一种异形聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种异形聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料及其制备方法，属于水泥浆材料技术领域。包括以下原料：水泥、石英砂、减水剂、异形聚乙烯醇纤维和水，其中，水砂比为1:(1.8‑2.4)；水灰比为(0.4‑0.55)：1；减水剂的掺量为水的0.1‑0.8wt％；异形聚乙烯醇纤维的体积掺量为复合材料总体积的0.5‑3％。本发明专利技术采用的异形聚乙烯醇纤维其强度高、异形度大且异形保持度好，能有效提高水泥基材料的耐久性和力学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种异形聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料及其制备方法
本专利技术涉及水泥浆材料
，具体涉及一种异形聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料及其制备方法。
技术介绍
自1824年波特兰水泥问世以来，水泥和水泥基材料已成为当今世界最大宗的人造材料。2019年我国累计水泥产量23.1亿吨。但水泥为脆性材料，存在抗裂性差、脆性大、抗拉强度低等不足，尤其是水泥基材料在外力作用下出现微细裂纹会降低建筑物的抗渗透能力，加速水泥基材料的碳化及钢筋锈蚀，进而裂纹逐步扩张导致失效，严重影响水泥基材料结构的安全性和耐久性。纤维增强是实现水泥基材料高性能化的重要途径。纤维增强水泥基复合材料(FRCC)是以水泥为基体，以不连续的短纤维作增强材料组合而成的一种复合材料。研究表明，纤维可有效约束水泥中裂纹的扩展，提高水泥基材料的韧性，可有效改善水泥基材料耐久性和力学等性能。目前常用的增强纤维是基于圆形截面的有机合成纤维，如聚丙烯(PP)纤维、聚乙烯(PE)纤维、聚丙烯腈(PAN)纤维、尼龙(PA)纤维、聚乙烯醇(PVA)纤维等，取得了较好的应用效果，但其对水泥基材料的耐久性和力学性能提升有限。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供种异形聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料及其制备方法，以解决现有水泥基材料的耐久性和力学性能提升困难的问题。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种异形聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料，包括以下原料：水泥、石英砂、减水剂、异形聚乙烯醇纤维和水，其中，水砂比为1:(1.8-2.4)；水灰比为(0.4-0.55)：1；减水剂的掺量为水的0.1-0.8wt％；异形聚乙烯醇纤维的体积掺量为复合材料总体积的0.5-3％。进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，上述异形聚乙烯醇纤维的截面形状为三角形、四叶型、三叶型或波浪形一种或多种，其长度为6-22mm，其纤度为60-150dtex，其强度为6-12cN/dtex。进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，上述异形聚乙烯醇纤维的制备步骤包括：(ⅰ)将改性聚乙烯醇粉体在挤出-纺丝设备上进行熔融纺丝，经熔融挤出、过滤和计量后，从含异形喷丝微孔的喷丝板喷出，并对熔体细流侧吹风冷却，制得异形聚乙烯醇初生纤维；(ⅱ)将异形聚乙烯醇初生纤维通过多级拉伸、湿热拉伸或干热拉伸以及热定型后，制得熔纺异形聚乙烯醇纤维。制得异形聚乙烯醇纤维的异形度为50～90％，且其异形度变化幅度小于或等于10％；其强度大于或等于6cN/dtex。上述改性聚乙烯醇粉体为经物理或化学改性的聚乙烯醇粉体；其中，物理改性聚乙烯醇粉体的步骤包括：将聚乙烯醇粉体与极性小分子和低分子量的辅助添加剂复合，或将聚乙烯醇粉体与高分子化合物复合制得；极性小分子包括水或甘油；低分子量的辅助添加剂包括酰胺、分子低于100万的聚氧化乙烯或分子量低于20000聚乙二醇；高分子化合物包括：淀粉、木质素、胶原、聚酰胺或聚交酯；化学改性聚乙烯醇粉体的步骤包括：在聚乙烯醇分子链上共聚乙烯基单体，或在聚乙烯醇分子链上接枝丙烯酰胺、正丁基硼酸或苯基硼酸。对于物理改性和化学改性聚乙烯醇粉体属于现有技术，本专利技术不再对此进行过多描述。进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，上述步骤(ⅰ)中异形喷丝微孔的截面为三角形、三叶型、四叶型或扁平波浪型，且异形喷丝微孔的异形度为50％-90％。进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，上述步骤(ⅰ)中纺丝温度为130～180℃；纺丝剪切速率为2000～15000s-1；纺丝剪切黏度为100～300Pa.s；纺丝压力为10～30MPa；纺丝的体积流量为70～300mm3/s；喷丝头拉伸比为1～4倍；侧吹风温度为10～70℃。进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，上述步骤(ⅱ)的具体处理步骤包括：将异形聚乙烯醇初生纤维于150～230℃温度下进行1～3级拉伸、湿热拉伸或干热拉伸，总拉伸倍数为10～20倍；再在200～240℃温度下进行热定型，热定型时间为0.5～5min。进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，上述减水剂为聚羧酸类减水剂。上述的异形聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将上述水泥、石英砂搅拌混合均匀后，并加入减水剂的水溶液先慢速搅拌后再快速搅拌至混合均匀；在慢速搅拌下分批多次加入异形聚乙烯醇纤维，快速搅拌混合均匀后，制得异形聚乙烯醇纤维水泥基浆体；(2)将异形聚乙烯醇纤维水泥基浆体进行倒模、振捣成型，养护和脱模处理，制得异形聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料。本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术采用的异形聚乙烯醇纤维其强度高、异形度大且异形保持度好，能有效提高水泥基材料的耐久性和力学性能。2、本专利技术实现了对聚乙烯醇纤维的稳定且连续性熔融纺丝，可得到截面为三角形、三叶型、四叶型或扁平波浪型的初生纤维。经过后续的热拉伸和热定型工艺，成功制备了可用于增强增韧复合材料的熔纺异形聚乙烯醇纤维，该熔纺异形聚乙烯醇纤维强度高、异形度大且异形保持度好。3、本专利技术针对改性聚乙烯醇粉体在130℃～180℃温度下进行纺丝，由于改性后聚乙烯醇粉体为假塑性流体，在同一温度下存在明显的剪切变稀行为，改性聚乙烯醇粉体在此温度下进行熔融纺丝，其熔体的剪切度变化幅度小，熔体呈现稳定流动状态，能有效提高改性聚乙烯醇粉体的可纺性。4、本专利技术经过多级拉伸后的异形纤维依旧保持完美的异形截面，且其截面异形度可控，异形聚乙烯醇纤维在后续热拉过程中，在高温状态下始终处于拉伸紧绷状态，聚乙烯醇分子链受力取向运动多于高分子链段的无规热运动，因此纤维截面在其表面张力下同步收缩，圆化趋势小，初生纤维热拉伸后处理过程几乎不影响异形聚乙烯醇纤维的特征形状。5、聚乙烯醇独特的多羟基强极性结构，与水泥材料中的氢氧化钙晶体及水化硅酸钙凝胶具有优异的化学相容性，而异形纤维具有更大的比表面积，使得异形聚乙烯醇纤维与水泥基体有更强的界面粘结强度，且熔纺制得的粗旦异形纤维，实现了聚乙烯醇异形纤维在高掺量条件下的均匀分散，实现纤维对水泥基材料的高增强增韧。异形纤维增强水泥基材料的抗弯强度增加，断裂的极限挠度增加，断裂吸收功提高，实现了高强高韧性水泥基材料的制备。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。图1为本专利技术的喷丝板的剖视结构示意图；图2为本专利技术的喷丝板的异形喷丝微孔的结构分布示意图；图3为本专利技术的喷丝板的异形喷丝孔的截面结构示意图；图4为异形聚乙烯醇纤维在热拉伸不同倍数后的截面形貌；其中，(a)三角形，(a1)四叶型，(a2)三叶型，(a3)波浪形，拉伸倍数为(a)0#,(b)4#,(c)8#，(d)12#，(e)16#。具体实施方式以下结合实施例及附本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种异形聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，包括以下原料：水泥、石英砂、减水剂、异形聚乙烯醇纤维和水，其中，水砂比为1:(1.8-2.4)；水灰比为(0.4-0.55)：1；减水剂的掺量为水的0.1-0.8wt％；异形聚乙烯醇纤维的体积掺量为复合材料总体积的0.5-3％。/n

【技术特征摘要】
20191014 CN 20191097385021.一种异形聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，包括以下原料：水泥、石英砂、减水剂、异形聚乙烯醇纤维和水，其中，水砂比为1:(1.8-2.4)；水灰比为(0.4-0.55)：1；减水剂的掺量为水的0.1-0.8wt％；异形聚乙烯醇纤维的体积掺量为复合材料总体积的0.5-3％。


2.根据权利要求1所述的异形聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述异形聚乙烯醇纤维的截面形状为三角形、四叶型、三叶型或波浪形一种或多种，其长度为6-22mm，其纤度为60-150dtex，其强度为6-12cN/dtex。


3.根据权利要求2所述的异形聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述异形聚乙烯醇纤维的制备包括以下步骤：
(ⅰ)将改性聚乙烯醇粉体在挤出-纺丝设备上进行熔融纺丝，经熔融挤出、过滤和计量后，从含异形喷丝微孔的喷丝板喷出，并对熔体细流侧吹风冷却，制得异形聚乙烯醇初生纤维；
(ⅱ)将异形聚乙烯醇初生纤维通过多级拉伸、湿热拉伸或干热拉伸以及热定型后，制得熔纺异形聚乙烯醇纤维。


4.根据权利要求3所述的异形聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，步骤(ⅰ)中异形喷丝微孔截面为三角形、三叶型、四叶型或扁平波浪型，且异形喷丝微孔异形度为50-90％。


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【专利技术属性】
技术研发人员：王琪，陈宁，王萌，李莉，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川;51