層組成物、液體及纖維過濾，以將其表面上具有塗層組成物的纖維與液體分離。
當包含聚酯的纖維為複數個包含聚酯的纖維時，可以在去除一部分液體之後分離該等纖維。此分離步驟確保不同纖維表面上的塗層組成物不會在交聯步驟中彼此黏結。
或者，液體中的塗層組成物可以藉由噴灑施用到纖維。
一旦塗層組成物已施用到纖維，則該塗層組成物可以交聯以提供塗層纖維。
交聯反應可以在環境溫度下或高於環境溫度下進行，例如在 環境溫度到150℃範圍中，較佳在40至150℃範圍中的溫度，更佳在50至70℃範圍中的溫度。交聯反應可以是固化反應。
纖維的塗佈可以作為纖維製造的一部分來進行，例如在纖維修整的過程中，或作為單獨的製程進行，該單獨的製程可以在與纖維製造不同的位置進行。
還提供了包含一或多種選自有機矽烷和有機聚矽氧樹脂的含矽化合物且在一液體中的組成物作為纖維塗佈劑之用途，其中該等含矽化合物中之至少一者具有至少三個交聯基團。在液體中的組成物可以是乳液。當液體為水時，在液體中的組成物可以是水包油乳液，並可進一步包含乳化劑。較佳的是，該組成物的用途是作為用於包含聚酯的纖維之纖維塗佈劑。
本文所揭示的塗層纖維可用來作為混凝土組成物中的強化材。所提供的混凝土組成物包含：- 一如先前所揭示的塗層纖維；- -水泥；- -水；- -骨材；以及- -可選擇地塑化劑、加速劑及輸氣劑中之一或多者。
在混凝土中用作強化材的塗層纖維可以具有在3微米至100微米範圍中的直徑。該塗層纖維可以具有在5mm至100mm範圍中的長度。該塗層纖維可以在0.05至20重量%範圍存在，此係以水泥、水及塗層纖維之總重量計。在一個實施例中，該塗層纖維為複數個包含聚酯的纖維，例 如切短纖維。
無塗層之包含聚酯的纖維之表面通常是無反應性的，使得與混凝土組成物之成分的良好相容性和黏結性難以達成。此外，在混凝土組成物中達成聚酯纖維的均勻分散是困難的，從而導致聚酯纖維浮在混凝土表面或沉在混凝土底部或在混凝土組成物內雜置在一起。這降低了聚酯纖維作為強化材的有效性，以及提供了美學上無吸引力的完成混凝土。
相反地，本文揭示的塗層纖維可以與混凝土組成物之其他成分有更佳相容性，如藉由改良的纖維分散性所表現者。塗層纖維在混凝土組成物中也可以具有改良的黏結性，如藉由增加的撓曲強度所表現者。撓曲或彎曲強度是材料在負載下抵抗變形的能力。
本文所使用的用語「水泥」係指在水存在下由於水合而硬化的無機黏結劑材料。水泥的非詳盡無漏例子包括波特蘭水泥、磷酸鹽水泥、高鋁水泥、高石膏水泥、無石膏水泥以及上述者之組合。
骨材是一種顆粒材料，其構成混凝土的主體。骨材應可抵抗壓縮應力，並且可以具有各種尺寸。混凝土中使用的骨材之例子包括砂、礫石、碎石、爐渣及碎混凝土。水泥可以用作骨材的黏結劑以形成混凝土。當與水混合時，水泥水合而形成晶格，該等晶格將骨材鎖入剛性結構中。
將顯而易見的是，當骨材包含砂時，所提供的混凝土組成物可以用作強化砂漿組成物。
諸如磺化萘、三聚氰胺-甲醛縮合物、磺化三聚氰胺-甲醛縮合物、修飾的木質磺酸鹽等塑化劑及諸如丙烯酸酯系乳膠的聚合添加劑會將固體分散在組成物中，特別是以低的水/水泥比，而且可以可選擇地存在 於混凝土組成物中。
諸如硝酸鈣和硝酸鈉等加速劑會加快水泥的水合速率，並因此加快混凝土組成物的凝結時間，而且可以可選擇地存在於混凝土組成物中。
諸如水解蛋白和角素化合物、異丙基萘磺酸鈉、石油萘硫酸鹽、二級烷基硫酸鈉、皂素、烷基芳基硫酸鈉及穩定化的皂化松香和樹脂化合物等輸氣劑會在硬化之前將氣泡引入混凝土組成物中，以改良耐久性，而且也可以可選擇性存在於混凝土組成物中。
該混凝土組成物可以藉由至少包含下列步驟的方法來製備：- 將如本文中先前揭示的塗層纖維與水泥和骨材中之一或兩者混合，以提供混合物；- 可選擇地添加骨材或水泥，若這些成分中任一者不存在於該混合物中；- 添加水到該混合物中；- 凝結該混合物。
塗層纖維在上面有討論。在一個實施例中，該塗層纖維為複數個包含聚酯的塗層纖維，例如切短纖維。
該塗層纖維可以與水泥和骨材同時混合，或該塗層纖維可以先與水泥混合，隨後可以將骨材加入混合物中，或該塗層纖維可以先與骨材混合，隨後可以將水泥加入混合物中。
該方法可以在添加骨材之前進一步包含添加塑化劑的步驟。
該方法可以在凝結混合物的步驟之前進一步包含添加(通常 伴隨混合)輸氣劑的步驟。
在另一個實施例中，該方法可以包含：- 混合如本文中先前揭示的塗層纖維與水，以提供塗層纖維在水中的分散液；- 添加水泥到該分散液中以形成漿料；- 添加骨材到該漿料中以提供混合物；- 添加另外的水到該混合物中；- 凝結該混合物。
在替代的實施例中，該混凝土組成物可以藉由至少包含下列步驟的方法來製備：- 形成包含水泥、水及骨材的混凝土混合物；以及- 添加如本文中先前揭示的塗層纖維到該混凝土混合物中。
在一個實施例中，該塗層纖維可以作為該塗層纖維在水中的分散液而加入該混凝土混合物中。
添加該塗層纖維到該混凝土混合物的步驟可以伴隨混合。
在替代的實施例中，添加塗層纖維到該混合物的步驟可以包含：- 提供連續的塗層纖維；- 切割該塗層纖維，以提供切短的塗層纖維；使得添加到該混凝土混合物的塗層纖維為切短的塗層纖維。
可以提供水泥組成物或在製造混凝土組成物中的用途。該水泥組成物可以包含： - 一如本文中先前揭示的塗層纖維；- 水泥；以及- 可選擇地水、骨材、塑化劑、加速劑及輸氣劑中之一或多者。
可能有利的是提供不含水的水泥組成物。因此，該水泥組成物可以包含如本文中先前揭示的塗層纖維、水泥及可選擇地骨材、塑化劑、加速劑和輸氣劑中的一或多者。這提供了用於製造混凝土的預混水泥組成物。這樣的水泥組成物可以容易運送。如將顯而易見的，添加水到水泥組成物中將開始水合反應而導致水泥凝結。
提供不含骨材的水泥組成物也可能是有利的。因此，該水泥組成物可以包含如本文中先前揭示的塗層纖維、水泥及可選擇地水。
藉由參考以下的實例將更瞭解本發明的實施例，以下的實例是藉由說明的方式來呈現，而且並無限制之意。
實例
以下的實驗性實例描述數種在聚酯纖維上的交聯聚矽氧塗層之製備。塗層的重量係使用分析天平相對於無塗層纖維進行測定。塗層係藉由IR光譜法特徵化。將塗層纖維摻入水泥組成物中，並在28天的期間量測這種組成物的撓曲強度。
發現與不包含聚酯纖維或包含無塗層聚酯纖維的對應水泥組成物相比，包含塗層纖維的水泥組成物由於熟成而在第7天和第28天表現出改良的撓曲強度。
紅外光譜法
使用熱電子光譜儀型號Nicolet 5700藉由紅外光譜法在400 至4000nm波長範圍中分析無塗層纖維和塗層纖維。藉由觀察到在1000-1110cm-1指示Si-OR團的波峰及在1240-1260cm-1指示Si-CH3基團的波峰確認纖維上存在有機聚矽氧塗層。
撓曲強度測試
使用採用測力環0.75的AIMIL三軸壓縮機在第7天和第28天熟成之後測試水泥棒的撓曲強度。
實例1(包含來自乳液的交聯有機矽烷的纖維塗層)
取出10ml具有乙氧基和羥基封端的正辛基矽倍半氧烷樹脂之正辛基三乙氧基矽烷及聚矽氧聚醚之乳液(Dow Corning)放在1000ml燒杯中，並使用90ml的水稀釋。加入2克經洗滌乾燥的聚酯纖維(當地購買)到溶液中並使用磁攪拌器充分攪拌。藉由過濾分離纖維、將纖維乾燥、然後在80℃的烘箱中將纖維上的塗層固化1小時。
相對於無塗層纖維的重量測得纖維上的塗層為0.4% w/w。藉由IR光譜法確認塗層中存在有機聚矽氧。
然後使用塗層纖維作為水泥棒中的強化材，水泥棒的典型尺寸為25cm×2.5cm×2.5cm，由水泥和水(67：34重量比)製成，其中纖維通常以對比水泥重量為1重量%進行強化。所使用的水泥是波特蘭水泥。
製備兩種類型的對照樣品。第一對照是不含強化材的類似尺寸水泥棒，而第二對照是包含無塗層的經洗滌乾燥聚酯纖維作為強化材的水泥棒。
在第7天熟成和第28天熟成時測試水泥棒的撓曲強度。與未強化的水泥棒相比，包含塗層纖維的水泥棒在第7天熟成和第28天熟成 時分別得到25%和23%的撓曲強度改良。與無塗層聚酯纖維強化的水泥棒相比，包含塗層纖維的水泥棒在第7天熟成和第28天熟成時分別得到24%和24%的撓曲強度改良。
實例2(包含來自溶液的交聯有機矽烷的纖維塗層)
取出10ml的正辛基三乙氧基矽烷(Dow Corning)放在1000ml燒杯中，並使用90ml的甲醇(Merck)稀釋。加入2克經洗滌乾燥的聚酯纖維(當地購買)到溶液中並使用磁攪拌器充分攪拌。藉由過濾分離纖維、將纖維乾燥、然後在60℃的烘箱中將纖維上的塗層固化1小時。
相對於無塗層纖維的重量測得纖維上的塗層為0.1% w/w。藉由IR光譜法確認塗層中存在有機聚矽氧。
然後如實例1所述使用塗層纖維作為水泥棒中的強化材。與未強化的水泥棒相比，包含塗層纖維的水泥棒在第7天熟成和第28天熟成時分別得到15%和15%的撓曲強度改良。與無塗層纖維強化的水泥棒相比，包含塗層纖維的水泥棒在第7天熟成和第28天熟成時分別得到15%和15%的撓曲強度改良。
實例3(包含交聯有機矽烷混合物的纖維塗層)
取出各5ml的正辛基三乙氧基矽烷(Dow Corning)和甲基三乙氧基矽烷(Dow Corning)放在1000ml燒杯中，並使用90ml的甲醇(Merck)稀釋。加入2克經洗滌乾燥的聚酯纖維(當地購買)到溶液中並使用磁攪拌器充分攪拌。藉由過濾分離纖維、將纖維乾燥、然後在60℃的烘箱中將纖維上的塗層固化1小時。
相對於無塗層纖維的重量測得纖維上的塗層為0.3% w/w。 藉由IR光譜法確認塗層中存在有機聚矽氧。
然後如實例1所述使用塗層纖維作為水泥棒中的強化材。與未強化的水泥棒相比，包含塗層纖維的水泥棒在第7天熟成和第28天熟成時分別得到10%和12%的撓曲強度改良。與無塗層纖維強化的水泥棒相比，包含塗層纖維的水泥棒在第7天熟成和第28天熟成時也分別得到11%和12%的撓曲強度改良。
實例4(包含交聯有機聚矽氧樹脂的纖維塗層)
取出10ml羥基封端的甲基矽倍半氧烷樹脂(Dow Corning)放在1000ml燒杯中，並使用90ml的甲醇(Merck)稀釋。加入2克經洗滌乾燥的聚酯纖維(當地購買)到溶液中並使用磁攪拌器充分攪拌。藉由過濾分離纖維、將纖維乾燥、然後在60℃的烘箱中將纖維上的塗層固化1小時。
相對於無塗層纖維的重量測得纖維上的塗層為0.4% w/w。藉由IR光譜法確認塗層中存在有機聚矽氧。
然後如實例1所述使用塗層纖維作為水泥棒中的強化材。與未強化的水泥棒相比，包含塗層纖維的水泥棒在第7天熟成和第28天熟成時分別得到8%和8%的撓曲強度改良。與無塗層纖維強化的水泥棒相比，包含塗層纖維的水泥棒在第7天熟成和第28天熟成時分別得到8%和8%的撓曲強度改良。
實例5(包含交聯有機聚矽氧樹脂混合物的纖維塗層)
取出各5ml羥基封端的甲基矽倍半氧烷樹脂(Dow Corning)和三甲基矽氧基封端的胺丙基苯基矽倍半氧烷樹脂(Dow Corning)放在1000ml燒杯中，並使用90ml的甲醇(Merck)稀釋。加入2克經洗滌乾燥的聚酯 纖維(當地購買)到溶液中並使用磁攪拌器充分攪拌。藉由過濾分離纖維、將纖維乾燥、然後在60℃的烘箱中將纖維上的塗層固化1小時。
相對於無塗層纖維的重量測得纖維上的塗層為0.8% w/w。藉由IR光譜法確認塗層中存在有機聚矽氧。
然後如實例1所述使用塗層纖維作為水泥棒中的強化材。與未強化的水泥棒相比，包含塗層纖維的水泥棒在第7天熟成和第28天熟成時分別得到16%和17%的撓曲強度改良。與無塗層纖維強化的水泥棒相比，包含塗層纖維的水泥棒在第7天熟成和第28天熟成時分別得到15%和17%的撓曲強度改良。
實例6(包含交聯有機矽烷和有機聚矽氧樹脂混合物的纖維塗層)
取出各5ml的正辛基三乙氧基矽烷(Dow Corning)和羥基封端的甲基矽倍半氧烷樹脂(Dow Corning)放在1000ml燒杯中，並使用90ml的甲醇(Merck)稀釋。加入2克經洗滌乾燥的聚酯纖維(當地購買)到溶液中並使用磁攪拌器充分攪拌。藉由過濾分離纖維、將纖維乾燥、然後在60℃的烘箱中將纖維上的塗層固化1小時。
相對於無塗層纖維的重量測得纖維上的塗層為0.8% w/w。藉由IR光譜法確認塗層中存在有機聚矽氧。
然後如實例1所述使用塗層纖維作為水泥棒中的強化材。與未強化的水泥棒相比，包含塗層纖維的水泥棒在第7天熟成和第28天熟成時分別得到20%和21%的撓曲強度改良。與無塗層纖維強化的水泥棒相比，包含塗層纖維的水泥棒在第7天熟成和第28天熟成時分別得到20%和21%的撓曲強度改良。
實例7(包含交聯有機矽烷和有機聚矽氧樹脂混合物的纖維塗層)
取出各5ml的正辛基三乙氧基矽烷(Dow Corning)和羥基封端的甲基矽倍半氧烷樹脂(Dow Corning)放在1000ml燒杯中。於此加入1克的聚氧乙烯單月桂基醚，並使用89ml的水稀釋，以形成乳液。加入2克經洗滌乾燥的聚酯纖維(當地購買)到溶液中並使用磁攪拌器充分攪拌。藉由過濾分離纖維、將纖維乾燥、然後在80℃的烘箱中將纖維上的塗層固化1小時。
相對於無塗層纖維的重量測得纖維上的塗層為0.4% w/w。藉由IR光譜法確認塗層中存在有機聚矽氧。
然後如實例1所述使用塗層纖維作為水泥棒中的強化材。與未強化的水泥棒相比，包含塗層纖維的水泥棒在第7天熟成和第28天熟成時分別得到21%和22%的撓曲強度改良。與無塗層纖維強化的水泥棒相比，包含塗層纖維的水泥棒在第7天熟成和第28天熟成時也分別得到21%和22%的撓曲強度改良。
實例8(包含交聯有機矽烷和有機聚矽氧樹脂混合物及催化劑的纖維塗層)
取出各5ml的正辛基三乙氧基矽烷(Dow Corning)和羥基封端的甲基矽倍半氧烷樹脂(Dow Corning)放在1000ml燒杯中。於此加入1克的聚氧乙烯單月桂基醚，並使用89ml的水稀釋。於溶液中加入0.2克的四(異丙氧基)鈦酸鹽與溶於水的三乙醇胺之反應產物，並且充分攪拌以進行混合。加入2克經洗滌乾燥的聚酯纖維(當地購買)到溶液中並使用磁攪拌器充分攪拌。藉由過濾分離纖維、將纖維乾燥、然後在80℃的烘箱中將纖 維上的塗層固化1小時。
相對於無塗層纖維的重量測得纖維上的塗層為0.4% w/w。藉由IR光譜法確認塗層中存在有機聚矽氧。
然後如實例1所述使用塗層纖維作為水泥棒中的強化材。與未強化的水泥棒相比，包含塗層纖維的水泥棒在第7天熟成和第28天熟成時分別得到21%和22%的撓曲強度改良。與無塗層纖維強化的水泥棒相比，包含塗層纖維的水泥棒在第7天熟成和第28天熟成時也分別得到21%和22%的撓曲強度改良。
不應將本發明視為僅限於本文所述的具體實例，而是應將本發明理解為涵蓋本發明的所有態樣。各種修改和等效製程、以及可應用本發明的眾多結構和裝置對於所屬技術領域中具有通常知識者而言將是立即顯而易見的。所屬技術領域中具有通常知識者將理解的是，在不偏離本發明之範疇下可以進行各種改變，而且不應將本發明之範疇視為僅限於本說明書中所描述者。

Claims (19)

  1. 一種塗層纖維，其包含：- 一包含聚酯的纖維，以及- 一在該纖維上的塗層，該塗層包含一藉由在該纖維上交聯一或多種含矽化合物而製備的交聯聚矽氧，該一或多種含矽化合物係選自有機矽烷和有機聚矽氧樹脂，其中該等含矽化合物中之至少一者具有至少三個交聯基團。
  2. 如請求項1之塗層纖維，其中該等交聯基團X係獨立選自直接鍵結到矽的氫、羥基、丙烯酸酯、醯基、醯氧基、烯基、烷氧基、環氧基、胺、巰基及甲基丙烯酸酯中之一或多者。
  3. 如請求項2之塗層纖維，其中該有機矽烷具有下列通式(1)：R(4-a)Si(R1X)a (1)其中，X為已定義的交聯基團，R1為共價鍵或二價有機鍵聯基團，R為經取代或未經取代的有機自由基，並且a為3或4。
  4. 如請求項2之塗層纖維，其中該有機聚矽氧樹脂為一具有下列通式(2)的矽倍半氧烷樹脂：(R3SiO(3-b)/2(R2X)b) (2)其中R3係獨立選自一經取代或未經取代的有機自由基；R2為一共價鍵或一二價有機鍵聯基團，X為一如上所定義的交聯基團，並且b為0、1或2，前提是該矽倍半氧烷樹脂包含至少3個交聯基團X。
  5. 如前述請求項中任一項之塗層纖維，其中該交聯係在一聚矽氧聚醚存在下進行。
  6. 如前述請求項中任一項之塗層纖維，其中該一或多個含矽化合物進一步包含一具有下列通式(3)的有機矽烷：R(4-c)Si(R1X)c (3)其中X為獨立選自直接鍵結到矽的氫、羥基、丙烯酸酯、醯基、醯氧基、烯基、烷氧基、環氧基、胺、巰基及甲基丙烯酸酯中之一或多者的一交聯基團，R1為一二價有機鍵聯基團，R為一經取代或未經取代的有機自由基，並且c為2。
  7. 如前述請求項中任一項之塗層纖維，其中該纖維塗層之該交聯聚矽氧包含未反應的交聯基團。
  8. 如前述請求項中任一項之塗層纖維，其中該纖維上的該塗層佔該無塗層纖維的0.05至2.0wt%。
  9. 一種製備一塗層纖維的方法，該方法至少包含下列步驟：- 將在一液體中的一塗層組成物施用至一包含聚酯的纖維，該塗層組成物包含一或多種選自有機矽烷和有機聚矽氧樹脂的含矽化合物，其中該等含矽化合物中之至少一者具有至少三個交聯基團，- 在該包含聚酯的纖維上交聯該塗層組成物，以提供該塗層纖維。
  10. 如請求項9之方法，其中該施用步驟至少包含下列步驟：- 混合該包含聚酯的纖維與在該液體中的該塗層組成物，- 從該包含聚酯的纖維去除一部分的該液體，以提供塗佈有該塗層組成物之一包含聚酯的纖維。
  11. 如請求項9之方法，其中該施用步驟包含將在該液體中的該塗層組成物噴灑至該包含聚酯的纖維上。
  12. 如請求項9至11中任一項之方法，其中該包含聚酯的纖維為複數個包含聚酯的纖維，該方法進一步包含在該交聯步驟之前分離塗佈有該塗層組成物之該等包含聚酯之纖維的步驟。
  13. 一種混凝土組成物，其包含：- 一如請求項1至8中任一項之塗層纖維；- 水泥；- 水；- 骨材(aggregate)；以及- 可選擇地塑化劑、加速劑及輸氣劑中之一或多者。
  14. 一種製備一水泥組成物的方法，其至少包含下列步驟：- 混合如請求項1至8中任一項之一塗層纖維與水泥和骨材中之一或兩者，以提供一混合物；- 可選擇地添加骨材或水泥，若這些成分之任一者不存在於該混合物中；- 添加水到該混合物；- 凝結該混合物。
  15. 如請求項14之方法，其進一步包含下列步驟之一或多者：- 在添加該骨材之前添加塑化劑；- 在凝結該混合物之前添加輸氣劑。
  16. 一種包含一或多種選自有機矽烷和有機聚矽氧樹脂的含矽化合物且在一液體中的組成物作為纖維塗佈劑之用途，其中該等含矽化合物中之至少一者具有至少三個交聯基團。
  17. 如請求項16之用途，其中在該液體中的該組成物為一乳液。
  18. 如請求項16或17之用途，其中該纖維為一聚酯纖維。
  19. 一種水泥組成物，其包含：- 一如請求項1至8任一項之塗層纖維；- 水泥；以及- 可選擇地水、骨材、塑化劑、加速劑及輸氣劑中之一或多者。
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