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合成纤维论文后期合成论文工程用合成纤维及其标准体系摘要:合成纤维是建筑工程领域应用最广泛的工程纤维。作者论述了工程用合成纤维的主要品种聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇纤维、聚酰胺纤维、聚酯纤维的特点、应用和与使用相关的基本性能。针对我国现有工程用合成纤维标准的不足提出改进建议,提出建立并完善工程用合成纤维标准体系是当务之急。 关键词:工程用合成纤维;性能;标准体系 自20世纪70年代初以来,国际土木工程界与建筑业通过一系列工程实践已确认,在混凝土中掺入适量抗碱性好、均匀分布的工程纤维,有助于克服混凝土的某些缺点、提高混凝土工程的质量和耐久性。目前应用最为广泛的是合成纤维。 1工程用合成纤维概述 工程用合成纤维是一种细而长的聚合物材料,其长径比一般在100以上,并且具有一定的抗拉强度、弹性模量和极限伸长率。 工程用合成纤维按材质分类常见的有:聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇纤维、聚酰胺纤维、聚酯纤维等。 1.1聚丙烯纤维 聚丙烯纤维是由丙烯聚合成等规度97%98%聚丙烯树脂后经熔融挤压法制成的纤维。聚丙烯纤维是当今在全世界混凝土工程中用量最大、使用范围最广的合成纤维。这是由于聚丙烯纤维优良的物理机械性能和优异的耐酸、耐碱等化学稳定性,且原料来源广、制作技术不复杂、价格相对较低。 聚丙烯纤维常见品种按所用原料与纤维的尺度可分为两类,一类是用等规聚丙烯制成的尺度较小的纤维,可称之为“聚丙烯细纤维”;另一类是用改性聚丙烯或聚丙烯与聚乙烯的共聚物制成的尺度较大的纤维,可称之为“聚烯烃粗纤维”。这两类纤维在混凝土中所起的作用不同,各有侧重。为了使混凝土的性能达到全面增强的效果,近年来在国外某些混凝土工程中已同时掺入聚丙烯纤维与聚烯烃粗纤维。 1.1.1聚丙烯细纤维 按其形态可分为聚丙烯束状单丝纤维和聚丙烯膜裂网状纤维。 聚丙烯束状单丝纤维的直径较小,直径一般不大于50m,长度一般不大于20mm,是由等规聚丙烯熔融后经若干个喷丝孔直接拉丝制成的。纤维截面呈圆形或异形,若干根单丝经拉伸、定型并短切至一定长度后成为纤维束。纤维束在与混凝土拌和过程中可分离成单丝。 聚丙烯膜裂网状纤维单丝当量直径一般为68m97m,长度一般不大于15 mm38mm,由等规聚丙烯熔体经挤出机拉制成为薄膜,再经高温下高倍拉伸以提高聚丙烯纤维的定向性并降低薄膜的厚度,然后使薄膜经针辊穿刺成为网状并切短成为一定长度的纤维束,纤维的截面呈矩形。在与混凝土拌和过程中,纤维束可分裂成为单丝。 聚丙烯细纤维主要在混凝土的塑性阶段起着阻裂作用,减少和抑制混凝土的塑性沉降裂缝;在硬化混凝土中起着被动防火作用,防止混凝土在火灾中发生爆裂。 1.1.2聚烯烃粗纤维 聚烯烃粗纤维的直径大于0.1mm,长度大于30mm。多数聚烯烃粗纤维的断面为矩形,少数为异形。为增强纤维与混凝土的黏结,纤维表面经特殊的压痕、糙化处理,或使纤维具有波状外形。目前聚烯烃粗纤维有像剪切钢纤维一样的单丝纤维,也有由膜裂网状纤维与非膜裂单丝纤维相互缠绕成的螺旋形纤维束。 聚烯烃粗纤维与聚丙烯细纤维相比较,因纤维粗长、弹性模量高,尤其是纤维与混凝土的界面黏结强度很高,可承接混凝土所传递的负载并显著减缓混凝土裂缝的扩展,能使混凝土在出现裂缝后仍然具有一定的承载与变形能力、吸收较多的能量,因而可显著提高混凝土的韧性,并相应提高混凝土的抗冲击性与抗疲劳性。 聚烯烃纤维主要适用于:1)工业与民用建筑的抗裂,防渗砂浆;2)抗裂防渗要求较高的地下室和地下工程,海堤水坝等盐水工程 ;3)各种预制混凝土产品;4)高速公路、桥梁、隧道、机场跑道等混凝土;5)对耐碱和化学腐蚀要求较高的化工厂等 1 。 1.2聚丙烯腈纤维 聚丙烯腈纤维又称腈纶纤维,通常指含丙烯腈在85%以上的丙烯腈共聚物或均聚物纤维。 人们在长期的工作中发现长期暴露于石棉下易患肺癌,对人体造成伤害,因此,人们开始寻找石棉在工程领域的替代物,通过研究发现聚丙烯腈纤维作为一种添加剂少量掺入水泥混凝土中可提高其使用性能。聚丙烯腈纤维做水泥、混凝土制品和路面用沥青混凝土中的增强材料,比聚丙烯纤维有更高的抗拉强度,更好的抗紫外线能力和耐高温耐严寒能力。 聚丙烯腈纤维在水泥混凝土和沥青混凝土中起着不同的作用。聚丙烯腈纤维用于水泥混凝土时:有效提高水泥混凝土的抗裂能力;提高水泥混凝土的抗渗性和抗冻性,增加耐久性纤维,大大减少混凝土中毛细孔的尺度和连通毛细孔的数量,有效提高水泥混凝土的抗冻性和抗渗性;降低混凝土的脆性,使已开裂的混凝土强度得到保障;提高混凝土的耐磨能力,抗拉强度和韧性;提高混凝土的抗冲击性、抗震、抗龟裂能力;大大提高混凝土的抗冻能力,有效提高耐久性。聚丙烯腈纤维用于沥青混凝土时:提高沥青混凝土合料的分散作用;在沥青混合物中起到加强筋作用;增加沥青混合物的含油率,提高黏结强度和稳定性;提高沥青混合物的韧性和抗低温能力;减少永久变形,提高防滑耐磨能力;减少温度对沥青路面的影响,提高沥青路面的水稳定性。 1.3聚乙烯醇纤维 聚乙烯醇纤维,完整的学名是“聚乙烯醇缩醛纤维”,又称维纶纤维。 因聚乙烯醇纤维的生产成本相对低于聚丙烯腈纤维,替代石棉掺入水泥制品中使用性能基本类同,所以很快就得到国际上的认同和使用。高强高模聚乙烯醇纤维作为增强纤维用于建筑用水泥制品,如:制作楞形瓦、屋顶彩瓦、装饰墙板、室内外轻质墙板、地板、地砖、室内吊顶、大口径下水道管、水管及接头等。 1.4聚酰胺纤维 聚酰胺纤维是由聚酰胺树脂经熔融纺丝制成的纤维。聚酰胺纤维常见产品有聚己二酸己二胺纤维(尼龙66)和聚己内酰胺纤维(尼龙6)。这两种聚酰胺纤维是世界上最早实现工业化生产的合成纤维,在建筑业的应用主要是掺入砂浆混凝土中,用以阻止混凝土的早期开裂等。但由于这两种纤维的生产成本相对比较高,所以在国内外建筑业的应用量不是很大2。 1.5聚酯纤维 聚酯纤维是改性聚酯切片,经特殊工艺加工制成的短切纤维。一般建筑工程用聚酯纤维采用中速纺丝和高速拉伸变形的纺丝工艺,可以纺制55dtex88dtex的变形丝。由此方法得到的聚酯纤维再经过特殊的亲油、抗电表面处理后,具有较高的抗拉强度和弹性模量以及良好的分散性能。而且聚酯纤维具有一定的亲油、亲水性能,所以聚酯纤维与沥青混凝土具有较好的握裹力。因此,聚酯纤维在沥青混凝土中得到了大量的应用。聚酯工程纤维还可提高沥青混凝土的高温稳定性、低温抗裂性、抗疲劳性能、抗拉、抗剪、抗冲击强度。同时改善沥青混凝土的水稳性,抗剥落性,耐磨性和耐久性,有效地抵抗反射裂缝的产生,从而大大地提高路面的质量,延长路面的使用寿命。聚酯纤维的熔点为255260,在高温拌和和高温养护条件下性能仍然比较稳定。 聚酯工程纤维主要适用于: 沥青路面面层;旧沥青路面罩面;旧水泥路罩面;路面冷补、灌缝等;桥面铺装、收费站路面铺装等3。 2工程用合成纤维基本性能 随着工程用合成纤维在工程领域的大量应用,工程用合成纤维的性能对基体材料性能的影响越来越引起人们的关注。工程用合成纤维的性能直接影响着建筑材料的性能。工程用合成纤维最主要的使用性能是力学性能(强度、伸长率和模量),同时还要考虑在热/湿条件下的稳定性、在混凝土基体中好的分散性、与基体好的黏结性以及长时间的耐碱性。 (a)一些指标的设置不合理。 如:行业标准对聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维设置了密度指标,但相同材质的纤维密度差别很小,即使存在小的差别对纤维的使用性能影响不大;热性能不用熔点而用耐热稳定性、抗热老化能力来考核更加科学合理;行业标准对聚丙烯腈纤维耐热稳定性规定的技术指标为“良好”,无法考核。行业标准规定的聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维抗碱能力要求“抗拉强力的保持率不小于99%”,过于严格,超出样品均匀性和试验误差造成的偏差,应与国标要求一致“抗拉强力保持率不小于95%”。 (b)指标设置不全面。 如:纤维分散性是工程用纤维重要性能之一,而现行行业标准没有设置这个指标项。 (c)指标设置规定单一,不能满足产品多样性需要。 为了满足产品多样性、工程设计、新产品开发需要,标准应允许规格、力学性能等指标在满足最低要求条件下,生产企业和使用单位根据生产技术和设计需要自行制定标称值,标准规定允许偏差用于质量验收。 (3)现行标准采用的检测方法有待改进 现行标准采用的检测方法大多引用纺织用纤维、塑料薄膜的检测方法,缺乏操作性;部分项目检测方法规定不详尽,测试结果的准确性、可比性差。 106852007羊毛纤维直径试验方法如:异形截面的单丝纤维,因截面不是圆形,不能采用GB/T 6672、 GB/T6673投影显微镜法方法标准用投影显微镜直接测量出纤维的直径。膜裂网状纤维是不平整、不均匀的形态,GB/T 方法标准是测量规则、平面形态的塑料薄膜和薄片厚度、长度、宽度的方法,用来测量计算当量直径,缺乏准确性。当量直径检测结果的准确性不仅影响规格测量的准确,更严重的是影响纤维截面面积,间接影响断裂强度结果的准确。 下面是我们在检验工作中对工程用合成纤维长度、当量直径等检测项目总结的一些检测方法,与大家探讨: (a)长度 对于长度小于25mm的短纤维和膜裂网状纤维,可采用分度值1mm的钢板尺直接测量纤维长度,为避免因样品不匀造成的误差,测量数量至少25根;对于长度大于25mm的短纤维,可依据GB/T 143362008化学纤维 短纤维长度试验方法方法标准中束纤维中段称量法检测。 (b)当量直径 106852007羊毛纤维直径试验方法当单丝纤维截面为圆形时,纤维直径的测量可依据GB/T 投影显微镜法方法标准,通过投影显微镜可以直接测量出纤维的直径。 对异形截面的单丝纤维,可以通过依据GB/T 143352008化学纤维 短纤维线密度试验方法方法标准中束纤维中段称量法测量纤维的线密度值来推导出纤维的当量直径 4。由公式(1)和公式(2)推导出当量直径计算公式,如公式(3)。 对膜裂网状纤维,应对由生产厂家提供的未经切断的同批长纤维进行测试。通过测量20根1m长度的长纤维的质量平均值g,根据纤维质量g与纤维的当量直径D、长度L、密度的关系,来推导出网状纤维的总的当量直径D,如公式(4)。然后测量相应网状纤维内单丝纤维的根数n,根据网状纤维总的截面积与n根单丝纤维截面积之和相等,如公式(5),推导出网状纤维的单丝当量直径d,如公式(6)。 4结束语 鉴于工程用合成纤维越来越广泛应用于建筑工程领域,其质量直接影响着建筑材料的性能,影响工程质量。建立并完善用于满足工程用合成纤维生产、产品质量监督、产