專利名稱：一種親水性礦物復(fù)合纖維及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于水泥混凝土和水泥砂漿的無機(jī)纖維，尤其是一種親水性礦物復(fù)合纖維的制備方法。
背景技術(shù)：
纖維混凝土(Fiber Reinforced Concrete,簡稱FRC)，是纖維增強(qiáng)混凝土的簡稱， 通常是以水泥凈漿、砂漿或者混凝土為基體，與金屬纖維、無機(jī)纖維或有機(jī)纖維增強(qiáng)材料組成的一種水泥基復(fù)合材料。它是將短而細(xì)且具有高抗拉強(qiáng)度、高極限延伸率、高抗堿性等良好性能的纖維均勻地分散在混凝土基體中形成的一種新型建筑材料。纖維在混凝土中限制混凝土早期裂縫的產(chǎn)生及在外力作用下裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展。在纖維混凝土受力初期，纖維與混凝土共同受力，此時(shí)混凝土是外力的主要承擔(dān)者，隨著外力的不斷增加或者外力持續(xù)一定時(shí)間，當(dāng)裂縫擴(kuò)展到一定程度之后，混凝土退出工作，纖維成為外力的主要承擔(dān)者，橫跨裂縫的纖維極大的限制了混凝土裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展。由此可見，纖維有效地克服了混凝土抗拉強(qiáng)度低、易開裂、抗疲勞性能差等固有缺陷。纖維混凝土是國際上近年來發(fā)展很快的一種新型水泥基復(fù)合材料，以其優(yōu)良的抗拉抗彎強(qiáng)度、阻裂限縮能力、耐沖擊性能而成功地應(yīng)用于軍事、水利、建筑、機(jī)場、公路等領(lǐng)域，目前它已成為研究較多、應(yīng)用較廣的水泥基復(fù)合材料之一。用于混凝土中的纖維主要有金屬纖維、有機(jī)纖維和無機(jī)纖維等。金屬纖維主要是鋼纖維，由于鋼纖維價(jià)格較高，對攪拌工藝要求嚴(yán)格，限制了在混凝土中的廣泛應(yīng)用。有機(jī)纖維主要是化學(xué)合成的纖維，其原料來自于石油，如聚丙烯纖維、尼龍、碳纖維等。聚丙烯纖維混凝土是目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣的纖維混凝土，但聚丙烯纖維價(jià)格較高，應(yīng)用成本大。無機(jī)纖維主要有玻璃纖維、礦物纖維。玻璃纖維由于其耐堿性差，在混凝土中存在較嚴(yán)重的強(qiáng)度和韌性退化問題。礦物纖維是近幾年來新出現(xiàn)的新型纖維材料，是利用礦物廢料與其它纖維復(fù)合而成的一種新型纖維，具有節(jié)省資源、環(huán)保的特點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種親水性礦物復(fù)合纖維的制備方法，利用非金屬礦石經(jīng)預(yù)處理、化學(xué)改性后與其它輔料復(fù)合而成一種新型復(fù)合纖維，依照該方法制得的復(fù)合纖維具有耐高溫、耐燒蝕、耐酸堿性能強(qiáng)、化學(xué)性能好和熱穩(wěn)定性優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)，與混凝土、砂漿具有很好的相容性。一種親水性礦物復(fù)合纖維的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)原料預(yù)處理將非金屬礦石粉碎后送入除塵設(shè)備除塵，得生產(chǎn)所需精料，即礦物粗纖維；(2)將礦物粗纖維置于旋轉(zhuǎn)式溫控干燥器中進(jìn)行干燥后送入解聚機(jī)中解聚，使成束的纖維在不破壞長徑比的情況下解聚成單絲；(3)在連續(xù)式纖維表面改性機(jī)內(nèi)對纖維表面進(jìn)行化學(xué)處理在一號倉內(nèi)加入分散齊U，使分散劑與纖維混勻，混勻后的物料送入二號倉；在二號倉內(nèi)加入滲透劑，使?jié)B透劑與物料混勻，混勻后的物料送入三號倉；在三號倉內(nèi)加入偶聯(lián)劑，使偶聯(lián)劑與物料混勻；整個(gè)化學(xué)處理時(shí)間為30-33分鐘；(4)改性后纖維送分級機(jī)進(jìn)行分級，按纖維的長度分選出半成品；(5)輔料加工將木質(zhì)素纖維、超細(xì)二氧化硅送入熱風(fēng)旋流表面活性偶聯(lián)器，進(jìn)行輔料的表面改性，改性后的輔料在攪拌合成器中攪拌合成小料；(6)將步驟4所得半成品和步驟5所得小料送調(diào)頻復(fù)合機(jī)內(nèi)進(jìn)行復(fù)合，半成品與小料的質(zhì)量比為1 5 10，得親水性礦物復(fù)合纖維產(chǎn)品。進(jìn)一步地，步驟1中所述非金屬礦石為水鎂石、海泡石、方解石或白云石中的一種或幾種。步驟2中旋轉(zhuǎn)式溫控干燥器溫度控制在140°C -180°C之間。步驟2中解聚機(jī)線速度優(yōu)選為60-120m/s，在此速度下解聚，可達(dá)到使90%的成束纖維在不破壞長徑比的情況下解聚成單絲的效果。步驟3中所述分散劑優(yōu)選為分子量是200或400的聚乙二醇，分散劑的加入量為纖維總質(zhì)量的0.5%。-1.2%。，一號倉內(nèi)溫度控制在60°C 士3°C。分散劑優(yōu)選以霧狀形式加入倉內(nèi)，以使分散劑與纖維混合均勻。分散劑聚乙二醇的作用在于提高礦物纖維在混凝土或砂漿中的分散性。步驟3中所述滲透劑為順丁烯二酸二仲辛酯硫磺酸鈉，滲透劑的加入量為纖維總質(zhì)量的0. 5%o -2%。，二號倉內(nèi)溫度控制在80°C 士3°C。步驟3中所述偶聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑，偶聯(lián)劑的加入量為纖維總質(zhì)量的 0.5%-1.5%，三號倉內(nèi)溫度控制在120°C 士3°C。硅烷偶聯(lián)劑優(yōu)選為DL602型。步驟6中半成品與小料的質(zhì)量比優(yōu)選為1 7。本發(fā)明方法利用非金屬礦石經(jīng)過粉碎、除塵和精選的預(yù)處理后，干燥，送入解聚機(jī)中進(jìn)行解聚，使成束的纖維解聚成單絲；在不影響原生礦物纖維材性基礎(chǔ)上，對纖維的表面進(jìn)行化學(xué)處理，首先加入分散劑，以提高礦物纖維在混凝土或砂漿中的分散性；再加入滲透齊U，使纖維表面產(chǎn)生氧化反應(yīng)，將原先的箭狀結(jié)構(gòu)改性成多支管狀，在粗化過程中達(dá)到表面粗糙的效果，同時(shí)增大比表面積，繼而加入偶聯(lián)劑，同時(shí)調(diào)控溫度，以便更好地發(fā)生有效的化學(xué)反應(yīng)，從而連續(xù)不斷的產(chǎn)生更多的活性官能團(tuán)，并改變電荷作用，構(gòu)成多種強(qiáng)力的化學(xué)鍵，提高與其他復(fù)合材料的聚合作用，形成超分子結(jié)構(gòu)。輔料采用熱風(fēng)旋流表面活性偶聯(lián)器進(jìn)行表面改性，構(gòu)成與礦物纖維主料不同的電荷，形成強(qiáng)力的化學(xué)鍵，從而提高復(fù)合組分的結(jié)合力。本發(fā)明所使用的礦石原料屬于尾礦資源，原材料易得，制備方法簡單。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供根據(jù)上述制備方法得到的親水性礦物復(fù)合纖維。依照上述制備方法制得的復(fù)合纖維具有耐高溫、耐燒蝕、耐酸堿性能強(qiáng)、化學(xué)性能好和熱穩(wěn)定性優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)，與混凝土、砂漿具有很好的相容性。將本發(fā)明的親水性礦物復(fù)合纖維適量摻入水泥基材，礦物復(fù)合纖維在混凝土或砂漿中三維亂向分布，通過高倍電鏡的微觀觀測，每立方厘米可達(dá)200余根纖維，能有效抑制混凝土和砂漿裂縫的產(chǎn)生，可起到增韌，增強(qiáng)，以及提高混凝土的耐久性的作用。
4
摻有本發(fā)明親水性礦物復(fù)合纖維的混凝土(摻量0. 9Kg/m3)，與聚丙烯纖維(摻量 0. 9Kg/m3)混凝土和不摻纖維的基準(zhǔn)混凝土相比，各項(xiàng)性能如下。一、試驗(yàn)條件及方案三種不同混凝土采用同一配比，相同材料，相同試驗(yàn)條件如成型、養(yǎng)護(hù)齡期等。力學(xué)性能試驗(yàn)項(xiàng)目主要進(jìn)行混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，抗折強(qiáng)度，劈裂抗拉強(qiáng)度，軸壓強(qiáng)度，彈性模量，抗沖擊性能，混凝土與鋼筋粘結(jié)強(qiáng)度(鋼筋握裹力)。長期性能和耐久性能主要進(jìn)行混凝土收縮，徐變，抗?jié)B，抗凍，碳化、氯離子滲透 (電通量)，抗硫酸鹽侵蝕，以及抗裂性能和微觀結(jié)構(gòu)分析。二、試驗(yàn)原材料及配比1.原材料1)水泥普通硅酸鹽水泥，P. 042. 5，生產(chǎn)廠家，北京興發(fā)水泥公司；2)砂河砂，細(xì)度模數(shù)2. 4，II區(qū)中砂，產(chǎn)地北京；3)石碎石，粒徑5 25mm，連續(xù)繼配，產(chǎn)地北京；4)纖維有機(jī)纖維，聚丙烯纖維，長度19mm ；無機(jī)纖維，本發(fā)明親水性礦物纖維，長度0. 5 6. 2mm。2.混凝土配合比混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級為C40，纖維纖維摻量均為0. 9Kg/m3，基準(zhǔn)混凝土坍落度為 60-80mm,相同用水量情況下，兩種纖維混凝土坍落度均為50-70mm，坍落度約降低10mm。1)基準(zhǔn)混凝土配合比(AO)水泥7jC砂石=390 200 689 1125 (Kg/m3)2)聚丙烯有機(jī)纖維混凝土配合比(Al)水泥7jC砂石纖維=390 200 689 1125 0. 9 (Kg/m3)3)親水性礦物復(fù)合纖維混凝土配合比(A2)水泥7jC砂石纖維=390 200 689 1125 0. 9 (Kg/m3)三、試驗(yàn)方法1.坍落度試驗(yàn)按《普通混凝土拌合物試驗(yàn)方法》(GB/T 50080-2002)進(jìn)行。2.混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，抗折強(qiáng)度，劈裂抗拉強(qiáng)度，軸壓強(qiáng)度，彈性模量按《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GB/T 50081-2002)進(jìn)行?？箟簭?qiáng)度，抗折強(qiáng)度，劈裂抗拉強(qiáng)度試件尺寸為100X 100X 100mm，軸壓強(qiáng)度，彈性模量試件尺寸為100X 100X 300mm，抗折強(qiáng)度試件尺寸為100 X 100 X 400mm。3.混凝土抗沖擊性能按《水泥混凝土和砂漿用合成纖維》(GB/T 21120-2007)進(jìn)行，試件為直徑152 士 1mm，厚度63. 5 士 Imm的圓柱體。4.混凝土與鋼筋粘結(jié)強(qiáng)度(鋼筋握裹力)按《鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法》(CECS 13 88)進(jìn)行。5.混凝土抗裂性能(裂縫降低系數(shù))按《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 38 2004)進(jìn)行。6.混凝土收縮，徐變，抗?jié)B，抗凍，碳化、氯離子滲透(電通量)，抗硫酸鹽侵蝕按 《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50082-2009)進(jìn)行。四、試驗(yàn)結(jié)果
三種混凝土的力學(xué)性能、長期性能和耐久性能比較如下表所示
權(quán)利要求
1.一種親水性礦物復(fù)合纖維的制備方法，其特征在于包括以下步驟⑴原料預(yù)處理將非金屬礦石粉碎后送入除塵設(shè)備除塵，得生產(chǎn)所需精料，即礦物粗纖維；⑵將礦物粗纖維置于旋轉(zhuǎn)式溫控干燥器中進(jìn)行干燥后送入解聚機(jī)中解聚，使成束的纖維在不破壞長徑比的情況下解聚成單絲；⑶在連續(xù)式纖維表面改性機(jī)內(nèi)對纖維表面進(jìn)行化學(xué)處理在一號倉內(nèi)加入分散劑，使分散劑與纖維混勻，混勻后的物料送入二號倉；在二號倉內(nèi)加入滲透劑，使?jié)B透劑與物料混勻，混勻后的物料送入三號倉；在三號倉內(nèi)加入偶聯(lián)劑，使偶聯(lián)劑與物料混勻；整個(gè)化學(xué)處理時(shí)間為30-33分鐘；⑷改性后纖維送分級機(jī)進(jìn)行分級，按纖維的長度分選出半成品；(5)輔料加工將木質(zhì)素纖維、超細(xì)二氧化硅送入熱風(fēng)旋流表面活性偶聯(lián)器，進(jìn)行輔料的表面改性，改性后的輔料在攪拌合成器中攪拌合成小料；(6)將步驟4所得半成品和步驟5所得小料送調(diào)頻復(fù)合機(jī)內(nèi)進(jìn)行復(fù)合，半成品與小料的質(zhì)量比為1 :5 10，得親水性礦物復(fù)合纖維產(chǎn)品。
2.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟1中所述非金屬礦石為水鎂石、海泡石、方解石或白云石中的一種或幾種。
3.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟2中旋轉(zhuǎn)式溫控干燥器溫度控制在 1400C _180°C之間。
4.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟2中解聚機(jī)線速度為60-120m/s。
5.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟3中所述分散劑為分子量是200 或400的聚乙二醇，分散劑的加入量為纖維總質(zhì)量的0. 5%o -1. 2%。，一號倉內(nèi)溫度控制在 600C 士3°C。
6.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟3中所述滲透劑為順丁烯二酸二仲辛酯硫磺酸鈉，滲透劑的加入量為纖維總質(zhì)量的0.5%。-2%。，二號倉內(nèi)溫度控制在 800C 士3°C。
7.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟3中所述偶聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑，偶聯(lián)劑的加入量為纖維總質(zhì)量的0. 5%-1. 5%，三號倉內(nèi)溫度控制在120°C 士3°C。
8..如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟6中半成品與小料的質(zhì)量比為1 7。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8的制備方法得到的親水性礦物復(fù)合纖維。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種親水性礦物復(fù)合纖維的制備方法，包括原料預(yù)處理、干燥、解聚、對纖維表面進(jìn)行化學(xué)處理、輔料加工和纖維復(fù)合等步驟，依照本發(fā)明制備方法制得的復(fù)合纖維具有耐高溫、耐燒蝕、耐酸堿性能強(qiáng)、化學(xué)性能好和熱穩(wěn)定性優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)，與混凝土、砂漿具有很好的相容性。將本發(fā)明的親水性礦物復(fù)合纖維適量摻入水泥基材，礦物復(fù)合纖維在混凝土或砂漿中三維亂向分布，通過高倍電鏡的微觀觀測，每立方厘米可達(dá)200余根纖維，能有效抑制混凝土和砂漿裂縫的產(chǎn)生，可起到增韌，增強(qiáng)，以及提高混凝土的耐久性的作用。
文檔編號C03B37/00GK102452790SQ20101060574
公開日2012年5月16日 申請日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者潘殿暉 申請人:江蘇奧米建材科技有限公司