包含多根填充纤维的水泥复合材料的制作方法
【技术领域】
[0001] 本公开通常涉及一种包含多根纤维的复合材料，以及形成所述复合材料的方法。 更具体而言，所述多根纤维包含特定的塑料组分、表面活性剂和金属氧化物。
【背景技术】
[0002] 由热塑性材料形成的纤维（例如塑料纤维）往往是化学惰性的，非常热稳定，并具 有对增强复合材料而言理想的高的拉伸强度。因此，与非增强材料相比，用热塑性纤维增强 的复合材料通常具有改进的物理特性，例如改进的拉伸强度、改进的负载能力，且收缩和裂 缝减少。然而，这种纤维通常具有有序的结构且缺乏极性官能团，使得它们在复合材料中易 于表现出不期望的疏水特性，这会导致延性和抗弯能力变差。这些不期望的疏水特性通常 导致纤维与复合材料之间的粘附性变差，从而得到同样具有不希望的性能如脆性和裂纹倾 向性的复合材料。
[0003] 增加塑料纤维和复合材料之间的粘附性的现有技术包括表面改性，所述表面改性 通常不经济、不可持续、技术上具有挑战性（例如在电晕处理、等离子体处理和火焰处理 中），并对环境有害（例如通过铬和酸性氧化）。其他表面改性包括用润湿剂涂覆塑料纤维 以增加亲水性（或润湿性）。然而，这些润湿剂在塑料纤维与复合材料的混合中易于从塑料 纤维上损耗。当润湿剂损耗时，塑料纤维的疏水部分就会暴露。如上所述，这种暴露会使得 复合材料表现出脆性行为和裂纹倾向性。因此，仍存在开发改进的复合材料的机会。
【发明内容】
[0004] 本公开提供一种包含水泥组合物的复合材料。所述复合材料还包含置于水泥组合 物中的多根纤维。多根纤维的每一根包括塑料组分、表面活性剂和金属氧化物。表面活性 剂和金属氧化物各自独立地不均匀地分散遍及多根纤维的每一根。
[0005] 本公开还提供一种形成复合材料的方法。所述方法包括将塑料组分、表面活性剂 和金属氧化物结合以形成多根纤维的步骤。所述方法还包括将多根纤维置于水泥组合物中 以形成复合材料的步骤。
【附图说明】
[0006] 参照以下结合附图考虑的详细说明，本公开的其他优势将会容易地理解，同时变 得更好理解，附图中：
[0007] 图1为Brightfleld反射光显微镜图像，示出本公开的一种纤维的实施方案的截 面图，所述纤维包括放置遍及整个纤维的表面活性剂。
[0008] 图2为实施例的本发明样品和对比样品的以位移为函数的按照初始断裂标准化 的拉伸应力线形图。
[0009] 图3为实施例的本发明样品和对比样品的以挠曲为函数的负载的线形图。
[0010] 图4A为本公开的包含表面活性剂和二氧化硅的纤维的一个实施方案的SEM横截 面图像。
[0011] 图4B为图5A的纤维除去表面活性剂但保留二氧化硅的SEM横截面图像。
[0012] 图5为本公开的包含表面活性剂和二氧化硅的纤维的另一个实施方案的SEM横截 面图像。
[0013] 图6为本公开的包含表面活性剂和二氧化硅的一束纤维的背散射电子（BSE)图 像。
【具体实施方式】
[0014] 本公开提供一种复合材料。所述复合材料包含水泥组合物。所述水泥组合物可 为下列物质，包括下列物质，或主要由下列物质组成：水泥、混凝土、砂浆或其结合。在一个 实施方案中，术语"主要由……组成"描述了水泥组合物不含其他复合材料或组合物如沥青 等。
[0015] 水泥：
[0016] 在一个实施方案中，水泥组合物为（或由以下物质形成）水硬性水泥粘结剂、骨 料（aggregate)和水的反应产物。或者，在水泥组合物形成之前、在水泥组合物形成期间 和/或在水泥组合物形成之后，水硬性水泥粘结剂可描述为水泥。水硬性水泥粘结剂的非 限制性实例为或包括波特兰水泥、砌筑水泥（Masonry cement)和/或砂衆水泥（Mortar cement)。在水泥组合物形成之前，水硬性水泥粘结剂的存在量可为1至98重量份、40至 85重量份或60至80重量份，各自均基于100重量份的水泥组合物计。在其他非限制性实 施方案中，落在上述范围的一个或多个范围内的所有值和值的范围，无论整数还是分数，在 此均明确考虑。
[0017] 骨料可包括本领域所理解的粗骨料和/或细骨料。在水泥组合物形成之前、期间 和/或之后，骨料的存在量可为1至98重量份，或5至50重量份，或10至30重量份，各自 均基于100重量份的水泥组合物计。在其他非限制性实施方案中，落在上述范围的一个或 多个范围内的所有值和值的范围，无论整数还是分数，在此均明确考虑。
[0018] 在水泥组合物形成之前、期间和/或之后，水的存在量可为1至98重量份，或5至 50重量份，或10至30重量份，各自均基于100重量份的水泥组合物计。在其他非限制性实 施方案中，落在上述范围的一个或多个范围内的所有值和值的范围，无论整数还是分数，在 此均明确考虑。
[0019] 水泥组合物还可包含其他材料，如石灰石、熟石灰、飞灰、高炉矿渣、硅粉、减水剂、 加气剂、促进剂、缓凝剂、不同于本公开的多根纤维的聚合物纤维、钢纤维，或其结合。本公 开的这些材料及其使用的重量百分数可由本领域技术人员所选择。
[0020] 混凝土 :
[0021] 在其他实施方案中，在水泥组合物形成之前、在水泥组合物形成期间和/或在水 泥组合物形成之后，水泥组合物也被定义为混凝土。混凝土可为（或由以下物质形成）水 硬性水泥粘结剂（如波特兰水泥）、细骨料和/或粗骨料（如沙、砂砾和碎石）和水的反应 产物。通常将水硬性水泥粘结剂、骨料和水充分混合以产生混凝土的不均匀混合物。通常， 水硬性水泥粘结剂和水最初形成经历水合过程的凝胶。当混凝土凝固时，凝胶会变得坚硬， 从而固定骨料并固化混凝土。
[0022] 在混凝土形成之前，水硬性水泥粘结剂的存在量可为1至98重量份，40至85重 量份，或60至80重量份，各自均基于100重量份的混凝土计。在混凝土形成之前、期间和 /或之后，骨料的存在量可为1至98重量份，或5至50重量份，或10至30重量份，各自均 基于1〇〇重量份的混凝土计。在混凝土形成之前、期间和/或之后，水的存在量可为1至98 重量份，5至50重量份，或10至30重量份，各自均基于100重量份的混凝土计。在其他非 限制性实施方案中，落在上述范围的一个或多个范围内的所有值和值的范围，无论整数还 是分数，在此均明确考虑。
[0023] 砂浆:
[0024] 在另一些其他实施方案中，水泥组合物还被定义为砂浆。砂浆可为（或由以下物 质形成）水硬性水泥粘结剂（如波特兰水泥）、细骨料（如沙）和水的反应产物。砂浆的 形成通常依照类似于上述混凝土的水合过程。在砂浆形成之前，水硬性水泥粘结剂的存在 量可为1至98重量份，40至85重量份，或60至80重量份，各自均基于100重量份的砂浆 计。在砂浆形成之前、期间和/或之后，骨料的存在量可为1至98重量份，5至50重量份， 或10至30重量份，各自基于100重量份的砂浆计。在砂浆形成之前、期间和/或之后，水 的存在量可为1至98重量份，5至50重量份，或10至30重量份，各自基于100重量份的砂 浆计。在其他非限制性实施方案中，落在上述范围的一个或多个范围内的所有值和值的范 围，无论整数还是分数，在此均明确考虑。
[0025] 多枏纤维:
[0026] 复合材料还包含多根纤维10。术语"一根或多根纤维"可被下文的"多根纤维"、 "多根纤维的每一根"或两者所代替。纤维10可为单丝形式、经排列的原纤化形式、带状形 式，或任意的芯鞘型、芯壳型、单组分或双组分形式或本领域中已知的任何其他形式。纤维 10可为本领域中已知的任何大小和/或尺寸。例如，多根纤维10的每一根可具有的长度 为1/8至3英寸、1/4至2英寸或1/2至1英寸。在各个实施方案中，多根纤维10的每一根 可具有的直径为0. 01至2毫米、0. 03至1毫米、0. 04至0. 5毫米、0. 01至0. 10毫米或0. 1 至0. 2毫米。在其他非限制性实施方案中，落在上述范围的一个或多个范围内的所有值和 值的范围，无论整数还是分数，在此均明确考虑。此外，直径小于或等于〇. 30毫米的纤维可 描述为"微纤维"，而直径大于〇. 30毫米的纤维可描述为"粗纤维"。
[0027] 将多根纤维10置于水泥组合物中。换言之，可将多根纤维10置于水泥组合物的至 少一个表面上或置于全部或部分的水泥组合物中。水泥组合物的至少一个表面可不含多根 纤维10。应理解，在本公开的通篇中，术语"置于"可与术语"分散"互换使用。在某些实施 方案中，多根纤维10的存在量为0. 1至10体积份，基于100体积份的复合材料计。或者， 多根纤维10的存在量为0. 5至5体积份、1至3体积份或1. 5至2体积份，各自基于100体 积份的复合材料计。在其他非限制性实施方案中，落在上述范围的一个或多个范围内的所 有值和值的范围，无论整数还是分数，在此均明确考虑。
[0028] 塑料组分:
[0029] 多根纤维10的每一根包括塑料组分12。塑料组分12可为下列物质、包括下列物 质、主要由下列物质组成或由下列物质组成：本领域中已知的任何塑料。例如，在一个实施 方案中，术语"主要由……组成"描述了塑料组分12不含非塑料，例如除了下文描述为用作 本公开的塑料组分（instant plastic component)的选项的那些之外的化合物。塑料组 分12可作为固体或液体提供。塑料组分12可为下列物质，包括下列物质、主要由下列物质 组成或由下列物质组成：由单一的重复单元形成的均聚物或由不同的重复单元形成的共聚 物。塑料组分12可为下列物质、包括下列物质、主要由下列物质组成或由下列物质组成：单 体的聚合产物，所述单体包括但不限于脂族单体、芳族单体或其结合的聚合产物。塑料组分 12可为下列物质、包括下列物质、主要由下列物质组成或由下列物质组成：包括不饱和单 体的单体的聚合产物，所述不饱和单体如具有碳碳双键的烯类或二烯类、具有碳碳三键的 炔类以及苯乙烯单体。塑料组分12可为下列物质、包括下列物质、主要由下列物质组成或 由下列物质组成：均聚物、共聚物或其结合的聚合物共混物。在某些实施方案中，塑料组分 12具有的平均分子重量为至少1，OOOg/mol。或者，塑料组分12具有的平均分子重量为至少 3, 000g/mol、至少 8, 000g/mol、至少 10, 000g/mol、至少 12, 000g/mol、至少 13, 000g/mol、至 少 15, 000g/mol、至少 25, 000g/mol、至少 50, 000g/mol、至少 100, 000g/mol、至少 500, 000g/ mol或至少1，000, 000g/mol。在其他实施方案中，塑料组分12具有的平均分子重量为 1，000g/mol至2, 000, 000g/mol。或者，塑料组分12具有的平均分子重量为1，000g/mol至 1，000,000g/mol、1，000g/mol 至 500,000g/mol、3,000g/mol 至 100,000g/mol、3,000g/mol 至 50, 000g/mol、5, OOOg/mol 至 25, 000g/mol、5, OOOg/mol 至 15, 000g/mol。