CN104499086A - 一种混凝土增韧用聚氧亚甲基粗纤维的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种混凝土增韧用聚氧亚甲基粗纤维的制备方法，包括如下步骤：（1）将聚氧亚甲基树脂、改性纳米填料、水溶性聚合物致孔剂、高性能纤维在高速搅拌机中混合均匀后挤出造粒，得到改性POM粒料；（2）将改性POM粒料在双螺杆挤出机中纺丝后直接进入冷却浴中冷却成型，然后在热水浴槽中进行水洗除去水溶性聚合物的同时进行热拉伸；接着经干燥后进行二次拉伸，再进行热定型，最后切断成短纤维，制备出纤维等效直径为0.1-1mm，拉伸强度≥600MPa，拉伸模量≥6.5GPa的表面含有微孔的聚氧亚甲基粗纤维。本发明采用了纳米粒子增强和纤维增强的协同增强效应，用通用的粗纤维设备制备了高性能的聚氧亚甲基粗纤维。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚氧亚甲基纤维的制备方法，特别是用于混凝土增韧的聚氧亚甲基粗纤维的制备方法。
背景技术
混凝土是最重要的建筑材料之一，目前正向高性能、功能化、高耐久性方向发展。混凝土存在抗拉强度低、韧性差和易开裂等缺点，导致混凝土结构物在低于极限荷载作用下发生开裂，使结构物服役寿命和耐久性能降低。在水泥基复合材料中掺入合成纤维能改善其脆性，抑制其早期塑性开裂，提高其抗裂、抗渗、韧性、抗疲劳和抗冲击等性能。
合成纤维可按照直径大小划分混凝土用的增强纤维，可分为直径＜0.1mm的细纤维和直径≥0.1mm的粗纤维。细纤维由于其直径小，在混凝土搅拌时易结团，掺量低，仅对混凝土的早期抗裂有效，而对硬化后的混凝土的抗开裂、韧性、弯拉强度、抗冲击性等性能改善有限。粗纤维能够提高混凝土的抗干缩开裂与韧性，是一种混凝土的增强增韧材料，在喷射混凝土、混凝土路面、桥面及工业地坪、机场跑道和停车场等领域得到了应用。
目前，混凝土用的粗纤维主要为聚丙烯（PP）粗纤维。聚氧亚甲基是一种分子链中含有醚键、力学性能优于PP的工程塑料，其与水泥基材料的粘结能力优于PP，且原料价格低于PP，若能制备成粗纤维，可替代PP粗纤维应用，降低粗纤维混凝土成本。目前，聚氧亚甲基纤维的相关报道主要如下： WO-2008001924、CN1715464A通过引入第三单体单元，控制聚氧亚甲基的半结晶时间大于30s，通过熔融纺丝制备纤维；在控制加工工艺方面，如CN1555430A、CN102011201A、CN101792938A采用多级缓冷-骤冷的工艺，对初生纤维离开喷丝板后进行加热缓冷，同时采用加压蒸汽的拉伸方法，制备高强度的纤维。但是，对于纺丝级原料的开发，主要从聚合角度出发，技术要求高，核心技术被国外几个大型公司所掌握，原料成本较高，难以进行大规模的工业化推广应用。多级缓冷-骤冷的工艺复杂，需要对纺丝设备进行缓冷-骤冷改造，进行高倍牵伸，且主要用于制备高强高模的细纤维。
CN103435964A中将聚甲醛80-100份、碳纤维12-18份、聚四氟乙烯1-5份、纳米蒙脱土2-5份等其他添加剂挤出制备增耐磨增强POM粒料，CN102993626A聚甲醛、玻璃纤维、聚氨酯、复配阻燃剂、抗氧剂、甲醛吸收剂、偶联剂等组成制备了增强阻燃的POM。从这些专利可以看出，添加碳纳米管、玻璃纤维可以增强POM，但是这些专利都是采用单一的增强方式，增强效果有限，且组分种类繁多，主要作为工程塑料使用，没有涉及纤维的制备和应用，更没有涉及到混凝土增韧用的聚氧亚甲基粗纤维。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，在于提供一种混凝土增韧用聚氧亚甲基粗纤维的制备方法，其采用了纳米粒子增强和纤维增强的协同增强效应，在较低的拉伸倍数下，用通用的粗纤维设备制备混凝土增韧用聚氧亚甲基粗纤维的制备方法。
本发明的具体技术方案如下：
一种混凝土增韧用聚氧亚甲基粗纤维的制备方法，包括如下步骤：
（1）将聚氧亚甲基树脂、改性纳米填料、水溶性聚合物致孔剂、高性能纤维在高速搅拌机中混合均匀后挤出造粒，得到改性POM粒料；
（2）将改性POM粒料在双螺杆挤出机中纺丝后直接进入冷却浴中冷却成型，然后在热水浴槽中进行水洗除去水溶性聚合物的同时进行热拉伸；接着经干燥后进行二次拉伸，再进行热定型，最后切断成短纤维，制备出纤维等效直径为0.1-1mm，拉伸强度≥600MPa，拉伸模量≥6.5GPa的表面含有微孔的聚氧亚甲基粗纤维。
上述在热水浴槽中进行水洗除去水溶性聚合物的同时进行热拉伸是在6m长的热水浴槽中进行，控制水洗的时间≥3.6s；以保证水溶性聚合物致孔剂的溶解。
根据聚氧亚甲基树脂的加工流动性所选择，聚氧亚甲基树脂的平均分子量太高或太低都无法加工成纤维；优选的所述聚氧亚甲基树脂的平均分子量为20000-50000，熔融指数为6-10g/10min。
所述改性纳米填料选自碳纳米管、纳米纤维素晶须、石墨烯中的一种；改性纳米填料的加入量占聚氧亚甲基树脂质量的0.1-1.5%。所述改性纳米填料具有较高的强度和模量，可以用来提高纤维的强度。
所述改性纳米填料经过表面羧酸化处理，具体处理步骤如下：用冰醋酸稀释改性纳米填料至可流动的悬浊液，改性纳米填料的质量分数为10%；然后边搅拌边缓慢滴加硫酸、冰醋酸和醋酸酐的混合液（硫酸的质量为改性纳米填料质量的5%, 冰醋酸的质量为改性纳米填料质量的5 倍，醋酸酐的质量为改性纳米填料质量的30%）；滴加完毕后, 在搅拌下将反应物从室温以1 ℃/min 的速度升温至45 ℃, 反应30 min，产物依次用乙醇和丙酮洗涤, 抽滤，干燥得到表面羧酸化处理的改性纳米填料。
所述水溶性聚合物致孔剂选自聚氧化乙烯、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或二种的共混物；所述水溶性聚合物致孔剂的加入量占聚氧亚甲基树脂质量的0.5%-3%。，水溶性聚合物致孔剂在水浴中溶解，使的纤维表面产生孔隙，增加纤维的表面粗糙度，增加纤维与基体的粘结能力。
所述高性能纤维选自芳纶纤维、碳纤维、聚苯硫醚纤维、聚对苯撑苯并双噁唑纤维中的一种；其加入量占聚氧亚甲基树脂质量的5-20%，高性能纤维的长度为1-3mm。上述高性能纤维的强度和熔点高于聚氧亚甲基，保证在熔融时以纤维形式存在，可以提高聚氧亚甲基的强度和模量。
步骤（1）中，高速搅拌机中混合温度为80-100℃，混合时间为3-8min；保证混合均匀的情况下，又不结团。
步骤（2）中，冷却浴的温度为-60℃~ -20℃，冷却浴液面与螺杆挤出口模的距离为2-10mm；使纤维快速冷却。
所述冷却浴为乙醇、乙二醇中的一种或二种任意比例的混合物；用于控制冷却浴的温度为-60℃~ -20℃。
步骤（2）中，在热水浴槽中进行热拉伸的拉伸温度为80-95℃，拉伸倍数为2-4倍；二次拉伸是在热烘箱中进行，拉伸温度为140-170℃，拉伸倍数为1.2-2倍；保证纤维的充分拉伸，保证最终的纤维力学性能。
步骤（2）中，干燥温度为100-130℃，干燥时间为20s-40s；热定型温度为158℃-163℃，时间为20-50s。
本发明将聚氧亚甲基树脂制备成纤维等效直径为0.1-1mm，拉伸强度≥600MPa，拉伸模量≥6.5GPa的表面含有微孔的聚氧亚甲基粗纤维，并应用于混凝土领域，丰富了粗纤维的品种。采用了纳米粒子增强和纤维增强的协同增强效应，在较低的拉伸倍数下，用通用的粗纤维设备制备了高性能的聚氧亚甲基粗纤维，在水浴拉伸槽中溶解水溶性聚合物，增加纤维表面的粗糙度，减少了粗纤维制备中的压痕处理，无需对设备进行改造，工艺简单，成本低。
具体实施方法
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明；应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明所述的“纤维等效直径”指纤维截面为非圆形时，按截面积相等的原则换算出的圆形截面直径。
实施例中，所述聚氧亚甲基树脂的平均分子量为20000-50000，熔融指数为6-10g/10min。
实施例1
将1000g的聚氧亚甲基树脂、1g羧基化处理的碳纳米管、50g碳纤维（纤维的长度为1-3mm）、5g的聚乙烯吡咯烷酮放入高速混合机中，将混合机升温至80℃搅拌8min后停止搅拌，待料冷却后，在螺杆挤出机中挤出造粒得到改性POM粒料；将改性POM粒料在双螺杆挤出机中熔融经口模挤出后进入-20℃的乙醇冷却浴中冷却成型，冷却浴液面与挤出口模的距离为2mm，将冷却的丝导入95℃水浴中进行水洗除去水溶性聚合物的同时进行3倍拉伸，水洗时间为4s，在经120℃热烘箱干燥处理20s后，在进入140℃热烘箱中进行二次拉伸，拉伸倍数为1.5倍，接着在158℃的热烘箱中热定型50s，最后将制备的粗纤维收卷，短切成不同长度的粗纤维。其纤维的基本性能见表1。
实施例2
将1000g的聚氧亚甲基树脂、15g羧基化处理的纳米纤维素晶须、200g聚对苯撑苯并双噁唑纤维（纤维的长度为1-3mm）、10g的聚氧化乙烯放入高速混合机中，将混合机升温至90℃搅拌5min后停止搅拌，待料冷却后，在螺杆挤出机中挤出造粒得到改性POM粒料；将改性POM粒料在双螺杆挤出机中熔融经口模挤出后进入-60℃的乙二醇冷却浴中冷却成型，冷却浴液面与挤出口模的距离为5mm，将冷却的丝导入95℃水浴中进行水洗除去水溶性聚合物的同时进行4倍拉伸，水洗时间为3.6s，在经120℃热烘箱干燥处理40s后，在进入160℃热烘箱中进行二次拉伸，拉伸倍数为1.2倍，接着在163℃热烘箱中定型30s，最后将制备的粗纤维收卷，短切成不同长度的粗纤维。其纤维的基本性能见表1。
实施例3
将1000g的聚氧亚甲基树脂、10g羧基化处理的纳米纤维素晶须、100g聚苯硫醚纤维（纤维的长度为1-3mm）、30g的聚乙二醇放入高速混合机中，将混合机升温至100℃搅拌4min后停止搅拌，待料冷却后，在螺杆挤出机中挤出造粒得到改性POM粒料；将改性POM粒料在双螺杆挤出机中熔融经口模挤出后进入-30℃的乙醇和乙二醇冷却浴中（乙醇和乙二醇的体积比为1:1）冷却成型，冷却浴液面与挤出口模的距离为10mm，将冷却的丝导入90℃水浴中进行水洗除去水溶性聚合物的同时进行2倍拉伸，水洗时间为7.2s，在经120℃热烘箱干燥处理30s后，在进入160℃热烘箱中进行二次拉伸，拉伸倍数为2倍，接着在163℃热烘箱中定型20s，最后将制备的粗纤维收卷，短切成不同长度的粗纤维。其纤维的基本性能见表1。
实施例4
将1000g的聚氧亚甲基树脂、5g羧基化处理的碳纳米管、200g聚对苯撑苯并双噁唑纤维（纤维的长度为1-3mm）、10g的聚乙烯醇放入高速混合机中，将混合机升温至90℃搅拌5min后停止搅拌，待料冷却后，在螺杆挤出机中挤出造粒得到改性POM粒料；将改性POM粒料在双螺杆挤出机中熔融经口模挤出后进入-40℃的乙醇和乙二醇冷却浴中（乙醇和乙二醇的体积比为3:1）冷却成型，冷却浴液面与挤出口模的距离为8mm，将冷却的丝导入95℃水浴中进行水洗除去水溶性聚合物的同时进行4倍拉伸，水洗时间为4.2s，在经120℃热烘箱干燥处理20s后，在进入170℃热烘箱中进行二次拉伸，拉伸倍数为2倍，接着在160℃热烘箱中定型30s，最后将制备的粗纤维收卷，短切成不同长度的粗纤维。其纤维的基本性能见表1。
实施例5
将1000g的聚氧亚甲基树脂、10g羧基化处理的碳纳米管、100g聚对苯撑苯并双噁唑纤维（纤维的长度为1-3mm）、20g的聚乙二醇放入高速混合机中，将混合机升温至100℃搅拌6min后停止搅拌，待料冷却后，在螺杆挤出机中挤出造粒得到改性POM粒料；将改性POM粒料在双螺杆挤出机中熔融经口模挤出后进入-60℃的乙醇和乙二醇冷却浴（乙醇和乙二醇的体积比为1:5）中冷却成型，冷却浴液面与挤出口模的距离为5mm，将冷却的丝导入80℃水浴中进行水洗除去水溶性聚合物的同时进行3倍拉伸，水洗时间为5.6s，在经120℃热烘箱干燥处理25s后，在进入170℃热烘箱中进行二次拉伸，拉伸倍数为1.5倍，接着在162℃热烘箱中定型20s，最后将制备的粗纤维收卷，短切成不同长度的粗纤维。其纤维的基本性能见表1。
实施例6
将1000g的聚氧亚甲基树脂、15g羧基化处理的纳米纤维素、100g芳纶纤维（纤维的长度为1-3mm）、10g的聚氧化乙烯放入高速混合机中，将混合机升温至100℃搅拌5min后停止搅拌，待料冷却后，在螺杆挤出机中挤出造粒得到改性POM粒料；将改性POM粒料在双螺杆挤出机中熔融经口模挤出后进入-60℃的乙醇和乙二醇冷却浴中（乙醇和乙二醇的体积比为2:3）冷却成型，冷却浴液面与挤出口模的距离为6mm，将冷却的丝导入85℃水浴中进行水洗除去水溶性聚合物的同时进行3.5倍拉伸，水洗时间为3.6s，在经120℃热烘箱干燥处理35s后，在进入170℃热烘箱中进行二次拉伸，拉伸倍数为2倍，接着在160℃热烘箱中定型40s，最后将制备的粗纤维收卷，短切成不同长度的粗纤维。其纤维的基本性能见表1。
表1 实施例制备的纤维基本性能
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 实施例6 | |
| 直径（mm） | 0.55 | 0.4 | 1 | 0.1 | 0.75 | 0.25 |
| 抗拉强度（MPa） | 625 | 784 | 600 | 886 | 620 | 806 |
| 弹性模量（GPa） | 7.2 | 8.0 | 6.5 | 9.5 | 6.8 | 8.6 |
表1中所述抗拉强度和弹性模量的测试方法参考国家标准GB/T19975-2005）。
Claims (10)
1.一种混凝土增韧用聚氧亚甲基粗纤维的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）将聚氧亚甲基树脂、改性纳米填料、水溶性聚合物致孔剂、高性能纤维在高速搅拌机中混合均匀后挤出造粒，得到改性POM粒料；
（2）将改性POM粒料在双螺杆挤出机中纺丝后直接进入冷却浴中冷却成型，然后在热水浴槽中进行水洗除去水溶性聚合物的同时进行热拉伸；接着经干燥后进行二次拉伸，再进行热定型，最后切断成短纤维，制备出纤维等效直径为0.1-1mm，拉伸强度≥600MPa，拉伸模量≥6.5GPa的表面含有微孔的聚氧亚甲基粗纤维。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述聚氧亚甲基树脂的平均分子量为20000-50000，熔融指数为6-10g/10min。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述改性纳米填料选自碳纳米管、纳米纤维素晶须、石墨烯中的一种；改性纳米填料的加入量占聚氧亚甲基树脂质量的0.1-1.5%。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述改性纳米填料经过表面羧酸化处理。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述水溶性聚合物致孔剂选自聚氧化乙烯、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或二种的共混物；所述水溶性聚合物致孔剂的加入量占聚氧亚甲基树脂质量的0.5%-3%。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述高性能纤维选自芳纶纤维、碳纤维、聚苯硫醚纤维、聚对苯撑苯并双噁唑纤维中的一种；其加入量占聚氧亚甲基树脂质量的5-20%，高性能纤维的长度为1-3mm。
7.根据权利要求1至6任一项所述的制备方法，其特征在于步骤（1）中，高速搅拌机中混合温度为80-100℃，混合时间为3-8min。
8.根据权利要求1至6任一项所述的制备方法，其特征在于步骤（2）中，冷却浴的温度为-60℃~ -20℃，冷却浴液面与螺杆挤出口模的距离为2-10mm。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于所述冷却浴为乙醇、乙二醇中的一种或二种任意比例的混合物。
10.根据权利要求1至6任一项所述的制备方法，其特征在于步骤（2）中，在热水浴槽中进行热拉伸的拉伸温度为80-95℃，拉伸倍数为2-4倍；二次拉伸是在热烘箱中进行，拉伸温度为140-170℃，拉伸倍数为1.2-2倍；干燥温度为100-130℃，干燥时间为20s-40s。
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