一種高強高模聚乙烯醇纖維的表面處理改性方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及了一種纖維處理方法，涉及了一種高強高模聚乙烯醇纖維的表面處理 改性方法，屬于纖維材料改性及產業用纖維材料制備領域。
【背景技術】
[0002] 高強高模聚乙烯醇(PVA)纖維具有高強度、高模量、耐堿性優良等特點，自20世紀 90年代開始，其短纖維被廣泛應用于高性能水泥基復合材料中，用來改善混凝土的韌性與 裂紋開裂特征，同時可以提高混凝土的抗滲性、抗碳化性、抗融凍等耐久性指標，提高混凝 土結構的安全性和耐久性。
[0003] 其中ECC(Engineered Cementitious Composites)或超高韌性水泥基復合材料 (UHTCC)是一種經過斷裂力學、細觀力學優化調整纖維、基體和界面的關系，最終以較低的 纖維摻量，獲得具有超強韌性的亂向分布短纖維增強水泥基復合材料。ECC纖維混凝土中纖 維摻量一般不超過復合材料總體積的2.5%，硬化后的復合材料應具有顯著的應變硬化和 多縫開裂特征，極限拉應變可穩定達到3%以上，是普通混凝土的300倍以上，飽和狀態的多 縫開裂裂縫寬度小于〇.1_。近二十幾年來，國內外許多專家學者已對該類復合材料的的力 學性能和耐久性能等開展了大量的研究工作，取得了很多研究成果，由于其優異的力學性 能和耐久性能，美國、日本、瑞士和韓國等國家己將其在實際工程中投入使用，并取得了良 好的成效。
[0004] 用于ECC復合材料的纖維最早為超高分子量聚乙烯纖維，PE-ECC的性能優異，但超 高分子量PE纖維價格昂貴，因此從1997年開始，美國密西根大學的V.Li等人開始使用高強 高模聚乙烯醇纖維(PVA)代替超高分子量PE纖維，制成了性能同樣優異的PVA-ECC，而其成 本只有PE-ECC的八分之一。目前國內外在PVA-ECC中大量使用的高強高模PVA纖維主要為日 本可樂麗公司（Kuralon纖維）生產，所制備的PVA-ECC的成本和普遍混凝土相比，仍然非常 昂貴，使得PVA-ECC材料在大多工程應用上和普通混凝土配合使用或作為普通混凝土的加 固補強或修補材料，大大限制了該類材料在建筑工程中的應用。
[0005] 我國有數家維綸廠可以生產高強高模PVA纖維，纖維的強度和模量和國外產品相 比已經十分接近，纖維售價遠低于進口產品，但由于國產PVA纖維與水泥基體之間的界面結 構沒有經過優化，同時，國產高強高模PVA纖維在水泥中的分散性較差，難以達到進口高強 高模PVA纖維的基體增韌和混凝土多裂縫開裂效果，限制了國產纖維在高性能水泥基復合 材料中的應用。
[0006] 纖維表面處理是調整復合材料界面結構的一種重要方法，在芳綸、超高分子量聚 乙烯、玻璃纖維、碳纖維復合材料中具有一定應用，但目前現有技術在水泥基復合材料中使 用的纖維表面處理改性方法則鮮有報道。

【發明內容】

[0007] 本發明的目的是提供了一種高強高模聚乙烯醇纖維的表面處理改性方法，用來調 控聚乙烯醇纖維與水泥基體之間的界面，使表面改性后的高強高模聚乙烯醇纖維更好地被 用于高韌性水泥基復合材料中。
[0008] 本發明是通過以下步驟來實現的：
[0009] a)將高強高模聚乙烯醇纖維進行表面清洗并烘干；
[0010] b)將清洗烘干后的高強高模聚乙烯醇纖維在溫度20-40°C下浸入濃度為IO-100g/ 1的混合有聚硅氧烷、納米二氧化硅、硅烷偶聯劑和潤滑劑的乳液中浸乳處理0.5-10分鐘， 纖維和乳液的質量浴比為1:10-1:100，之后在不高于120°c溫度下焙烘1-10分鐘；
[0011] C)經過b)步驟處理后再進行清洗并50-95°C烘干，完成表面處理，得到的纖維的增 重率為0.1 %-5%，纖維與水接觸角不小于70°。
[0012] 所述的高強高模聚乙烯醇纖維的強度不低于900MPa，彈性模量不低于30GPa。
[0013] 所述的乳液中，聚硅氧烷的質量百分含量為60-99%，納米二氧化硅質量百分含量 為0.5-20%，硅烷偶聯劑質量百分含量為0.5-2%，潤滑劑質量百分含量為0-20%。
[0014] 所述的聚硅氧烷為聚二甲基硅氧烷、氨基聚硅氧烷、羧基聚硅氧烷、環氧基聚硅氧 烷、聚醚基聚硅氧烷或者氨基-聚醚環氧-聚醚改性聚硅氧烷中的一種或多種的混合。
[0015] 所述的硅烷偶聯劑為氣基硅烷或環氧基硅烷。
[0016] 所述的潤滑劑為石蠟、天然蠟、乙烯蠟、天然油脂或合成酯中的一種或多種的混 合。
[0017] 所述的納米二氧化娃粒徑在20nm以下。
[0018] 上述硅氧烷和硅烷偶聯劑可以從國外如道康寧、瓦克化學、Gelest、陶氏、信越等 公司和國內如藍星、南京辰工、南京曙光等公司的相關有機硅乳液和硅油制品中選擇，或者 通過自制合成方式制備。同樣地，上述潤滑劑乳液可從市場上購得或自制，上述納米氧化硅 分散液可從市場購得或通過溶膠凝膠法自制。
[0019] 本發明的有益效果是：
[0020] (1)本發明技術方案中將無機納米材料、反應性聚硅氧烷、非反應性聚硅氧烷、硅 烷偶聯劑巧妙配合使用，調控高強高模聚乙烯醇纖維表面能和粗糙程度，進而達到調控高 強高模聚乙烯醇纖維和水泥基復合材料界面結合及高強高模聚乙烯醇纖維在水泥中的分 散的效果。
[0021] (2)通過本發明提出的聚乙烯醇纖維表面改性處理方案，可以大大降低纖維在水 泥中的用量，使國產化高強高模纖維可以成功應用到高韌性水泥基復合材料中去，提高水 泥基復合材料的韌性，大大降低PVA-ECC復合材料的制造成本。
[0022] (3)本發明采用環保乳液作為聚乙烯醇纖維表面處理改性方法，具有環保、易行、 可批量規模化制備等優勢。
【具體實施方式】
[0023]下面結合具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0024]本發明的實施例如下：
[0025] 實施例1
[0026] 聚乙烯醇纖維:強度900MPa，模量30GPa，細度I OOym。
[0027] 纖維清洗:AEO(脂肪醇聚氧乙烯醚)_9 28/1，似2〇)328/1，溫度90°(3，時間301^11，水 洗3遍，烘干溫度90°C，時間30min。
[0028] 將19.4g固含量35%的氨基聚硅氧烷乳液(藍星C803)、6.6g固含量30%的溶膠凝 膠法制備納米二氧化硅(粒徑l〇nm)、2g 3-(2,3_環氧丙氧丙基)三甲氧基硅烷、5g固含量 20%棕櫚蠟乳液首先分別用去離子水稀釋4-5倍，然后再補充去離子水稀釋至1L，前述乳液 混合時注意其離子配伍性，其中前述乳液中的有效物質總量l〇g。有效物質總量中氨基聚硅 氧燒占比68%，二氧化娃占比20%，硅烷偶聯劑占比2%，潤滑劑占比10%。
[0029] 在溫度20°C，將清洗后的纖維在浴比1:10上述乳液中浸漬處理時間lOmin，然后在 120°C 焙烘 lmin。
[0030]然后將上述浸漬處理后纖維室溫水洗2道，烘干溫度50°C，時間3h。
[0031 ]實施例1得到的纖維增重率為1.5%，接觸角為102°。在水、400號水泥、III級粉煤 灰、硅灰、細度模數1.5精細砂、木質素磺酸鹽減水劑比例分別為1300 : 2700 : 2800 :110 : 1100:17的混凝土中添加體積百分率為2.5%經過上述表面處理的高強高模聚乙烯纖維，高 強高模聚乙烯醇纖維在其中分散均勻，無團聚，所制備復合材料28天后拉伸斷裂伸長率達 到3.2%，斷裂時出現多微細裂紋，裂紋寬度小于0.1mm。同樣混凝土配方和纖維添加量，未 經過表面處理的高強高模聚乙烯纖維所制備的水泥基復合材料的斷裂伸長率僅為1.1 %， 斷裂特征為幾個主要裂紋，裂紋寬度大于5mm。
[0032] 斷裂變性大
[0033] 實施例2
[0034] 聚乙烯醇纖維:強度lOOOMPa，模量35GPa，細度60μπι
[0035] 纖維清洗:ΑΕ0-9 2g/l，Na2⑶32g/l，溫度90°C，時間30min，水洗3遍，烘干溫度90 °C，時間30min。
[0036] 將58.58聚醚改性氨基聚硅氧烷你'￡丁8(：^丁@〇^(瓦克化學）、30.88固含量65% 粒徑20nm納米二氧化硅分散液、1.5g 3-(2,3-環氧丙氧丙基）三乙氧基硅烷、50g固含量 40 %石蠟乳化液首先分別用去離子水稀釋4-5倍，然后再補，加去離子水稀釋至IL，前述乳 液混合時注意其離子配伍性，其中前述乳液中的有效物質總量l〇〇g。有效物質總量中聚醚 改性氣基聚硅氧烷占比58.5 %，二氧化娃占比20 %，硅烷偶聯劑占比1.5 %，潤滑劑占比 20% 〇
[0037] 在溫度40°C，將清洗后的纖維在浴比1:10上述乳液中浸漬處理時間0.5min，然后 在110°C 焙烘 5min。
[0038] 然后將上述浸漬處理后纖維室溫水洗2道，烘干溫度95°C，時間5min。纖維增重率 5%，接觸角70°。
[0039] 在水、400號水泥、III級粉煤灰、硅灰、細度模數1.5精細砂、木質素磺酸鹽減水劑 比例分別為1300:2700:2800:110:1100:17的混凝土中添加體積百分率為2.5 %經過上述表 面處理的高強高模聚乙烯纖維，高強高模聚乙烯醇纖維在其中分散均勻，無團聚，所制備復 合材料28天后拉伸斷裂伸長率達到3.4%，斷裂時出現多微細裂紋，裂紋寬度小于0.1mm。同 樣混凝土配方和纖維添加量，未經過表面處理的高強高模聚乙烯纖維所制備