專利名稱：水泥混凝土增強聚乙烯纖維及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種聚乙烯纖維及其制造方法，特別是用于水泥混凝土增強的聚乙烯纖維及其制造方法。
水泥凈漿的抗拉強度為3-6Mpa，彈性模量為10-25Gpa，極限延伸率為0.01-0.05％；水泥砂漿的抗拉強度為2-4Mpa，彈性模量為25-35GPa，極限延伸率為0.005-0.015％；水泥混凝土的抗拉強度為1-4Mpa，彈性模量為30-40Gpa，極限延伸率為0.01-0.02％。作為水泥及其混凝土的增強材料使用時，纖維的強度和模量，尤其是模量，應高于上述指標。EP0743380、EP0091547、JP6313207、CN1071652、CN1147572等通過改進紡絲工藝提高了聚丙烯纖維的強度和模量，但因模量指標均在8Gpa以下，低于水泥而起不到增強作用。
CN1071652A、中國申請96116519.7、JP7267709、JP890287189、GB1130612、US4261754等專利文獻公開了異形截面聚丙烯纖維用于水泥及其混凝土防裂的方法。在現(xiàn)有常規(guī)合成纖維技術中，通常采用了異形截面合成纖維改善纖維的手感、回彈性、起球性、光澤等性能，目前異形截面合成纖維已經(jīng)廣泛用于制作膨體織物、針織物、緯編制物、絨線、地毯等，但迄今為止未曾有以高分子量聚乙烯溶液紡制異形截面聚乙烯纖維的報道。
發(fā)明的內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種用于水泥及其混凝土增強的聚乙烯纖維及其制造方法，所述聚乙烯纖維具有異形截面、高的強度和模量，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與水泥基材之間的粘附性，有優(yōu)良的水泥混凝土增強性能。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為，一種水泥及其混凝土增強聚乙烯纖維及其制造方法，用分子量為80-500萬的聚乙烯樹脂，經(jīng)溶劑溶解后通過異形噴絲孔擠出紡絲和牽伸，得到強度≥20g/d(1709Mpa)，模量≥500g/d(43Gpa)的異形截面聚乙烯纖維；采用烷基磷酸乙醇銨對纖維進行表面處理，提高了纖維的水分散性和與水泥之間的親和性，從而使所得纖維具有優(yōu)良的水泥混凝土增強性能。
按照上述方法制造的水泥混凝土增強聚乙烯纖維，具有異形截面，分子量為80-500萬，短纖維的長度5-10mm，纖維的纖度為2.1-14d，強度為21-35g/d，模量為56-90Gpa，斷裂伸長4-6％，表面處理劑烷基磷酸乙醇銨的含量為0.5-5％。
已有技術中用于水泥混凝土增強的聚丙烯或聚乙烯纖維，系采用常規(guī)分子量(分子量5-35萬)經(jīng)常規(guī)熔融紡絲工藝制得，其強度和模量，尤其是模量遠遠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體中后雖能起到防裂和抗?jié)B作用，但起不到增強作用。本發(fā)明采用超高分子量聚乙烯(分子量80-500萬)，經(jīng)溶劑溶解的原液制備工藝和凍膠紡絲工藝，制得強度和模量高于水泥及其混凝土的纖維，添加到水泥及其混凝土基體中后可同時起到防裂與增強作用。本發(fā)明所述的聚乙烯樹脂的分子量優(yōu)選100-300萬。
已有技術中采用具有異形截面的聚丙烯纖維用于水泥混凝土防裂用途。本發(fā)明采用超高分子量聚乙烯凍膠紡絲工藝制得強度和模量均高于水泥混凝土基材的異形截面聚乙烯纖維，可同時起到對于水泥及其混凝土的防裂和增強作用。
本發(fā)明所述“異形截面聚乙烯纖維”，是指聚乙烯纖維其橫截面為非圓形的有利于增大其與水泥及其混凝土的接觸面積和鑲嵌效果的任何截面形狀，也可以是一種以上截面的組合。所述的異型表面可以是“三葉形”、“扁平形”、“十字型”、“五葉形”、“梅花形”、“雪花形”等，也可以是他們一種或一種以上的組合，這樣的截面形狀可使纖維的剛性得以提高而有利于分散，避免纏結成團，同時，本發(fā)明的聚乙烯纖維與水泥能夠充分接觸。
本發(fā)明所述的“烷基磷酸乙醇銨”是指具有下述化學結構的化合物 其中m＝1-3，n＝1-3，R為8-12碳的烷烴。
JP6248506、JP6219797、EP0535373等已曾提及了有關“烷基磷酸堿金屬鹽”用于防止水泥及其混凝土開裂聚丙烯纖維的表面處理的方法，而本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，“烷基磷酸乙醇銨”具有更好的水分散性和與聚乙烯纖維的粘附性能。由于當烷基磷酸乙醇胺鹽與水泥混凝土基體中的化學成份發(fā)生反應和粘結時，能夠置換出部分乙醇胺。而乙醇胺是生產(chǎn)高質(zhì)量水泥的添加助劑，不僅可以防止水泥結塊，還可增加水泥的流動性和固化性能，從而改善了纖維與水泥混凝土基體界面的相容性，因此烷基磷酸的非金屬鹽——烷基磷酸與乙醇胺的化合物(一乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺)生成的烷基磷酸乙醇胺鹽具有更好的水分散性和與聚乙烯纖維的粘附性能。另外，由于本發(fā)明所述的烷基磷酸乙醇銨低聚物的碳鏈的烷基(R)部分與聚乙烯碳鏈具有良好的親和性，而端基磷酸乙醇銨部分與水泥及其混凝土具有親和與粘結性，從而起到了纖維與水泥及其混凝土之間的連接作用。
本發(fā)明所述的烷基磷酸乙醇銨低聚物可以配成0.5-30％的水溶液，在紡程上油盤上使纖維得以吸附。纖維經(jīng)后道加熱牽伸后水份蒸發(fā)，纖維上吸附該低聚物的量是纖維重量的0.1-8％，優(yōu)選0.5-5％。
本發(fā)明采用分子量為80-500萬的聚乙烯，經(jīng)溶劑溶解后通過異形噴絲孔擠出紡絲和牽伸，以及在紡程上油盤上使纖維吸附表面處理劑烷基磷酸乙醇銨，得到具有異形截面和吸附有處理劑的聚乙烯纖維，得到強度和模量，尤其是模量大于水泥相應值的聚乙烯纖維，其異形截面及表面的吸附劑改善了水泥與纖維的接觸界面、親和與粘結性，本發(fā)明所述的水泥混凝土增強聚乙烯纖維用于水泥增強，可以改善水泥的抗折強度、抗?jié)B能力和抗沖擊能力。
下面結合附圖
和具體實施例詳細描述本發(fā)明，所述的實施例是用于描述本發(fā)明，而不是限制本發(fā)明。
實施例2其它同實施例1，所不同的是采用分子量為95萬的聚乙烯樹脂粉末∶十氫萘為30∶70的混合懸浮液，以及較大尺寸的Y形異形噴絲孔，十二烷基磷酸三乙醇銨水溶液的濃度為20％；經(jīng)切斷機切斷后所得短纖維的長度10mm，纖度為13.6d，強度為21g/d，模量為657g/d(56Gpa)，斷裂伸長4.3％，含表面處理劑的量為0.1％。將該纖維以0.2％體積摻量(1.8kg/m3)加入到水泥(象牌525普通硅酸鹽水泥)∶砂∶石∶水為1∶2∶3∶0.6的混凝土中，并控制蒸養(yǎng)溫度在100℃以下，得到抗折強度試體10×10×40cm3，對照組(不摻纖維)抗折4.0Mpa，摻纖維組5.1Mpa；抗壓強度試體10×10×10cm3，對照組(不摻纖維)抗壓29.0Mpa，摻纖維組29.8Mpa。
實施例3其它同實施例1，采用扁平式(長方形)噴絲孔，所不同的是采用分子量為300萬的聚乙烯樹脂粉末∶十氫萘為10∶90的混合懸浮液，經(jīng)切斷機切斷后所得短纖維的長度5mm，纖度為2.1d，強度為35g/d，模量為1050g/d(90Gpa)，斷裂伸長4.0％，含表面處理劑十二烷基磷酸三乙醇銨的量為5％?？拐蹚姸忍岣?5％，抗壓強度提高10％，抗?jié)B能力提高72％；抗沖擊能力提高30％。
實施例4其它同實施例1，所不同的是表面處理劑為辛烷基磷酸二乙醇銨，采用十字形異形噴絲孔，分子量為500萬的聚乙烯樹脂粉末∶十氫萘為7∶93的混合懸浮液，經(jīng)切斷機切斷后所得短纖維的長度7mm，纖度為3.4d，強度為34g/d，模量為1053g/d(90Gpa)，斷裂伸長6.0％，含表面處理劑辛烷基磷酸二乙醇銨的量為0.5％?？拐蹚姸忍岣?6％，抗壓強度提高10％，抗?jié)B能力提高73％；抗沖擊能力提高31％。
實施例5其它同實施例1，所不同的是表面處理劑為葵烷基磷酸一乙醇銨，采用五葉形異形噴絲孔，分子量為80萬的聚乙烯樹脂粉末∶十氫萘為40∶60的混合懸浮液，經(jīng)切斷機切斷后所得短纖維的長度10mm，纖度為14d，強度為21g/d，模量為676g/d(58Gpa)，斷裂伸長4.2％，含表面處理劑葵烷基磷酸一乙醇銨的量為8％。試驗證明可以改善水泥及其混凝土的性能。
實施例6其它同實施例1，所不同的是表面處理劑為葵烷基磷酸一乙醇銨，采用梅花型異形噴絲孔，分子量為100萬的聚乙烯樹脂粉末∶十氫萘為40∶60的混合懸浮液，經(jīng)切斷機切斷后所得短纖維的長度8mm，纖度為9d，強度為23g/d，模量為62Gpa，斷裂伸長4％，含表面處理劑葵烷基磷酸一乙醇銨的量為3％。抗折強度提高38％，抗壓強度提高8％，抗?jié)B能力提高68％；抗沖擊能力提高27％。
權利要求
1.一種水泥混凝土增強聚乙烯纖維，其特征在于所述聚乙烯纖維的分子量為80-500萬，具有非圓形的異形截面，纖維的纖度為2.1-14d，短纖維的長度5-10mm，強度為21-35g/d，模量為56-90Gpa，斷裂延伸率長4-6％，其表面附有的烷基磷酸乙醇銨的量為0.1-8wt％。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種水泥混凝土增強聚乙烯纖維，其特征在于所述的烷基磷酸乙醇銨的結構為 其中m＝1-3，n＝1-3，R為8-12碳的烷烴。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種水泥混凝土增強聚乙烯纖維，其特征在于所述的處理劑優(yōu)選為十二烷基磷酸三乙醇銨、辛烷基磷酸二乙醇銨或寅烷基磷酸酯三乙醇銨。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種水泥混凝土增強聚乙烯纖維，其特征在于優(yōu)選聚乙烯的分子量為100-300萬，具有非圓形的異形截面，纖維的纖度優(yōu)選為2.1-4.7d，強度優(yōu)選為25-35g/d，模量優(yōu)選為60-90Gpa，斷裂伸長優(yōu)選4-6％，含表面處理劑的量優(yōu)選為0.5-5％。
5.根據(jù)權利要求1-3任一項所述的一種水泥混凝土增強聚乙烯纖維，其特征在于所述的異形截面為扁平形、三葉形、四葉形、五葉形、“梅花形”或“雪花形一種或一種以上的組合。
6.權利要求1-3任一項所述的水泥混凝土增強聚乙烯纖維的制備方法，其特征在于用分子量為80-500萬的聚乙烯樹脂，經(jīng)十氫萘溶解后通過異形噴絲孔擠出紡絲和牽伸，所得凍膠絲經(jīng)十氫萘揮發(fā)干燥后，通過裝有烷基磷酸乙醇銨水溶液的油盤上油裝置吸附該表面處理劑，然后在在熱甬道中充分牽伸，經(jīng)切斷機切斷后得到水泥混凝土增強聚乙烯纖維。
7.根據(jù)權利要求6所述的一種水泥混凝土增強聚乙烯纖維的制備方法，其特征在于將分子量為80-500萬的聚乙烯樹脂粉末和十氫萘按照7∶93--40∶60比例混合，懸浮液在反應釜中97℃條件下溶脹2.5小時，經(jīng)加料裝置喂入雙螺桿溶解擠壓機溶解擠出，擠出溶液溫度控制為210℃，經(jīng)預過濾器和計量泵從異形截面噴絲孔擠出，所得凍膠絲經(jīng)十氫萘揮發(fā)干燥后，通過裝有5-30％的8-12碳烷基磷酸乙醇銨水溶液的油盤上油裝置吸附表面處理劑，然后在115-145℃溫度下在熱甬道中充分牽伸，經(jīng)切斷機切斷后得到水泥混凝土增強聚乙烯纖維。
8.根據(jù)權利要求7所述的一種水泥混凝土增強聚乙烯纖維的制備方法，其特征在于所述聚乙烯的分子量優(yōu)選為100-300萬。
9.根據(jù)權利要求5-8任一項所述的一種水泥混凝土增強聚乙烯纖維的制備方法，其特征在于所述的聚乙烯的異形截面為扁平形、三葉形、四葉形、五葉形一種或一種以上的組合。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水泥混凝土增強聚乙烯纖維及其制備方法，用分子量為80－500萬的聚乙烯樹脂，經(jīng)十氫萘溶解后通過異形噴絲孔擠出紡絲和牽伸，所得凍膠絲經(jīng)十氫萘揮發(fā)干燥后，通過裝有烷基磷酸乙醇銨水溶液的油盤上油裝置吸附表面處理劑，然后在在熱甬道中充分牽伸，經(jīng)切斷機切斷后得到水泥混凝土增強聚乙烯纖維；其特征在于分子量為80－500萬，具有異形截面，纖維的纖度為2.1－14d，強度為21－35g/d，模量為56－90Gpa，斷裂伸長4－6％，含表面處理劑烷基磷酸乙醇銨的量為0.1－8％；可以用于水泥及其混凝土增強。
文檔編號C04B16/00GK1406900SQ01131109
公開日2003年4月2日 申請日期2001年8月30日 優(yōu)先權日2001年8月30日
發(fā)明者孫玉山, 金小芳, 孔令熙, 李啟明, 孟昭林, 史小興, 馬彥, 張彩霞, 林相來, 江淵, 畢英華 申請人:中國紡織科學研究院