專利名稱：混凝土及砂漿用改性聚丙烯短纖維的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種改性聚丙烯短纖維及其制品，更特別的是關(guān)于一種混凝土及砂漿用改性聚丙烯短纖維及其制品。
眾所周知，水泥在固化時(shí)的干燥收縮導(dǎo)致基體內(nèi)的應(yīng)力不斷增加，在部分區(qū)域出現(xiàn)缺陷，即通常所謂的裂縫，由此導(dǎo)致水泥混凝土制品的強(qiáng)度、抗壓、抗折性下降，發(fā)生滲漏，影響其在特殊領(lǐng)域(如地下建筑、橋梁、水壩等)的應(yīng)用。
為防止水泥混凝土制品的開裂，提高制品的抗壓、抗折性能，最初人們在水泥混凝土中添加纖維(如無機(jī)石棉纖維、玻璃纖維或金屬纖維)。然而，石棉纖維的來源有限并有致癌性，玻璃纖維和金屬纖維的耐腐蝕性差，其應(yīng)用受到一定的限制。
英國專利1,130,612針對上述增強(qiáng)纖維的缺陷，提出以裂膜聚丙烯纖維代替?zhèn)鹘y(tǒng)的增強(qiáng)纖維。由于聚丙烯具有優(yōu)良的抗腐蝕性，能與水泥基材相互粘著，故顯示出增強(qiáng)纖維應(yīng)有的特性。但聚丙烯裂膜纖維表面光滑，與水泥混和中不易分散，局部產(chǎn)生成團(tuán)現(xiàn)象，因而影響了聚丙烯裂膜纖維的增強(qiáng)效果的發(fā)揮。
美國專利4,261,754對英國專利1,130,612進(jìn)行了改進(jìn)，即先將裂膜纖維與純硅酸鹽水泥高速混和，使其在水泥中得以均勻分散，之后再加入沙、水?dāng)嚭停瑵沧⒊尚?，由此達(dá)到改善的目的。然而，裂膜纖維的纖維化是借助于它與純水泥的高速攪和實(shí)現(xiàn)的，這樣嚴(yán)格條件的攪和和分二步的混和，給建筑施工帶來了極大的困難和不方便，而且聚丙烯裂膜纖維的纖維化與分散均勻性也較難控制。
在中國專利CN-96116519中公開了一種水泥用防裂用聚丙烯纖維，其能有效地增強(qiáng)水泥，但其纖維的橫截面為“Y”型，并且不是改性聚丙烯短纖維。
本發(fā)明的目的是提供一種能有效克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提高混凝土及砂漿性能的改性聚丙烯短纖維及其制品。
本發(fā)明的目的之二是提供一種摻有改性聚丙烯短纖維和其它添加劑的混凝土及砂漿。
本發(fā)明的這些目的和其他目的將通過以下詳細(xì)描述來進(jìn)一步闡述和說明。
在本發(fā)明的混凝土及砂漿用改性聚丙烯短纖維中，纖維的橫截面為三葉型或圓弧型并且多孔隙，分枝夾角120°，孔隙率為1.8～3.8％，纖維長度2～29mm，單纖纖度3.3～48dtex，纖維強(qiáng)度2.5～4.2CN/dtex，纖維模量26～45N/tex，纖維伸長30～180％，結(jié)晶度15～36％，取向度26～36×10-3(αN雙折射值)。
進(jìn)一步的，本發(fā)明的改性聚丙烯短纖維的混凝土及砂漿，以混凝土及砂漿體積計(jì)，含有0.04～1.2kg/m3的改性聚丙烯短纖維。具體地，以混凝土體積計(jì)，含有0.5～1.2kg/m3的改性聚丙烯短纖維，以砂漿體積計(jì)，含有0.4～0.8kg/m3的改性聚丙烯短纖維。
本發(fā)明的混凝土及砂漿除含有改性聚丙烯短纖維外，還可含有以改性聚丙烯總重量計(jì)，0.2～0.7％的脂肪酸酰胺系列添加劑，較好的是0.2～0.7％的亞乙基雙硬脂酰胺添加劑和1～3％的陶瓷微粉(PP樹脂共混、粒徑小于100微米)。如有必要還可加入混凝土及砂漿使用時(shí)常規(guī)添加劑，如減水劑，調(diào)節(jié)劑，增稠劑等等當(dāng)然，也可加入其它促進(jìn)纖維分散性，防止在砂石、水泥漿中纖維結(jié)團(tuán)的添加劑(例如常規(guī)的有機(jī)硅表面活性劑)和可以吸收隔斷紫外線，同時(shí)增強(qiáng)纖維和水泥、砂石粘著力的類似陶瓷微粉的添加劑(例如氧化鋅或氧化鈦等)。
本發(fā)明的產(chǎn)品具有產(chǎn)品制造簡便、可利用現(xiàn)有VD系列的熔紡生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，并且三葉型或圓弧型在生產(chǎn)上紡絲成形容易，有利于在混凝土及砂漿中的攪拌分散性最好的是其能吸收紫外線和具有良好的分散性以及與砂石及水泥的粘著力。
在本發(fā)明中，聚丙烯纖維作為增強(qiáng)混凝土及砂漿制品的關(guān)鍵是聚丙烯纖維與混凝土及砂漿材料間的粘合力，借助于聚丙烯纖維的良好力學(xué)性能傳遞混凝土及砂漿固化過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，避免應(yīng)力過于集中，達(dá)到防止裂縫的形成，并提高混凝土及砂漿的其它力學(xué)性能。由此可見，提高聚丙烯纖維的增強(qiáng)效果，應(yīng)增大混凝土及砂漿與纖維之間的接觸面和其相互粘著力。
本發(fā)明為充分發(fā)揮聚丙烯纖維作為混凝土及砂漿增強(qiáng)纖維的作用，以短纖維取代傳統(tǒng)的裂膜纖維，改善纖維在混凝土及砂漿中的分散均勻性，以異形纖維(纖維截面為三葉型或圓弧型)取代裂膜纖維的扁平形式，以增大纖維與混凝土及砂漿間的接觸面積，從而提高兩者之間的粘著力；制備多孔隙纖維，以增加纖維表面的粗糙度，進(jìn)一步提高混凝土及砂漿與纖維之間的粘著力。
眾所周知，由短纖維工藝制得的聚丙烯纖維較裂膜法制得的聚丙烯纖維的力學(xué)性能為優(yōu)，另外，由于短纖維工藝所制得的聚丙烯短纖維彼此分開，且之間缺乏抱合力，極易在外力作用下相互分散，而相應(yīng)的裂膜纖維分散需借助于激烈的外力，使其彼此撕開，才能達(dá)到均勻分散的目的。
增加短纖維與混凝土及砂漿之間的接觸面積是提高纖維增強(qiáng)作用的一個重要方面。減少短纖維的纖度是增加纖維表面積的簡捷方法，然而僅僅降低纖維的纖度，雖可大大地增加纖維的表面積，但纖維的剛性削弱，難以使其在混凝土及砂漿中挺直分布。為減少纖維在混凝土及砂漿中的卷曲，以異形纖維取代常規(guī)的圓形纖維。這種異形纖維不僅保持了較大的表面積，纖維的剛性也遠(yuǎn)大于圓形纖維。由于三葉型或圓弧型紡絲成形中冷卻速率的增加，因此纖維的取向度增加，有利于增加三葉形或圓弧型纖維的剛性。為使纖維更易分散，選擇了三葉形或圓弧型截面的聚丙烯短纖維。由于三葉形或圓弧型聚丙烯短纖維的挺直度獲得了很大的提高，克服了細(xì)旦短纖維易卷曲的缺點(diǎn)；與此同時(shí)，三葉形或圓弧型較Y型纖維防止了纖維相互靠攏和相互鑲嵌的排列，大大地提高了纖維的蓬松性，由此進(jìn)一步改善了纖維在混凝土及砂漿中的分散性及使用時(shí)更方便。由本發(fā)明制得的三葉形或圓弧型聚丙烯短纖維在與混凝土及砂漿混和時(shí)，不必有高速搗和的要求，且可一次混和完成，從而在提高聚丙烯短纖維摻人混凝土及砂漿中均勻性的同時(shí)，又簡化了混和工藝過程。
本發(fā)明為了提高聚丙烯短纖維與混凝土及砂漿間的粘著力而使用多孔隙的聚丙烯纖維，以增加纖維表面的粗糙度。提高纖維孔隙率的方法是在紡絲過程中添加聚丙烯β晶系成核劑，憑借β晶一般僅在成核劑存在下，從熔融結(jié)晶中獲得，且屬不穩(wěn)定狀態(tài)，在拉伸時(shí)由β晶向α晶轉(zhuǎn)變，在這種轉(zhuǎn)變中晶核體積發(fā)生收縮，故在拉伸后纖維中留下孔隙。這種孔隙使原來光滑的表面變得粗糙，從而提高它與水泥混凝土之間的粘著力。
多孔隙聚丙烯纖維(PP纖維)可以按以下方法制備將MI＝26的PP切片(揚(yáng)子石化廠S904)添加0.1％成核劑、亞乙基雙硬脂酰胺添加劑和陶瓷微粉(10微米以下)混和，造粒再經(jīng)短纖維熔融紡絲擠出機(jī)進(jìn)行紡絲(噴絲板孔形有圓弧形、三葉形兩種，噴絲板孔數(shù)380f或410f)，拉伸(拉伸倍數(shù)70倍)，切斷(短纖維15mm)，測得纖維纖度14.8旦，強(qiáng)度3.4cN/dtex，伸長＝58％，取向度28×10-3，密度0.91g/cm3，模量＝33.6N/dtex。
實(shí)施例一原材料425a普通硅酸鹽水泥，浙江德清中利達(dá)水泥有限公司生產(chǎn)。
集料黃砂(中砂)、碎石(粒徑5～25mm)及標(biāo)準(zhǔn)砂。
纖維聚丙烯纖維(PP纖維)。
外加劑聚丙烯短纖維三葉型并且多孔隙，分枝夾角120，孔隙率為3.1％，纖維長度15mm，單纖纖度15.1dtex，纖維強(qiáng)度3.6CN/dtex，纖維模量35N/tex，纖維伸長62％，結(jié)晶度28％，取向度29×10-3，在1000公斤PP切片中，含0.2公斤亞乙基雙硬脂酰胺添加劑和2.5公斤陶瓷微粉(PP樹脂共混)。
拌和水自來水。
砂漿抗干縮開裂試驗(yàn)，砂漿配合比如表1表1
砂漿抗干縮開裂性能測試結(jié)果于表2表2
水泥混凝土配制過程在攪拌機(jī)中先加入水泥與PP纖維進(jìn)行干攪半分鐘，其后緩慢加入一定量水與其它物料攪拌均勻3分鐘后取出，供試驗(yàn)。
(1)圓形環(huán)試驗(yàn)將上述物料澆注入外圓φ250mm，內(nèi)圓φ190mm，高50mm的有底圓環(huán)，待水泥混凝土初凝后，松開外模和底模，將圓形環(huán)置于溫度20±3℃，相對濕度60～70％環(huán)境下用風(fēng)扇鼓風(fēng)24小時(shí)后觀察圓型環(huán)開裂情況。此圓形環(huán)經(jīng)一晝夜風(fēng)吹未見有裂縫產(chǎn)生。由此表明PP纖維的摻入對控制、減少水泥硬化早期裂縫產(chǎn)生很大的作用，試樣在完全干固后仍無裂縫。
(2)C30大流動混凝土試驗(yàn)將上述物料調(diào)節(jié)水灰比，控制坍落度在12±2cm澆注成型。按普通混凝土聯(lián)合性能試驗(yàn)方法GBJ-81對此水泥混凝土制品進(jìn)行抗?jié)B和抗裂性強(qiáng)度測試，詳見表3。由表3與比較例比較可見，摻入PP纖維的水泥混凝土抗?jié)B、抗裂性較普通混凝土為佳，強(qiáng)度提高了15％以上，抗裂性提高30％左右。
表3C30大流動混凝土中PP纖維摻入混凝土性能的影響
比較例
按實(shí)施例1的水泥混凝土的配比，僅改變其中聚丙烯短纖維的摻入情況，并進(jìn)行水泥制品的制備。
1、圓形環(huán)試驗(yàn)(1)在水泥混凝土中不摻入聚丙烯短纖維，在圓形環(huán)成型2小時(shí)即產(chǎn)生數(shù)條裂縫，24小時(shí)已呈明顯的開裂現(xiàn)象。
(2)在水泥混凝土中摻入普通聚丙烯纖維(纖維旦數(shù)6.6dtex)，在圓形環(huán)成型后經(jīng)一晝夜鼓風(fēng)已見三條裂縫。
(3)在水泥混凝土中摻入美國纖維NYCON聚酰胺纖維，(旦數(shù)6.6dtex)，在圓形環(huán)成型后一晝夜鼓風(fēng)，也見2條裂縫。
2、C30大流動混凝土試驗(yàn)將上述物料調(diào)節(jié)水灰比及控制坍落度后澆注成型，按普通混凝土聯(lián)合性能測試方法GB-81對上述三種水泥制品進(jìn)行抗壓和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)。水泥混凝土制品抗壓、抗折強(qiáng)度測試結(jié)果詳見表4表4 C30大流動混凝土摻入不同纖維對混凝土性能的影響<
由表4與表3比較可見，以普通PP纖維為增強(qiáng)纖維的水泥混凝土制品的抗壓和抗折強(qiáng)度均低于PP纖維的水泥混凝土制品。
綜合 形環(huán)和C30大流動混凝土測試結(jié)果表明以PP纖維為水泥混凝土制品的增強(qiáng)纖維具有分散性好、抗裂性佳、水泥制品的抗壓、抗折強(qiáng)度均有較大幅度的提高。
實(shí)施例2除采用以下配比的改性聚丙烯纖維之外，其余同例1。
聚丙烯短纖維圓弧型并且多孔隙，分枝夾角120，孔隙率為2.9％，纖維長度12mm，單纖纖度13.8dtex，纖維強(qiáng)度3.7CN/dtex，纖維模量35.8N/tex，纖維伸長52％，結(jié)晶度30.5％，取向度3.1×10-3；在1100公斤PP切片中含0.7公斤亞乙基雙硬脂酰胺添加劑和1.8公斤陶瓷微粉(PP樹脂共混)。
例3除采用以下配比的改性聚丙烯纖維之外，其余同例1。
聚丙烯短纖維三葉型并且多孔隙，分枝夾角120，孔隙率為3.8％，纖維長度15.8mm，單纖纖度6.9dtex，纖維強(qiáng)度2.8CN/dtex，纖維模量30N/tex，纖維伸長45％，結(jié)晶度18％，取向度27×10-3；在1000公斤PP切片中含0.3公斤亞乙基雙硬脂酰胺添加劑和1.4公斤陶瓷微粉(PP樹脂共混)。
權(quán)利要求
1.一種混凝土及砂漿用改性聚丙烯短纖維，其特征在于該纖維的橫截面為三葉型或圓弧型并且多孔隙，分枝夾角120°，孔隙率為1.8～3.8％，纖維長度2～29mm，單纖纖度3.3～48dtex，纖維強(qiáng)度2.5～4.2CN/dtex，纖維模量26～45N/tex，纖維伸長30～180％，結(jié)晶度15～36％，取向度26～36×10-3。
2.如權(quán)利要求1所述的混凝土及砂漿用改性聚丙烯短纖維，其特征在于以改性聚丙烯總量計(jì)，還含有0.2～0.7％的脂肪酸酰胺添加劑。
3.如權(quán)利要求2所述的混凝土及砂漿用改性聚丙烯短纖維，其特征在于以改性聚丙烯總量計(jì)，還含有0.2～0.7％的亞乙基雙硬脂酰胺添加劑。
4.如權(quán)利要求1所述的混凝土及砂漿用改性聚丙烯短纖維，其特征在于以改性聚丙烯總量計(jì)，還含有1～3％的陶瓷微粉。
5.一種摻入如權(quán)利要求1、2、3、4所述的改性聚丙烯短纖維的混凝土及砂漿，其特征在于以混凝土及砂漿體積計(jì)，含有0.04～1.2kg/m3的改性聚丙烯短纖維。
6.如權(quán)利要求5所述的改性聚丙烯短纖維的混凝土及砂漿，其特征在于以混凝土體積計(jì)，含有0.5～1.2kg/m3的改性聚丙烯短纖維。
7.如權(quán)利要求5所述的改性聚丙烯短纖維的混凝土及砂漿，其特征在于以砂漿體積計(jì)，含有0.4～0.8kg/m3的改性聚丙烯短纖維。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種混凝土及砂漿用改性聚丙烯短纖維,該纖維的橫截面為三葉型或圓弧型并且多孔隙,分枝夾角120°,纖維長度2～29mm,纖維強(qiáng)度2.5～4.2CN/dtex;本發(fā)明的產(chǎn)品制造簡便,并且三葉型或圓弧型在生產(chǎn)上紡絲成形容易,有利于在混凝土及砂漿中的攪拌分散性,最好的是其能吸收紫外線和具有良好的分散性以及與砂石及水泥的粘著力,抗?jié)B及抗裂性具佳。
文檔編號C04B16/00GK1273951SQ0010613
公開日2000年11月22日 申請日期2000年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月26日
發(fā)明者倪建華, 王依民, 周文, 潘湘慶 申請人:中國紡織大學(xué)化纖科技開發(fā)部, 張家港市方大特種纖維制造有限公司