聚丙烯腈纖維在建筑方面的應(yīng)用

1、聚丙烯腈纖維在建筑方面的應(yīng)用 摘要：將聚丙烯腈纖維加在道路、橋梁等建筑所用混凝土中提高了其性能。關(guān)鍵詞：聚丙烯腈纖維；混凝土；抗裂性；建筑1、 前言水泥鋼筋混凝土是我國公路建設(shè)中廣泛采用的路面結(jié)構(gòu)形式之一。它具有強(qiáng)度高、耐久性好等優(yōu)良性能, 但混凝土作為一種多孔性的脆性材料, 其抗拉強(qiáng)度低、韌性差, 極易形成裂縫。因此為了減少路面早期裂縫的產(chǎn)生, 廣大技術(shù)人員一直在嘗試采用各種新材料如鋼纖維、聚丙烯腈纖維等添加至混凝土中, 增強(qiáng)混凝土抗裂性和韌性, 以達(dá)到預(yù)防混凝土出現(xiàn)早期裂縫的效果。 二、 結(jié)構(gòu)式2.1名稱：聚丙烯腈 2.2英文名：PAN polyacrylonitrile 2.3俗名：腈綸

2、（國內(nèi)）奧綸、開司米綸 （國外） 2.4化學(xué)名稱：聚丙烯腈 2.5分子式： 2.6 單體:CH2=CH-CN 2.7聚合物屬于無規(guī)共聚物：M1M1M2M1M3M2M1M2M3M11 三、制備方法 3.1 法一： 水相懸浮聚合法：該法常采用水溶性氧化還原體系過硫酸鉀-硫代硫酸鈉氧化還原體系為引發(fā)劑，該引發(fā)劑在水中生成自由基·OH和HSO3·首先激發(fā)溶在水中的丙烯腈，生成丙烯腈自由基，丙烯腈自由基在觸發(fā)自由基鏈反應(yīng)使之進(jìn)入鏈增長階段。上述反應(yīng)活化能僅為4650KJ/mol，反應(yīng)在50攝氏度下就能進(jìn)行，有利于抑制副反應(yīng)但溶液的pH會影響反應(yīng)進(jìn)行，所以必須嚴(yán)格控制反應(yīng)過程的pH值。

3、最后可以通過重合終止，兩活性鏈彼此相碰使活性消失。該法屬于非均相溶液聚合，所得聚合物不斷地呈絮狀沉淀析出，經(jīng)氣提出去為反應(yīng)單體，然后過濾出去鹽分，在干燥風(fēng)送到料倉。之后溶劑一定配比制成膠，過濾后在溶劑溶液中經(jīng)雙擴(kuò)散形成初生纖維，在洗去溶劑，烘干、卷曲、定型，成品打包出廠2。3.2 法二：均相溶液聚合：聚丙烯腈纖維大多由三元共聚物制得,丙烯腈占90 %94 % ,第二單體加入量為5 %8 % ,第三單體為013 %210 %。常用的第二單體有丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、醋酸乙烯和丙烯酰胺等。第三單體分兩大類:一類是對陽離子染料有親和力,含有羧基或磺酸基團(tuán)的單體,如丙烯磺酸鈉、甲基丙烯磺酸鈉、甲基

4、丁二酸(又名衣康酸) 、對- 乙烯基苯磺酸鈉等;另一類對酸性染料有親和力,含有胺基、酰胺基、啶等的單體,如乙烯吡啶,含有堿性染色基團(tuán)的2甲基乙烯吡啶等。腈綸的原料丙烯腈由石油裂解的副產(chǎn)品丙烯制得,由丙烯、液氨以及氧氣在400 500 下發(fā)生氣、固相催化反應(yīng)制取(丙烯- 氨氧化法) 。由于聚丙烯腈共聚物加熱到230 以上時(shí)只發(fā)生分解而不熔融,因此,它不能像滌綸、錦綸纖維那樣進(jìn)行熔融紡絲,而采用溶液紡絲的方法。根據(jù)所用溶劑的不同分為均相溶液聚合和非均相溶液聚合。均相溶液聚合所用的溶劑既能溶解單體,又能溶解反應(yīng)所生成的聚合體,反應(yīng)完畢后,聚合液可直接用于紡絲,故又稱腈綸生產(chǎn)一步法。如濃硫氰酸鈉水溶液

5、、濃氯化鋅水溶液、硝酸、二甲基亞砜(DMSO) 、二甲基甲酰胺(DMF) 和二甲基乙酰胺(DMAC) 為溶劑聚合,則可采用均相溶液聚合3。四、性能腈綸是三大合成纖維之一，具有許多較好的性能4.1 彈性。僅次于滌綸，比錦綸高約2倍，有較好的保形性3。4.2 耐熱性。具有較強(qiáng)的耐熱性，軟化溫度為1902404.3 耐旋光性。腈綸的耐旋光性是所有合成纖維中最好的，露天暴曬1 年,強(qiáng)度僅下降20 %。4.4 腈綸耐酸、氧化劑和一般有機(jī)溶劑,但不耐堿。4.5 聚丙烯腈纖維加在混凝土中提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度，劈拉強(qiáng)度。聚丙烯腈纖維的主要物理性能參數(shù)見下表4 表1聚丙烯腈纖維的物理性能 項(xiàng)目長度/mm纖度/

6、dtex比重/g.cm3抗拉強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa延伸率/%每克根數(shù)/根軟化溫度/指標(biāo)6201.91.18>50017.114-20876000190240五、應(yīng)用5.1隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的增長和基建事業(yè)的提高,混凝土材料以其優(yōu)良的強(qiáng)度高、耐久性好、價(jià)格便宜、原料易得、制備簡單以及自身受溫度、水的影響較小的特性,越來越受到重用,但是其自身也存在其固有弱點(diǎn),如:混凝土抗變形能力差、耐磨性差、抗?jié)B性差、抗高溫性能差等缺點(diǎn),從而限制了它的應(yīng)用范圍和效果。聚丙烯腈纖維混凝土是近年來發(fā)展起來的一種性能優(yōu)異且應(yīng)用廣泛的新型復(fù)合材料。與普通混凝土相比,聚丙烯腈纖維混凝土在延性、耐久性、抗沖擊性、抗

7、疲勞性、抗折強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等方面具有優(yōu)異的特性。聚丙烯腈纖維混凝土是聚丙烯腈纖維增強(qiáng)混凝土的簡稱,通常是采用水泥凈漿、砂漿或者混凝土為基體,以非連續(xù)的短纖維或者連續(xù)的長纖維作為增強(qiáng)材料,所組成的水泥復(fù)合材料。聚丙烯腈纖維在混凝土中的作用有三方面: 作為非結(jié)構(gòu)性補(bǔ)強(qiáng)材料, 減少收縮, 提高混凝土抗裂能力, 減少直至避免表面發(fā)裂或龜裂。減少泌水、離析, 改善混凝土結(jié)構(gòu)的均勻性, 全面提高耐磨、抗凍、抗?jié)B、抗沖擊、抗疲勞等性能。改變混凝土中原生裂縫的形態(tài), 改善混凝土內(nèi)部的應(yīng)力分布, 提高其抗拉強(qiáng)度, 降低彈性模量, 增強(qiáng)韌性, 改善混凝土后期變形性能。5.2聚丙烯腈纖維混凝土各種性能 5.2.1抗

8、裂性在道面混凝土中摻入聚丙烯腈纖維可以很好地解決道面混凝土早期開裂的問題, 說明聚丙烯腈纖維可以有效阻止早期裂縫的產(chǎn)生。為了研究聚丙烯腈纖維對道面混凝土的阻裂性能, 分別對聚丙烯腈纖維的摻量和規(guī)格的不同對混凝土抗裂性進(jìn)行了試驗(yàn)方法。道面聚丙烯腈纖維混凝土阻裂的試驗(yàn)效果如圖1 - 2所示5。從圖1 中可以看出, 纖維摻量的增加對裂縫減少近似呈線性關(guān)系。隨著纖維摻量的增加裂縫面積減少?？梢哉J(rèn)為隨著纖維數(shù)量的增加、纖維的間距愈小, 早期抗裂效果愈明顯。從圖2 中可以看出, 隨著纖維長度的增加裂縫面積減小。 5.2.2力學(xué)性5.2.2.1抗壓強(qiáng)度聚丙烯腈纖維屬于低彈模纖維,因此,它對混凝土軸心抗壓強(qiáng)度

9、的改善,無論是早期強(qiáng)度還是標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度并不十分顯著,提高幅度均不大。從表26 中可以看到,與素混凝土相比,聚丙烯腈纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度是一般是隨著纖維摻入量的增大而提高。但對于早期抗壓強(qiáng)度在纖維參量為1. 1 kgPm3時(shí),提高幅度最大,達(dá)5. 26 % ,可是28 d 的抗壓強(qiáng)度表2抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果編號3d抗壓強(qiáng)度提高值提高幅度28d抗壓強(qiáng)度提高值提高幅度普通混凝土20.230037.9500纖維摻量(0.7 kg/m3)17.45-2.78-13.74%38.190.240.64%纖維摻量(0.9 kg/m3)20.880.663.25%41.143.198.41%纖維摻量(1.1kg/m3)

10、21.291.065.26%37.87-0.08-0.20%5.2.2.2劈裂抗拉強(qiáng)度聚丙烯腈纖維具有較高的延伸率和抗拉強(qiáng)度,因此,它對混凝土劈拉強(qiáng)度的改善較為明顯。從表3 中可以看到,與素混凝土相比,聚丙烯腈纖維混凝土的劈拉強(qiáng)度,只有纖維的摻入量達(dá)到1.1kgPm3 時(shí),早期劈拉強(qiáng)度才有提高。但是28 d 的劈拉強(qiáng)度均可提高,幅度在14.98 %22.00 %之間,并且在纖維的摻入量達(dá)到1.1 kgPm3 時(shí)達(dá)到最大。這說明對劈拉強(qiáng)度,同樣存在一個(gè)最佳的纖維摻入量,超過該摻入量,聚丙烯晴纖維對早期劈拉強(qiáng)度才有提高,而對于28 d 劈拉強(qiáng)度,一般均有提高,因此在使用時(shí)應(yīng)注意纖維摻入量對于早期強(qiáng)

11、度提高的影響。編號3d抗壓強(qiáng)度提高值提高幅度28d抗壓強(qiáng)度提高值提高幅度普通混凝土3.10004.2300纖維摻量(0.7 kg/m32.81-0.29-9.34%4.920.7016.48%纖維摻量(0.9 kg/m3)2.95-0.16-5.05%4.860.6314.98%纖維摻量(1.1kg/m3)3.250.144.62%5.160.9322.00% 5.2.3抗凍性：聚丙烯腈纖維混凝土的抗凍性有一定的改善作用，尤其是對低強(qiáng)度等級和中等強(qiáng)度等級的混凝土抗凍融能力的改善十分顯著。混凝土抗凍性的提高與聚丙烯腈纖維的一些特性有直接的關(guān)系。聚丙烯腈纖維在提高混凝土的抗凍融耐久性上有以下幾點(diǎn)貢

12、獻(xiàn)：首先，聚丙烯腈纖維的彈性模量隨溫度的降低而提高的特性對纖維混凝土在低溫環(huán)境下抵抗凍脹破壞具有正面增強(qiáng)效應(yīng)；其次，聚丙烯腈纖維直徑小，單位重量的纖維數(shù)量龐大，纖維間距小，因此具有明顯的阻裂效應(yīng)，增加了混凝土凍融損傷過程中能量的損耗，有效的抑制了混凝土的凍脹開裂；最后，聚丙烯腈纖維的引氣作用，使得混凝土含氣量增大，緩解了凍融循環(huán)過程中的靜水壓力和滲透壓力，從而提高了混凝土的抗凍融能力。 5.2.4 高溫穩(wěn)定性：用60攝氏度輪碾車轍試驗(yàn)7，可知加入纖維可大幅度的提高瀝青混合料的高溫抗車轍能力，在相同條件下，纖維瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度約相當(dāng)于普通瀝青混合料的兩倍。可見，纖維瀝青混凝土特別適合于炎熱地區(qū)的重載交通。 另外，聚丙烯腈混凝土還有不溶于一般溶劑，不溶于煤油、汽油，耐候性好，高耐磨性，高抗?jié)B性，低破損率等優(yōu)良性質(zhì)。六、結(jié)語聚丙烯腈混凝土與普通混凝土相比具有較好的抗裂性，抗壓強(qiáng)度，劈裂抗拉強(qiáng)度，抗凍性和高溫穩(wěn)定性等性能。特別是隨著高速路的發(fā)展，對高性能的混凝土的需求增多，聚丙烯腈纖維混凝土的應(yīng)用前景十分廣闊。參考文獻(xiàn)1張旭之，陶志華等.丙烯衍生物工學(xué).化學(xué)工業(yè)出版社.19952 李春又.建筑行業(yè)用聚丙烯腈纖維的作用及生產(chǎn)工藝.硅谷.2008,083 張連敏,李祥