一种螺旋式高性能合成纤维束的制作方法

本发明涉及一种高性能合成纤维束，具体的涉及一种用于纤维增强领域的螺旋式纤维束，可被纤维束增强的材料包括但不限于水泥、混凝土、塑料、树脂、橡胶等。

背景技术：

合成纤维是一种由合成树脂通过熔融拉丝或熔融纺丝制备而成的纤维。这种纤维具有较高的强度，可用于增强水泥、混凝土、塑料、树脂、橡胶等材料。与玻璃相比，合成纤维耐碱、耐腐蚀、安全、对人体没有任何伤害。与钢纤维相比，合成纤维不扎人、质量轻、不生锈、耐腐蚀、成本较低。

然而，合成纤维也有自身的缺陷，从而大大限制了纤维的应用。首先，合成纤维耐热性差，在塑料或者橡胶高温成型的材料中，如果合成纤维的耐热温度低于塑料、橡胶的成型温度，在成型过程中合成纤维就会因为高温而丧失掉强度。第二，合成纤维的分散性差。合成纤维在基体中的分散性取决于基体(水泥、混凝土、塑料、树脂、橡胶等)的性能，纤维的极性需要与基体的极性相匹配，极性差异过大或者过小，极性太高或太低，都会导致分散困难。第三，合成纤维的强度普遍不高，通常低于玻璃纤维或者钢纤维，这就导致了合成纤维的增强效果比玻璃纤维和钢纤维要差。第四，合成纤维与基体的粘结性，普遍不好。例如，非极性合成纤维与极性的橡胶基体、无官能团的合成纤维与含sio2的水泥和混凝土、极性的纤维与非极性的塑料基体等，都会有较差的粘结性，这也导致了纤维的增强效果较差。

因此，当前技术中很难找到一种合成纤维，将耐高温、高分散性、高强度、高粘结性、可调节的极性与非极性、可调节的官能团引入等优势，融为一体。

技术实现要素：

为了解决这样的缺陷，让合成纤维将尽可能多的优势融为一体，同时让合成纤维可根据所增强基体的性质进行改变和调节，本发明提供一种螺旋式高性能合成纤维束。

本发明的技术方案如下：

一种螺旋式高性能合成纤维束，其特征在于包括位于纤维束中心的纤维内芯和在所述纤维内芯上螺旋缠绕的外围纤维，纤维内芯和外围纤维其中一个为改性合成纤维，另一个为未改性合成纤维。

优选的所述纤维内芯为未改性的合成纤维，在所述纤维内芯上螺旋缠绕不同的改性合成纤维。

优选的所述外围纤维同向或逆向螺旋缠绕在所述纤维内芯上。

优选的所述合成纤维的合成树脂原料包括聚丙烯、聚乙烯、聚丙烯腈纤维、聚酯、超高分子量聚乙烯、聚酰胺、聚甲醛、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩甲醛、聚对苯二甲酸乙二酯、聚苯咪唑、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酰对苯二胺、聚酰亚胺中的一种或一种以上混合物。

优选的所述改性合成纤维包括极性改性合成纤维、官能团接枝改性合成纤维、填料改性合成纤维和/或母粒改性合成纤维。

进一步优选的所述改性合成纤维的改性剂为硅烷偶联剂si-69、kh570、kh560、kh550、kh151、硅胶抗粘连剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、正硅酸乙酯、成核剂母粒、色母粒、增塑母粒、耐高温母粒、防腐母粒、消泡母粒、氯化聚丙烯、马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸二烯丙烯酯、四甲基丙烯酸季戊四醇、聚乙二醇、聚己二酸丁二醇酯、聚己内酯、二丙二醇丁醚、二乙烯基苯、过氧化二异丙苯、硅油、表面活性剂、乙醇、二甲苯、无机物超细颗粒、炭黑、碳酸钙、tio2、滑石粉、高岭土、二氧化硅、硅土、硅灰石、云母、硫酸钡、玻璃微珠、玻璃纤维、硅藻土、蒙脱土、水滑石、木粉、淀粉中的任一种或一种以上的混合物。

优选的所述纤维内芯为未改性的合成纤维，所述外围纤维为极性改性合成纤维和官能团接枝改性合成纤维。

前述的纤维束的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

制备改性合成纤维，将改性剂与合成树脂按比例混合后，进行熔融拉丝或熔融纺丝后，制成改性合成纤维；或，先将合成树脂通过熔融拉丝或熔融纺丝的方法制成纤维，然后使用改性剂对纤维进行改性后，制成改性合成纤维；或，先将改性剂与合成树脂按比例混合后，进行熔融拉丝或熔融纺丝，然后再次使用改性剂对纤维进行改性后，制成改性合成纤维；

制备未改性的合成纤维，由合成树脂熔融纺丝或熔融拉丝制备而成；

将外围纤维同向或逆向螺旋缠绕在所述纤维内芯上。

本发明的技术效果如下：

本发明的一种螺旋式高性能合成纤维束，开拓性地将改性或未改性的合成纤维螺旋缠绕在未改性或改性的合成纤维内芯上构成纤维束，具有以下效果：

未改性的合成纤维可以保持其原始的性能，包括强度、韧性、极性和官能团等。这些性能不会因改性剂而改变，强度不会因改性剂而降低，加工性性能不会因改性剂而变差，同时减少使用改性剂，还会降低纤维的成本。

改性纤维，通常包括但不限于以下四类：

(1)极性改性合成纤维，该纤维是通过改性剂对纤维进行极性与非极性的调节，使纤维与增强基体的极性进行匹配，从而提高纤维的分散性。所用改性剂为马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸二烯丙烯酯、四甲基丙烯酸季戊四醇、聚乙二醇、聚己二酸丁二醇酯、聚己内酯、二丙二醇丁醚、二乙烯基苯、过氧化二异丙苯、硅油、表面活性剂、乙醇、二甲苯中的一种或一种以上的混合物。

(2)官能团接枝改性合成纤维，该纤维是通过改性剂为纤维引入适当的官能团，如si、si-o、-oh、-cooh等，使纤维与基体产生较强的粘结力，以及其他特殊功能。所用改性剂为硅烷偶联剂si-69、kh570、kh560、kh550、kh151、硅胶抗粘连剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、正硅酸乙酯、氯化聚丙烯中的一种或一种以上的混合物。

(3)填料改性合成纤维，该纤维是通过填料对纤维进行增强，从而提高纤维刚性、弹性模量、拉伸强度等，部分无机填料还可以提高纤维的耐高温性。所用改性剂为无机物超细颗粒、炭黑、碳酸钙、tio2、滑石粉、高岭土、二氧化硅、硅土、硅灰石、云母、硫酸钡、玻璃微珠、玻璃纤维、硅藻土、蒙脱土、水滑石、木粉、淀粉中的一种或一种以上的混合物。

(4)母粒改性合成纤维，母粒的加入可以使纤维在熔融拉丝或熔融纺丝时，具有相应的性能和功能，也可以使制备纤维时所用的两种或两种以上合成树脂产生更好的相容性。所用改性剂为成核剂母粒、色母粒、增塑母粒、耐高温母粒、防腐母粒、消泡母粒中的一种或一种以上的混合物。

本发明的纤维束使多种不同的改性纤维和未改性纤维很好的结合起来。不同特性的改性剂可以对纤维分开进行改性，这样改性效率就会大大提升，不但有效节约了改性剂，还可以使改性剂单独发挥各自的作用，而不会互相干扰，例如使纤维束整体可以同时具有亲水、有含硅官能团、高强度、耐高温且成本低等性质。如果将这些不同功能的该行进混在一起同时加入到一种纤维中，会导致很多问题，例如改性剂互相反应、改性剂过多无法均匀分散、官能团互相覆盖导致改性效率不高、浪费改性剂、过多改性剂导致纤维无法成型等等。

螺旋缠绕方式保证了负责强度的内芯，如未改性合成纤维、填料改性合成纤维以及填料改性合成纤维，在内部能更加稳定的起到提升整体强度的作用，而在纤维内芯的外围在轴向整体长度的表面缠绕合成纤维，如耐高温的填料改性合成纤维、调整极性的极性改性纤维、可引入官能团的官能团接枝改性合成纤维、甚至降低成本的未改性纤维，具有不同功能的纤维交替暴露在表面，这样耐高温性、极性与非极性、不同功能的观念团、高强度等优势，均可以发挥出来，使纤维的增强效果、分散性、与基体的粘结力的等性能都得到最大化利用。

螺旋缠绕方式有两个独特的优势。首先，内芯纤维可以得到很好的保护，尤其是在高温成型环境中，外围的耐高温纤维对内芯进行了保护，使内芯的抗高温性有了提高。在一些特殊的增强环境中，如基体对内芯有降解作用时，外围的纤维也可以阻隔基体对内芯进行腐蚀。第二，外围纤维可以根据基体需要来调节缠绕纤维的疏和密的程度。例如，为了提高纤维的分散，需要将纤维的极性与基体的极性相比配，引入极性或非极性基团量一定的情况下，通过调节极性改性合成纤维的疏密程度，也可以调节纤维的极性。

综上，纤维束不仅实现了牢固联合上述不同纤维的构想，相对单根纤维整体强度得到提高，而且纤维束具有各种性能优势，更重要的是可使强度、耐高温性、分散性和界面粘结力都能更好的发挥改性作用，使得在纤维强度相同的情况下，纤维的耐高温性、分散性和界面粘结力均分别明显提高，或者说可以在保持纤维强度较高的情况下同时保持更高的耐高温性、分散性和界面粘结力，因此纤维束在各种基体中的增强效果也大幅提高。

优选的，分别由一根未改性的合成纤维作为纤维内芯，一根极性改性合成纤维和一根官能团接枝改性合成纤维缠绕在纤维内芯上，两根改性合成纤维螺旋缠绕在未改性的纤维内芯上形成纤维束，用尽可能少的纤维更好的同时发挥三种不同性能，使纤维束整体可以既保持纤维的高强度，又易分散，还可以实现与基体更好的结合，从而达到更好的增强作用。

优选的，所述改性合成纤维同向或逆向螺旋缠绕在所述纤维内芯上，同向纹路均匀排列，让整股纤维与基体的接触面大，但纤维与纤维间的摩擦力较小，即纤维间粘结力较小，但纤维与基体的粘结力较大。逆向纹路排列，内芯大面积暴露，会让整股纤维与基体的摩擦力偏小，但纤维与纤维间的摩擦力较大，尤其是外围纤维较差的结点处。同向或逆向的选择需要根据具体纤维、基体以及所需要的性能而选择。

附图说明

图1为本发明的同向螺旋式缠绕方式的高性能合成纤维束的实施例示意图；

图2为本发明的逆向螺旋式缠绕方式的高性能合成纤维束的实施例示意图。

附图标记：1-纤维束，11-未改性合成纤维，12-极性改性合成纤维，13-官能团接枝改性合成纤维，14-母粒改性合成纤维，15-填料改性合成纤维。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合附图1-2和实施例对本发明进行进一步的解释。

实施例1

本实施例的一种螺旋式高性能合成纤维束，为同向螺旋式缠绕方式，如图1所示，包括纤维内芯，在所述纤维内芯上同向螺旋缠绕改性合成纤维构成纤维束1，所述纤维内芯为一根未改性的高强度合成纤维11，所述改性合成纤维为一根极性改性合成纤维12和一根官能团接枝改性合成纤维13。

上述一种螺旋式高性能合成纤维束的制造方法，如下：

高强度未改性合成纤维11的制备：将聚丙烯颗粒加入到单螺杆挤出机中，经熔融拉丝后，制得高强度聚丙烯纤维，其拉伸强度为600mpa。

极性改性合成纤维12的制备：将聚丙烯颗粒和极性改性剂马来酸酐接枝聚丙烯按7：3的比例加入到单螺杆挤出机中，经熔融拉丝后，制得改性聚丙烯纤维。由于极性的纤维会与混凝土中的外加剂相互作用，纤维会随着外加剂的分散，进一步分散开来，因此其分散性提高80％。

官能团接枝改性合成纤维13的制备：将聚丙烯颗粒和聚乙烯颗粒按5：1的比例加入到单螺杆挤出机中，在200-250度中熔融挤出，并经过冷水冷却以及熔融拉丝后，再用硅烷偶联剂si69对纤维进行改性，制得偶联剂改性的官能团接枝改性聚丙烯纤维，其与混凝土的粘结力比未改性的纤维提高了100％。

以高强度未改性聚丙烯纤维为纤维内芯，将极性改性的聚丙烯纤维和官能团接枝改性的聚丙烯纤维以同向螺旋式缠绕的方式缠绕在未改性聚丙烯纤维的周围形成纤维束1。由于纤维束由高强度聚丙烯纤维、高分散性的马来酸酐改性聚丙烯纤维和与混凝土高粘结力的硅烷偶联剂改性聚丙烯纤维组成，因此可以使用高用量的纤维增强混凝土，故大大提高了纤维对混凝土的增强效果。18kg/m³的纤维束增强混凝土圆饼，根据astmc1550，测试得到在40mm曲挠时能量吸收为1200j，比单用18kg/m³聚丙烯纤维提高了120％。

实施例2

本实施例的一种螺旋式高性能合成纤维束，为同向螺旋式缠绕方式，包括纤维内芯，所述纤维内芯为一根填料改性合成纤维，在填料改性合成纤维上同向螺旋缠绕一根未改性合成纤维，构成纤维束。

上述一种螺旋式高性能合成纤维束的制造方法，如下：

填料改性合成纤维的制备：将二氧化硅和聚丙烯颗粒按照3：7的比例混合，经过熔融拉丝后，制得填料改性的聚丙烯纤维。该纤维由于二氧化硅的增强，刚性提高了250％，耐高温性提高了90％。由于增强橡胶基体是在220度左右的温度中加工成型，故内芯纤维需要具有一定的耐高温性。同时由于填料大幅度提高了合成纤维的刚性，作为主要的受力部分，纤维的增强效果有显著提高。

未改性合成纤维的制备：将尼龙6颗粒加入到单螺杆挤出机中，经熔融纺丝后，再分别经80度高温牵引，制得高强度聚酰胺纤维，其拉伸强度为1100mpa。尼龙纤维的耐高温性为250度，天然橡胶的硫化温度为220度，故尼龙纤维可以对内芯纤维进行良好的耐高温保护。

以高刚性的二氧化硅增强聚丙烯纤维为内芯，将耐高温的尼龙纤维以同向螺旋式缠绕的方式缠绕在聚丙烯纤维的周围构成纤维束。将纤维束与天然橡胶混合均匀，并充分硫化后，制得纤维增强橡胶材料。质量分数50％该纤维束增强天然的拉伸强度为300mpa，比传统合成纤维增强天然橡胶提高300％。

实施例3

本实施例的一种螺旋式高性能合成纤维束，为逆向螺旋式缠绕方式，如图2所示，包括纤维内芯，所述纤维内芯为一根未改性的高强度合成纤维11，在高强度合成纤维11上逆向螺旋缠绕一根母粒改性合成纤维14和一根填料改性合成纤维15构成纤维束1。

上述一种螺旋式高性能合成纤维束的制造方法，如下：

高强度未改性合成纤维11的制备：将尼龙6颗粒加入到单螺杆挤出机中，经熔融纺丝后，再分别经80度高温牵引，制得高强度聚酰胺纤维，其拉伸强度为1100mpa。

母粒改性合成纤维14的制备：将尼龙6、聚丙烯和增塑母粒按照7：2：1的比例进行熔融纺丝，制得高性能改性合成纤维。用该纤维增强塑料聚丙烯，大大提高了纤维与基体的粘结力和分散性。因为该纤维是在尼龙6的基础上引入聚丙烯和增塑母粒，纤维上的聚丙烯链段和增塑母粒会与聚丙烯基体产生很好的粘结力和相容性。

填料改性合成纤维15的制备：将玻璃纤维和聚丙烯颗粒按照3：7的比例混合，经过熔融拉丝后，制得填料改性的聚丙烯纤维。该纤维由于玻璃纤维的增强，刚性提高了200％，耐高温性提高了80％。由于增强聚丙烯基体是在200度左右的温度中加工成型，故纤维需要具有耐高温性。该改性聚丙烯纤维，与增强基体是同类树脂，故分散性有了明显提高。

纤维束1的制备：将上述三种纤维每种取一根，按照逆向螺旋式缠绕编织成纤维束。质量分数30％该纤维束增强聚丙烯的拉伸强度为550mpa，比单用尼龙6纤维增强聚丙烯提高170％。

在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明的内容，但并非限制本发明的保护范围。任何没有脱离本发明实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明的保护范围。