专利名称：一种混凝土用粗纤维及制备方法
技术领域：
本发明涉及一种聚合物纤维及其制备方法，特别是涉及ー种混凝土用聚合物粗纤维及其制备方法。
背景技术：
混凝土是ー种应用广泛且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，由于裂缝的減少或消除，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。粗合成纤维是ー种新型的增强增韧材料，耐腐蚀、易分散、掺量低于钢纤維，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，在路面エ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、桥面及エ业地坪、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カ吋，荷载由混凝土通过纤维-混凝土界面传递给纤维，如果界面无粘结作用，纤维容易产生滑移而无法产生增强作用；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。针对以上情況，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。针对改善纤維-基材界面的改性方法已有ー些报道。中国专利ZL200410033670.X公开了ー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，改善或提高混凝土的韧性、抗冲击、抗裂、抗冻、防渗、弯拉以及耐久性等综合性能；中国专利ZL 200620024146. 5公布了ー种工程用碳塑加强筋，其特点是在直径为O. 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；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；US6863969 B2也公开了ー种混凝土用的粗纤维，纤维的截面形状为椭圆形或其他多边形，截面的平均宽度为I. 0-5. O毫米，截面的平均厚度为O. 1-0. 3毫米，以此来減少纤维的成团并使纤維-基体的粘接カ提高。US 20030082376A1也公开了类似的粗纤维产品。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維-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，异形截面是为了増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ー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，从而更好地改善纤維-混凝土基材的界面。本发明的混凝土用粗纤维为多角棱柱沿轴向螺旋式扭转后的形状，长度为20mm-60mm，截面的直径或等效直径为O. 10-1. 20mm，相邻的棱之间的表面是内凹的。作为优选，本发明的混凝土用粗纤维的棱宽为粗纤维截面外接圆半径的1_20%。 本发明的混凝土用粗纤维的螺旋状棱线和相邻棱之间的内凹面能増加纤维与基体的接触面积，这ニ个特征可以增加脱粘后纤维拔出或滑移过程中的阻碍作用及行程，使纤维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，从而更好地改善纤維-混凝土基材的界面，在一定程度上減少或抑制塑性及硬化混凝土的裂缝，提高韧性、抗折及抗冲击等力学性能。本发明的混凝土用粗纤维的制备方法为将纤维制备原料干燥至恒重后加入到双螺杆挤出机中，经喷丝板孔挤出后，使用冷却液对丝条进行冷却；将冷却后的丝条接入与喷丝板孔形状一致但成角度偏转的导丝板孔；将通过导丝板孔的丝条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；在完成拉伸后，对丝条进行热定型，然后按长度进行切断、打包，即得。所述纤维制备原料选自聚こ烯、聚丙烯、聚こ烯醇、聚酷、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酷、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。作为优选，所述喷丝板孔与导丝板孔之间的距离为所要制得的粗纤维产品的长度的I. 0-1. 5倍，此范围内得到的粗纤维的锚固性能更佳。作为优选，喷丝板孔与导丝板孔的偏转角为15° -75°，在此范围内得到的粗纤维的锚固性能更佳。作为优选，所述冷却液的温度为-20°C +10°C，相对较低的冷却液温度可以增加聚合物从熔融流动与冷却凝固时的过冷度，从而更好地保持粗纤维的异形截面形状。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°c -80°c左右。本发明的混凝土用粗纤维，其相邻棱之间存在的内凹面由喷丝板孔的形状、聚合物出ロ膨胀及冷却收缩共同控制。
本发明所述混凝土用聚合物粗纤维具有以下特点I、为了改善纤維-基材的界面性能，避免使用化学改性手段，エ艺流程具有方便可行的优点。2、通过螺旋型棱线来增大纤维在载荷条件下的拔出阻力，并通过棱线之间的内凹面来増大纤维与基体的接触面积，从而更好地发挥粗纤维的增强增韧作用。3、通过采用相对较低的冷却液温度来增加聚合物从熔融流动与冷却凝固时的过冷度，从而更好地保持粗纤维的异形截面形状。
图I为本发明实施例I粗纤维的示意图。
图2为本发明实施例I粗纤维制备过程中实现轴向螺旋式扭转的示意图。其中，I-喷丝板，2-导丝板，3-扭转前的粗纤维。图3为本发明实施例3粗纤维的示意图。
具体实施例方式下面用实施例进ー步描述本发明，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形截面聚合物粗纤维、表面有压痕的异形截面聚合物粗纤维作为參照样。产品记号分别为A、B。实施例I将聚丙烯树脂干燥至恒重后加入双螺杆挤出机，各区设定温度为
一区I ニ区I三区I四区I五区I六区I机头 150 °C 200°C 220 °C 225°C 230°C 220 °C 220 °C熔融后经近似三角棱形喷丝板孔挤出，喷丝板孔的相邻棱之间的凹入部为圆弧状，丝条进入_5°C浴槽冷却液中，将冷却后的丝条接入与喷丝板孔形状一致但偏转45°的导丝板孔中，喷丝板孔与导丝板孔之间的距离为40mm，将通过导丝板孔的丝条在85-135°C下进行ニ级拉伸，各级的牵伸倍数分别为4倍与I. 5倍，然后在110°C下进行热定型，最后切成长度为40mm的粗纤维。经测试,该产品截面外接圆的半径r0为O. 48mm,棱宽LI为rO的10%即O. 048mm，截面的等效直径D经计算为O. 492mm。本实施例产品记号为C，产品形状见图1，本实施例中粗纤维实现轴向螺旋式扭转的不意图见图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，各区设定温度为
权利要求
1.一种混凝土用粗纤维，其特征在于，所述粗纤维为多角棱柱沿轴向螺旋式扭转后的 形状，长度为20mm-60mm，截面的直径或等效直径为0. 10-1. 20mm，相邻的棱之间的表面是 内凹的。
2.根据权利要求1所述混凝土用粗纤维，其特征在于，所述粗纤维的棱宽为粗纤维截 面外接圆半径的1_20%。
3.一种制备权利要求1或2所述混凝土用粗纤维的方法，其特征在于，制备方法为 将纤维制备原料干燥至恒重后加入到双螺杆挤出机中，经喷丝板孔挤出后，使用冷却液对丝条进行冷却；将冷却后的丝条接入与喷丝板孔形状一致但成角度偏转的导丝板孔； 将通过导丝板孔的丝条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；在完 成拉伸后，对丝条进行热定型，然后按长度进行切断、打包，即得；所述纤维制备原料选自聚乙烯、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。
4.根据权利要求3所述的制备混凝土用粗纤维的方法，其特征在于，所述喷丝板孔与 导丝板孔之间的距离为所要制得的粗纤维产品的长度的1. 0-1. 5倍。
5.根据权利要求3所述的制备混凝土用粗纤维的方法，其特征在于，所述喷丝板孔与 导丝板孔形状之间的偏转角为15° -75。。
6.根据权利要求3所述的制备混凝土用粗纤维的方法，其特征在于，所述冷却液的温 度为-20°C +10°C。
7.根据权利要求3至6任一项所述的制备混凝土用粗纤维的方法，其特征在于，所述分 级拉伸的级数为2-5级，总拉伸倍数为3-10倍。
全文摘要
本发明涉及一种混凝土用粗纤维，为多角棱柱沿轴向螺旋式扭转后的形状，长度为20mm-60mm，截面的直径或等效直径为0.10-1.20mm，相邻的棱之间的表面是内凹的。制备方法为将纤维制备原料干燥至恒重后加入到双螺杆挤出机中，经喷丝板孔挤出后，使用冷却液对丝条进行冷却，然后将丝条接入与喷丝板孔形状一致但成角度偏转的导丝板孔，将通过导丝板孔的丝条进行分级多次拉伸，完成拉伸后，再进行热定型，然后按长度进行切断、打包，即得。本发明通过纤维外观形貌的改变使粗纤维与基体之间具有良好的界面作用力，增加纤维本身的刚性，从而提高或改善粗纤维增强混凝土的防裂、抗折、韧性、抗冲击性等性能。
文档编号D01F6/46GK102659333SQ20121015018
公开日2012年9月12日 申请日期2012年5月15日 优先权日2012年5月15日
发明者刘加平, 刘建忠, 吕进, 周华新, 崔巩, 李长风, 阳知乾 申请人:南京博特新材料有限公司, 江苏博特新材料有限公司, 江苏省建筑科学研究院有限公司, 江苏苏博特新材料股份有限公司