[发明专利]拉伸聚烯烃纤维

说明书

本发明涉及具有改性的亲水性的拉伸聚烯烃纤维、这些纤维在无机粘合剂组合物中的用途，以及含有这些纤维的无机粘合剂组合物。

基于水硬性及非水硬性粘合剂的建筑材料和结构材料为根据具体需要利用复合纤维调节物理性能的实例。混凝土和砂浆为相对脆性的材料，该材料的拉伸强度通常远低于其压缩强度。因此，在正常情况下，需要将混凝土增强(通常使用钢筋辊)。使用各种类型的短的、无规分布的纤维对混凝土或砂浆进行额外增强以满足现代建筑业的需要正变得日益受到欢迎。其主要目的不仅在于提高建筑材料的韧性(抗裂性)，还在于改善拉伸强度(开裂强度)和延展性。

砂浆为细集料与水硬性水泥的混合物，而混凝土还含有粗集料。水泥成分被用作构成其中嵌入集料的基质的合成无机材料。混凝土和砂浆混合物也可含有火山灰和其他常用于常规及专门用途的掺混物，由此对未硬化及硬化的无机粘合剂组合物的物理性能进行改性。水泥通常包含无水结晶硅酸钙(C₃S和C₂S)、石灰和矾土。在水的存在下，所述硅酸盐反应形成水合物和氢氧化钙。水泥的硬化结构取决于新形成的晶体的三维特征和复合排列，该硬化结构从本质上来说取决于组分的量、固化时间以及混凝土集料的组成。在硬化过程中，塑性、化学或脱水收缩可能产生导致缺陷和收缩裂缝的空隙。此外，混凝土和砂浆中的硫酸盐侵蚀经常是造成内压力(其在材料内产生裂缝)的原因，并因此使得由这种材料制成的结构不稳定。

在减少潜在缺陷的方法中，已将纤维引入无机粘合剂组合物中以增强最终的基质。界面结合强度决定许多重要的复合性能，例如整体复合强度、延性、能量吸收性等。已做出了大量努力来增强或提高多种复合材料、特别是混凝土中纤维与基质界面处的结合能力和相容性。各种纤维——天然的和合成的——已被用于无机粘合剂组合物中以提高由诸如混凝土混合物制得的最终结构部件的稳定性。所述纤维的实例为天然材料，例如基于纤维素的纤维，如棉、粘胶丝、大麻、黄麻、剑麻、马尼拉麻、竹、纤维素、再生纤维素(例如)；来自合成材料，如聚酰胺、聚酯、聚丙烯腈、聚丙烯、聚乙烯、聚乙烯醇、芳族聚酰胺和聚烯烃；以及来自无机矿物材料或基于金属的材料，如碳、玻璃、矿物棉、玄武岩、氧化陶瓷和钢。

由所述材料制备的多种形状及尺寸的纤维正用作稳定剂和增强部件，其中，钢纤维被普遍用于大多数应用。然而，钢向水泥基组合物中引入了腐蚀的问题。常用的合成纤维的实例为聚丙烯、聚乙烯和聚乙烯醇，它们全部存在以下问题中的一种或多种，例如高成本(如聚乙烯醇)、低拉伸强度或低界面结合性(如聚丙烯)。在基质中，纤维通常是无规定向的。

大多数纤维用作增强剂的局限源自于拔出强度低(基于润湿性能差)以及对基质的附着力低(界面结合性低)和对水泥基材料的附着力低。纤维增强混凝土的破坏最初是由于纤维的拔出或剥离。因此，纤维增强混凝土的破坏不会在裂缝开始后突然地发生。由于纤维对基质的结合主要是机械性的，文献指出，为获得纤维与基质材料之间良好的附着力，通常必须进行化学或物理的预处理。多种机理已知并记载于文献中，并且被用于提高纤维对无机粘合剂组合物的界面结合性(Li V.C.等,Advanced Cement Based Materials,1997,第6卷,1-20)。例如，增大纤维的表面积是增加纤维与基质之间的界面面积的一种方法。这种表面积的增大提高了对基质的机械结合，并且可以例如通过纤丝化工序来实现。另外的引起基质-纤维界面和机械结合改善的对纤维表面的调整已经得到了运用，例如扭转、压纹、卷边以及向纤维中引入钩状物。

其他的表面改性方法也使得纤维与基质之间的附着力增加。利用例如以SiCl₄对聚丙烯纤维进行的等离子体处理，将极性基团引至表面上，由此提高纤维的反应性和润湿性能(US 5,705,233)。这引起了对水泥基基质的相容性和结合性的改善，并最终使得各纤维的拔出强度提高。然而，在含有钢的水泥基基质中，等离子体处理后残留的氯离子很可能开始腐蚀钢。

WO 97/32825公开了提高包含增强纤维的水泥基质的结合强度的方法。所述增强纤维通过使用可激发气体的等离子体处理来制备。然而，经等离子体处理的纤维存在等离子体处理的增强效果随时间消逝的问题。