阅读说明：本技术 用于混凝土的高强高模非金属粗纤维及其制备方法 (High-strength high-modulus nonmetal coarse fiber for concrete and preparation method thereof ) 是由 史一思 段军 史小兴 于 2020-06-22 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种用于混凝土的高强高模非金属粗纤维及其制备方法；所述高强高模非金属粗纤维包括作为基材的改性聚丙烯,在所述基材的内部轴向分布有数根高强高模的非金属连续纤维,所述基材与所述非金属连续纤维紧密结合；在混凝土中使用时能够赋予混凝土更优良的力学性能,同时使得混凝土的自重减轻。进一步地,由于改性聚丙烯具有优良的抗碱性能,所以能够在强碱性的混凝土中长期保持优良的力学性能。(The invention provides a high-strength high-modulus nonmetal coarse fiber for concrete and a preparation method thereof; the high-strength high-modulus nonmetal coarse fibers comprise modified polypropylene serving as a base material, a plurality of high-strength high-modulus nonmetal continuous fibers are axially distributed in the base material, and the base material is tightly combined with the nonmetal continuous fibers; when the material is used in concrete, the material can endow the concrete with better mechanical property, and simultaneously, the self weight of the concrete is reduced. Further, since the modified polypropylene has excellent alkali resistance, it can maintain excellent mechanical properties in strongly alkaline concrete for a long period of time.)

用于混凝土的高强高模非金属粗纤维及其制备方法

技术领域

本发明涉及新材料的制造领域，具体涉及一种用于混凝土的高强高模非金属粗纤维及其制备方法。

背景技术

水泥混凝土作为一种优良的土木建筑材料，已有170多年使用历史，为完善其性能和克服抗拉强度低、收缩变形大、质脆、不耐挠曲等缺点，已有多种多样众所周知的方法，但仍然不能满足当今土木建筑工业飞速发展的要求。六十年代中期，欧洲为解决北欧煤矿口混凝土围护结构冻脆损害问题，先后对应用于水泥混凝土的十余种纤维材料进行了研究和评价，取得了大量成果。

可用于混凝土增强的纤维有钢纤维和非钢纤维两类，非钢纤维中又分为高弹纤维(Ef/Ec＞1，如碳纤维、石棉纤维、玻璃纤维等)和低弹纤维(Ef/Ec≤1，如尼龙、聚丙烯等合成纤维)，其中Ef/Ec为纤维与混凝土的弹性模量比。其中：

聚丙烯纤维：抗拉强度中等，模量一般，耐酸碱，几乎不吸水、干态、湿态纤维强度无变化、比重小，价格便宜，与水泥的结合性较好，被认为是最有工业价值的纤维品种之一。

聚丙烯是一种典型的聚烯烃类结晶聚合物。一般聚丙烯纤维(短纤维)的主要力学性能为：容重8.829KN/m3，弹性模量1.57～4.41KN/mm2，抗拉强度400N/mm2。

水泥混凝土与改性聚丙烯纤维是两种性质不同的独立相材料，物理力学性能相差较大，聚丙烯容重约为混凝土的0.375倍，弹性模量约为0.05～0.15倍，抗拉强度约为100倍。两相界面的结合方式是充分发挥纤维水泥混凝土综合性能的极其重要环节。

运用现有技术制造有机粗纤维的方法是选用聚丙烯颗粒料，将粒料使用熔融方法将其熔化，通过挤压机的挤压使其通过一个毛细孔变成细丝，然后通过多次的高倍拉伸赋予纤维希望的力学性能，再经过物理方法使其截面或者表面产生异型，再切断为相应的长度规格。由于原料本身特性所决定和制造方法的局限，这种制造方法生产的混凝土有机粗纤维其力学性能不可能很高。

在现有技术(公开号为CN1683616A)中，公开了一种混凝土用增强型改性聚丙烯粗纤维及其制备方法，可以生产出单根纤维直径大于0.5MM以上的纤维，它是具有一定力学性能的聚丙烯粗纤维。

但是，使用上述方法制造出来的有机粗纤维的力学性能指标其强度在500MPA左右、模量均在小于10000MPA(既10GPA)之内。这种纤维在混凝土中只能起到增韧作用不能起到增强作用。因为，一般的混凝土在完全凝固之后的模量在30000MPA(既30GPA)，所以，从理论上说：要想利用添加纤维材料的途径使混凝土增强，必须是这种纤维材料的自身模量要大于30GPA以上。

因此，目前急需一种能同时对混凝土起到增强和增韧作用的高强高模粗纤维，使得混凝土变得更强、更轻。以对大跨度、超高层楼宇以及特殊的国防工程的需要有更大的混凝土材料优势。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种高强高模非金属粗纤维及其制备方法，通过本方法制造的粗纤维可以同时具有很高的纤维力学性能及耐碱性能；在混凝土中使用时能够赋予混凝土更优良的力学性能，同时使得混凝土的自重减轻。进一步地，由于改性聚丙烯具有优良的抗碱性能，所以能够在强碱性的混凝土中长期保持优良的力学性能。

为达到上述目的，本发明提出了如下技术方案：

一种用于混凝土的高强高模非金属粗纤维，包括作为基材的改性聚丙烯，在所述基材的内部轴向分布有数根高强高模的非金属连续纤维，所述基材与所述非金属连续纤维紧密结合。

优选地，当量直径为0.20—0.65mm，抗拉强度大于2000MPa，弹性模量大于50GPa，极限拉伸率不大于20％。

最好，所述基材与所述非金属连续纤维的体积占比为40～20％：60-80％；组分的占比不同及其调整，可以满足工程不同的纤维直径和强度、模量的不同要求。

优选地，所述改性聚丙烯包括具有优良浸润性和/或抗碱性的聚丙烯材料，以保证在强碱性的混凝土中长期保持优良的力学性能及稳定性。

优选地，所述高强高模的非金属连续纤维包括玄武岩纤维、玻璃纤维及高强高模有机纤维，具体可以选择碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维等。

优选地，所述基材与所述非金属连续纤维通过第一表面处理剂而紧密结合；所述第一表面处理剂包括丙烯酸丁酯或Y-氨丙基三乙氧基硅烷或单烷氧基型钛酸酯或接枝马来酸酐。

一种用于混凝土的高强高模非金属粗纤维的制备方法，包括如下步骤：

1)使用第一表面处理剂处理非金属连续纤维；

2)将处理后的成束的所述非金属连续纤维通过灌有高粘性熔体的高温腔体，使得所述非金属连续纤维与所述高粘性熔体紧密结合，形成中间体；

3)使用第二表面处理剂处理所述中间体，冷却并切断成材，形成高强高模非金属粗纤维。

优选地，所述第一表面处理剂包括丙烯酸丁酯或Y-氨丙基三乙氧基硅烷或单烷氧基型钛酸酯或接枝马来酸酐，用于提高所述非金属连续纤维与所述高粘性熔体的粘合力。

优选地，所述第二表面处理剂包括十二烷基二甲基季乙内盐或聚醚酰胺或环氧丙烷或聚氧化乙烯，用于提高所述高强高模非金属粗纤维和混凝土之间粘合力。

优选地，所述高粘性熔体包括改性聚丙烯或改性聚酰胺或改性聚酯。

与现有技术相比，本发明所述的一种用于混凝土的高强高模非金属粗纤维及其制备方法，达到了如下效果：

(1)、通过向基材材料内加入高强高模的非金属连续纤维，起到了为基材材料加筋的作用，使得最终的高强高模非金属粗纤维的纤维强度和模量都大大提高。

(2)、通过对组分的占比进行调整，可以满足工程不同的纤维直径和强度、模量的不同要求。

(3)、将改性聚丙烯作为基材，使得最终的高强高模非金属粗纤维可以同时具有很高的纤维力学性能及耐碱性能，以保证在强碱性的混凝土中长期保持优良的力学性能及稳定性。

(4)、将非金属连续纤维作为基材的加强筋，使得最终的粗纤维在混凝土中使用时能够赋予混凝土更优良的力学性能，同时使得混凝土的自重减轻。对大跨度、超高楼宇以及特殊的国防工程的需要有更大的混凝土材料优势。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

在一种优选实施例中，本申请公开了一种用于混凝土的高强高模非金属粗纤维，包括作为基材的改性聚丙烯，在所述基材的内部轴向分布有数根高强高模的非金属连续纤维，所述基材与所述非金属连续纤维紧密结合。

进一步地，当量直径为0.20—0.65mm，抗拉强度大于2000MPa，弹性模量大于50GPa，极限拉伸率不大于20％。

进一步地，所述基材与所述非金属连续纤维的体积占比为40～20％：60-80％；组分的占比不同及其调整，可以满足工程不同的纤维直径和强度、模量的不同要求。

进一步地，所述改性聚丙烯包括具有优良浸润性和抗碱性的聚丙烯材料，以保证在强碱性的混凝土中长期保持优良的力学性能及稳定性，具体地改性方法为现有技术，具体可参考：CN1683616A(混凝土用增强型改性聚丙烯粗纤维及其制备方法)。

进一步地，所述高强高模的非金属连续纤维包括玄武岩纤维、玻璃纤维及碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维等高强高模有机纤维；在保证强度的前提下可以相较于金属纤维明显减轻重量。

进一步地，所述基材与所述非金属连续纤维通过第一表面处理剂而紧密结合；所述第一表面处理剂包括丙烯酸丁酯或Y-氨丙基三乙氧基硅烷或单烷氧基型钛酸酯或接枝马来酸酐。

进一步地，在所述基材外还有第二表面活性剂，包括十二烷基二甲基季乙内盐或聚醚酰胺或环氧丙烷或聚氧化乙烯，用于提高所述高强高模非金属粗纤维和混凝土之间粘合力。

在另一种优选实施例中，本申请公开了一种用于混凝土的高强高模非金属粗纤维，包括作为基材的改性聚酰胺，在所述基材的内部轴向分布有数根高强高模的非金属连续纤维，所述基材与所述非金属连续纤维紧密结合。

进一步地，当量直径为0.20—0.65mm，抗拉强度大于2000MPa，弹性模量大于50GPa，极限拉伸率不大于20％。

进一步地，所述基材与所述非金属连续纤维的体积占比为40～20％：60-80％；组分的占比不同及其调整，可以满足工程不同的纤维直径和强度、模量的不同要求。

进一步地，所述改性聚酰胺包括具有优良浸润性和抗碱性的聚酰胺材料，以保证在强碱性的混凝土中长期保持优良的力学性能及稳定性，具体地改性方法为现有技术，具体可参考：CN1683616A(混凝土用增强型改性聚丙烯粗纤维及其制备方法)。

进一步地，所述高强高模的非金属连续纤维包括玄武岩纤维、玻璃纤维及碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维等高强高模有机纤维；在保证强度的前提下可以相较于金属纤维明显减轻重量。

进一步地，所述基材与所述非金属连续纤维通过第一表面处理剂而紧密结合；所述第一表面处理剂包括丙烯酸丁酯或Y-氨丙基三乙氧基硅烷或单烷氧基型钛酸酯或接枝马来酸酐。

进一步地，在所述基材外还有第二表面活性剂，包括十二烷基二甲基季乙内盐或聚醚酰胺或环氧丙烷或聚氧化乙烯，用于提高所述高强高模非金属粗纤维和混凝土之间粘合力。

在另外一种优选实施例中，本申请公开了一种用于混凝土的高强高模非金属粗纤维，包括作为基材的改性聚酯，在所述基材的内部轴向分布有数根高强高模的非金属连续纤维，所述基材与所述非金属连续纤维紧密结合。

进一步地，当量直径为0.20—0.65mm，抗拉强度大于2000MPa，弹性模量大于50GPa，极限拉伸率不大于20％。

进一步地，所述基材与所述非金属连续纤维的体积占比为40～20％：60-80％；组分的占比不同及其调整，可以满足工程不同的纤维直径和强度、模量的不同要求。

进一步地，所述改性聚酯包括具有优良浸润性和抗碱性的聚酯材料，以保证在强碱性的混凝土中长期保持优良的力学性能及稳定性，具体地改性方法为现有技术，具体可参考：CN1683616A(混凝土用增强型改性聚丙烯粗纤维及其制备方法)。

进一步地，所述高强高模的非金属连续纤维包括玄武岩纤维、玻璃纤维及碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维等高强高模有机纤维；在保证强度的前提下可以相较于金属纤维明显减轻重量。

进一步地，所述基材与所述非金属连续纤维通过第一表面处理剂而紧密结合；所述第一表面处理剂包括丙烯酸丁酯或Y-氨丙基三乙氧基硅烷或单烷氧基型钛酸酯或接枝马来酸酐。

进一步地，在所述基材外还有第二表面活性剂，包括十二烷基二甲基季乙内盐或聚醚酰胺或环氧丙烷或聚氧化乙烯，用于提高所述高强高模非金属粗纤维和混凝土之间粘合力。

在另外一种优选实施例当中，公开了一种用于混凝土的高强高模非金属粗纤维的制备方法，包括如下步骤：

1)使用第一表面处理剂处理非金属连续纤维；

2)将处理后的成束的所述非金属连续纤维通过灌有高粘性熔体的高温(220℃～340℃)腔体，使得所述非金属连续纤维与所述高粘性熔体紧密结合，形成中间体；

3)使用第二表面处理剂处理所述中间体，冷却并切断成材，形成高强高模非金属粗纤维。

具体地，所述第一表面处理剂包括丙烯酸丁酯或Y-氨丙基三乙氧基硅烷或单烷氧基型钛酸酯或接枝马来酸酐，用于提高所述非金属连续纤维与所述高粘性熔体的粘合力；所述第二表面处理剂包括十二烷基二甲基季乙内盐或聚醚酰胺或环氧丙烷或聚氧化乙烯，用于提高所述高强高模非金属粗纤维和混凝土之间粘合力。

进一步地，所述高粘性熔体包括具有优良浸润性和抗碱性改性高分子材料，如聚丙烯、聚酰胺或聚酯，其具体的改性方法为现有技术，具体可参考：CN1683616A(混凝土用增强型改性聚丙烯粗纤维及其制备方法)。

进一步地，高粘性熔体与非金属连续纤维的体积占比为40～20％：60-80％；组分的占比不同及其调整，可以满足工程不同的纤维直径和强度、模量的不同要求。由于非金属连续纤维用来提供最终高强高模非金属粗纤维的强度，因此适当提高其占比，高强高模非金属粗纤维的强度也会增强。

与现有技术相比，本发明所述的一种用于混凝土的高强高模非金属粗纤维及其制备方法，达到了如下效果：

(1)、通过向基材材料内加入高强高模的非金属连续纤维，起到了为基材材料加筋的作用，使得最终的高强高模非金属粗纤维的纤维强度和模量都大大提高。以现在混凝土中普遍使用的钢制纤维为例：它的强度大约在350MPA，模量在200GPA左右，比重7.8。而本申请所述的高强高模非金属粗纤维的强度可以从1000MPA—5500MPA(甚至到7000MPA)，模量可以从50GPA—250GPA(甚至到300GPA)，而比重只有1.4—2.7。

(2)、通过对组分的占比进行调整，可以满足工程不同的纤维直径和强度、模量的不同要求。

(3)、将改性聚丙烯等高分子材料作为基材，使得最终的高强高模非金属粗纤维可以同时具有很高的纤维力学性能及耐碱性能，以保证在强碱性的混凝土中长期保持优良的力学性能及稳定性。

(4)、将非金属连续纤维作为基材的加强筋，使得最终的粗纤维在混凝土中使用时能够赋予混凝土更优良的力学性能，同时使得混凝土的自重减轻。对大跨度、超高楼宇以及特殊的国防工程的需要有更大的混凝土材料优势。

(5)、通过添加第一表面处理剂和第二表面处理剂，使得基材与非金属连续纤维间、基材与混凝土之间的结合更为紧固。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。