聚丙烯纤维表面改性研究
聚丙烯纤维的表面改性提高了玻化微珠复合保温材料力学强度和软化系数，但纤维表面处理方式的增强效果明显不同，下面是小编整理推荐的一篇探究聚丙烯纤维表面改性的论文范文，供大家阅读参考。
以玻化微珠为轻质骨料，水泥、石膏和粉煤灰等胶凝材料为主要原料，经模压成型制备的玻化微珠无机保温材料，其密度与力学强度要求往往不能兼顾.在此体系中引入增强纤维，可以使保温材料在较小密度下具有较高强度，且适宜掺量的增强纤维不会对保温材料的密度和导热系数有较大影响.
聚丙烯纤维是一种柔性纤维，在水泥砂浆和混凝土制品中有着出色的阻裂效果[1-2],但聚丙烯纤维表面能低，表面不含任何活性基团，往往影响其应用效果.对聚丙烯纤维表面进行适当改性，可增强其与水泥等无机胶凝材料的界面结合力，提高复合材料的力学强度.
1试验
1.1原材料
玻化微珠：山东创智新材料科技有限公司产Ⅱ类玻化微珠，其主要性能指标见表1;聚丙烯纤维(PP)：四川华神化学建材有限责任公司产，其基本性能指标见表2;水泥：中联水泥厂产42.5R快硬硫铝酸盐水泥;粉煤灰：华电国际邹县发电厂Ⅰ级粉煤灰，符合GB/T 1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的各项要求;醋酸乙烯-乙烯共聚乳液(简称VAE乳液)：南京丹沛化工有限公司产，固含量(文中涉及的固含量、浓度和掺量等除特别注明外均为质量分数)55.5%;聚乙烯醇缩甲醛胶，固含量3.38%;建筑石膏粉：0.2mm方孔筛筛余量8.7%,初凝时间5min,终凝时间26min;氢氧化钠：分析纯化学试剂，NaOH含量≥96%.
1.2聚丙烯纤维表面改性处理
碱处理：取适量聚丙烯纤维放入浓度为5%的NaOH溶液中浸泡8h后取出，用蒸馏水洗净表面，晾干备用.
包覆改性处理：将碱处理后的聚丙烯纤维放入VAE乳液稀释液(m(VAE乳液)∶m(水)=1∶1)中搅拌浸泡20min,取出纤维并压挤出多余液体，物理分散、烘干后待用.
1.3试验方法
按m(玻化微珠)∶m(聚乙烯醇缩甲醛胶)∶m(水泥)∶m(粉煤灰)∶m(石膏)=1.00∶1.00∶0.80∶0.20∶0.08,准确称量各物料.
聚丙烯纤维掺量与相应的试样编号见表3,其中P组为掺加未改性聚丙烯纤维的复合保温材料试样、A组为掺加碱处理聚丙烯纤维的试样、C组为掺加VAE乳液包覆改性聚丙烯纤维的试样.
先将玻化微珠、聚丙烯纤维、水泥、粉煤灰和石膏混合均匀，聚乙烯醇缩甲醛胶通过喷射枪以雾化状态均匀喷射到混合料中，再将混合料倒入500mm×300mm×80mm的模具中整平，并在0.47MPa压力下模压成型，1h后脱模，得到500mm×300mm×50mm的保温板材.
在20℃,相对湿度95%的条件下养护3d后，将保温板材放入60℃电热鼓风干燥箱中烘干备用.
将制备的保温板材按照标准要求分别加工成250mm×100mm×50mm的抗折试样和100mm×100mm×50mm的抗压试样，依据GB/T 5486-2008《无机硬质绝热制品试验方法》分别测试各试样的抗折强度和抗压强度;参照GB/T 20473-2006《建筑保温砂浆》测试试样的软化系数，试样尺寸与抗压强度测试尺寸相同;将板材加工成尺寸为300mm×300mm×25mm,依照GB/T 10294-2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》，使用IMDRY3001-Ⅵ智能型双平板导热系数测定仪(精确至0.000 1,测量精度±3%)测试试样的导热系数;对改性前后聚丙烯纤维表面的微观形貌及复合保温材料的断口形貌进行SEM分析.
2结果与讨论
2.1聚丙烯纤维掺量对复合保温材料力学性能的影响
复合保温材料试样的抗折强度随聚丙烯纤维掺量的增加逐步增大，当纤维掺量超过1.0%后，试样的抗折强度趋于稳定;复合保温材料试样的抗压强度随纤维掺量的增加先增大后减小，变化幅度不大;当聚丙烯纤维的掺量达到1.0%时，试样的抗折强度和抗压强度均达到最大，分别为0.62,1.47MPa,较空白试样P0分别提高了93.75%和7.30%.
2.2聚丙烯纤维掺量对复合保温材料密度和导热系数的影响
复合保温材料的密度和导热系数测试结果见表4.由表4可以看出，聚丙烯纤维掺量对复合保温材料的密度和导热系数影响甚微，试样的密度基本保持在299kg/m3,导热系数为0.069 8~0.069 9W/(m·K)。
2.3聚丙烯纤维表面改性对复合保温材料性能的影响
聚丙烯纤维表面改性对复合保温材料力学性能和软化系数的影响见图2,3.
由图2可知，聚丙烯纤维分别经碱处理和VAE乳液包覆改性处理后，可使复合保温材料试样A和试样C的抗折强度由未改性处理试样P5的0.62MPa分别提高到0.71,0.98MPa,增加了14.52%和58.06%;试样A和试样C的抗压强度由试样P5的1.47MPa分别提高到1.53,1.62MPa,增加了4.08%和10.20%.
由图3可以看出，经碱处理的聚丙烯纤维对复合保温材料的软化系数基本没有影响，而经VAE乳液包覆改性处理的聚丙烯纤维可使复合保温材料的软化系数由未改性处理试样P5的0.40增大到0.45,提高了12.50%.由此可知，对聚丙烯纤维进行碱处理和包覆改性处理均可明显改善玻化微珠复合保温材料的抗折强度.
对比2种表面改性处理方式的效果，发现经VAE乳液包覆改性处理的聚丙烯纤维对复合保温材料力学强度和软化系数的提高作用均明显优于经碱处理的聚丙烯纤维.聚丙烯纤维表面处理方式对复合保温材料密度和导热系数的影响不大.复合保温材料试样A和试样C的密度和导热系数与未改性处理试样P5相比均无明显变化，3种复合保温材料试样的密度和导热系数基本上保持在299kg/m3和0.069 9W/(m·K)左右.
2.4聚丙烯纤维表面改性效果分析
聚丙烯纤维的表面改性提高了玻化微珠复合保温材料力学强度和软化系数，但纤维表面处理方式的增强效果明显不同.为研究聚丙烯纤维表面处理方式对复合保温材料增强效果的差异，利用SEM对纤维微观形貌(图4)进行观察.
由图4可见，未经表面改性处理的聚丙烯纤维表面光滑洁净，纤维比表面积较小;经碱处理后的聚丙烯纤维表面出现一些点状物和凹痕，粗糙度明显提高，比表面积增加，表面能提高;经VAE乳液包覆改性处理的聚丙烯纤维表面改性效果最为明显，表面包覆了1层乙烯与醋酸乙烯共聚物(EVA)，呈现凹凸不平的形貌，纤维与基体材料的接触面积显着增大，改善了纤维与基体的界面吸附及结合状况.
聚丙烯纤维在碱处理的过程中，纤维表面的杂质被侵蚀溶解，原来的杂质位置上留下微小孔隙;当纤维在VAE乳液中充分搅拌时，乳液中的EVA容易吸附在不光滑的纤维表面上，与纤维形成较为牢固的结合.EVA带有的极性基团及凹凸不平的表面，均可提高其与体系中胶凝材料(水泥、石膏和粉煤灰)水化产物及聚乙烯醇缩甲醛胶的界面结合，从而改善复合材料的界面性能.
根据复合保温材料成型工艺的特点，物料经搅拌和施胶后，玻化微珠和聚丙烯纤维表面均黏附着1层水泥、粉煤灰、石膏颗粒及聚乙烯醇缩甲醛胶的混合物，经模压成型后这些混合物间相互黏合，通过胶凝材料的水化形成一体.基体材料中的水泥熟料矿物和石膏通过水化反应生成AH3凝胶、C-S-H凝胶、钙矾石及CaSO4·2H2O等水化产物，水化过程中释放的Ca(OH)2与粉煤灰中的活性组分发生反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等.
同时，随着胶凝材料水化过程的进行及水分的蒸发，体系中的聚乙烯醇缩甲醛胶在毛细孔表面、玻化微珠-水化产物界面和聚丙烯纤维-水化产物界面的局部发生絮凝而形成聚合物膜，聚合物膜中的极性基团与水化产物和EVA中的极性基团相互键合，增强了基体与玻化微珠、聚丙烯纤维的界面结合，减少了微裂纹在界面上的发生，宏观上表现为复合保温材料力学强度和耐水性能的提高.
2.5聚丙烯纤维对玻化微珠复合保温材料的增强机制
聚丙烯纤维在玻化微珠复合保温材料体系中分布均匀，在三维方向上呈乱向分布，形成网络骨架，可起到分散应力的作用.均匀分布在体系中的单丝纤维可承受材料因干燥收缩及吸水膨胀而产生的应力，降低裂纹产生的概率.在材料的破坏过程中，纤维可以消耗裂纹发展过程的能量，纤维的`界面破坏、拉长和拔出均会消耗一定的裂纹能量，减弱裂纹尖端的应力集中作用，阻碍裂纹的生长和发展，增大了造成材料破坏所需要的能量[3-6].裂纹在材料中的发展过程如图5所示.
混合料经模压成型、胶凝材料水化而形成一体，但在玻化微珠与聚丙烯纤维及玻化微珠之间会形成一定的微小孔隙(见图5(a));在外力作用下，这些微小孔隙处因应力集中而产生微裂纹，微裂纹沿基体扩展到纤维和玻化微珠与水化产物的界面处(见图5(b),(c))，裂纹的能量在界面处发生流散，此时，裂纹能量的流散主要在于界面处键能的破坏和界面的剥离;在外界应力的持续作用下，部分裂纹穿透纤维或玻化微珠，造成纤维局部的拉长和拔出，以及玻化微珠和基体的破裂(见图5(d),(e))，导致材料发生破坏、断裂.
图6为复合保温材料试样P5和试样C断口形貌的SEM照片.
由图6可以看出，试样P5断口处纤维表面较为光滑，只有少量的水化产物附着在上面;试样C断口处聚丙烯纤维表面包覆有大量的水化产物，只在局部发生脱黏.VAE乳液包覆改性聚丙烯纤维与基体的界面结合较好，有利于聚丙烯纤维在复合保温材料中强度的挥发，提高了复合保温材料的力学强度和耐水性能。
3结论
(1)聚丙烯纤维掺量为1.0%时，可改善玻化微珠复合保温材料的力学性能，尤其是复合保温材料的抗折强度得到显着提高，试样的抗折强度和抗压强度较空白试样分别提高了93.75%和7.30%.
(2)聚丙烯纤维经碱处理和VAE乳液包覆改性处理后均可改善纤维与基体的界面结合状况，从而能进一步提高复合保温材料的性能，其中纤维经VAE乳液包覆改性的效果更好.在最佳聚丙烯纤维掺量下，经VAE乳液包覆改性处理后的聚丙烯纤维复合保温材料试样的抗折强度和抗压强度达0.98,1.62MPa,较未改性处理试样分别提高了58.06%和10.20%,软化系数提高了12.50%.
(3)与碱处理改性方式相比，VAE乳液包覆改性处理使聚丙烯纤维表面包覆了1层EVA,形成了带有极性基团并凹凸不平的表面，增大了纤维与基体材料的接触面积，改善了纤维与基体的界面吸附及结合状况
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