CN118087080A - 一种聚丙烯纤维材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种聚丙烯纤维材料，所述聚丙烯纤维材料包括芯层和位于所述芯层***的皮层，所述皮层的材料为外层结构树脂，所述芯层的材料为内层结构树脂；所述外层结构树脂采用包括均聚聚丙烯、乙烯丙烯酸共聚物、硅酸钙晶须和成核剂的制备原料制得；所述内层结构树脂采用包括聚对苯二甲酸乙二醇酯和甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚丙烯的制备原料制得；所述外层结构树脂占所述聚丙烯纤维材料总质量的20~50%，所述内层结构树脂占所述聚丙烯纤维材料总质量的50~80%。通过本发明的方法提供一种具有高耐腐蚀性能、高界面结合力、高力学性能的聚丙烯纤维材料。
Description
技术领域
本发明属于一种高分子材料领域，尤其涉及一种聚丙烯纤维材料及其制备方法和应用。
背景技术
聚丙烯纤维具有轻质、高拉伸强度和低成本的特点，其回潮率几乎为零，疏水导湿能佳，具有较好的耐酸碱性能、耐热老化性能，其应用于混凝土中可以提高混凝土的抗开裂能力、抗渗性能和耐磨性能。
为了充分发挥纤维在混凝土中的增强作用，纤维除了本身具备优良的力学性能，还需要其在混凝土中能够良好分散，同时纤维与混凝土的界面作用力也是影响混凝土性能的重要因素。只有纤维与混凝土界面结合充分的情况下，才能充分发挥纤维的增强作用。但是聚丙烯纤维表面极性低，表面疏水，在混凝土中不宜分散，且与混凝土的粘结力较差，大大影响了聚丙烯纤维增强混凝土的性能。
聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维应用于混凝土增强领域，相比于聚丙烯纤维，其具有优异的力学性能和界面结合能力，但是其在混凝土强碱性环境中易发生水解，导致最终材料的力学性能较差，影响了聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维增强混凝土的应用。
因此需要开发一种在混凝土增强领域中应用具有高耐腐蚀性能、高界面结合力、高力学性能的聚丙烯纤维材料，以解决现有材料的技术不足。
发明内容
本发明提供一种聚丙烯纤维材料及其制备方法和应用，该聚丙烯纤维材料在混凝土增强领域中应用，具有高耐腐蚀性能、高界面结合力和高力学性能。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的第一方面提供了一种聚丙烯纤维材料，所述聚丙烯纤维材料包括芯层和位于所述芯层***的皮层，所述皮层的材料为外层结构树脂，所述芯层的材料为内层结构树脂；所述外层结构树脂采用包括均聚聚丙烯、乙烯丙烯酸共聚物、硅酸钙晶须和成核剂的制备原料制得；所述内层结构树脂采用包括聚对苯二甲酸乙二醇酯和甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚丙烯的制备原料制得；所述外层结构树脂占所述聚丙烯纤维材料总质量的20~50%，所述内层结构树脂占所述聚丙烯纤维材料总质量的50~80%。
本发明提供的聚丙烯纤维材料，具有芯层和皮层的双层结构，同时在皮层结构中使用基于均聚聚丙烯、乙烯丙烯酸共聚物、硅酸钙晶须和成核剂制得的外层结构树脂，在芯层结构中使用基于聚对苯二甲酸乙二醇酯和甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚丙烯的内层结构树脂，并且外层结构树脂和内层结构树脂具有特定的质量占比，上述结构不仅具有良好的耐混凝土腐蚀性能，还具有良好的与混凝土的界面结合能力，同时能够提高混凝土的强度。
本发明的聚丙烯纤维材料中，在外层结构树脂中，搭配使用均聚聚丙烯、乙烯丙烯酸共聚物、硅酸钙晶须和成核剂，其中，硅酸钙晶须易与混凝土发生水化反应；乙烯丙烯酸共聚物，可以提升硅酸钙晶须在聚丙烯树脂中的分散性能，还可以提升聚丙烯树脂的表面极性，与硅酸钙晶须搭配使用利于提升聚丙烯纤维材料与混凝土的界面结合能力；优选配合引入β成核剂，还可以进一步提升均聚聚丙烯材料的韧性。
本发明的聚丙烯纤维材料中，在内层结构树脂的制备原料中搭配使用聚对苯二甲酸乙二醇酯与甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚丙烯，聚对苯二甲酸乙二醇酯的羧基官能团与缩水甘油酯官能团发生开环反应，利于提升内层结构树脂与外层结构树脂的相容性和界面结合力。
本发明的聚丙烯纤维材料，采用特定的外层结构树脂和内层结构树脂按照皮芯双层结构组合，外层结构树脂具有优异的耐混凝土腐蚀性能，可以解决内层结构树脂所用的聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂遇混凝土易水解的问题，从而提高聚丙烯纤维材料在混凝土中的综合力学性能和持久性能。
本发明提供的聚丙烯纤维材料中，需将外层结构树脂占聚丙烯纤维材料总质量控制为20~50%，内层结构树脂占聚丙烯纤维材料总质量控制为50~80%，通过控制外层结构树脂和内层结构树脂的质量含量，充分发挥皮层结构的耐混凝土腐蚀性能，提高与混凝土的界面结合能力，同时发挥芯层结构的高力学性能，提高了混凝土的强度。
一些实施方式中，在外层结构树脂和内层结构树脂的制备原料中加入助剂，其中外层结构树脂制备原料中加入的助剂包括抗氧剂和润滑剂；内层结构树脂制备原料中加入的助剂包括抗氧剂和润滑剂；通过上述助剂的加入，利于使制得的聚丙烯纤维材料具有更好的综合力学性能和持久性能。
一些较佳实施方式中，所述外层结构树脂的制备原料中，均聚聚丙烯的用量为75~88重量份，乙烯丙烯酸共聚物的用量为5~10重量份，硅酸钙晶须的用量为5~15重量份，成核剂的用量为0.1~0.5重量份；所述内层结构树脂的制备原料中，聚对苯二甲酸乙二醇酯的用量为79~89重量份，甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚丙烯的用量为10~20重量份；
优选地，所述外层结构树脂的制备原料还包括：抗氧剂和润滑剂；进一步优选地，所述外层结构树脂的制备原料中，所述抗氧剂和润滑剂的重量份依次分别为0.2~0.5重量份和0.2~0.5重量份；
优选地，所述内层结构树脂的制备原料还包括：抗氧剂和润滑剂；进一步优选地，所述内层结构树脂的制备原料中，所述抗氧剂和润滑剂的重量份依次分别为0.2~0.5重量份和0.2~0.5重量份。
一些较佳实施方式中，制备所述外层结构树脂所用的均聚聚丙烯的熔融指数为20-50 g/10min（230℃，2.16kg），采用优选熔融指数的均聚聚丙烯有利于提高纺丝效率。
一些较佳实施方式中，制备所述外层结构树脂所用的乙烯丙烯酸共聚物的熔融指数为5-20 g/10min（190℃，2.16kg），丙烯酸的质量含量为5-22%。
一些较佳实施方式中，制备所述外层结构树脂所用的硅酸钙晶须的激光衍射粒径D50≤7um；制备所述外层结构树脂所用的成核剂为聚丙烯β成核剂。
一些较佳实施方式中，制备所述外层结构树脂所用的抗氧剂包括主抗氧剂和辅抗氧剂，所述主抗氧剂为受阻酚类抗氧剂，例如新秀化学的1010、利安隆的1076、巴斯夫的1330等中的一种或多种；所述辅抗氧剂为亚磷酸酯类抗氧剂和/或硫代酯类抗氧剂，例如新秀化学的168、新秀化学的DSTDP、巴斯夫的126等中的一种或多种；所述主抗氧剂与所述辅抗氧剂的质量比为1：1~2：1；和/或，制备所述外层结构树脂所用的润滑剂为硬脂酸锌、乙撑双硬脂酸酰胺中的任一种或多种；和/或，制备所述内层结构树脂所用的抗氧剂包括主抗氧剂和辅抗氧剂，所述主抗氧剂为受阻酚类抗氧剂，例如新秀化学的1010、利安隆的1076、巴斯夫的1330等中的一种或多种；所述辅抗氧剂为亚磷酸酯类抗氧剂和/或硫代酯类抗氧剂，例如新秀化学的168、新秀化学的DSTDP、巴斯夫的126等中的一种或多种；所述主抗氧剂与所述辅抗氧剂的质量比为1：1~2：1；和/或，制备所述内层结构树脂所用的润滑剂为硬脂酸锌、乙撑双硬脂酸酰胺中的任一种或多种。
一些较佳实施方式中，制备所述内层结构树脂所用的聚对苯二甲酸乙二醇酯根据GB/T14190测量的特性粘度为0.60-0.85 dL/g，根据FZ/T 50012测量的端羧基含量为20-30mol/T，采用优选粘度范围的聚对苯二甲酸乙二醇酯利于进一步改善制得的聚丙烯纤维材料的可纺性，且具有进一步改善的力学性能。
一些较佳实施方式中，制备所述内层结构树脂所用的甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚丙烯的熔融指数为10-25 g/10min（190℃，2.16kg），甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝率为0.5-2%，采用优选熔融指数范围的甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚丙烯，有利于进一步改善在聚对苯二甲酸乙二醇酯中的分散均匀性。
本发明的第二方面提供了一种上述聚丙烯纤维材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将外层结构树脂的制备原料置于双螺杆挤出机进行熔融分散并挤出造粒得到外层结构树脂，双螺杆挤出机的螺杆长径比优选为（40-52）：1，螺杆转速为100-300r/min，挤出温度优选为200-230℃；
（2）将内层结构树脂的制备原料置于密炼机进行密炼反应并挤出造粒得到内层结构树脂，密炼机温度优选为270-290℃，密炼反应时间为15-30min，转速为20-40 r/min；
（3）将所述外层结构树脂、所述内层结构树脂进行塑化后，通过皮芯复合纺丝工艺制备得到具有所述芯层和所述皮层的聚丙烯纤维材料，外层结构树脂的纺丝工艺温度优选为200-230℃，内层结构树脂的纺丝工艺温度优选为270-290℃。
本发明的第三方面提供了一种上述聚丙烯纤维材料或上述制备方法制得的聚丙烯纤维材料在混凝土增强中的应用。
本发明提供的技术方案具有如下有益效果：
（1）本发明的聚丙烯纤维材料具有特定的双层结构，外层结构树脂使用均聚聚丙烯，成核剂（优选β成核剂）与均聚聚丙烯配合使用可以提升均聚聚丙烯材料的韧性；外层结构树脂中的硅酸钙晶须易与混凝土发生水化反应，进一步提升聚丙烯纤维材料与混凝土的界面结合能力。外层结构树脂中乙烯丙烯酸共聚物与硅酸钙晶须一同使用，一方面可以提升硅酸钙晶须在聚丙烯树脂中的分散性能，另一方面乙烯丙烯酸共聚物与均聚聚丙烯配合使用可以提升聚丙烯树脂的表面极性，从而提升聚丙烯纤维材料与混凝土的界面结合能力；
（2）本发明的聚丙烯纤维材料具有特定的双层结构，内层结构树脂使用聚对苯二甲酸乙二醇酯与甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚丙烯进行密炼接枝反应，聚对苯二甲酸乙二醇酯的羧基官能团与缩水甘油酯官能团发生开环反应，可以提升内层树脂与外层结构树脂的相容性和界面结合力；
（3）本发明的聚丙烯纤维材料具有特定的双层结构，外层包覆的外层结构树脂具有优异的耐混凝土腐蚀性能，可以解决内层结构树脂所用的聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂遇混凝土易水解的问题，从而提高聚丙烯纤维材料在混凝土中的综合力学性能和持久性能。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做进一步说明，本发明所述实施例只是作为对本发明的说明，并不意味着本发明的范围仅局限于此。
以下实施例中，聚丙烯纤维材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将外层结构树脂的制备原料置于双螺杆挤出机进行熔融分散并挤出造粒得到外层结构树脂，双螺杆挤出机的螺杆长径比为（40-52）：1，螺杆转速为100-300r/min，挤出温度为200-230℃；
（2）将内层结构树脂的制备原料置于密炼机进行密炼反应并挤出造粒得到内层结构树脂，密炼机温度为270-290℃，密炼反应时间为15-30min，转速为20-40 r/min；
（3）将所述外层结构树脂、所述内层结构树脂进行塑化后，通过皮芯复合纺丝工艺制备得到具有芯层和皮层的聚丙烯纤维材料，外层结构树脂的纺丝工艺温度为200-230℃，内层结构树脂的纺丝工艺温度为270-290℃。
其中，所述聚丙烯纤维材料包括芯层和位于所述芯层***的皮层，所述皮层的材料为外层结构树脂，所述芯层的材料为内层结构树脂；所述外层结构树脂采用包括均聚聚丙烯、乙烯丙烯酸共聚物、硅酸钙晶须和成核剂的制备原料制得；所述内层结构树脂采用包括聚对苯二甲酸乙二醇酯和甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚丙烯的制备原料制得；所述外层结构树脂占所述聚丙烯纤维材料总质量的20~50%，所述内层结构树脂占所述聚丙烯纤维材料总质量的50~80%。
所述外层结构树脂的制备原料中，均聚聚丙烯的用量为75~88重量份，乙烯丙烯酸共聚物的用量为5~10重量份，硅酸钙晶须的用量为5~15重量份，成核剂的用量为0.1~0.5重量份；所述内层结构树脂的制备原料中，聚对苯二甲酸乙二醇酯的用量为79~89重量份，甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚丙烯的用量为10~20重量份；
优选地，所述外层结构树脂的制备原料还包括：抗氧剂和润滑剂；进一步优选地，所述外层结构树脂的制备原料中，所述抗氧剂和润滑剂的重量份依次分别为0.2~0.5重量份和0.2~0.5重量份；
优选地，所述内层结构树脂的制备原料还包括：抗氧剂和润滑剂；进一步优选地，所述内层结构树脂的制备原料中，所述抗氧剂和润滑剂的重量份依次分别为0.2~0.5重量份和0.2~0.5重量份。
制备所述外层结构树脂所用的均聚聚丙烯的熔融指数为20-50 g/10min（230℃，2.16kg）。
制备所述外层结构树脂所用的乙烯丙烯酸共聚物的熔融指数为5-20 g/10min（190℃，2.16kg），丙烯酸的质量含量为5-22%。
制备所述外层结构树脂所用的硅酸钙晶须的激光衍射粒径D50≤7um；制备所述外层结构树脂所用的成核剂为聚丙烯β成核剂。
制备所述外层结构树脂所用的抗氧剂为包括主抗氧剂和辅抗氧剂，所述主抗氧剂为受阻酚类抗氧剂，例如新秀化学的1010、利安隆的1076、巴斯夫的1330等中的一种或多种；所述辅抗氧剂为亚磷酸酯类抗氧剂和/或硫代酯类抗氧剂，例如新秀化学的168、新秀化学的DSTDP、巴斯夫的126等中的一种或多种；所述主抗氧剂与所述辅抗氧剂的质量比为1：1~2：1；和/或，制备所述外层结构树脂所用的润滑剂为硬脂酸锌、乙撑双硬脂酸酰胺中的任一种或多种；
和/或，制备所述内层结构树脂所用的抗氧剂为包括主抗氧剂和辅抗氧剂，所述主抗氧剂为受阻酚类抗氧剂，例如新秀化学的1010、利安隆的1076、巴斯夫的1330等中的一种或多种；所述辅抗氧剂为亚磷酸酯类抗氧剂和/或硫代酯类抗氧剂，例如新秀化学的168、新秀化学的DSTDP、巴斯夫的126等中的一种或多种；所述主抗氧剂与所述辅抗氧剂的质量比为1：1~2：1；和/或，制备所述内层结构树脂所用的润滑剂为硬脂酸锌、乙撑双硬脂酸酰胺中的任一种或多种。
制备所述内层结构树脂所用的聚对苯二甲酸乙二醇酯根据GB/T14190测量的特性粘度为0.60-0.85 dL/g，根据FZ/T 50012测量的端羧基含量为20-30 mol/T。
制备所述内层结构树脂所用的甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚丙烯的熔融指数为10-25 g/10min（190℃，2.16kg），甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝率为0.5-2%。
实施例或对比例中所用仪器与试剂：
仪器：
双螺杆挤出机：型号为SK-26，螺杆长径比为50：1；南京科亚化工成套装备有限公司；
单螺杆共挤设备：型号为HRJSJ-35，螺杆长径比为28：1，佛山市海瑞嘉精密挤出机械有限公司；
密炼机：型号为RX 5-10L，瑞安市日新橡塑机械有限公司；
纺丝试验机：型号为FDY纺丝试验机，常州市灵纤纺织机械有限公司。
试剂：
均聚聚丙烯：Z30S，熔融指数为26 g/10min（230℃，2.16kg），中国石油化工有限公司；
乙烯丙烯酸共聚物：EAA3004，丙烯酸质量含量为9.7%，熔融指数为8.5 g/10min（190℃，2.16kg），SK化学有限公司；
硅酸钙晶须：WFB5，激光衍射粒径D50为4.9um，湖北冯家山硅纤有限公司；
β成核剂：TMB-5（芳基二甲酰胺），山西省化工研究所有限公司；
主抗氧剂：1010（四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯），新秀化学；
辅抗氧剂：168（三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯），新秀化学；
聚对苯二甲酸乙二醇酯：SD500，特性粘度为0.675 dL/g，端羧基含量为24 mol/T；
甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚丙烯：SPG-02，熔融指数为15 g/10min（190℃，2.16kg），甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝率为1.2%；
其他原料均为市售原料，分析纯。
本发明制备的聚丙烯纤维材料的性能表征方法如下：
纤维耐碱性拉伸强度测试方法：将纤维放置于pH=12的氢氧化钠水溶液7d后取出晾干，进行拉伸性能测试。
水泥混凝土配制过程：在搅拌机中先加入10kg水泥与0.1kg聚丙烯纤维材料进行干搅5min，然后缓慢加入4kg水搅拌均匀10min后取出，供后续试验；
将上述混凝土使用模具浇注成型，待水泥固化28天后按照GB/T17671-2021方法进行抗压和抗折强度测试；
纤维界面拉伸强度测试方法：将聚丙烯纤维埋入水泥混凝土10mm深度，待水泥固化24h后采取单丝抽拔实验，按照JT/T525-2004方法，测定纤维与水泥的界面拉伸强度。
可纺性评价：纺丝过程未出现断丝，判断为可纺性好；纺丝过程出现断丝，判断为可纺性差。
纤维拉伸强度和断裂伸长率测试标准：GB/T3916-2013。
实施例1
聚丙烯纤维材料的制备方法：
（1）将75重量份的Z30S、9.3重量份的EAA3004、15重量份的WFB5、0.1重量份的TMB-5、0.2重量份的1010、0.2重量份的168和0.2重量份的硬脂酸锌加入混合机中，混合3min，从双螺杆挤出机主喂料口进料，双螺杆挤出机的螺杆长径比为50：1，螺杆转速为300r/min，挤出温度为220℃，经过熔融分散，挤出造粒得到外层结构树脂；
（2）将79重量份的SD500、20重量份的SPG-02、0.25重量份的1010、0.25重量份的168和0.5重量份的硬脂酸锌加入混合机中，混合3min，置于密炼机进行密炼反应，密炼温度为280℃，密炼反应时间为15min，转速为30 r/min，挤出造粒得到内层结构树脂；
（3）将外层结构树脂、内层结构树脂分别置于两台单螺杆挤出机中进行塑化后进入纺丝试验机，外层结构树脂的纺丝工艺温度为220℃，内层结构树脂的纺丝工艺温度为280℃，通过皮芯复合纺丝工艺制备得到聚丙烯纤维材料。
外层结构树脂占聚丙烯纤维材料总质量的20%，内层结构树脂占聚丙烯纤维材料总质量的80%。
实施例1制备的聚丙烯纤维材料的性能：聚丙烯纤维材料的纤维可纺性好；其纤维拉伸强度为980Mpa，纤维拉伸断裂伸长率为46%，纤维耐碱性拉伸强度为970Mpa，纤维界面拉伸强度为0.32Mpa，混凝土抗压强度为85Mpa，混凝土抗折强度为12Mpa。
实施例2
聚丙烯纤维材料的制备方法：
（1）将75重量份的Z30S、10重量份的EAA3004、14.3重量份的WFB5、0.1重量份的TMB-5、0.2重量份的1010、0.2重量份的168和0.2重量份的硬脂酸锌加入混合机中，混合3min，从双螺杆挤出机主喂料口进料，双螺杆挤出机的螺杆长径比为50：1，螺杆转速为300r/min，挤出温度为220℃，经过熔融分散，挤出造粒得到外层结构树脂；
（2）将79重量份的SD500、20重量份的SPG-02、0.25重量份的1010、0.25重量份的168和0.5重量份的硬脂酸锌加入混合机中，混合3min，置于密炼机进行密炼反应，密炼温度为280℃，密炼反应时间为15min，转速为30 r/min，挤出造粒得到内层结构树脂；
（3）将外层结构树脂、内层结构树脂分别置于两台单螺杆挤出机中进行塑化后进入纺丝试验机，外层结构树脂的纺丝工艺温度为220℃，内层结构树脂的纺丝工艺温度为280℃，通过皮芯复合纺丝工艺制备得到聚丙烯纤维材料。
外层结构树脂占聚丙烯纤维材料总质量的35%，内层结构树脂占聚丙烯纤维材料总质量的65%。
实施例2制备的聚丙烯纤维材料的性能：聚丙烯纤维材料的纤维可纺性好；其纤维拉伸强度为930Mpa，纤维拉伸断裂伸长率为51%，纤维耐碱性拉伸强度为928Mpa，纤维界面拉伸强度为0.31Mpa，混凝土抗压强度为83Mpa，混凝土抗折强度为11Mpa。
实施例3
聚丙烯纤维材料的制备方法：
（1）将80重量份的Z30S、8.7重量份的EAA3004、10重量份的WFB5、0.3重量份的TMB-5、0.25重量份的1010、0.25重量份的168和0.5重量份的硬脂酸锌加入混合机中，混合3min，从双螺杆挤出机主喂料口进料，双螺杆挤出机的螺杆长径比为50：1，螺杆转速为300r/min，挤出温度为220℃，经过熔融分散，挤出造粒得到外层结构树脂；
（2）将79重量份的SD500、20重量份的SPG-02、0.25重量份的1010、0.25重量份的168和0.5重量份的硬脂酸锌加入混合机中，混合3min，置于密炼机进行密炼反应，密炼温度为280℃，密炼反应时间为15min，转速为30 r/min，挤出造粒得到内层结构树脂；
（3）将外层结构树脂、内层结构树脂分别置于两台单螺杆挤出机中进行塑化后进入纺丝试验机，外层结构树脂的纺丝工艺温度为220℃，内层结构树脂的纺丝工艺温度为280℃，通过皮芯复合纺丝工艺制备得到聚丙烯纤维材料。
外层结构树脂占聚丙烯纤维材料总质量的50%，内层结构树脂占聚丙烯纤维材料总质量的50%。
实施例3制备的聚丙烯纤维材料的性能：聚丙烯纤维材料的纤维可纺性好；其纤维拉伸强度为900Mpa，纤维拉伸断裂伸长率为55%，纤维耐碱性拉伸强度为880Mpa，纤维界面拉伸强度为0.29Mpa，混凝土抗压强度为79Mpa，混凝土抗折强度为9.9Mpa。
实施例4
聚丙烯纤维材料的制备方法：
（1）将88重量份的Z30S、5重量份的EAA3004、5.5重量份的WFB5、0.5重量份的TMB-5、0.25重量份的1010、0.25重量份的168和0.5重量份的硬脂酸锌加入混合机中，混合3min，从双螺杆挤出机主喂料口进料，双螺杆挤出机的螺杆长径比为50：1，螺杆转速为300r/min，挤出温度为220℃，经过熔融分散，挤出造粒得到外层结构树脂；
（2）将84重量份的SD500、15重量份的SPG-02、0.25重量份的1010、0.25重量份的168和0.5重量份的硬脂酸锌加入混合机中，混合3min，置于密炼机进行密炼反应，密炼温度为280℃，密炼反应时间为15min，转速为30 r/min，挤出造粒得到内层结构树脂；
（3）将外层结构树脂、内层结构树脂分别置于两台单螺杆挤出机中进行塑化后进入纺丝试验机，外层结构树脂的纺丝工艺温度为220℃，内层结构树脂的纺丝工艺温度为280℃，通过皮芯复合纺丝工艺制备得到聚丙烯纤维材料。
外层结构树脂占聚丙烯纤维材料总质量的20%，内层结构树脂占聚丙烯纤维材料总质量的80%。
实施例4制备的聚丙烯纤维材料的性能：聚丙烯纤维材料的纤维可纺性好；其纤维拉伸强度为1030Mpa，纤维拉伸断裂伸长率为48%，纤维耐碱性拉伸强度为1009Mpa，纤维界面拉伸强度为0.27Mpa，混凝土抗压强度为87Mpa，混凝土抗折强度为13Mpa。
实施例5
聚丙烯纤维材料的制备方法：
（1）将88重量份的Z30S、5.5重量份的EAA3004、5重量份的WFB5、0.5重量份的TMB-5、0.25重量份的1010、0.25重量份的168和0.5重量份的硬脂酸锌加入混合机中，混合3min，从双螺杆挤出机主喂料口进料，双螺杆挤出机的螺杆长径比为50：1，螺杆转速为300r/min，挤出温度为220℃，经过熔融分散，挤出造粒得到外层结构树脂；
（2）将89重量份的SD500、10重量份的SPG-02、0.25重量份的1010、0.25重量份的168和0.5重量份的硬脂酸锌加入混合机中，混合3min，置于密炼机进行密炼反应，密炼温度为280℃，密炼反应时间为15min，转速为30 r/min，挤出造粒得到内层结构树脂；
（3）将外层结构树脂、内层结构树脂分别置于两台单螺杆挤出机中进行塑化后进入纺丝试验机，外层结构树脂的纺丝工艺温度为220℃，内层结构树脂的纺丝工艺温度为280℃，通过皮芯复合纺丝工艺制备得到聚丙烯纤维材料。
外层结构树脂占聚丙烯纤维材料总质量的20%，内层结构树脂占聚丙烯纤维材料总质量的80%。
实施例5制备的聚丙烯纤维材料的性能：聚丙烯纤维材料的纤维可纺性好；其纤维拉伸强度为1010Mpa，纤维拉伸断裂伸长率为47%，纤维耐碱性拉伸强度为998Mpa，纤维界面拉伸强度为0.28Mpa，混凝土抗压强度为86Mpa，混凝土抗折强度为12.7Mpa。
本发明的上述实施例1-5的聚丙烯纤维材料均为双层结构，在制备外层结构树脂的原料中，使用均聚聚丙烯与β成核剂相配合可以提升材料的韧性，使得聚丙烯纤维材料拉伸断裂伸长率较高。在制备外层结构树脂的原料中，加入硅酸钙晶须与混凝土发生水化反应，进一步提升聚丙烯纤维材料与混凝土的界面拉伸强度。加入乙烯丙烯酸共聚物，一方面乙烯丙烯酸共聚物与硅酸钙晶须协同作用可以提升硅酸钙晶须在聚丙烯树脂中的分散性能，使得纤维可纺性较好，另一方面乙烯丙烯酸共聚物与均聚聚丙烯共同作用可以提升聚丙烯树脂的表面极性，从而提升聚丙烯纤维材料与混凝土的界面拉伸强度。在制备内层结构树脂的原料中，使用聚对苯二甲酸乙二醇酯与甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚丙烯共同进行密炼接枝反应，聚对苯二甲酸乙二醇酯的羧基官能团与缩水甘油酯官能团发生开环反应，可以提升内层结构树脂与外层结构树脂的相容性和界面结合力，使得聚丙烯纤维材料能够充分发挥内层结构树脂的高强度性能，使得制备的混凝土材料具有较高的抗压强度和抗折强度。外层包覆的外层结构树脂具有优异的耐混凝土腐蚀性能，可以解决内层聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂遇混凝土易水解的问题，从而提高聚丙烯纤维材料的耐碱性拉伸强度。
对比例1
对比例1与实施例1的差别在于：在制备外层结构树脂的原料中未加入乙烯丙烯酸共聚物。
对比例1制备的聚丙烯纤维材料的性能：聚丙烯纤维材料的可纺性差；其纤维拉伸强度为920Mpa，纤维拉伸断裂伸长率为21%，纤维耐碱性拉伸强度为890Mpa，纤维界面拉伸强度为0.11Mpa，混凝土抗压强度为70Mpa，混凝土抗折强度为8.1Mpa。
对比例1中，在制备外层结构树脂的原料中未加入乙烯丙烯酸共聚物，硅酸钙晶须在聚丙烯中的分散性较差，所得材料的可纺性较差，同时拉伸断裂伸长率较低，同时降低了所得材料与混凝土的界面的结合能力，降低了混凝土材料的拉伸强度、抗压强度和抗折强度。
对比例2
对比例2与实施例1的差别在于：在制备外层结构树脂的原料中未加入硅酸钙晶须。
对比例2制备的聚丙烯纤维材料的性能：聚丙烯纤维材料的可纺性好；其纤维拉伸强度为910Mpa，纤维拉伸断裂伸长率为45%，纤维耐碱性拉伸强度为897Mpa，纤维界面拉伸强度为0.10Mpa，混凝土抗压强度为69Mpa，混凝土抗折强度为7.8Mpa。
对比例2中，在制备外层结构树脂的原料中未加入硅酸钙晶须，降低了所得材料与混凝土的界面的结合能力，降低了混凝土材料的拉伸强度、抗压强度和抗折强度。
对比例3
对比例3与实施例1的差别在于：在制备外层结构树脂的原料中未加入β成核剂。
对比例3制备的聚丙烯纤维材料的性能：聚丙烯纤维材料的可纺性好；其纤维拉伸强度为970Mpa，纤维拉伸断裂伸长率为19%，纤维耐碱性拉伸强度为955Mpa，纤维界面拉伸强度为0.22Mpa，混凝土抗压强度为75Mpa，混凝土抗折强度为8.3Mpa。
对比例3中，在制备外层结构树脂的原料中未加入β成核剂，所得材料具有较低的断裂伸长率，受外力容易发生断裂，降低了混凝土材料的抗压强度和抗折强度。
对比例4
对比例4与实施例1的差别在于：在制备内层结构树脂的原料中未加入甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚丙烯。
对比例4制备的聚丙烯纤维材料的性能：聚丙烯纤维材料的可纺性差；其纤维拉伸强度为880Mpa，纤维拉伸断裂伸长率为18%，纤维耐碱性拉伸强度为855Mpa，纤维界面拉伸强度为0.21Mpa，混凝土抗压强度为72Mpa，混凝土抗折强度为7.6Mpa。
对比例4中，在制备内层结构树脂的原料中未加入甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚丙烯，所得材料的外层结构树脂与内层结构树脂的相容性和界面结合性较差，在纺丝过程中容易发生包覆性差和可纺性差问题，所得材料受外力时容易发生皮芯脱离现象，无法充分发挥内层结构树脂高强度性能，降低了混凝土材料的抗压强度和抗折强度。
对比例5
对比例5与实施例1的差别在于：制备的聚丙烯纤维材料不是双层结构，仅有外层结构树脂。
对比例5制备的聚丙烯纤维材料的性能：聚丙烯纤维材料的可纺性好；其纤维拉伸强度为610Mpa，纤维拉伸断裂伸长率为47%，纤维耐碱性拉伸强度为598Mpa，纤维界面拉伸强度为0.28Mpa，混凝土抗压强度为53Mpa，混凝土抗折强度为5.8Mpa。
对比例5中，制备的聚丙烯纤维材料不是双层结构，仅有外层结构树脂，所得材料的拉伸强度较低，降低了混凝土材料的抗压强度和抗折强度。
对比例6
对比例6与实施例1的差别在于：制备的聚丙烯纤维材料不是双层结构，仅有内层结构树脂。
对比例6制备的聚丙烯纤维材料的性能：聚丙烯纤维材料的可纺性好；其纤维拉伸强度为990Mpa，纤维拉伸断裂伸长率为30%，纤维耐碱性拉伸强度为530Mpa，纤维界面拉伸强度为0.29Mpa，混凝土抗压强度为47Mpa，混凝土抗折强度为5.2Mpa。
对比例6中，制备的聚丙烯纤维材料不是双层结构，仅有内层结构树脂，其没有外层结构树脂的包覆保护作用，而聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂遇混凝土高碱性环境易水解，导致其耐碱性拉伸强度较低，降低了混凝土材料的抗压强度和抗折强度。
对比例7
对比例7相比于实施例1的差别在于，部分原料的重量份不同：制备外层结构树脂采用93.35重量份的Z30S、3重量份的EAA3004、3重量份的WFB5、0.05重量份的TMB-5；制备内层结构树脂采用94重量份的SD500、5重量份的SPG-02。
对比例7制备的聚丙烯纤维材料的性能：聚丙烯纤维材料的可纺性好；其纤维拉伸强度为880Mpa，纤维拉伸断裂伸长率为25%，纤维耐碱性拉伸强度为910Mpa，纤维界面拉伸强度为0.12Mpa，混凝土抗压强度为78Mpa，混凝土抗折强度为9.5Mpa。
对比例7中，乙烯丙烯酸共聚物、硅酸钙晶须、β成核剂含量低，所得材料无法形成较好的β晶型，韧性下降、断裂伸长率偏低，同时较少的硅酸钙晶须与混凝土发生水化反应，所得材料与混凝土的界面结合能力降低；内层的甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚丙烯的含量低，所得材料的内层树脂与外层树脂的相容性降低，材料的拉伸强度偏低、混凝土抗压和抗折强度偏低。
表1 实施例1-5与对比例1-7制得的聚丙烯纤维材料的性能
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种聚丙烯纤维材料，其特征在于：所述聚丙烯纤维材料包括芯层和位于所述芯层***的皮层，所述皮层的材料为外层结构树脂，所述芯层的材料为内层结构树脂；
所述外层结构树脂采用包括均聚聚丙烯、乙烯丙烯酸共聚物、硅酸钙晶须和成核剂的制备原料制得；
所述内层结构树脂采用包括聚对苯二甲酸乙二醇酯和甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚丙烯的制备原料制得；
所述外层结构树脂占所述聚丙烯纤维材料总质量的20~50%，所述内层结构树脂占所述聚丙烯纤维材料总质量的50~80%。
2.根据权利要求1所述的聚丙烯纤维材料，其特征在于：所述外层结构树脂的制备原料中，均聚聚丙烯的用量为75~88重量份，乙烯丙烯酸共聚物的用量为5~10重量份，硅酸钙晶须的用量为5~15重量份，成核剂的用量为0.1~0.5重量份；所述内层结构树脂的制备原料中，聚对苯二甲酸乙二醇酯的用量为79~89重量份，甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚丙烯的用量为10~20重量份；
优选地，所述外层结构树脂的制备原料还包括：抗氧剂和润滑剂；进一步优选地，所述外层结构树脂的制备原料中，所述抗氧剂和润滑剂的重量份依次分别为0.2~0.5重量份和0.2~0.5重量份；
优选地，所述内层结构树脂的制备原料还包括：抗氧剂和润滑剂；进一步优选地，所述内层结构树脂的制备原料中，所述抗氧剂和润滑剂的重量份依次分别为0.2~0.5重量份和0.2~0.5重量份。
3. 根据权利要求1或2所述的聚丙烯纤维材料，其特征在于，制备所述外层结构树脂所用的均聚聚丙烯的熔融指数为20-50 g/10min（230℃，2.16kg）。
4. 根据权利要求1或2所述的聚丙烯纤维材料，其特征在于，制备所述外层结构树脂所用的乙烯丙烯酸共聚物的熔融指数为5-20 g/10min（190℃，2.16kg），丙烯酸的质量含量为5-22%。
5.根据权利要求1或2所述的聚丙烯纤维材料，其特征在于，制备所述外层结构树脂所用的硅酸钙晶须的激光衍射粒径D50≤7um；
制备所述外层结构树脂所用的成核剂为聚丙烯β成核剂。
6.根据权利要求2所述的聚丙烯纤维材料，其特征在于，制备所述外层结构树脂所用的抗氧剂包括主抗氧剂和辅抗氧剂，所述主抗氧剂为受阻酚类抗氧剂；所述辅抗氧剂为亚磷酸酯类抗氧剂和/或硫代酯类抗氧剂；所述主抗氧剂与所述辅抗氧剂的质量比为1：1~2：1；
和/或，制备所述外层结构树脂所用的润滑剂为硬脂酸锌、乙撑双硬脂酸酰胺中的任一种或多种；
和/或，制备所述内层结构树脂所用的抗氧剂为包括主抗氧剂和辅抗氧剂，所述主抗氧剂为受阻酚类抗氧剂；所述辅抗氧剂为亚磷酸酯类抗氧剂和/或硫代酯类抗氧剂；所述主抗氧剂与所述辅抗氧剂的质量比为1：1~2：1；
和/或，制备所述内层结构树脂所用的润滑剂为硬脂酸锌、乙撑双硬脂酸酰胺中的任一种或多种。
7. 根据权利要求1所述的聚丙烯纤维材料，其特征在于，制备所述内层结构树脂所用的聚对苯二甲酸乙二醇酯根据GB/T14190测量的特性粘度为0.60-0.85 dL/g，根据FZ/T50012测量的端羧基含量为20-30 mol/T。
8. 根据权利要求1所述的聚丙烯纤维材料，其特征在于，制备所述内层结构树脂所用的甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚丙烯的熔融指数为10-25 g/10min（190℃，2.16kg），甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝率为0.5-2%。
9.权利要求1-8任一项所述的聚丙烯纤维材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将外层结构树脂的制备原料置于双螺杆挤出机进行熔融分散并挤出造粒得到外层结构树脂，双螺杆挤出机的螺杆长径比优选为(40-52)：1，螺杆转速为100-300r/min，挤出温度优选为200-230℃；
（2）将内层结构树脂的制备原料置于密炼机进行密炼反应并挤出造粒得到内层结构树脂，密炼机温度优选为270-290℃，密炼反应时间为15-30min，转速为20-40 r/min；
（3）将所述外层结构树脂、所述内层结构树脂进行塑化后，通过皮芯复合纺丝工艺制备得到具有所述芯层和所述皮层的聚丙烯纤维材料，外层结构树脂的纺丝工艺温度优选为200-230℃，内层结构树脂的纺丝工艺温度优选为270-290℃。
10.权利要求1-8任一项所述的聚丙烯纤维材料或权利要求9所述的制备方法制得的聚丙烯纤维材料在混凝土增强中的应用。
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