高拔出强度建筑增强聚丙烯腈短切纤维及其制备方法和应用与流程

本发明涉及一种建筑增强聚丙烯腈短切纤维及其制备方法和应用，更具体的说，本发明涉及一种用于建筑水泥增强聚丙烯腈纤维及其制备方法和应用。

背景技术

水泥材料是建筑材料中广泛使用的一种基材，它具有可加工性能好、施工工艺简单、价格低廉等一系列优势，可制作水泥砂浆、水泥混凝土等建筑材料。水泥砂浆、水泥混凝土等材料在使用过程中，随着材料中水分的挥发和材料的固化成型，将会在材料中形成大量细孔，这些微小细孔易在材料受力时成为材料发生断裂的缺陷，大量存在的细孔使水泥材料存在易开裂、脆性大等缺点，使增强材料在应用过程中性能显著下降，为其在生活和工业应用带来潜在风险。

在水泥材料中加入有机或无机纤维是一种广泛使用一种抑制水泥材料开裂的常用方法。纤维在水泥材料中的作用主要有三个方面：(1)提高水泥材料的开裂的应力，避免水泥在低应力下的开裂；(2)通过有机纤维的韧性和可吸收能量的特点，增加水泥材料的变形能力，对于水泥材料，其韧性的增加在某些方面较材料强度的增加更为重要；(3)纤维可进一步阻止材料开裂后裂纹的进一步发展，并减少平均裂纹间距。

有机纤维因其可加工性能好、力学性能好等优点在建筑增强材料中得到广泛的使用，常用的有机纤维主要有：聚丙烯腈纤维、芳纶纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、聚酯纤维、聚酰亚胺纤维等。其中聚丙烯腈纤维具有与水泥材料基体接触好、耐酸碱、耐高温、价格低廉等优点，作为建筑增强纤维得到了广泛的应用。

聚丙烯腈短切纤维增强材料的拉出强度显著影响增强建筑材料的抗压性能，制备具有高拉出强度的聚丙烯腈短切纤维是其生产和研发的重点和难点。

聚丙烯腈纤维制备方式有多种，以二甲基亚砜为溶剂的一步法制备聚丙烯腈纤维具有纺丝原液固含量高、经济性好的优点在很多企业中广泛使用。

建筑增强聚丙烯腈短切纤维制备过程包括聚合、脱单、脱泡、凝固成型、多级凝固牵伸、多级热水牵伸、水洗、一次上油、干燥致密化、蒸汽牵伸、热定型、二次上油、油剂再干燥、短切等步骤。制备过程中的各个步骤均为影响纤维力学性能和纤维与水泥砂浆结合力，最终影响到水泥增强材料的性能。

日本专利jp58120811a，jp60021905a，jp61163149a，jp06115989a，jp08003812a公开了5篇聚丙烯腈纤维的制备过程，但均未表明使材料具有高拉出强度时聚丙烯腈短切纤维所应具有的特性及其具体制备过程。

有鉴于此，特提出本发明。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题之一是现有技术中存在的聚丙烯腈短切纤维建筑增强材料抗压性能差的问题。提供一种高拔出强度的建筑增强聚丙烯腈短切纤维，具有增强材料抗压性能高的特点。

本发明所要解决的技术问题之二是提供一种与解决技术问题之一相对应的建筑增强聚丙烯腈短切纤维的制备方法。

本发明所要解决的技术问题之三是提供一种与解决技术问题之一相对应的建筑增强聚丙烯腈短切纤维的应用。

为解决上述技术问题之一，本发明采用的技术方案如下：一种建筑增强聚丙烯腈短切纤维，由聚丙烯腈基原丝制得，其中，所述纤维中间为伸直段、两端为卷曲段，所述卷曲段的卷曲密度为0.1-2个/mm，所述卷曲段的总长度为1-10mm。

上述技术方案中，所述纤维总长度优选为5-32mm，纤维线密度优选为0.7-20dtex。

上述技术方案中，所述卷曲的形状优选为螺旋状、钩状、s型、l型、n型、m型、w型中的至少一种。

上述技术方案中，所述卷曲段的卷曲密度优选为0.1-1.2个/mm，更优选为0.2-1个/mm。

上述技术方案中，所述卷曲段的总长度优选为2-6mm。

上述技术方案中，所述卷曲段总长度与伸直段长度比优选为1:32-2:1。

上述技术方案中，进一步优选方案为：所述聚丙烯腈短切纤维总长度为6-26mm；纤维线密度为1-18dtex；卷曲形状为n型、m型中的至少一种，本发明人惊奇地发现，此时聚丙烯腈短切纤维建筑增强材料抗压性能可提高30％以上。

为了解决上述技术问题之二，本发明采用的技术方案为：一种解决技术问题之一所述技术方案任一所述的建筑增强聚丙烯腈短切纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)将所述聚丙烯腈基原丝经过纤维短切机进行蒸汽短切，得到短切纤维；

(2)将步骤(1)得到的短切纤维的两端在热机械作用下产生所述卷曲密度和卷曲段总长度的卷曲段，纤维中部保持伸直，得到所述建筑增强聚丙烯腈短切纤维。

上述技术方案中，所述制备聚丙烯腈原丝的纺丝原液特性黏数3-6dl/g；进一步优选所述聚丙烯腈基原丝由特性黏数为3-6dl/g的纺丝原液经凝固成型、牵伸和水洗、上油、干燥致密化、蒸汽牵伸和热定型、二次上油和油剂再干燥而制得。

上述技术方案中，所述的水洗温度优选为60-90℃，水洗牵伸比优选为不小于-1％。

上述技术方案中，所述的蒸汽牵伸绝对压力优选为0.1-1mpa，牵伸比优选为1-5。

上述技术方案中，所述的热定型温度优选为100-150℃，牵伸比优选为0.9-1.0。

上述技术方案中，进一步优选方案为：所述制备聚丙烯腈原丝的纺丝原液特性粘数3.2-5.8dl/g；所述制备聚丙烯腈原丝的水洗温度60-90℃，水洗牵伸比不小于-0.8％；所述制备聚丙烯腈原丝的干燥致密化温度为85-148℃，牵伸比0.94-1.0；所述制备聚丙烯腈原丝的蒸汽牵伸绝对压力为0.2-0.7mpa，牵伸比为1.5-3.5；所述制备聚丙烯腈原丝的热定型温度105-145℃，牵伸比为0.92-1.0；所述制备聚丙烯腈原丝的油剂再干燥油剂再干燥温度105-125℃；所述热机械作用优选为蒸汽结合机械作用，如在蒸汽短切机中，在0.7mpa的蒸汽压力下并结合机械作用将使纤维卷曲和切断。

上述技术方案中，进一步优选方案为：所述制备聚丙烯腈原丝的纺丝原液特性粘数3.2-5.2；所述制备聚丙烯腈原丝的水洗温度60-80℃，水洗牵伸比不小于-0.7％；所述制备聚丙烯腈原丝的干燥致密化温度为110-140℃，牵伸比0.96-1.0；所述制备聚丙烯腈原丝的蒸汽牵伸绝对压力为0.2-0.7mpa，牵伸比为1.8-3.5；所述制备聚丙烯腈原丝的油剂再干燥油剂再干燥温度110-120℃；制备聚丙烯腈原丝的第一道凝固液的温度为20℃到70℃，更优选为20℃到65℃，浓度为30wt％到60wt％，更优选为40wt％到55wt％，制备聚丙烯腈原丝的第二道凝固液的温度为30℃到60℃，更优选为40℃到55℃；制备聚丙烯腈原丝的第三道凝固液的浓度为10wt％到40wt％，更优选为10wt％到25wt％，第三道凝固液的温度为20℃到70℃，更优选为55℃到70℃。

为解决上述技术问题之三，本发明采用的技术方案如下：一种解决技术问题之一所述技术方案中任一所述的建筑增强聚丙烯腈短切纤维的应用。

上述技术方案中，所述应用并没有严格限定，本领域技术人员可以根据本发明公开的内容结合现有技术对其作为建筑增强材料加以应用。

本发明中所述纤维的卷曲个数定义为：从纤维的一个卷曲峰到相邻的一个卷曲峰为一个卷曲。卷曲密度定义为每纤维mm的卷曲个数，例如10mm内纤维卷曲个数为1，则纤维卷曲密度为0.1个/mm。

本发明中的聚丙烯腈短切纤维，具有特殊的两端卷曲、中间伸直的结构，两段的卷曲可使纤维在拉伸过程中两段能承受更多的牵伸力，中间段的伸直状态可确保纤维在聚丙烯腈纤维复合建筑材料发生裂纹时直接承受应力，避免平均裂纹长度进一步增加。控制短切纤维长度避免长度过长或过短引起的增强聚丙烯腈纤维在建筑材料制备过程中的团聚，确保纤维与建筑材料界面结合的保持在较好的状态。

本发明中所述短切纤维在水泥砂浆中的拔出强度的测试方法为纤维单丝拔出强度测试法，纤维在水泥砂浆中的预埋长度为纤维长度的一半，测试速度为1mm/min。

采用本发明的技术方案，由于采用特殊的具有一定卷曲段长度和卷曲密度的两端卷曲、中间伸直的短切纤维，聚丙烯腈短切纤维在建筑增强材料中增强材料抗压性能显著提高，短切纤维在水泥砂浆中的拉出强度可达4.1mpa，取得较好的技术效果。

下面通过实施例对本发明做进一步阐述。

附图说明

图1是实施例1中两端卷曲形状均为螺旋状的纤维结构示意图；

图2是实施例2中两端卷曲形状均为s型的纤维结构示意图；

图3是实施例3中两端卷曲形状均为勾状的纤维结构示意图；

图4是实施例4中两端卷曲形状均为l型的纤维结构示意图；

图5是实施例5中两端卷曲形状均为n型的纤维结构示意图；

图6是实施例6中两端卷曲形状均为m型的纤维结构示意图。

实施例7-10中的纤维卷曲形状结构与图5和6中纤维卷曲的n和m型相同。

具体实施方式

【实施例1】

1、原液制备：将精制丙烯腈、甲基丙烯基磺酸钠、丙烯酸甲酯按质量比例99.6:0.2:0.2、固含量15％，偶氮二异丁腈占共聚单体0.2wt％，以二甲基亚砜为溶剂加入到反应器中，在氮气保护下50℃恒温反应20小时，得到特性黏数3.2dl/g聚合原液。经“真空-氮气”置换脱单、真空脱泡，2微米精密过滤后制备出纺丝原液。

2、凝固成型：采用湿法纺丝进行初生纤维制备，纺丝原液经计量泵精确计量、再次过滤后，通过喷丝板进入第一凝固浴中，凝固温度25℃，浓度为50％，牵伸比为-20％，后续进行两级凝固牵伸，牵伸比分别为1.0、1.05，得到凝固纤维。

3、牵伸和水洗：三道热水牵伸温度分别为90、98、99℃，牵伸比分别为1.8、2.0、2.4；水洗温度60℃，牵伸比1.0。

4、一次上油和干燥致密化：将步骤3得到的纤维进行一次上油后进行干燥致密化，干燥致密化温度呈阶梯升温方式，第1道干燥致密化温度88℃，第2道干燥致密化温度为145℃。

5、蒸汽牵伸和热定型：将步骤4得到的纤维在0.6mpa的蒸汽中进行3.2倍牵伸,之后在130℃蒸汽中进行热定型，热定型牵伸比-2％。

6、二次上油和油剂再干燥：将步骤5得到的纤维经过二次上油后，在油剂再干燥温度120℃下进行干燥。

7、纤维蒸汽短切：将步骤6获得的纤维在蒸汽短切机中，在0.7mpa的蒸汽压力下并结合机械作用将使纤维卷曲和切断；所获纤维两端卷曲密度0.6个/mm，两端卷曲长度等长为2mm，两端卷曲形状均为螺旋状，纤维短切后长度6mm，纤维线密度1.5dtex。

测试所获短切纤维在水泥砂浆中的拔出强度为3.7mpa。

【实施例2】

1、原液制备：同实施例1步骤1。

2、凝固成型：同实施例1步骤2。

3、牵伸和水洗：同实施例1步骤3。

4、一次上油和干燥致密化：同实施例1步骤4。

5、蒸汽牵伸和热定型：同实施例1步骤5。

6、二次上油和油剂再干燥：同实施例1步骤6。

7、纤维蒸汽短切：将步骤6获得的纤维在蒸汽短切机中，在0.7mpa的蒸汽压力下并结合机械作用将使纤维卷曲和切断；所获纤维两端卷曲密度0.6个/mm，两端卷曲长度等长为2mm，两端卷曲形状均为s型，纤维短切后长度6mm，纤维线密度1.5dtex。

测试所获短切纤维在水泥砂浆中的拉出强度为3.72mpa。

【实施例3】

1、原液制备：同实施例1步骤1。

2、凝固成型：同实施例1步骤2。

3、牵伸和水洗：同实施例1步骤3。

4、一次上油和干燥致密化：同实施例1步骤4。

5、蒸汽牵伸和热定型：同实施例1步骤5。

6、二次上油和油剂再干燥：同实施例1步骤6。

7、纤维蒸汽短切：将步骤6获得的纤维在蒸汽短切机中，在0.7mpa的蒸汽压力下并结合机械作用将使纤维卷曲和切断；所获纤维两端卷曲密度0.6个/mm，两端卷曲长度等长为2mm，两端卷曲形状均为钩状，纤维短切后长度6mm，纤维线密度1.5dtex。

测试所获短切纤维在水泥砂浆中的拉出强度为3.75mpa。

【实施例4】

1、原液制备：同实施例1步骤1。

2、凝固成型：同实施例1步骤2。

3、牵伸和水洗：同实施例1步骤3。

4、一次上油和干燥致密化：同实施例1步骤4。

5、蒸汽牵伸和热定型：同实施例1步骤5。

6、二次上油和油剂再干燥：同实施例1步骤6。

7、纤维蒸汽短切：将步骤6获得的纤维在蒸汽短切机中，在0.7mpa的蒸汽压力下并结合机械作用将使纤维卷曲和切断；所获纤维两端卷曲密度0.6个/mm，两端卷曲长度等长为2mm，两端卷曲形状均为l型，纤维短切后长度6mm，纤维线密度1.5dtex。

测试所获短切纤维在水泥砂浆中的拉出强度为3.65mpa。

【实施例5】

1、原液制备：同实施例1步骤1。

2、凝固成型：同实施例1步骤2。

3、牵伸和水洗：同实施例1步骤3。

4、一次上油和干燥致密化：同实施例1步骤4。

5、蒸汽牵伸和热定型：同实施例1步骤5。

6、二次上油和油剂再干燥：同实施例1步骤6。

7、纤维蒸汽短切：将步骤6获得的纤维在蒸汽短切机中，在0.7mpa的蒸汽压力下并结合机械作用将使纤维卷曲和切断；所获纤维两端卷曲密度0.6个/mm，两端卷曲长度等长为2mm，两端卷曲形状均为n型，纤维短切后长度6mm，纤维线密度1.5dtex。

测试所获短切纤维在水泥砂浆中的拉出强度为3.85mpa。

【实施例6】

1、原液制备：同实施例1步骤1。

2、凝固成型：同实施例1步骤2。

3、牵伸和水洗：同实施例1步骤3。

4、一次上油和干燥致密化：同实施例1步骤4。

5、蒸汽牵伸和热定型：同实施例1步骤5。

6、二次上油和油剂再干燥：同实施例1步骤6。

7、纤维蒸汽短切：将步骤6获得的纤维在蒸汽短切机中，在0.7mpa的蒸汽压力下并结合机械作用将使纤维卷曲和切断；所获纤维两端卷曲密度0.6个/mm，两端卷曲长度等长为2mm，两端卷曲形状均为m型，纤维短切后长度6mm，纤维线密度1.5dtex。

测试所获短切纤维在水泥砂浆中的拉出强度为3.95mpa。

【实施例7】

1、原液制备：同实施例1步骤1。

2、凝固成型：将喷丝板直径调整为实施例1喷丝板直径的2.6倍，其余凝固成型条件同实施例1步骤2。

3、牵伸和水洗：同实施例1步骤3。

4、一次上油和干燥致密化：同实施例1步骤4。

5、蒸汽牵伸和热定型：同实施例1步骤5。

6、二次上油和油剂再干燥：同实施例1步骤6。

7、纤维蒸汽短切：将步骤6获得的纤维在蒸汽短切机中，在0.7mpa的蒸汽压力下并结合机械作用将使纤维卷曲和切断；所获纤维两端卷曲密度1个/mm，两端卷曲长度等长为3mm，两端卷曲形状均为m型，纤维短切后长度8mm，纤维线密度10dtex。

测试所获短切纤维在水泥砂浆中的拉出强度为4.1mpa。

【实施例8】

1、原液制备：同实施例1步骤1。

2、凝固成型：同实施例7步骤2。

3、牵伸和水洗：同实施例1步骤3。

4、一次上油和干燥致密化：同实施例1步骤4。

5、蒸汽牵伸和热定型：同实施例1步骤5。

6、二次上油和油剂再干燥：同实施例1步骤6。

7、纤维蒸汽短切：将步骤6获得的纤维在蒸汽短切机中，在0.7mpa的蒸汽压力下并结合机械作用将使纤维卷曲和切断；所获纤维两端卷曲密度0.8个/mm，两端卷曲长度等长为3mm，两端卷曲形状均为n型，纤维短切后长度24mm，纤维线密度10dtex。

测试所获短切纤维在水泥砂浆中的拉出强度为4.0mpa。

【实施例9】

1、原液制备：同实施例1步骤1。

2、凝固成型：同实施例1步骤2。

3、牵伸和水洗：同实施例1步骤3。

4、一次上油和干燥致密化：同实施例1步骤4。

5、蒸汽牵伸和热定型：同实施例1步骤5。

6、二次上油和油剂再干燥：同实施例1步骤6。

7、纤维蒸汽短切：将步骤6获得的纤维进行蒸汽短切，在0.7mpa的蒸汽压力下并结合机械作用将使纤维卷曲和切断；所获纤维两端卷曲密度0.6个/mm，两端卷曲长度等长为2mm，卷曲形状一端为m型，另一端为n型，纤维短切后长度6mm，纤维线密度1.5dtex。

测试所获短切纤维在水泥砂浆中的拉出强度为3.90mpa。

【实施例10】

将市售上海石化无卷曲聚丙烯腈原丝纤维进行蒸汽短切，在0.7mpa的蒸汽压力下并结合机械作用将使纤维卷曲和切断；所获纤维两端卷曲密度为0.8个/mm，两端卷曲长度等长为6mm，两端卷曲形状均为m型，纤维短切后长度24mm，纤维线密度0.75dtex。

测试所获短切纤维在水泥砂浆中的拉出强度为1.0mpa。

【比较例1】

1、原液制备：同实施例1步骤1。

2、凝固成型：同实施例1步骤2。

3、牵伸和水洗：同实施例1步骤3。

4、一次上油和干燥致密化：同实施例1步骤4。

5、蒸汽牵伸和热定型：同实施例1步骤5。

6、二次上油和油剂再干燥：同实施例1步骤6。

7、纤维短切：将步骤6获得的纤维直接短切为无两端卷曲的长度为6mm，线密度分别为1.5dtex的纤维。

测试所获6mm短切纤维在水泥砂浆中的拉出强度分别为3.0mpa。

【比较例2】

1、原液制备：同实施例1步骤1。

2、凝固成型：将喷丝板直径调整为实施例1喷丝板直径的3.8倍，其余凝固成型条件同实施例1步骤2。

3、牵伸和水洗：同实施例1步骤3。

4、一次上油和干燥致密化：同实施例1步骤4。

5、蒸汽牵伸和热定型：同实施例1步骤5。

6、二次上油和油剂再干燥：同实施例1步骤6。

7、纤维短切：将步骤6获得的纤维在0.7mpa的蒸汽压力下并结合机械作用将使纤维卷曲和切断；所获纤维两端卷曲密度0.6个/mm，两端卷曲长度等长为2mm，两端卷曲形状均为螺旋状，纤维短切后长度为6mm，线密度分别为22dtex的纤维。

测试所获短切纤维在水泥砂浆中的拉出强度为3.2mpa。

【比较例3】

1、原液制备：同实施例1步骤1。

2、凝固成型：同实施例1步骤2。

3、牵伸和水洗：同实施例1步骤3。

4、一次上油和干燥致密化：同实施例1步骤4。

5、蒸汽牵伸和热定型：同实施例1步骤5。

6、二次上油和油剂再干燥：同实施例1步骤6。

7、纤维蒸汽短切：将步骤6获得的纤维在蒸汽短切机中，在0.7mpa的蒸汽压力下并结合机械作用将使纤维卷曲和切断；所获纤维两端卷曲密度0.02个/mm，两端卷曲长度等长为2mm，纤维短切后长度6mm，线密度1.5dtex。

测试所获短切纤维在水泥砂浆中的拉出强度为2.1mpa。

【比较例4】

1、原液制备：同实施例1步骤1。

2、凝固成型：同实施例1步骤2。

3、牵伸和水洗：同实施例1步骤3。

4、一次上油和干燥致密化：同实施例1步骤4。

5、蒸汽牵伸和热定型：同实施例1步骤5。

6、二次上油和油剂再干燥：同实施例1步骤6。

7、纤维蒸汽短切：将步骤6获得的纤维在蒸汽短切机中，在0.7mpa的蒸汽压力下并结合机械作用将使纤维卷曲和切断；所获纤维两端卷曲密度0.6个/mm，两端卷曲长度等长为12mm，两端卷曲形状均为s型，纤维短切后长度36mm，纤维线密度1.5dtex。

加工中纤维团聚明显，测试所获短切纤维在水泥砂浆中的平均拉出强度为2mpa。

【比较例5】

1、原液制备：同实施例1步骤1。

2、凝固成型：同实施例1步骤2。

3、牵伸和水洗：同实施例1步骤3。

4、一次上油和干燥致密化：同实施例1步骤4。

5、蒸汽牵伸和热定型：同实施例1步骤5。

6、二次上油和油剂再干燥：同实施例1步骤6。

7、纤维蒸汽短切：将步骤6获得的纤维在蒸汽短切机中，在0.7mpa的蒸汽压力下并结合机械作用将使纤维卷曲和切断；所获纤维卷曲密度为0.1个/mm，完全卷曲，纤维短切后长度6mm，线密度1.5dtex。

测试所获短切纤维在水泥砂浆中的拉出强度为2.2mpa。

【比较例6】

1、原液制备：同实施例1步骤1。

2、凝固成型：同实施例1步骤2。

3、牵伸和水洗：同实施例1步骤3。

4、一次上油和干燥致密化：同实施例1步骤4。

5、蒸汽牵伸和热定型：同实施例1步骤5。

6、二次上油和油剂再干燥：同实施例1步骤6。

7、纤维蒸汽短切：将步骤6获得的纤维在蒸汽短切机中，在0.7mpa的蒸汽压力下并结合机械作用将使纤维卷曲和切断；所获纤维两端卷曲密度3个/mm，两端卷曲长度等长为2mm，两端卷曲形状均为螺旋状，纤维短切后长度6mm，纤维线密度1.5dtex。。

测试所获短切纤维在水泥砂浆中的拉出强度为3.3mpa。

【比较例7】

同实施例10市售上海石化无卷曲聚丙烯腈原丝，直接将其短切为全直的、长度为24mm，纤维线密度0.75dtex的短切纤维。

测试所获得的短切纤维在水泥砂浆中的拉出强度为0.6mpa。