一种高强高模聚乙烯醇纤维的表面处理改性方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及了一种纤维处理方法，涉及了一种高强高模聚乙烯醇纤维的表面处理 改性方法，属于纤维材料改性及产业用纤维材料制备领域。
【背景技术】
[0002] 高强高模聚乙烯醇(PVA)纤维具有高强度、高模量、耐碱性优良等特点，自20世纪 90年代开始，其短纤维被广泛应用于高性能水泥基复合材料中，用来改善混凝土的韧性与 裂纹开裂特征，同时可以提高混凝土的抗渗性、抗碳化性、抗融冻等耐久性指标，提高混凝 土结构的安全性和耐久性。
[0003] 其中ECC(Engineered Cementitious Composites)或超高韧性水泥基复合材料 (UHTCC)是一种经过断裂力学、细观力学优化调整纤维、基体和界面的关系，最终以较低的 纤维掺量，获得具有超强韧性的乱向分布短纤维增强水泥基复合材料。ECC纤维混凝土中纤 维掺量一般不超过复合材料总体积的2.5%，硬化后的复合材料应具有显著的应变硬化和 多缝开裂特征，极限拉应变可稳定达到3%以上，是普通混凝土的300倍以上，饱和状态的多 缝开裂裂缝宽度小于〇.1_。近二十几年来，国内外许多专家学者已对该类复合材料的的力 学性能和耐久性能等开展了大量的研究工作，取得了很多研究成果，由于其优异的力学性 能和耐久性能，美国、日本、瑞士和韩国等国家己将其在实际工程中投入使用，并取得了良 好的成效。
[0004] 用于ECC复合材料的纤维最早为超高分子量聚乙烯纤维，PE-ECC的性能优异，但超 高分子量PE纤维价格昂贵，因此从1997年开始，美国密西根大学的V.Li等人开始使用高强 高模聚乙烯醇纤维(PVA)代替超高分子量PE纤维，制成了性能同样优异的PVA-ECC，而其成 本只有PE-ECC的八分之一。目前国内外在PVA-ECC中大量使用的高强高模PVA纤维主要为日 本可乐丽公司（Kuralon纤维）生产，所制备的PVA-ECC的成本和普遍混凝土相比，仍然非常 昂贵，使得PVA-ECC材料在大多工程应用上和普通混凝土配合使用或作为普通混凝土的加 固补强或修补材料，大大限制了该类材料在建筑工程中的应用。
[0005] 我国有数家维纶厂可以生产高强高模PVA纤维，纤维的强度和模量和国外产品相 比已经十分接近，纤维售价远低于进口产品，但由于国产PVA纤维与水泥基体之间的界面结 构没有经过优化，同时，国产高强高模PVA纤维在水泥中的分散性较差，难以达到进口高强 高模PVA纤维的基体增韧和混凝土多裂缝开裂效果，限制了国产纤维在高性能水泥基复合 材料中的应用。
[0006] 纤维表面处理是调整复合材料界面结构的一种重要方法，在芳纶、超高分子量聚 乙烯、玻璃纤维、碳纤维复合材料中具有一定应用，但目前现有技术在水泥基复合材料中使 用的纤维表面处理改性方法则鲜有报道。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是提供了一种高强高模聚乙烯醇纤维的表面处理改性方法，用来调 控聚乙烯醇纤维与水泥基体之间的界面，使表面改性后的高强高模聚乙烯醇纤维更好地被 用于高韧性水泥基复合材料中。
[0008] 本发明是通过以下步骤来实现的：
[0009] a)将高强高模聚乙烯醇纤维进行表面清洗并烘干；
[0010] b)将清洗烘干后的高强高模聚乙烯醇纤维在温度20-40°C下浸入浓度为IO-100g/ 1的混合有聚硅氧烷、纳米二氧化硅、硅烷偶联剂和润滑剂的乳液中浸乳处理0.5-10分钟， 纤维和乳液的质量浴比为1:10-1:100，之后在不高于120°c温度下焙烘1-10分钟；
[0011] C)经过b)步骤处理后再进行清洗并50-95°C烘干，完成表面处理，得到的纤维的增 重率为0.1 %-5%，纤维与水接触角不小于70°。
[0012] 所述的高强高模聚乙烯醇纤维的强度不低于900MPa，弹性模量不低于30GPa。
[0013] 所述的乳液中，聚硅氧烷的质量百分含量为60-99%，纳米二氧化硅质量百分含量 为0.5-20%，硅烷偶联剂质量百分含量为0.5-2%，润滑剂质量百分含量为0-20%。
[0014] 所述的聚硅氧烷为聚二甲基硅氧烷、氨基聚硅氧烷、羧基聚硅氧烷、环氧基聚硅氧 烷、聚醚基聚硅氧烷或者氨基-聚醚环氧-聚醚改性聚硅氧烷中的一种或多种的混合。
[0015] 所述的硅烷偶联剂为氣基硅烷或环氧基硅烷。
[0016] 所述的润滑剂为石蜡、天然蜡、乙烯蜡、天然油脂或合成酯中的一种或多种的混 合。
[0017] 所述的纳米二氧化娃粒径在20nm以下。
[0018] 上述硅氧烷和硅烷偶联剂可以从国外如道康宁、瓦克化学、Gelest、陶氏、信越等 公司和国内如蓝星、南京辰工、南京曙光等公司的相关有机硅乳液和硅油制品中选择，或者 通过自制合成方式制备。同样地，上述润滑剂乳液可从市场上购得或自制，上述纳米氧化硅 分散液可从市场购得或通过溶胶凝胶法自制。
[0019] 本发明的有益效果是：
[0020] (1)本发明技术方案中将无机纳米材料、反应性聚硅氧烷、非反应性聚硅氧烷、硅 烷偶联剂巧妙配合使用，调控高强高模聚乙烯醇纤维表面能和粗糙程度，进而达到调控高 强高模聚乙烯醇纤维和水泥基复合材料界面结合及高强高模聚乙烯醇纤维在水泥中的分 散的效果。
[0021] (2)通过本发明提出的聚乙烯醇纤维表面改性处理方案，可以大大降低纤维在水 泥中的用量，使国产化高强高模纤维可以成功应用到高韧性水泥基复合材料中去，提高水 泥基复合材料的韧性，大大降低PVA-ECC复合材料的制造成本。
[0022] (3)本发明采用环保乳液作为聚乙烯醇纤维表面处理改性方法，具有环保、易行、 可批量规模化制备等优势。
【具体实施方式】
[0023]下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0024]本发明的实施例如下：
[0025] 实施例1
[0026] 聚乙烯醇纤维:强度900MPa，模量30GPa，细度I OOym。
[0027] 纤维清洗:AEO(脂肪醇聚氧乙烯醚)_9 28/1，似2〇)328/1，温度90°(3，时间301^11，水 洗3遍，烘干温度90°C，时间30min。
[0028] 将19.4g固含量35%的氨基聚硅氧烷乳液(蓝星C803)、6.6g固含量30%的溶胶凝 胶法制备纳米二氧化硅(粒径l〇nm)、2g 3-(2,3_环氧丙氧丙基)三甲氧基硅烷、5g固含量 20%棕榈蜡乳液首先分别用去离子水稀释4-5倍，然后再补充去离子水稀释至1L，前述乳液 混合时注意其离子配伍性，其中前述乳液中的有效物质总量l〇g。有效物质总量中氨基聚硅 氧烧占比68%，二氧化娃占比20%，硅烷偶联剂占比2%，润滑剂占比10%。
[0029] 在温度20°C，将清洗后的纤维在浴比1:10上述乳液中浸渍处理时间lOmin，然后在 120°C 焙烘 lmin。
[0030]然后将上述浸渍处理后纤维室温水洗2道，烘干温度50°C，时间3h。
[0031 ]实施例1得到的纤维增重率为1.5%，接触角为102°。在水、400号水泥、III级粉煤 灰、硅灰、细度模数1.5精细砂、木质素磺酸盐减水剂比例分别为1300 : 2700 : 2800 :110 : 1100:17的混凝土中添加体积百分率为2.5%经过上述表面处理的高强高模聚乙烯纤维，高 强高模聚乙烯醇纤维在其中分散均匀，无团聚，所制备复合材料28天后拉伸断裂伸长率达 到3.2%，断裂时出现多微细裂纹，裂纹宽度小于0.1mm。同样混凝土配方和纤维添加量，未 经过表面处理的高强高模聚乙烯纤维所制备的水泥基复合材料的断裂伸长率仅为1.1 %， 断裂特征为几个主要裂纹，裂纹宽度大于5mm。
[0032] 断裂变性大
[0033] 实施例2
[0034] 聚乙烯醇纤维:强度lOOOMPa，模量35GPa，细度60μπι
[0035] 纤维清洗:ΑΕ0-9 2g/l，Na2⑶32g/l，温度90°C，时间30min，水洗3遍，烘干温度90 °C，时间30min。
[0036] 将58.58聚醚改性氨基聚硅氧烷你'￡丁8(：^丁@〇^(瓦克化学）、30.88固含量65% 粒径20nm纳米二氧化硅分散液、1.5g 3-(2,3-环氧丙氧丙基）三乙氧基硅烷、50g固含量 40 %石蜡乳化液首先分别用去离子水稀释4-5倍，然后再补，加去离子水稀释至IL，前述乳 液混合时注意其离子配伍性，其中前述乳液中的有效物质总量l〇〇g。有效物质总量中聚醚 改性氣基聚硅氧烷占比58.5 %，二氧化娃占比20 %，硅烷偶联剂占比1.5 %，润滑剂占比 20% 〇
[0037] 在温度40°C，将清洗后的纤维在浴比1:10上述乳液中浸渍处理时间0.5min，然后 在110°C 焙烘 5min。
[0038] 然后将上述浸渍处理后纤维室温水洗2道，烘干温度95°C，时间5min。纤维增重率 5%，接触角70°。
[0039] 在水、400号水泥、III级粉煤灰、硅灰、细度模数1.5精细砂、木质素磺酸盐减水剂 比例分别为1300:2700:2800:110:1100:17的混凝土中添加体积百分率为2.5 %经过上述表 面处理的高强高模聚乙烯纤维，高强高模聚乙烯醇纤维在其中分散均匀，无团聚，所制备复 合材料28天后拉伸断裂伸长率达到3.4%，断裂时出现多微细裂纹，裂纹宽度小于0.1mm。同 样混凝土配方和纤维添加量，未经过表面处理的高强高模聚乙烯纤维所制备