一种聚丙烯纤维材料及其制备方法和应用与流程

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：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

技术实现思路

1、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。

2、为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、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外围的皮层，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%。

4、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。

5、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。

6、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。

7、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。

8、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。

9、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。

10、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；

11、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；

12、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。

13、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。

14、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%。

15、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。

16、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。

17、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。

18、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。

19、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：

20、（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℃；

21、（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；

22、（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℃。

23、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。

24、本发明提供的技术方案具有如下有益效果：

25、（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；

26、（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；

27、（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。