CN1237211C - 水泥混凝土增强聚乙烯纤维及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水泥混凝土增强聚乙烯纤维及其制备方法，用分子量为80-500万的聚乙烯树脂，经十氢萘溶解后通过异形喷丝孔挤出纺丝和牵伸，所得冻胶丝经十氢萘挥发干燥后，通过装有烷基磷酸乙醇铵水溶液的油盘上油装置吸附表面处理剂，然后在热甬道中充分牵伸，经切断机切断后得到水泥混凝土增强聚乙烯纤维；其特征在于分子量为80-500万，具有异形截面，纤维的纤度为2.1-14d，强度为21-35g/d，模量为56-90GPa，断裂伸长4-6%，含表面处理剂烷基磷酸乙醇铵的量为0.1-8%，可以用于水泥及其混凝土增强。
Description
发明领域
本发明涉及一种聚乙烯纤维及其制造方法，特别是用于水泥混凝土增强的聚乙烯纤维及其制造方法。
背景技术
用分散性的纤维来增强水泥混凝土，改善水泥基材的脆性，在不同程度上可以提高水泥及其混凝土的抗裂性、韧性、抗爆和抗冲击性、抗渗性、抗冻性和耐久性、抗拉、抗弯(折)强度，从而可进一步扩大水泥及其混凝土的使用范围。以往作为水泥及其混凝土增强用途使用的纤维主要为石棉纤维、钢纤维、玻璃纤维、碳纤维。但钢纤维或玻璃纤维耐腐蚀性差，碳纤维价格昂贵，石棉纤维已发现具有致癌性而被限制使用，各种水泥及其混凝土增强用合成纤维的研制与开发应用就是在这种背景下发展起来的。其中，聚烯烃纤维以其具有极好的耐化学性、比重轻、成本低而有着广泛的应用前景。
水泥净浆的抗拉强度为3-6MPa，弹性模量为10-25GPa，极限延伸率为0.01-0.05％；水泥砂浆的抗拉强度为2-4MPa，弹性模量为25-35GPa，极限延伸率为0.005-0.015％；水泥混凝土的抗拉强度为1-4MPa，弹性模量为30-40GPa，极限延伸率为0.01-0.02％。作为水泥及其混凝土的增强材料使用时，纤维的强度和模量，尤其是模量，应高于上述指标。EP0743380、EP0091547、JP6313207、CN1071652、CN1147572等通过改进纺丝工艺提高了聚丙烯纤维的强度和模量，但因模量指标均在8GPa以下，低于水泥而起不到增强作用。
CN1071652A、中国申请96116519.7、JP7267709、JP890287189、GB1130612、US4261754等专利文献公开了异形截面聚丙烯纤维用于水泥及其混凝土防裂的方法。在现有常规合成纤维技术中，通常采用了异形截面合成纤维改善纤维的手感、回弹性、起球性、光泽等性能，目前异形截面合成纤维已经广泛用于制作膨体织物、针织物、纬编制物、绒线、地毯等，但迄今为止未曾有以高分子量聚乙烯溶液纺制异形截面聚乙烯纤维的报道。
发明的内容
本发明的目的在于提供一种用于增强水泥及其混凝土的聚乙烯纤维及其制造方法，所述聚乙烯纤维具有异形截面、高的强度和模量，尤其是其模量高于水泥及其混凝土的模量，并且具有良好的分散性和与水泥基材之间的粘附性，有优良的水泥混凝土增强性能。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为，一种水泥及其混凝土增强聚乙烯纤维及其制造方法，用分子量为80-500万的聚乙烯树脂，经溶剂溶解后通过异形喷丝孔挤出纺丝和牵伸，得到强度≥20g/d(1709MPa)，模量≥500g/d(43GPa)的异形截面聚乙烯纤维；采用烷基磷酸乙醇铵对纤维进行表面处理，提高了纤维的水分散性和与水泥之间的亲和性，从而使所得纤维具有优良的水泥混凝土增强性能。
按照上述方法制造的水泥混凝土增强聚乙烯纤维，具有异形截面，分子量为80-500万，纤维的长度为5-10mm，纤维的纤度为2.1-14d，强度为21-35g/d，模量为56-90GPa，断裂伸长为4-6％，表面处理剂烷基磷酸乙醇铵的含量为0.5-5wt％。
本发明的水泥混凝土增强聚乙烯纤维，其中所述的烷基磷酸乙醇铵为十二烷基磷酸三乙醇铵、辛烷基磷酸二乙醇铵。其中所述聚乙烯纤维分子量为100-300万，具有非圆形的截面，纤维的纤度为2.1-4.7d，纤维的长度为5-10mm，强度为25-35g/d，模量为60-90GPa，断裂伸长为4-6％，表面附有的烷基磷酸乙醇铵的量为0.5-5wt％。
本发明水泥混凝土增强聚乙烯纤维的制备方法为：用分子量为80-500万的聚乙烯树脂，经十氢萘溶解后通过喷丝孔挤出纺丝和牵伸，所得冻胶丝经十氢萘挥发干燥后，通过装有烷基磷酸乙醇铵水溶液的油盘上油装置吸烷基磷酸乙醇铵，然后在热甬道中牵伸，经切断机切断后得到水泥混凝土增强聚乙烯纤维。具体地说，本发明的水泥混凝土增强聚乙烯纤维的制备方法为：将分子量为80-500万的聚乙烯树脂粉末和十氢萘按照7∶93-40∶60比例混合，悬浮液在反应釜中97℃条件下溶胀2.5小时，经加料装置喂入双螺杆溶解挤压机溶解挤出，挤出溶液温度控制为210℃，经预过滤器和计量泵喷丝孔挤出，所得冻胶丝经十氢萘挥发干燥后，通过装有5-30％的8-12碳烷基磷酸乙醇铵水溶液的油盘上油装置吸附该8-12碳烷基磷酸乙醇铵，然后在115-145℃温度下在热甬道中牵伸，经切断机切断后得到水泥混凝土增强聚乙烯纤维。
上述方法中的喷丝孔为异形截面喷丝孔。
已有技术中用于水泥混凝土增强的聚丙烯或聚乙烯纤维，系采用常规分子量(分子量5-35万)经常规熔融纺丝工艺制得，其强度和模量，尤其是模量远远低于水泥及其混凝土的模量，因而添加到水泥及其混凝土基体中后虽能起到防裂和抗渗作用，但起不到增强作用。本发明采用超高分子量聚乙烯(分子量80-500万)，经溶剂溶解的原液制备工艺和冻胶纺丝工艺，制得强度和模量高于水泥及其混凝土的纤维，添加到水泥及其混凝土基体中后可同时起到防裂与增强作用。本发明所述的聚乙烯树脂的分子量优选100-300万。
已有技术中采用具有异形截面的聚丙烯纤维用于水泥混凝土防裂用途。本发明采用超高分子量聚乙烯冻胶纺丝工艺制得强度和模量均高于水泥混凝土基材的异形截面聚乙烯纤维，可同时起到对于水泥及其混凝土的防裂和增强作用。
本发明所述“异形截面聚乙烯纤维”，是指聚乙烯纤维其横截面为非圆形的有利于增大其与水泥及其混凝土的接触面积和镶嵌效果的任何截面形状，也可以是一种以上截面的组合。所述的异型表面可以是“三叶形”、“扁平形”、“十字型”、“五叶形”、“梅花形”、“雪花形”等，这样的截面形状可使纤维的刚性得以提高而有利于分散，避免缠结成团，同时，本发明的聚乙烯纤维与水泥能够充分接触。
本发明所述的“烷基磷酸乙醇铵”是指具有下述化学结构的化合物：
其中m＝1-3，n＝1-3，R为8-12C的烷烃。
JP6248506、JP6219797、EP0535373等已曾提及了有关“烷基磷酸碱金属盐”用于防止水泥及其混凝土开裂聚丙烯纤维的表面处理的方法，而本发明人发现，“烷基磷酸乙醇铵”具有更好的水分散性和与聚乙烯纤维的粘附性能。由于当烷基磷酸乙醇胺盐与水泥混凝土基体中的化学成份发生反应和粘结时，能够置换出部分乙醇胺。而乙醇胺是生产高质量水泥的添加助剂，不仅可以防止水泥结块，还可增加水泥的流动性和固化性能，从而改善了纤维与水泥混凝土基体界面的相容性，因此烷基磷酸的非金属盐——烷基磷酸与乙醇胺的化合物(一乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺)生成的烷基磷酸乙醇胺盐具有更好的水分散性和与聚乙烯纤维的粘附性能。另外，由于本发明所述的烷基磷酸乙醇铵低聚物的碳链的烷基(R)部分与聚乙烯碳链具有良好的亲和性，而端基磷酸乙醇铵部分与水泥及其混凝土具有亲和与粘结性，从而起到了纤维与水泥及其混凝土之间的连接作用。
本发明所述的烷基磷酸乙醇铵低聚物可以配成0.5-30％的水溶液，在纺程上油盘上使纤维得以吸附。纤维经后道加热牵伸后水份蒸发，纤维上吸附该低聚物的量是纤维重量的0.1-8％，优选0.5-5％。
本发明采用分子量为80-500万的聚乙烯，经溶剂溶解后通过异形喷丝孔挤出纺丝和牵伸，以及在纺程上油盘上使纤维吸附表面处理剂烷基磷酸乙醇铵，得到具有异形截面和吸附有处理剂的聚乙烯纤维，得到强度和模量，尤其是模量大于水泥相应值的聚乙烯纤维，其异形截面及表面的吸附剂改善了水泥与纤维的接触界面、亲和与粘结性，本发明所述的水泥混凝土增强聚乙烯纤维用于水泥增强，可以改善水泥的抗折强度、抗渗能力和抗冲击能力。
下面结合附图和具体实施例详细描述本发明，所述的实施例是用于描述本发明，而不是限制本发明。
附图说明
图1为本发明一实施例中制造异形纤维喷丝板的喷孔形状；
图2为本发明另一实施例中制造异形纤维喷丝板的喷孔形状；
图3为本发明再一实施例中制造异形纤维喷丝板的喷孔形状。
具体实施方式
参考例
将分子量为200万的聚乙烯树脂粉末和十氢萘按照20∶80比例混合，悬浮液在反应釜中97℃条件下溶胀2.5小时，经加料装置喂入双螺杆溶解挤压机溶解挤出，挤出溶液温度控制为210℃，经预过滤器和计量泵从Y形异形截面喷丝孔挤出，所得冻胶丝经十氢萘挥发干燥后，通过装有7％的寅烷基磷酸酯三乙醇铵水溶液的油盘上油装置吸附表面处理剂，然后在115-145℃温度下在热甬道中充分牵伸，经切断机切断后所得短纤维的纤度为4.7d，长度7mm，强度为25.6g/d，模量为812g/d(69.4GPa)，断裂伸长5.1％，含表面处理剂的量为1.4％。将该纤维以0.2％体积掺量(1.8kg/m3)加入到水泥(象牌525普通硅酸盐水泥)∶砂∶石∶水为1∶2∶3∶0.6的混凝土中，并控制蒸养温度在100℃以下，得到抗折强度试体10×10×40cm3，对照组(不掺纤维)抗折4.0MPa，掺纤维组5.7MPa；抗压强度试体10×10×10cm3，对照组(不掺纤维)抗压29.0MPa，掺纤维组31.6MPa，其他性能为：抗渗能力(按GBJ82-85测试)提高70％；抗冲击能力(按GB/T15231.5-94测试)提高25.8％。
实施例1
其它同参考例，将聚乙烯树脂粉末和十氢萘按比例混合，悬浮液在反应釜中97℃条件下溶胀2.5小时，经加料装置喂入双螺杆溶解挤压机溶解挤出，挤出溶液温度控制为210℃，经预过滤器和计量泵从Y形异形截面喷丝孔挤出，所得冻胶丝经十氢萘挥发干燥后，通过装有烷基磷酸三乙醇铵水溶液的油盘上油装置吸附表面处理剂，然后在115-145℃温度下在热甬道中充分牵伸，经切断机切断后得短纤维。所不同的是采用分子量为95万的聚乙烯树脂粉末∶十氢萘为30∶70的混合悬浮液，以及较大尺寸的Y形异形喷丝孔，十二烷基磷酸三乙醇铵水溶液的浓度为20％；经切断机切断后所得短纤维的长度10mm，纤度为13.6d，强度为21g/d，模量为657g/d(56GPa)，断裂伸长4.3％，含表面处理剂的量为0.1wt％。将该纤维以0.2％体积掺量(1.8kg/m3)加入到水泥(象牌525普通硅酸盐水泥)∶砂∶石∶水为1∶2∶3∶0.6的混凝土中，并控制蒸养温度在100℃以下，得到抗折强度试体10×10×40cm3，对照组(不掺纤维)抗折4.0MPa，掺纤维组5.1MPa；抗压强度试体10×10×10cm3，对照组(不掺纤维)抗压29.0MPa，掺纤维组29.8MPa。
实施例2
其它同实施例1或参考例，采用扁平式(长方形)喷丝孔，所不同的是采用分子量为300万的聚乙烯树脂粉末∶十氢萘为10∶90的混合悬浮液，经切断机切断后所得短纤维的长度5mm，纤度为2.1，强度为35g/d，模量为1050g/d(90GPa)，断裂伸长4.0％，含表面处理剂十二烷基磷酸三乙醇铵的量为5wt％。抗折强度提高55％，抗压强度提高10％，抗渗能力提高72％；抗冲击能力提高30％。
实施例3
其它同实施例1或参考例，所不同的是表面处理剂为辛烷基磷酸二乙醇铵，采用十字形异形喷丝孔，分子量为500万的聚乙烯树脂粉末∶十氢萘为7∶93的混合悬浮液，经切断机切断后所得短纤维的长度7mm，纤度为3.4d，强度为34g/d，模量为1053g/d(90GPa)，断裂伸长6.0％，含表面处理剂辛烷基磷酸二乙醇铵的量为0.5wt％。抗折强度提高56％，抗压强度提高10％，抗渗能力提高73％；抗冲击能力提高31％。
实施例4
其它同实施例1或参考例，所不同的是表面处理剂为葵烷基磷酸一乙醇铵，采用五叶形异形喷丝孔，分子量为80万的聚乙烯树脂粉末∶十氢萘为40∶60的混合悬浮液，经切断机切断后所得短纤维的长度10mm，纤度为14d，强度为21g/d，模量为676g/d(58GPa)，断裂伸长4.2％，含表面处理剂葵烷基磷酸一乙醇铵的量为8wt％。试验证明可以改善水泥及其混凝土的性能。
实施例5
其它同实施例1或参考例，所不同的是表面处理剂为葵烷基磷酸一乙醇铵，采用梅花型异形喷丝孔，分子量为100万的聚乙烯树脂粉末∶十氢萘为40∶60的混合悬浮液，经切断机切断后所得短纤维的长度8mm，纤度为9d，强度为23g/d，模量为62GPa，断裂伸长4％，含表面处理剂葵烷基磷酸一乙醇铵的量为3wt％。抗折强度提高38％，抗压强度提高8％，抗渗能力提高68％；抗冲击能力提高27％。
Claims (9)
1.一种水泥混凝土增强聚乙烯纤维，其特征在于所述聚乙烯纤维的分子量为80-500万，具有非圆形的截面，纤维的纤度为2.1-14d，纤维的长度为5-10mm，强度为21-35g/d，模量为56-90GPa，断裂伸长为4-6％，其表面附有的烷基磷酸乙醇铵的量为0.1-8wt％。
2.根据权利要求1所述的一种水泥混凝土增强聚乙烯纤维，其特征在于所述的烷基磷酸乙醇铵的结构为：
其中m＝1-3，n＝1-3，R为8-12碳的烷烃。
3.根据权利要求2所述的一种水泥混凝土增强聚乙烯纤维，其特征在于所述的烷基磷酸乙醇铵为十二烷基磷酸三乙醇铵或辛烷基磷酸二乙醇铵。
4.根据权利要求1所述的一种水泥混凝土增强聚乙烯纤维，其特征在于聚乙烯分子量为100-300万，具有非圆形的截面，纤维的纤度为2.1-4.7d，纤维的长度为5-10mm，强度为25-35g/d，模量为60-90GPa，断裂伸长为4-6％，表面附有的烷基磷酸乙醇铵的量为0.5-5wt％。
5.根据权利要求1-3任一项所述的一种水泥混凝土增强聚乙烯纤维，其特征在于所述的截面为扁平形、三叶形、四叶形、五叶形、梅花形或雪花形的一种。
6.根据权利要求1-3任一项所述的一种水泥混凝土增强聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于用分子量为80-500万的聚乙烯树脂，经十氢萘溶解后通过喷丝孔挤出纺丝和牵伸，所得冻胶丝经十氢萘挥发干燥后，通过装有烷基磷酸乙醇铵水溶液的油盘上油装置吸附烷基磷酸乙醇铵，然后在热甬道中牵伸，经切断机切断后得到水泥混凝土增强聚乙烯纤维。
7.根据权利要求6所述的一种水泥混凝土增强聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于将分子量为80-500万的聚乙烯树脂粉末和十氢萘按照7∶93-40∶60比例混合，悬浮液在反应釜中97℃条件下溶胀2.5小时，经加料装置喂入双螺杆溶解挤压机溶解挤出，挤出溶液温度控制为210℃，经预过滤器和计量泵从喷丝孔挤出，所得冻胶丝经十氢萘挥发干燥后，通过装有5-30wt％的8-12碳烷基磷酸乙醇铵水溶液的油盘上油装置吸附该8-12碳烷基磷酸乙醇铵，然后在115-145℃温度下在热甬道中牵伸，经切断机切断后得到水泥混凝土增强聚乙烯纤维。
8.根据权利要求7所述的一种水泥混凝土增强聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于所述聚乙烯的分子量为100-300万。
9.根据权利要求6-8任一项所述的一种水泥混凝土增强聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于所述的聚乙烯的截面为扁平形、三叶形、四叶形或雪花形的一种。
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