一种增强混凝土用改性聚丙烯粗纤维及制备方法技术领域
本发明涉及一种聚丙烯纤维，特别是涉及一种增强混凝土用改性聚丙烯粗纤
维及制备方法，属于纤维技术领域。
背景技术
混凝土是世界上应用最广泛的建筑材料。混凝土具有很高的压缩强度，但其
拉伸强度却很低，这导致了混凝土脆性大、韧性差、抗变形能力差等缺点。为了
弥补混凝土在拉伸强度上的缺陷，钢筋通常被使用增强混凝土。除了钢筋外，各
种各样的纤维，如钢纤维、植物纤维、玻璃纤维、合成纤维，也会被使用来提高
混凝土的拉伸强度和韧性。
聚丙烯粗纤维，作为一种合成纤维，已经逐渐开始被使用在矿井、隧道衬里
用的喷射混凝土，轻交通混凝土路面和预制混凝土构件中。混凝土衬里是隧道和
矿井的最外层，用于支撑岩体，防止碎石滑落。在沿着隧道和矿井架好钢筋后，
钢纤维增强的混凝土通常会被喷射到隧道和矿井的墙壁上。然而，钢纤维除了价
格昂贵外，在潮湿的地下工程中，钢纤维很容易生锈腐蚀，降低增强效果。对于
岩体松散的隧道和矿井，高用量的纤维十分必要的，然后钢纤维质地坚硬，高用
量的钢纤维会抱团，很难分散在混凝土中。钢纤维在使用时还会磨损喷射机器，
也会划伤工人。由于聚丙烯粗纤维可以有效的提高混凝土的韧性和混凝土裂后性
能，已经开始逐步取代钢纤维在喷射混凝土中的应用。聚丙烯粗纤维还可以有效
的减少混凝土的干缩裂纹，因此被广泛用于人行道、城市广场、户外停车场、园
林景观道路、校园道路、操场等轻交通混凝土路面中，而取代常用的钢筋网。由
于减少钢筋网的运输、搭架、切割、焊接等工作，使用聚丙烯粗纤维，可以减少
施工和材料成本，加快施工进程。
中国专利ZL200410033670.X公开了一种混凝土用增强型改性聚丙烯粗纤维，
纤维当量直径为0.1–1.2mm，拉伸强度为280–500MPa，弹性模量3.8–5GPa，
纤维表面具有凹凸螺纹，并有亲水基团，来提高和混凝土之间的结合力。
中国专利ZL200810021644.3公开了一种混凝土用聚丙烯粗纤维及其制备方
法，纤维直径为0.08–1.5mm，拉伸强度大于450MPa，弹性模量大于5GPa，纤
维表面压痕处理，最后按长度要求切断打包。
中国专利ZL200510002624.8公开了一种异形塑钢纤维的生产方法，通过先进
的生产工艺和纤维结构的特殊处理，以获得纤维表面粗糙、断面为五叶、六叶及
多棱形状，横截面为凹凸型、波浪形、锯齿形的纤维。
从对聚丙烯粗纤维的改性方法可以看出，现有技术的研究都集中在通过使用
物理方法形成粗糙的纤维表面、对纤维表面压痕和制备异形截面的粗纤维来提高
纤维和混凝土的结合力。然而，这种物理处理方法制得的纤维，一般无法提供与
混凝土足够的结合力，混凝土断裂后，大部分纤维都会被拔出，而不是被拉断。
此外，物理处理的手段都大大降低纤维的拉伸强度和弹性模量。通过添加亲水性
聚合物来改善纤维与混凝土之间的界面也存在着局限性。过多的亲水性聚合物会
使纤维表面存在水膜聚集，使局部水灰比过大，也使混凝土基材无法充分的包裹
纤维，从而影响纤维的增强效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型增强混凝土用改性聚丙烯粗纤维，该纤维表
面因具有亲水基团或/和硅氧基团或/和SiO2，可以与混凝土发生化学界面结合，
从而大大提高了纤维和混凝土的界面结合力。由于界面结合力的大幅度提高，混
凝土断裂时，纤维不再是被拔出，而是被拔断，因此纤维的拉伸强度被充分开发
和利用，进而纤维的增强效果被大幅度提高。由于化学界面结合，纤维不必再通
过物理手段制成异形截面来提高与混凝土的结合，表面光滑的纤维就可以提供很
好的界面结合，并保持了纤维原本的高拉伸强度和高弹性模量。本发明的聚丙烯
粗塑料纤维与混凝土有很好化学界面结合，并保持了自身的高力学性能，因此可
以有效的提高混凝土的韧性和裂后性能，从而取代钢纤维和钢筋，应用于隧道、
矿井衬里用喷射混凝土、轻交通混凝土路面和预制混凝土构件。
本发明的增强混凝土用改性聚丙烯粗纤维，其特征在于：该纤维为聚丙烯和
重量为聚丙烯质量0.1％–40％的改性填料熔融共混、拉伸后制备而成。
所述的聚丙烯为等规度大于97％的均聚聚丙烯，熔融指数(MFI)在载重2.6
kg、温度230℃条件下小于4dg/min。
所述的改性填料为有机改性剂、偶联剂、无机改性填料中的一种或一种以上
的混合物。优选，单一的改性填料添加量不高于30％。
所述的有机改性剂为马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、聚乙二醇
中的一种或一种以上的混合物。有机改性剂为聚丙烯纤维提供亲水基团，改善了
聚丙烯纤维不吸水的缺陷，从而提高了与混凝土的亲和力。
所述的偶联剂为硅烷偶联剂Si-69、KH570、KH550、KH151、硅胶抗粘连剂、
正硅酸乙酯(TEOS)中的一种或一种以上的混合物。偶联剂会使聚丙烯纤维表面
出现硅氧基团Si-O，当混凝土发生水化反应硬化时，纤维上的硅氧基团也会参与
反应，从而与混凝土发生化学交联。
所述的无机改性填料为滑石粉、高岭土、硅土、硅藻土、蒙脱土、水滑石中
的一种或一种以上的混合物。无机改性填料会使聚丙烯纤维表面出现二氧化硅，
当混凝土发生水化反应硬化时，纤维上的二氧化硅也会参与反应，从而进一步提
高与混凝土发生化学交联。
为了降低加工难度，防止聚丙烯在加工时过度降解，当使用所述的无机改性
填料时，还需要进一步添加重量为聚丙烯0.1％–5％的抗氧剂和重量为无机改性填
料0.1％–15％分散剂。
本发明的改性聚丙烯纤维，通过差示扫描量热法(DSC)的第一次熔融吸收
峰，纤维的结晶度为45％–70％，优选为50％–55％。
本发明的改性聚丙烯纤维，由于后处理很好的保持了纤维的力学性能，因此
纤维具有400–700MPa的拉伸强度和8–13GPa的弹性模量。
本发明所述的改性聚丙烯粗纤维制备工艺路线如下：聚丙烯及其改性填料→
挤出机挤出→模头喷丝→冷却水固化→牵引拉伸→热定型→纤维后处理→卷绕
成型→切断→打包。
本发明的一种增强混凝土用改性聚丙烯粗纤维的制备方法，包括如下步骤：
将聚丙烯和改性填料按比例从不同填料口添加进挤出机中进行熔融挤出，经挤出
机的喷丝模头挤出后，在5–20℃水浴中冷却，聚丙烯纤维在110–160℃下牵引
拉伸5–30倍后，对纤维进行热稳定牵引，其温度为110–140℃，牵引倍数为
1.0–1.5倍，之后再对纤维进行后处理、切断和打包。
本发明制备方法所述的挤出机，具有压力控制装置，可以保持恒定的挤出量，
并可以调节挤出速度，保证挤出纤维的质量，压力控制为0–20MPa，优选0–10
MPa。
本发明制备方法所述的喷丝模头前端，具有排气装置，可以排出挤出过程中
混入的空气，减少成型纤维中的气泡。
纤维后处理包括，无后处理、纤维表面压痕处理和纤维端头截面加大处理中
的一种或两种混合形式。
本发明制备方法所述的纤维后处理包括，无后处理、纤维表面压痕处理和纤
维端头截面加大处理中的一种或两种混合形式。因此后处理过的聚丙烯纤维，为
表面光滑、表面压痕、大截面端头中的一种或两种混合外形。任何对纤维的后处
理都会不同程度的损害纤维的力学性能，只有无压痕、无异形处理的表面光滑的
纤维才可以保持纤维的最大拉伸强度和弹性模量。本发明所述的纤维外形可以为
无后处理的表面光滑且端头正常的纤维和表面光滑但端头截面进行加大处理的
纤维。这两种纤维都会保持纤维最强的力学性能，其中表面光滑且端头截面进行
加大处理的纤维还进一步提高与混凝土的界面结合。表面压痕的纤维，可以通过
与混凝土之间的摩擦力以及增大的接触面积，来提高与混凝土的界面结合。本发
明的聚丙烯纤维，也可以为表面压痕且无端头处理的纤维和表面压痕且端头截面
进行加大处理的纤维。表面压痕，会使纤维的力学性能受损，尤其是深压痕。本
发明所述的表面压痕纤维，优选是浅压痕。
具体实施方式
下面实施例进一步描述本发明，但所述实施例仅用于说明本发明而不是限制
本发明。
实施例1
熔融指数为3.5dg/min的98％等规聚丙烯和占聚丙烯加入量5％的马来酸酐
接枝聚丙烯，通过自传盘式计量装置喂入单螺杆挤出机，喂入的混合料经单螺杆
挤出机挤出、静态混合器混合、预过滤器过滤，挤出熔体温度控制为230℃，
计量泵计量后，从多孔喷丝板挤出，进入水浴冷却固化成型。纤维经拉伸牵引和
热稳定后，纤维表面压痕，对纤维端头进行加大处理。
纤维长度为50mm，横截面积为0.6mm2，拉伸强度600MPa，弹性模量10
GPa。润湿角5度，具有很好的亲水性能。8kg/m3纤维增强的圆饼，根据ASTM
C1550，测试得到在40mm曲挠时的能量吸收为550J。
实施例2
熔融指数为2dg/min的99％等规聚丙烯和占聚丙烯加入量5％的硅烷偶联剂
Si-69，通过自传盘式计量装置喂入单螺杆挤出机，喂入的混合料经单螺杆挤出机
挤出、静态混合器混合、预过滤器过滤，挤出熔体温度控制为230℃，计量泵
计量后，从多孔喷丝板挤出，进入水浴冷却固化成型。纤维经拉伸牵引和热稳定
后，纤维表面压痕，无端头处理。
纤维长度为60mm，横截面积为0.7mm2，拉伸强度550MPa，弹性模量9GPa，
由于化学交联，与混凝土有很强的结合。6kg/m3纤维增强的圆饼，根据ASTM
C1550，测试得到在40mm曲挠时的能量吸收为400J。
实施例3
熔融指数为3.5dg/min的97％等规聚丙烯，占聚丙烯加入量20％的滑石粉，
占聚丙烯加入量5％的抗氧剂和占滑石粉加入量15％分散剂，通过自传盘式计量
装置喂入双螺杆挤出机，喂入的混合料经单螺杆挤出机挤出、静态混合器混合、
预过滤器过滤，挤出熔体温度控制为230℃，计量泵计量后，从多孔喷丝板挤
出，进入水浴冷却固化成型。纤维经拉伸牵引和热稳定后，纤维表面光滑，无端
头处理。
纤维长度为55mm，横截面积为1.0mm2，拉伸强度400MPa，弹性模量11
GPa，由于化学交联，与混凝土有很强的结合。6kg/m3纤维增强的圆饼，根据
ASTMC1550，测试得到在40mm曲挠时的能量吸收为450J。
实施例4
熔融指数为1.2dg/min的99％等规聚丙烯，占聚丙烯加入量5％的马来酸酐
接枝聚乙烯和占聚丙烯加入量10％的正硅酸乙酯，通过自传盘式计量装置喂入单
螺杆挤出机，喂入的混合料经单螺杆挤出机挤出、静态混合器混合、预过滤器过
滤，挤出熔体温度控制为230℃，计量泵计量后，从多孔喷丝板挤出，进入水
浴冷却固化成型。纤维经拉伸牵引和热稳定后，纤维表面压痕，对纤维端头进行
加大处理。
纤维长度为65mm，横截面积为0.6mm2，拉伸强度600MPa，弹性模量9.5
GPa。润湿角6度，具有很好的亲水性能。由于正硅酸乙酯的硅氧基团可与混凝
土发生化学交联，纤维与混凝土的界面结合有了很大的提高。8kg/m3纤维增强
的圆饼，根据ASTMC1550，测试得到在40mm曲挠时的能量吸收为700J。
实施例5
熔融指数为3.5dg/min的98％等规聚丙烯，占聚丙烯加入量5％的聚乙二醇，
占聚丙烯加入量25％的硅土，占聚丙烯加入量5％的抗氧剂和占硅土加入量10％
分散剂，通过自传盘式计量装置喂入双螺杆挤出机，喂入的混合料经双螺杆挤出
机挤出、静态混合器混合、预过滤器过滤，挤出熔体温度控制为230℃，计量泵
计量后，从多孔喷丝板挤出，进入水浴冷却固化成型。纤维经拉伸牵引和热稳定
后，纤维表面光滑，无端头处理。
纤维长度为60mm，横截面积为1.0mm2，拉伸强度500MPa，弹性模量12
GPa。润湿角4度，具有很好的亲水性能。由于硅土的SiO2可与混凝土发生化学
交联，纤维与混凝土的界面结合有了很大的提高。6kg/m3纤维增强的圆饼，根
据ASTMC1550，测试得到在40mm曲挠时的能量吸收为500J。