芳纶纤维（共7篇）
芳纶纤维 篇1
传统的提高钢筋混凝土桥梁承载能力的方法包括桥面铺装补强层加固法、增大截面和配筋加固法、锚喷混凝土加固法、体外张拉预应力加固法、粘贴钢板(钢筋)加固法、改变结构受力体系加固法、增设纵梁加固法、增加横向联系加固法以及近几年刚刚兴起的粘贴碳纤维布加固法。在大运公路介休—霍州段一级公路改建工程中,位于K15+048.4处景家沟旧桥下部利用,在上部拆除后发现2号墩出现裂缝,根据专家咨询组意见以及建设项目部研究采用碳纤维布加固可以满足设计要求;后又经比较采用了抗动荷载、抗疲劳性能较好的芳纶纤维布。
1 加固方案
1.1 加固思路及加固材料的选择
景家沟桥(桩号K15+048.4)原桥上部结构为4-13 mm装配式钢筋混凝土空心板桥,下部结构为柱式墩,扩大基础,桥面宽9.0 m+2×0.5 m,旧桥设计荷载:汽—20,挂—100。在2005年9月勘测设计时确定为旧桥利用,同时左侧再新建一座4-13 m的预应力钢筋混凝土空心板桥,柱式墩、肋板式台、灌注桩基础;在今年开工后,发现旧桥上部已严重损坏不能利用,变更为拆除并新建旧桥上部,利用下部;施工中上部拆除后又发现2号左墩出现裂缝,经多方咨询后采用了抗动荷载、抗疲劳性能较好的芳纶纤维布。
本次加固材料采用某工程科技有限公司生产的路威2008 AFS-60芳纶纤维布。
1.2 加固计算和解决方法
1.2.1 计算参数
桥面重:混凝土铺装19.01 m3,沥青混凝土铺装8.87 m3,防撞墙7.42 m3,5.76 m3×6(中板),6.8 m3×2(边板);
盖梁尺寸:10.6 m×1.1 m(高)×1.2 m(宽),倒角1.9 m×0.64 m,体积12.533 m3;
墩柱混凝土标号C25,因为使用时间较长,计算按C20取值,查表得fc0=9.6 MPa;柱长l=4 m,d=1.0 m。
1.2.2 墩柱加固计算
对于轴心受压的钢筋混凝土柱,应采用无间隔环向连续粘贴芳纶纤维片材的方法进行加固,对于圆形柱(l/d=4/1≤12),符合下面采用粘贴芳纶纤维片材进行加固的公式:
N≤0.9(fco+4σ1)Acor+f′yoA′so。
σ1=0.5βckcρfEfεfe。
ρf=4nftf/D。
经计算,墩柱受到的实际静载为N=1 152 kN,忽略钢筋对墩柱的受压承载力,原设计混凝土的承载力为N1=0.9(fcoAcor)=8 412 kN,可知原设计是比较保守的,但由于年久老化,损失了大部分,而且混凝土发挥作用的前提是墩柱混凝土没有剥落,有很好的整体性,而芳纶布的环向应力能够很好的发挥混凝土作用。
加一层AFS-60,可提高N2=0.9(4σ1·Acor)=816 kN,与设计混凝土承载力相比提高9.7%;加两层AFS-60,可提高N2=0.9(4σ1·Acor)=1 632 kN,与设计混凝土承载力相比提高19.4%。
从以上对比可以看出,加两层AFS-60更符合安全的要求。
1.2.3 盖梁加固计算
引用GB 50367-2006混凝土结构加固设计规范中的计算方法如下:
在矩形截面受弯构件的受拉边混凝土表面上粘贴纤维复合材进行加固时,其正截面承载力应按下列公式确定:
M≤a1fcabx(h-x/2)+f′yoA′so(h-a′)-fcaAso(h-h0) (1)
a1fcabx= fyoAso+ψfff-f′caA′so (2)
x≥2a′ (4)
加固设计时可根据式(1)计算出混凝土受压区高度x,并按式(3)计算出强度利用系数ψf,并代入式(2),即可求出受拉面应粘贴的纤维复合材的有效截面面积Afe;然后按本规范的规定换算为实际应粘贴的纤维复合材截面面积Af,设其配筋率为1.5%,则As=13 200 mm2,受拉钢筋强度fy=300 N/mm2,根据正截面受压计算原理,力平衡条件得:
a1fcbx=fyAs。
由力矩平衡条件得:
MU=fyAs(h0-x/2)。
求得:
MU=3 072 kN/m。
假设要求弯矩提高18%,则MU=3 624 kN/m,要满足上述条件,由以上公式得,芳纶的截面积为579 mm2,即梁底满铺两层AFS-60。
如弯矩提高13%,则要求的芳纶截面积为270 mm2,即梁底满铺一层AFS-60。
从以上对比可以看出,加两层AFS-60更符合安全的要求。
1.2.4 加固方案
1)在盖梁底部铺设两层AFS-60芳纶纤维布,铺设范围为满铺;盖梁顶部负弯矩部分满铺芳纶布并在两侧延伸50 cm;盖梁侧面铺设两层AFS-60芳纶纤维布,铺设范围为两墩柱之间的盖梁部分,从两墩柱到盖梁中心每隔25 cm铺设1条宽为30 cm的芳纶纤维布,连续铺设5条U形芳纶纤维布。
2)首先对墩柱裂缝进行环氧树脂注浆做封闭处理,然后再在墩柱上环向满铺两层AFS-60芳纶纤维布。
芳纶布加固构造图见图1。
2 加固措施
2.1 施工工艺
1)施工程序。
材料进场及保管→准备工作:整理施工场地→表面处理,使之干净、干燥,然后用环氧树脂进行灌缝处理→涂底胶:确定构件表面干净、干燥,调配底胶,涂布底胶→粘贴芳纶纤维布→外层防护→设备复原。
2)施工程序概要。
a.使用材料要在不影响材料品质的情况下妥善保管。纤维布及树脂应存放于干燥、阴暗、通风的地方,且避免阳光直射。b.施工前准备,搭设脚手架等。c.表面处理。处理的原则是避免混凝土表面凹凸不平,使之干净、干燥;构件表面由施工模板搭接引起的不平整,应做处理;打磨后用清洁布将表面擦干净。d.涂布底胶。涂底胶前要确认混凝土的表面干净、干燥;底胶要按照一定的比例混合,充分搅拌使其均匀混合;每次调配的底胶应尽可能在规定时间内用完;用刮刀将底胶均匀地涂在施工面上;底胶的使用量要以产品的规定使用标准为基准;底胶指触干燥之前应采取适当的保护措施,避免表面沾上尘土、砂石等杂质。e.芳纶纤维布粘贴。涂底层浸渍树脂,应确认底胶表面已经指触干燥,并除去附着水分;纤维布要按设计图纸剪成适于粘贴的长度,剪裁后应打卷并放置稳妥备用,在底胶涂好后再展开,匀速推平;浸渍树脂要按一定的比例混合,充分搅拌使其均匀混合,注意少量调配,以确保能及时用完;每次调配的树脂应在规定时间内用完;将树脂均匀涂在施工作业面,涂量必须保证树脂能很快浸透纤维布;涂底层浸渍树脂后,立即将纤维布粘贴上去,用滚筒在纤维布表面滚动使纤维布与树脂紧密粘结,树脂与纤维布之间不能夹空气或其他杂质;纤维布已经充分浸透底层树脂后,再涂一层浸渍树脂,要注意均匀涂刷,完全覆盖;浸渍树脂指触干燥前,应采取适当的保护措施。
2.2 注意事项
芳纶纤维布施工时,必须采取有效措施,防止环氧树脂系列的环境污染、吸入人体等危害。使用底胶、浸渍树脂等环氧树脂或作业空间狭小时,必须采取一定措施,防止树脂污染环境、危害人体,保障人员安全,细则详见产品标签。
3 结语
目前危桥改造、加固方案众多,粘贴芳纶纤维布加固法是其中一种加固方法;同行们在进行危桥改造、加固时,要根据危桥的实际情况,合理选择加固方案。以上是本人对芳纶纤维在桥梁加固方面的施工经验,供广大同仁在使用芳纶纤维加固桥梁施工时借鉴,不当之处,敬请同行和专家们提出宝贵意见。
摘要：结合芳纶纤维在桥梁加固方面的成功经验,对其加固材料的选择、加固计算及加固方案作了论述,就具体的加固措施进行了总结,通过这些加固措施的实施,从而实现桥梁的加固效果,提高桥梁的质量。
关键词：桥梁,芳纶纤维,加固,施工方案
参考文献
[1]GB 50367-2006,混凝土结构加固设计规范[S].
[2]JT/T 531-2004,桥梁结构用芳纶纤维复合材料[S].
[3]朱扬,廖江山.桥梁维修加固方法综述[J].山西建筑,2008,34(7):339-340.
芳纶纤维 篇2
芳纶纤维全称为“聚对苯二甲酰对苯二胺”(缩写为PPTA，商品名Kevlar)，是一种新型高科技合成纤维，具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、热稳定性好、良好的绝缘性和抗老化性能、生命周期长等优异性能[1]。与其它增强塑料管相比，采用经特殊处理的芳纶纤维布作增强材料的塑料管有其独特的综合性能，它重量轻、强度高、抗腐蚀、耐疲劳、柔性好，可以满足更为广泛的使用要求[2,3,4,5,6]。本文讨论的是采用化学改性处理的芳纶纤维布作为增强材料[3]，双酚F环氧树脂与双酚A环氧树脂混合树脂作为基体材料的复合材料生产高压开关操纵杆用的绝缘拉杆的配方优化，以获得机、电、热综合性能优异的制品。
2 芳纶纤维增强绝缘拉杆的要求
该芳纶纤维增强绝缘拉杆是应用于110kV电压等级及以上的以SF6气体作为绝缘介质的高压开关中作高、低压绝缘的操纵杆用的绝缘件，其结构特点是细而长，且开断操作频繁，因此要求具有非常高的电气绝缘性能和机械强度，重量轻、蠕变小、静、动态抗疲劳性能好。这就要求制品的基体树脂的玻璃化温度高，且制品不允许存在任何缺陷，从外观的高要求如：颜色均一、表面平整光滑、光泽好、无杂质、无损伤等，到内部质量的高要求如：环氧树脂的渗透性好、环氧树脂与芳纶纤维之间的结合界面不分离、以及芳纶纤维与芳纶纤维之间不离层等。因此要从芳纶纤维的处理、环氧树脂的配方选用、浇注及其固化的整个过程都必须严格地控制。以下就环氧树脂的配方对芳纶纤维增强环氧树脂复合材料绝缘拉杆的质量的影响进行分析，选择适合的配方进行生产。
3 试验
3.1 主要原材料
双酚A环氧树脂DYD-128，大连齐化化工有限公司;双酚F环氧树脂EP862,HEXION;甲基四氢苯酐SH-905，本厂自制;改性咪唑2E4MZ，日本四国化成。
3.2 主要仪器
NDJ-79型旋转粘度计，测试环氧树脂浇注混合料的粘度;WE-30型液压式万能材料试验机，测试制品的拉伸强度;METTLER的DSC822e差热分析仪，测试环氧树脂固化物的玻璃化转变温度;YDTCW-600/2×300工频试验变压器和JF-9801局部放电测试仪，测试制品的工频耐压和局部放电量。
3.3 试验方法
3.3.1 制品的制备
采用芳纶纤维缠绕在钢模芯上并合上钢外模，用环氧树脂混合浇注料对钢模进行全真空浇注，浇注完毕转入烘箱进行加温固化成型，脱模后对两端面进行加工，再安装铝金属嵌件。通过调整环氧树脂浇注混合料的配方，并对制品的各种性能进行测试并综合分析，从中筛选出最佳的环氧树脂浇注混合料的配方进行生产。
3.3.2 测试环氧树脂浇注混合料粘度的方法
按环氧树脂浇注混合料的配方进行准确配料，混合均匀后，并控制混合料的温度恒定于制品固化成型时的渗透阶段的温度，采用NDJ-79型旋转粘度计进行粘度监测，模拟固化成型过程中的渗透阶段，连续监测4小时，每半小时记录一次。
3.3.3 测试制品拉伸强度的方法
把制品两端的铝金属嵌件分别用特制的工装固定于万能材料试验机的下横梁和工作台中的契形夹具上，保持制品垂直进行慢速拉伸，记录破坏时的拉伸力(有破坏的响声出现，即使没有拉断或树脂与金属嵌件分离的现象出现，也视为破坏)。
3.3.4 测试环氧树脂固化物的玻璃化转变温度的方法
在制品固化物的上端部取样，注意避免取最上部的样品，以免因分相而导致样品失去代表性，用METTLER的DSC822e差热分析仪进行DSC分析固化物的玻璃化转变温度Tg。
3.3.5 测试制品的工频耐压和局部放电量的方法
把制品安装在模拟使用条件的工装中，并充以制品在使用中规定的最低使用压力的SF6气体，对制品(额定电压为150kV)施加规定值325kV的工频耐压，历时1min，再分别降至测量局部放电的电压值170kV和118kV，测量制品的局部放电量。
4 结果与分析
4.1 环氧树脂浇注混合料的配方
分别采用了4种环氧树脂浇注混合料的配方进行绝缘拉杆浇注和固化成型，配方如表1所示。
4.2 各种环氧树脂浇注混合料配方的粘度
分别把各种原材料放置于70℃±2℃的恒温烘箱中约1小时后再配料，并把旋转粘度计的温度恒定于70℃±2℃，按配方要求准确配料，测量各种环氧树脂浇注混合料配方的初始粘度，并记录4小时内粘度的变化趋势，不同时间记录不同配方的粘度值并绘制成时间-粘度变化的曲线如图1所示。
4.3 各种配方的性能
制品固化成型后，取样测试固化物的玻璃化转变温度Tg，安装好铝金属嵌件后，测试制品的机械强度(拉伸强度)和电气性能(工频耐压试验和局部放电量)，所有的性能如表2所示。
4.4 结果分析
从结构上分析，与双酚A环氧树脂相比，双酚F环氧树脂具有较低的粘度，其主要原因是双酚F环氧树脂中的亚甲基(-CH2-)比双酚A环氧树脂中的亚丙基有更大的旋转自由度(7,8)。且由于双酚F环氧树脂的亚甲基比双酚A环氧树脂的亚丙基的位阻小，因此双酚F环氧树脂与固化剂反应时环氧基的反应活性高于双酚A环氧树脂，即双酚F环氧树脂固化物的交联密度高，使固化物的刚性、热变形温度、热态机械性能、电绝缘性能和耐化学性能都提高了，这些性能的优越性可从表2中的各项性能比较中体现出来。
从图1的粘度-时间曲线可看出，所有配方的初始粘度都较低，而相较之下，配方1的粘度最高，且粘度随时间的增加粘度增长较大(即粘度增长速度快)，配方2次之，配方3和配方4的粘度最低，且粘度增长速度也慢。环氧树脂浇注混合料的粘度增长快不利于环氧树脂对芳纶纤维的渗透，由于芳纶纤维与环氧树脂的亲和性比玻璃纤维差，且为了得到较高的机械强度，必须提高芳纶纤维增强环氧树脂复合材料中芳纶纤维的含量，因此对于该制品的芳纶纤维卷绕工艺要求卷制较紧，当环氧树脂浇注混合料的粘度大于1500mPa·s后，基本上不能再渗透到芳纶纤维的内部，即在固化工艺中设定的4小时渗透阶段内没有发挥到使环氧树脂浇注混合料充分渗透到芳纶纤维内部的作用，因此配方1不适用于该制品的生产，且从表3的试验结果显示，配方1的固化物的玻璃化转变温度Tg较低，当该制品在运行中通电且频繁动作而发热时，机械强度损失较大，可能导致潜在的危险;且该配方的拉伸强度本身就较低，电气性能也不理想，从微观的角度分析，应该是芳纶纤维内部没有被环氧树脂浇注混合料充分渗透，存在微小的纯纤维区域，纯纤维本身若没有基体的粘合其机械强度和绝缘性能是不能体现的，因此该配方的制品的强度较差，而纯纤维区域相当于存在内部的局部微小缺陷，因此局部放电量也相应较大。配方2的粘度增长虽没有配方1快，但对于渗透性来说也是不足的，且其固化物的玻璃化转变温度Tg只有约95℃，对于该类操作频繁的操作拉杆来说也是不能满足要求的，因此虽然拉伸强度比配方1大，电气性能也合格，但并不是最佳的方案。配方3和配方4的玻璃化转变温度Tg、机械性能和电气性能基本一致，且结果较理想，但从粘度-时间曲线分析，配方4的粘度变化很平缓，即4小时后粘度基本没有多少增长，说明该配方在4小时内基本上未开始反应，该论点可从固化时间得到证实。该制品的固化工艺为：70℃/4小时(渗透阶段)→80℃/2小时(温度变化缓冲时间)→90℃/8小时(前固化阶段)→140℃/12小时(后固化阶段)。配方3的凝胶时间为8小时，初固化时间为10小时，配方4的凝胶时间为12小时，初固化时间为15小时，从生产效率和生产成本方面考虑配方4是没有优势的。因此，从耐热性能、机械性能和电气性能等方面综合考虑，配方3和配方4的结果较理想，而兼顾生产效率及生产成本的因素考虑，则配方3最优化。
5 结论
环氧树脂浇注混合料配方的粘度低且粘度增长速度慢有利于环氧树脂混合料对芳纶纤维的渗透，可采用双酚F环氧树脂部分取代双酚A环氧树脂来降低配方的粘度，而采用调整促进剂的用量来调节粘度增长速度，但粘度增长速度太慢却会导致生产效率低和生产成本高，因此配方设计要兼顾初始粘度和粘度增长速度，并要有较高的玻璃化转变温度。有了优化的配方，配合适当的工艺参数，才能生产出各种性能(耐热性能、机械性能和电气性能)优越的制品。
参考文献
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[2]魏家瑞,唐爱民,孙智华.超声波预处理对对位芳纶纤维结构的影响[J].材料工程,2009(4):61-66.
[3]李同起,王成扬.影响芳纶纤维及其复合材料性能的因素和改善方法[J].高分子材料科学与工程,2003(5):5-9.
[4]赵稼祥.美国Kevlar布性能测试分析[J].纤维复合材料,1994(2):32-39.
[5]凌育赵,严志云.提高芳纶纤维与橡胶界面粘合性能的方法[J].橡胶工业,2006,53(8):507-511.
[6]李萍,陈博.用于碳纤维和芳纶纤维的创新技术[J].玻璃钢,2005(3):41-47.
[7]孙勇,施宁.双酚F环氧树脂的合成和性能[J].上海涂料,1992(4):20-26.
芳纶纤维加捻工艺参数的数学分析 篇3
由于目前所报道的芳纶纤维加捻与其拉伸性能的关系均是根据试验测试结果进行统计获得的,缺乏科学系统的理论论证,因而实际应用中面对市场上种类、牌号纷杂的芳纶纤维,难以以此确定一个较为准确的加捻最优方案。为此,本文主要通过对芳纶纤维加捻与其拉伸性能关系进行数学建模以及定量分析,以期在不同种类、规格的芳纶纤维进行加捻时,能够起到一定的指导作用。
1 加捻时的工艺参数
所谓加捻是使芳纶纤维股线的两个截面产生相对回转。通常采用捻度或捻系数来衡量芳纶纤维股线的加捻程度。捻度n是指单位长度内芳纶纤维股线的捻回数,其中加捻角扭转一圈为一个捻回。在相同捻度下,较粗的芳纶纤维股线的倾斜程度大于较细的芳纶纤维股线,因此捻度不能用来比较不同粗细芳纶纤维股线的加捻程度。捻系数λ是由捻度n和芳纶纤维股线的线密度Nt计算而得,用于比较不同粗细芳纶纤维股线的加捻程度,其计算公式为:
芳纶纤维股线纤维的扭转角度α,即芳纶纤维单丝与股线轴向的夹角可按下式计算:
式中d为芳纶纤维股线的直径(假设芳纶纤维股线是由标准的圆形芳纶纤维单丝紧密排列而成的),h为捻距,ρ为芳纶纤维材料密度。从上式可见,加捻时外层芳纶纤维单丝的扭转半径和扭转角度均较大,而内层芳纶纤维单丝的扭转半径和扭转角度则相对较小。将式(1)、式(3)、式(4)代入式(2),可得:
根据上式可知,在芳纶纤维材料一定时,芳纶纤维股线的扭转角度随着捻系数λ的增大而增大。
2 加捻对芳纶纤维拉伸性能的影响
根据相关文献报道,芳纶纤维的拉伸性能(拉伸强度、断裂伸长率、拉伸模量)与其捻度及加捻工艺存在密切的关系。
2.1 纤维强度利用率和断裂强度
加捻时,芳纶纤维单丝之间以一定的角度扭绞在一起,当芳纶纤维股线受拉力作用时,纤维单丝会产生一定的向心压力(向心抱紧力)。在一定的捻度范围内,在加捻产生的向心压力的作用下,加捻股线受到拉伸作用逐渐收紧,芳纶纤维单丝受拉伸应力的均匀程度提高,从而增加纤维强度的利用率,使芳纶纤维股线拉伸强度增加。芳纶纤维的抗拉强度及模量较高,断裂伸长率较低,这使其在受到拉力作用时,即使芳纶纤维单丝上只有一点受力不均,芳纶纤维股线整体强度也会产生明显下降。当加捻后芳纶纤维股线受力拉伸时,在向心抱紧力的作用下,芳纶纤维单丝之间会形成一定的摩擦力,阻止芳纶纤维单丝之间相互滑移,避免芳纶纤维单丝从其强度薄弱点首先断裂,使各纤维单丝在受力状态下变形趋于一致,形成合力,提高了芳纶纤维股线整体的断裂强度。芳纶纤维单丝加工完成后合股和使用时选用的芳纶纤维单丝长度不可能完全一致,这必然会产生一定的长度偏差,导致芳纶纤维受力不均,产生强度下降的现象。此时,通过加捻时的工艺控制,使芳纶纤维在扭绞过程中进行重新排列,加捻时各纤维单丝会受到一定的加工应力,长度较短的纤维受到的应力较大,长度较长的纤维受到的应力则较小。同时,由于纤维加捻时内层纤维产生的形变伸长会比外层纤维小,在加工应力的作用下可使长度较短的纤维更趋向于股线的内层,长度较长的纤维则排列在股线的外层。从总体上看来,就是芳纶纤维股线整体各纤维单丝的应力水平和变形量都趋于一致,在股线加捻纤维间产生的向心压力的作用下,芳纶纤维拉伸时更容易形成合力,从而增加了加捻线的拉伸强度。
但在加捻过程中芳纶纤维会弯曲和扭转,芳纶纤维模量较高、断裂伸长率较低、不耐折、较脆,这些材料特性导致其内部分子链结构容易受剪切作用而受损,从而造成强度下降[1]。同时,随着捻系数进一步增加,芳纶纤维股线的扭转角度也增加,当芳纶纤维股线受拉力作用时,芳纶纤维单丝产生的拉伸应力σ沿股线轴向的分量σx减小,也会造成强度下降。σx=σcosα,σy=σsinα,其中σy为芳纶纤维单丝的切向拉伸应力。图1为σx/σ与芳纶纤维股线捻系数λ的关系曲线。从图中可见,随着λ的增加,σx/σ逐渐减小,当λ=300时,σx/σ≈0.95。σx/σ也可以看成芳纶纤维单丝加捻后,在不考虑加工缺陷下,实际强度与最大理论强度的比值。由于图中未考虑在加捻过程中纤维的捻回扭曲对芳纶单丝微观结构造成损伤而产生的强度损失,因此实际的强度下降幅度应更大一些。
加捻时上述两类相反因素的共同作用结果是:当捻系数较小时,随着捻系数的增加,加捻的芳纶纤维股线与芳纶纤维单丝相比,断裂强度逐渐上升;当捻系数在100～200时,芳纶纤维股线断裂强度呈现出较为明显的波峰,芳纶纤维强度利用率较高(80%～90%),当捻系数为150左右时,芳纶纤维强度利用率达到最高;在此之后随着捻系数的增加,芳纶纤维股线的断裂强度反而下降。这与其他高强度纤维纱线加捻时的强度变化规律相类似[2]。芳纶强度利用率w可按下式计算:
式中Pyb为芳纶纤维股线断裂强度,单位为N;Pfb为芳纶纤维单丝抗拉强度,单位为cN/dtex。
2.2 拉伸模量和断裂伸长率
加捻在提高芳纶纤维股线强度的同时,也导致了芳纶纤维股线拉伸模量的降低以及断裂伸长率的增加,产生这种现象的原因是加捻时的捻回角使芳纶纤维单丝的长度大于股线本身的长度,并且随着捻度增大容易在股线中心形成捻缩,这导致芳纶纤维股线在受到拉伸应力时产生额外的伸长。在捻度较低的时候,芳纶纤维股线的拉伸模量和断裂伸长率的变化较为平缓,当捻度增大到一定时,它们的变化速度就会增加。但在大多数情况下芳纶材料的使用者并不希望这种情况的发生,例如芳纶纤维作为光、电线缆的增强材料时,我们总是希望芳纶纤维股线在具有较高强度的同时,保持较高的拉伸模量以及较低的断裂伸长率。对此,我们在制定工艺时,必须同时考虑加捻对拉伸模量和断裂伸长率的影响。
3 数学分析
芳纶纤维单丝在加工过程中难以完全保证单丝之间加工的完全一致性,加工时的不均匀性会导致单丝上分布着一定数量的强度薄弱点,一旦受力往往首先在这些强度薄弱点处发生断裂,使芳纶纤维单丝不能达到其最大抗拉强度。假设这些强度薄弱点是均匀分布在芳纶纤维单丝上,强度薄弱点处的强度为σmin,正常(最大)强度为σmax,它们的断裂伸长率相同,在弹性形变的范围内材料的弹性模量一定,根据虎克定律,芳纶纤维单丝在受到拉伸应力时其强度薄弱点处受到的应力σ2与强度最大处受到的应力σ1之比是恒定的,即
如图2所示,芳纶纤维单丝在股线切向上的包角为β,加捻后芳纶纤维单丝之间产生的抱紧力,即芳纶纤维单丝成股时的向心压力为N,N的大小与芳纶纤维在股线切向分力σy有关,当芳纶纤维股线受到拉伸时,向心压力N会使芳纶纤维单丝之间形成摩擦力f,芳纶纤维单丝两端受到的切向拉伸应力分别为T1和T2,T1=σy1=σ1sinα,T2=σy2=σ2sinα。
选定芳纶纤维股线中芳纶纤维单丝上的一微元线段dl为研究对象,设dl对应的圆心张角为dθ,该微元线段dl共受到4个力的作用,即法线方向股线对纤维的支持力dN、纤维与股线之间的摩擦力df、微元两端的张力T(θ)=T及T(θ+dθ)=T+dT,在股线静止受力情况下,微元线段所受的4个力的合力应为零,即在法线和切线方向上为:
式中df=μ0dN,μ0为芳纶纤维单丝之间的静摩擦因数。当dθ趋于零时,,忽略高阶无穷小,则:
芳纶纤维单丝应力的变化规律为:
式中m为芳纶纤维单丝单位长度上的强度薄弱点数量。可见,为阻碍芳纶纤维单丝在其强度薄弱点处的断裂,单丝之间必须形成足够大的摩擦力,摩擦力f的大小主要由芳纶纤维单丝之间的静摩擦因数μ0和芳纶纤维单丝切向上的包角β决定。芳纶纤维单丝强度薄弱点与强度最大处之间的包角则与芳纶股线加捻时纤维的扭转角度α和强度薄弱点在纤维单丝上的分布密度有关。由上式可得:a.当时,芳纶纤维单丝之间产生的摩擦力偏小,芳纶纤维股线的强度为,其中η为纤维的捻回扭曲对芳纶单丝微观结构造成损伤而产生的强度损失系数。当捻系数λ=0时,α=0,β=0,σ=σmin,股线强度等于其薄弱点的强度。b.当时,芳纶纤维单丝之间产生的摩擦力达到最佳,正好可以弥补芳纶纤维薄弱点处的强度差异,芳纶纤维股线的强度时,芳纶纤维单丝之间产生的摩擦力偏大,芳纶纤维股线的强度σ=σminηcosα,此时芳纶纤维股线的强度将取决于纤维加捻时产生的强度损失系数。
以上分析是针对芳纶纤维股线最外层的芳纶纤维单丝,对于芳纶股线的内层纤维,因其同时还受到外层纤维的向心压力,故产生的摩擦力也相对较大,但其变化的基本规律是一致的,同样可采用上述类似的方法进行分析。
4 结论
由以上分析可以得出,对于一定材料及规格的芳纶纤维股线加捻时,当捻系数为零时,芳纶纤维股线强度只能达到芳纶纤维单丝薄弱点处的断裂强度;当捻系数较小,芳纶纤维单丝之间无法形成足够的摩擦力,会导致纤维在强度薄弱点处首先断裂,无法达到较高的强度利用率;随着捻系数逐渐增大,达到一定值时,芳纶股线强度逐渐接近其最大理论强度;当捻系数继续增加,将会导致纤维受力分散以及纤维受损,同样会降低纤维强度利用率,反而降低芳纶股线强度。
芳纶纤维股线的最佳捻系数并不是固定不变的,而是与芳纶纤维的种类和规格有关,并且具有一定的变化规律:a.对于相同规格的芳纶纤维股线,捻系数越大,包角β越大,单丝之间产生的摩擦力越大,当芳纶纤维单丝强度薄弱点强度较低时,需要较大的捻系数。b.对于相同规格的芳纶纤维股线,纤维单丝上强度薄弱点的数量越多,需要的捻系数越大。c.对于相同种类的芳纶股线,当股线单纱线密度较大时,股线直径也较大,包角β减小,单丝之间产生的摩擦力较小,需要的捻系数较大。d.对于不同种类、相同规格的芳纶纤维股线,纤维之间的静摩擦因数越大,单丝之间产生的摩擦力越大,需要的捻系数越小。
参考文献
[1]晋丽.加捻对芳纶帘线强力影响的研究探讨[J].产业用纺织品,2008(6):21-23.
芳纶纤维 篇4
1 试验概述
在工程中,常常遇到有些混凝土板承载力、裂缝宽度、挠度等不满足要求的情况,有必要对其加固,以满足各项需要。本文着重对芳纶纤维(AFRP)加固钢筋混凝土板前后承载力、裂缝数量、挠度等各方面的加固效果进行了研究并提出了计算模型
2 试件准备及加固方案
本次试验预制钢筋混凝土板4块。
2.1 材料性能
混凝土为构件厂配置,设计强度为C20,实测力学性能见表1,钢筋的力学性能见表2。加固用芳纶纤维布性能见表3。
MPa
MPa
2.2 加固方案
本次试验预制钢筋混凝土板4块,其中RCP-1,RCP-2为参照板,未进行加固,RCP-3,RCP-4为加固板,具体加固情况见图1。
3 试验方法
加载方式采用八点加载,以模拟板受均布荷载的情况。试验采用DH3815N数据采集系统,每次采集间隔时间为2 s。加载设备为50 t静载加载装置,每次荷载增加1 kN。具体加载方案见图2。
4 试验结果
4.1 裂缝特征
钢筋混凝土梁在各级荷载下的裂缝数量、最大裂缝宽度见表4。从以下数据可以看出,芳纶纤维加固对混凝土板的初裂荷载应稍有提高。随着荷载的增大,加固后的混凝土板上裂缝数量逐渐增多,且由板中间逐渐向板端发展,裂缝间距离较均匀。当荷载相同时,采用芳纶纤维加固后的板产生的裂缝条数少于参照板,且其最终破坏时裂缝宽度较小,不超过0.5 mm。
4.2 荷载—挠度曲线
本次试验记录了加固试件与对比试件在各级荷载作用下的挠度情况,见图3。由荷载—挠度曲线可以看出,在加荷的初期,由于芳纶纤维应力滞后,加固与否对挠度的影响不大,但随着荷载的增加,芳纶纤维逐渐发挥了作用,从而对挠度产生明显的影响,相同荷载条件下,加固板的挠度远小于参照板。参照板在荷载加到40 kN时破坏,而加固板在加载到40 kN后,荷载还继续增长,一直增长到85 kN左右,此时混凝土板的挠度已达到65 mm。总之,采用芳纶布加固混凝土板极大地提高了其承载力,并改善了混凝土板的延性。
5 理论计算
由于芳纶纤维布的应力—应变关系为线弹性关系,且混凝土的应力—应变关系为[6]:
芳纶纤维加固混凝土梁的承载力计算模型如图4所示。
图4中,σf,Af分别为芳纶纤维片材应力和面积;C为受压区混凝土的合力,其大小为:
由力的平衡条件可得:
由力矩平衡条件可得:
6 结论与展望
1)芳纶纤维加固混凝土板可以显著提高混凝土板的抗弯承载力。2)芳纶纤维加固混凝土板可以很好地限制裂缝的产生和发展。3)芳纶纤维加固混凝土板可以减小混凝土板在相同荷载下的挠度,极大地提高混凝土板的延性。对比板在挠度达到45 mm时已经完全破坏,但芳纶布加固板在跨中挠度达到70 mm时,还未出现明显的破坏情况。4)芳纶纤维布与现有结构胶配合良好,整个加载过程中未出现剥离。5)需进行芳纶纤维加固混凝土构件在动荷载条件下的试验,找出该方法在此类条件下使用的注意点使其可以更广泛的运用
参考文献
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[5]崔士起,张新华,成勃.芳纶纤维加固钢筋混凝土梁试验研究[J].工业建筑,2004(sup):24.
芳纶纤维 篇5
在旧桥加固维护或改建项目中往往须通过结构加固、补强方法来提高其承载能力, 使其满足功能要求和保证使用安全性及耐久性。我公司根据以往的施工经验, 在大运公路介休至霍州段改建工程中通过采用芳纶纤维布粘贴加固旧桥的方法, 取得了可喜的成绩。
2 适用范围
本工法适用于公路不能满足使用的桥梁下部盖梁、墩柱等缺陷加固、补强。
3 工艺原理
本工法主要利用芳纶纤维布 (由环氧树脂预浸成复合增强材料单向连续纤维) 高强度、高弹性模量、重量轻及耐腐蚀性好等特点, 采用环氧树脂粘结剂沿受拉方向或垂直于裂缝运动方向, 粘贴于被补强的建筑构造物上, 形成一个新的复合体, 使粘贴纤维复合材料和原有钢筋混凝土共同受力, 共同工作, 从而增强复合体的结构的抗裂、抗弯和抗剪性能以及防震、防腐的能力, 达到了对结构物加固和补强的目的, 使原建筑构造物使用的安全性、耐久性得以保证。
4 施工工艺流程及操作要点
4.1 施工工艺流程
芳纶纤维布粘贴加固桥梁下部施工工艺流程见图1。
4.2 操作要点
4.2.1 施工前的准备工作
1) 现场检测、记录建筑构造物裂缝、缺损状况, 根据部位和缺陷的不同, 确定修补和加固方案。
2) 修筑施工便道至桥位处, 平整施工场地, 通电, 搭设施工作业平台, 做好各项安全措施, 创造良好的施工作业环境。
3) 对原材料进行检测试验, 符合要求后方可用于施工。
4.2.2 混凝土表面清理
1) 划定要加固部位的范围, 清理构造物加固范围内表面的夹渣、疏松、麻面、腐蚀。
2) 用喷砂或砂轮打磨混凝土表面, 磨去凸出和不平整部分。将表面的残缺、疏松及破损部分清除干净, 清洁油脂及附着物。重点对墩柱和盖梁转角、棱角处进行打磨, 使其成为光滑的圆弧状 (半径大于2 cm) , 以免构件与纤维布共同受力时损伤纤维布, 影响加固效果。
3) 打磨以除去混凝土表层浮浆、完全露出混凝土结构新面为宜。
4) 用高压空气吹净打磨时产生的尘土。也可以采用清水冲洗, 但需待充分干燥后才能进行下一步施工。
4.2.3 涂刷底胶
按照生产厂家提供的工艺条件和配合比调制底胶, 底胶要随用随配, 按使用量确定配制量。
在进行加固的范围内涂刷底胶。刷胶要均匀、到位, 用量参照厂家提供的使用量, 按每单位面积使用的重量进行控制。
4.2.4 修补混凝土缺损部位
1) 按照厂家提供的工艺条件和配合比调制修补胶合材料, 按照修补合同量进行配制, 在其有效时间内使用。
2) 经过剔凿, 清理露筋的构件残缺部分, 外露钢筋和生锈部分要涂刷防锈剂, 进行修补、复原。
3) 对有裂缝的部位进行封闭处理, 缝宽小于0.1 mm的裂缝, 用环氧树脂进行表面涂刷封闭, 缝宽大于0.1 mm的裂缝采用环氧树脂压力灌注封闭。
4) 修补混凝土要做到平整、光洁, 无棱角, 棱角处处理成弧状。
4.2.5 粘贴、加固工序
根据桥梁下部加固部位的不同, 采用不同的粘贴加固方式。一般而言, 盖梁加固采取盖梁底与侧面的U形与双L形, 整体加固的环形粘贴加固法, 墩柱采用环绕粘贴加固, 如图2所示。
加固施工要在符合施工要求的气温、湿度等环境下进行。在气温5℃以下, 相对湿度RH>85%。混凝土表面含水率在6%以上, 有结露可能而无有效措施时, 不得施工。
1) 下料。a.按照设计要求尺寸确认每一块材料所需数量, 按照粘贴纤维布受力方向和尺寸裁切纤维材料。b.裁切要规范、齐整, 确保纤维布完整无损, 裁切好的纤维布面不得接触尖锐的器具。
2) 涂刷底胶。在加固的结构部位画出粘贴加固基准线。底胶的配制、涂刷工艺同4.2.3。在基准线范围内涂刷底胶。涂刷时应该均匀, 全面, 避免厚度不一和局部漏刷。
3) 粘贴芳纶纤维布。a.确保底胶干燥、表面洁净后可进行纤维布的粘贴。b.按厂家提供的配比和施工需求量配制浸润环氧树脂 (面胶) , 做到即配即用。c.在加固基准线范围内的混凝土部位用专用滚刷涂刷面胶。用量以面胶可完全渗入纤维布中为宜, 涂刷进度按照粘贴进度进行控制, 涂一块贴一块。d.按照基准线粘贴芳纶纤维布。粘贴要平顺紧密, 无褶皱, 无气泡。用专用橡胶滚子, 沿着纤维布方向在其表面均匀平衡滚压, 使胶液从两边挤出, 排出其中的气泡, 保证粘贴密实无空洞, 使树脂渗入纤维布中。e.如为多层粘贴, 应在前层纤维布表层用手指触摸感觉干燥时立即进行。粘贴重复上述工艺步骤。保证纤维布与原结构物紧密、牢固形成整体而共同工作。
4) 涂刷外层胶。外层胶对粘贴的纤维布起补胶加强粘结与保护作用。外层胶在面胶干燥后进行。涂刷要均匀、全面、到位。
5 质量控制
1) 对打磨后混凝土表面, 全部进行观察触摸及靠尺检查。重点检查棱角粘贴处, 棱角打磨成圆弧形, 其半径不小于20 mm。
2) 打磨后混凝土表面保持干燥、洁净。底胶涂刷后达到指触干燥时, 才能继续施工。
3) 纤维复合材料与混凝土之间的粘结质量可用锤击法进行检查, 总有效粘结面积不应小于总粘结面积的95%。探测时, 应将粘贴的纤维复合材料分区, 逐区测定空鼓面积 (即无效粘结面积) , 若单个空鼓面积不大于100 cm2, 允许采用注射法充胶修复;若空鼓面积大于100 cm2, 应割除修补, 重新粘贴等量纤维复合材料。修补处搭接长度不小于10 cm。
4) 纤维粘贴加固实际施工面积不得小于设计面积, 粘贴位置偏差不大于10 mm。
5) 纤维复合材料与基材混凝土的正拉粘结强度, 必须进行见证抽样检验, 其检验结果应符合表1的要求, 若不合格, 应揭去重贴, 并重新检查验收。
6 效益分析
1) 采用该方法对桥梁及钢筋混凝土构筑物裂缝、缺陷进行修补、加固和补强, 增强了桥梁钢筋混凝土构筑物的使用安全性和耐久性, 具有显著的社会效益和经济效益。
2) 该方法加固旧桥施工便捷, 工效高, 没有湿作业, 占用场地少, 加固高强高效, 质量保证且不增加结构自重, 加固经济合理。目前综合单价约400元/m2~700元/m2, 较其他加固方法经济合理, 且施工简便, 工期短、工效高, 经济效益十分明显。
3) 采用该方法加固旧桥后, 其化学、物理性能稳定, 具有轻质、高强、抗腐蚀、耐老化及耐久性好的优点。与加固、补强钢筋混凝土结构形成整体共同工作, 不仅起到增强构件的承载能力, 保证构件的安全性、耐久性。同时, 不需要进行日常的维护保养, 节约了维护保养费用。
摘要：介绍了芳纶纤维布粘贴加固旧桥施工的工艺原理, 对其施工工艺流程作了简要论述, 并对施工准备、混凝土表面清理、涂刷底胶、粘贴、加固等工序的操作要点进行了详细阐述, 给出了施工质量控制措施, 指出该工法具有良好的社会效益和经济效益。
关键词：芳纶纤维布,加固,桥梁,效益
参考文献
[1]GB 50367-2006, 混凝土结构加固设计规范[S].
芳纶纤维 篇6
关键词：芳纶短纤维,拉伸性能,撕裂性能,动态性能,SEM
短纤维补强橡胶的研究始于20世纪60年代。短纤维橡胶基复合材料(SFRC)将高弹性、低模量和分子链柔顺的橡胶与弹性相对较低而模量较高的短纤维复合在一起,使复合材料既保持橡胶的高弹性,又具有短纤维的高模量,从而提高橡胶制品的物理性能,使制品具有高模量、高硬度、高强度、耐磨、抗切割和尺寸稳定等性能[1]。
用纤维补强的弹性体可以兼有橡胶的弹性与补强纤维的强度和刚性,用长纤维增强弹性体已为人熟知,但是这种复合物主要限用于轮胎特定部位(如胎体、带束层或冠带层)、胶带和胶管[2]。
在胶料中添加少量芳纶短纤维可使胶料改性,适用于改善胶料的屈挠疲劳性能、耐磨性能、滞后损失和生热。胶料改性方法包括在配方中添加短纤维、减小炭黑用量;上述变化导致滚动阻力明显下降,从而对节省燃油做出了重大贡献[3,4]。
本文中,首先我们先选定一种胎面胶,然后选定三种配方,即炭黑和芳纶短纤维的不同使用量,对比测试国内和国外生产的芳纶短纤维用于此配方,找出不同厂家生产芳纶短纤维作为填充物时胎面胶滚动阻力的差异性。
1 实验
1.1 主要材料
白炭黑,索尔为白炭黑有限公司;炭黑N234,江西黑猫股份有限公司;硅烷偶联剂Si69,南京曙光硅烷化工有限公司;芳纶短纤维aramid,国内某公司和国外厂家TEIJIN;其他橡胶,碳黑,防老剂,促进剂等原材料为常见一般原材料。
1.2 主要测试设备
密炼机,青岛科高;开炼机,庄河市橡胶塑料机械厂;平板硫化剂,WOOSUNG ENGINE;流变仪,DAEKYUNG;穆尼粘度计,DAEKYUNG;穆尼焦烧机,DAEKYUNG;万能力学拉伸机,DAEKYUNG;动态粘弹性试验机(DMTA),Gabo;扫描电镜JSM-6610,日本岛津。
1.3 配方、试样制备及测试要求
1.3.1 混炼胶料的制备
实验配方见表1,因为芳纶短纤维会延迟硫化,因此我们对促进剂进行了适量调整。详细配方在此略去。密炼分为三段进行。第一段,密炼机温度压力稳定后,先加入橡胶,40 s以后加入炭黑,再过40 s以后加入防老剂分散剂等,再240 s以后排除混炼胶,排出的混炼胶打包过滚分别6次。第二段,将第一段的混炼胶加入密炼机,40 s后再加入芳纶短纤维,再160 s后,排胶开练与第一段相同。第三段,在开炼机上加磺,至硫磺促进剂分散均匀,下片备用。
1.3.2 试样制备及测试要求
实验室配合实验完成后,采用平板硫化机,在160℃硫化15 min,根据实验项目不同,采用不同的模具制备各种样品,并且,注意使样品的测试受力方向与开练下片方向一致,也就是与芳纶短纤维在橡胶中的排列取向一致。然后按照国家标准制样测试门尼粘度、门尼焦烧、硫化特性、拉伸性能、撕裂性能等。
动态粘弹性试验(DMTA)采用Gabo公司生产的EPLEXOR-2000 N型进行实验[5]。试样长40 mm,宽6 mm,厚2 mm,硫化条件与拉伸性能试样一致。实验条件,震动频率分为:20 Hz,温度扫描范围:-50~150℃,控温精度:±0.1℃,空气压力:0.6~0.8 MPa。
短纤维在橡胶基体中分散和拉伸断裂后的形态采用日本岛津JSM-6610扫描电镜实验SEM按照公司内部规定进行实验。样品采用拉伸试验的断裂面真空喷金以后进行。试验电压20 k V,物镜距离12.6 mm,放大220倍。
2 结果与讨论
2.1 实验室配合基本测试结果
从表2测试结果可以看出,芳纶短纤维加入后,胶料的穆尼粘度略有降低,硬度稍微升高。胶料的100%定伸强度明显提高,200%,300%定伸强度变化不明显。这是由于芳纶短纤维的加入改变了材料的力学特性。使材料由韧性材料变成硬而韧的材料,并且有了明显的屈服点,如图1所示(以国外芳纶力学性能图片为例)。随着芳纶短纤维的量的增加,胶料的伸长率和撕裂强度有所降低。国外产品比国内产品稍微好一点。
粘弹性是指高分子在受到外力作用时,既具有弹性形变,也具有粘性流动的现象。动态粘弹性试验机(DMTA)可以在试样在一定运动频率时,温度从高到低测试试样的损失模量和贮能模量,进而计算评价tanδ,并且可以根据tanδ值的大小预测轮胎的滚动阻力[6]。一般认为,60℃的tanδ越小,滚动阻力越小,0℃的tanδ越大,轮胎的抗湿滑性越好。DMTA测试结果表明,芳纶短纤维添加8份时,胶料的佩恩效应开始出现,60℃的tanδ明显降低,因此芳纶短纤维能够改善胶料的动态性能。从而降低轮胎的滚动阻力。
从扫描电镜照片可以看出,国内产的芳纶短纤维填充到胶料后,大部分芳纶短纤维是被从橡胶基体中拔出来的,也就是材料在屈服点时,芳纶短纤维被从橡胶基体中拔出,所以提高芳纶与橡胶之间的粘合力是改变胶料力学性能的关键[7]。也正因为如此,加入短纤维后,材料的伸长率和撕裂性能下降。国外产芳纶短纤维使用后,从SEM照片上可以看出,芳纶分散的要好于国内产的,而且其直径较小。纤维从橡胶基体抽出后,残留的小孔较小而且少。在今后的研究中,我们会研究适合芳纶短纤维和橡胶粘合的粘合剂的应用,从而改善橡胶与添加剂的界面关系,提高胶料的综合性能。
2.2 SEM分析结果
3 结论
芳纶短纤维可以影响胶料的佩恩效应,从而降低胶料的滞后损失,有利于降低轮胎的滚动阻力。力学性能损失不大,实际应用时,可以通过适当手段补偿。另外,国外芳纶短纤维产品,其直径比国产的要小,分散性更好一些。纤维从橡胶基体抽出后,残留的小孔较少,而且孔径较小。通过优化密炼工艺并适当调整配方,芳纶短纤维可以在短时间内实现工业化应用到轮胎中。
参考文献
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芳纶纤维 篇7
利用超声波技术处理木浆纤维,使之产生机械的打浆效应[6,7],这在20世纪60年代就已经有研究者提出。其原理是超声波空化作用产生的微射流对纤维有冲击和剪切作用,使植物纤维表面出现裂纹或使植物纤维产生纵向分裂,发生细纤维化。对于超声波对芳纶纤维的影响,俄罗斯[7]在20世纪80年代已有探讨,通过研究超声波对芳纶纤维增强树脂基复合材料的界面性质的影响,发现其机理也是超声波在液体中引起气泡破裂时产生的高温、高压及局部激波作用造成芳纶纤维的变化。国内哈工大刘丽[8]等人利用超声波对对位芳纶纤维进行表面改性,发现超声波对纤维表面有刻蚀作用,改性处理后,其比表面积增加了35%。本工作在不同结构层次上,研究超声波对对位芳纶纤维结构的影响。用黏度法测定对位芳纶纤维的相对分子质量,用X射线衍射(XRD)分析其聚集态结构,用光学显微镜、扫描电镜(SEM)观察其形态结构和超微结构,研究超声波功率、处理时间对其形态结构和超微结构的影响,并进一步探讨了超声波对对位芳纶纤维的作用机理。采用超声波技术对对位芳纶纤维进行预处理,对提高对位芳纶纤维的比表面积、降低其常规浆粕化工艺中的动力消耗,促进其在造纸工业及复合材料中的实际应用具有重要意义。
1 实验
1.1 实验原料及试剂
对位芳纶短切纤维,长度为2～3mm,中国石化仪征化纤股份有限公司生产;丙酮,分析纯,天津红岩试剂厂生产;浓硫酸,分析纯,天津红岩试剂厂生产。
1.2 样品清洗
将对位芳纶短切纤维用标准纤维疏解机疏解10000转后用蒸馏水洗涤3次,煮沸15min,并于70℃下烘干2h,将烘干后的纤维置于烧杯中用丙酮(浴比100∶1,丙酮体积mL∶纤维质量g)超声清洗(KQ-400KDE型超声波清洗器)15min后再浸泡24h,抽滤,烘干,置于密封袋中备用。
1.3 超声波预处理对位芳纶纤维
称取洗涤后的对位芳纶短切纤维0.5g(绝干)置于200mL小烧杯中,用蒸馏水制成浴比200∶1(体积mL∶质量g)的悬浮液,用JY92-Ⅱ超声波细胞粉碎机(工作频率23～25kHz)将对位芳纶纤维进行预处理,处理后样品用蒸馏水冲洗,抽滤,烘干,置于密封袋中保存。
1.4 相对分子质量测定
将完全干燥的0.125g对位芳纶纤维样品溶解于25mL浓硫酸中,用乌氏黏度计在(30±0.2)℃的恒温水浴中按GB/T 1632-93测定不同浓度下的对位芳纶纤维的比浓对数黏度ηinh(ηinh=lnηr/C),以ηinh为纵坐标,浓度C为横坐标作图,外推到C=0,得对位芳纶纤维的特性黏数[η][9],依据式(1)[10]计算黏均相对分子质量Mη,依据式(2)[11]计算黏均聚合度DPη。
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1.5 XRD分析
D/MAX-120型X射线衍射仪,Cu靶(λ为0.154nm),Kα射线,Ni滤波。扫描范围为4～40°。以分峰法计算结晶度(XC),以谢乐公式[12](Scherrer)计算垂直于(hkl)晶面的晶粒大小Lhkl。
即:Lhkl= kλ/βcosθ,k取0.90,λ为0.154nm,β为半峰宽。
1.6 形态观察和超微结构分析
按文献[13]制片后用日本OLYMPUS DP70光学显微镜观察纤维形态;样品于45℃下真空干燥4h后,用LEO 1530VP扫描电镜观察纤维表面形态和微细结构。
2 结果与讨论
2.1 超声波处理时间对对位芳纶纤维相对分子质量的影响
通过对对位芳纶纤维相对分子质量的测定,研究超声波处理对其分子链结构的影响。对位芳纶纤维是一种高分子纤维,高聚物的相对分子质量是高分子材料最基本的结构参数之一,对位芳纶纤维的后续加工工艺及最终产品性能与其相对分子质量大小有着极其密切的关系。本工作在超声波功率为600W的条件下,研究了超声波处理时间对对位芳纶纤维黏均相对分子质量的影响,并与未处理的芳纶短切纤维进行比较,结果见图1和表1。由图1可知,对位芳纶纤维的比浓对数黏度与浓度之间有良好的线性关系,因此采用黏度法测定对位芳纶纤维的相对分子质量是可靠的。
由表1可知,未处理的对位芳纶短切纤维的相对分子质量为2.70万,处理1min后,芳纶纤维的相对分子质量提高到2.80万,这是由于处理前期,纤维表面的一些低分子物质被溶解脱除所致;随着处理时间的延长,相对分子质量略微下降,处理时间分别为2,4min时,相对分子质量分别为2.69万,2.61万;但继续增加处理时间,纤维相对分子质量并未继续下降,而是趋于一个恒定值,当处理时间为6min时,相对分子质量为2.62万,与处理时间为4min相比,基本一致。超声波处理后,对位芳纶纤维相对分子质量最小值(2.61万)与最大值(2.80万)之差为0.19万,与未处理样品(2.70万)相比降低约7.0%,降幅较小。因此,超声波预处理对对芳纶纤维相对分子质量的影响相对较小。本研究所用超声波频率f为25kHz,超声波在介质水中的传播速度c一般为1500m/s,根据公式c=λf计算其波长λ约为6.0cm。而本文所用对位芳纶纤维的相对分子质量为2.70万,根据其链结构单元和长度计算得知,其大分子链长为146nm,因此,超声波的波长远远大于对位芳纶纤维大分子链的尺寸,说明超声波本身不能直接对对位芳纶大分子链产生作用,因此,在本实验条件下,超声波对对位芳纶纤维的相对分子质量影响不大。
2.2 超声波对对位芳纶纤维聚集态结构的影响
纤维的结晶结构也称为纤维的二次结构、聚集态结构或超分子结构,指处于平衡态时组成该纤维的高聚物长链分子相互间的几何排列特征。高聚物的许多物理性能都与其结晶结构有关。本工作对超声波预处理前及经超声波(功率600W,时间6min)处理后芳纶纤维的结晶结构进行了分析,结果见图2和表2。
由图2可见,对位芳纶纤维的聚集态结构存在着结晶-非晶有规则排列的两相结构。经超声波处理后,其晶体类型无变化,预处理前后对位芳纶纤维在2θ=20.5,23.0,29.0°处都存在着衍射峰,分别对应PPTA(110),(200),(004)的晶面。由表2可见,预处理前,对位芳纶短切纤维结晶度为58.24%,经超声波处理后结晶度为57.52%,变化不大,主要衍射峰晶粒尺寸L200由3.99nm变为3.89nm,也基本未变。因此超声波处理对对位芳纶纤维聚集态结构的影响不大。
2.3 超声波预处理对对位芳纶纤维形态结构的影响
影响超声波处理效果的因素有超声波功率、处理时间及纤维悬浮液的浓度。本研究采用的是探头式细胞粉碎机,对位芳纶纤维密度小、表面疏水,纤维-水悬浮液浓度可变化的范围很小。因此,考虑到作用的均匀性及经济性,选择纤维悬浮液的浓度为0.5%(质量分数),在悬浮液浓度固定不变的情况下,探讨了超声波功率及处理时间对对位芳纶纤维形态结构的影响。
2.3.1 功率的影响
未处理对位芳纶短切纤维的光学显微镜照片见图3。由图3可知,对位芳纶短切纤维呈刚性伸直状,表面光滑。固定纤维悬浮液浓度(0.5%)和处理时间(6min),研究超声波功率对对位芳纶纤维形态结构的影响,结果见图4。
由图4可知,经超声波处理后,对位芳纶纤维表面有分丝帚化及细纤维化现象,表面存在着毛绒状的微细纤维,有类似于机械的打浆效应。当超声波功率为300W时,芳纶纤维表面有少量的微细纤维存在,当超声波功率为500,600W时,对位芳纶纤维表面有大量的微细纤维且纤维有弯曲现象,纤维卷曲度提高。可见随着超声波功率的提高,对位芳纶纤维表面细纤维化程度提高。这是因为超声波对对位芳纶纤维形态结构的影响主要是空化作用。对位芳纶纤维表面细纤维化的程度与空化泡破裂的激烈程度直接相关。而空化泡破裂的激烈程度,即空化泡崩溃的时间(t)、崩溃时的最高温度(Tmax)及最大压力(Pmax)都与超声波强度(Pm)有关[14,15]。提高超声波功率,作用到对位芳纶纤维上的超声波强度增大,空化泡破裂的激烈程度提高,对位芳纶纤维的细纤维化程度提高。因此,在实际应用时,可根据产品性能要求选择合适的预处理功率。
2.3.2 处理时间的影响
固定浆料悬浮液浓度(0.5%)和超声波功率(500W),研究处理时间对对位芳纶纤维形态结构的影响,结果见图5。
由图5可见,经超声波处理后,随处理时间的不同对位芳纶纤维表面发生不同程度的细纤维化作用。处理时间为1min时,对位芳纶纤维表面有少量的微细纤维存在;随着预处理时间的增加,对位芳纶纤维的表面细纤维化程度提高,表面微细纤维量增多,当作用时间为6min时,对位芳纶纤维的表面存在大量的微细纤维。因此,随着预处理时间的增加,超声波对对位芳纶纤维的作用程度提高,对位芳纶纤维表面细纤维化程度提高。
对位芳纶纤维分子呈刚性伸直状,分子之间只有很少量的氢键存在,纤维之间的结合力很小,所以将对位芳纶短切纤维直接运用于造纸工业生产特种纸时,纸页物理强度很低,无法满足后续加工要求。而对位芳纶浆粕由于其表面毛羽丰富,比表面积大,纤维之间的物理交织点多,纸页强度较好。所以,对位芳纶浆粕的制备是促进对位芳纶纤维应用于造纸工业的整个进程中至关重要的一步。经超声波短时间预处理后,对位芳纶纤维表面有一定程度的细纤维化,有较好的预处理效果。因此,超声波预处理可以作为对位芳纶浆粕制备过程中的一种预处理方法;另一方面芳纶纤维表面微细纤维的增多可以提高其比表面积,进而提高其与其他材料的界面结合强度和复合效果,提高产品的最终性能,拓宽其在摩擦、密封、复合材料领域的进一步应用。
2.3.3 超声波对对位芳纶细纤维化作用机理探讨
经超声波处理后,对位芳纶纤维形态结构发生了不同程度的变化,表现为明显的细纤维化作用,纤维表面起毛、分丝帚化、分离出大量的细小纤维。为了进一步探讨超声波对对位芳纶纤维的作用机理,采用SEM观察超声波处理前后对位芳纶纤维的超微结构,结果见图6。
由图6可知,未经处理的对位芳纶短切纤维呈刚性伸直状,是柱状体,表面光滑,与光学显微镜观察的结果吻合;经超声波处理后,对位芳纶纤维表面有呈毛绒状的微细纤维,表面有少许裂缝,微细纤维呈片状或条状与主体纤维分离,形成了超声波处理后的对位芳纶纤维的分丝帚化现象。
超声波因其波长短而具有束射性强和易于通过聚焦集中能量的特点。研究[16,17]发现,用超声波处理木浆纤维,具有与机械打浆、精浆相似的效果,可对植物纤维的细胞壁产生位移、变形以及细纤维化等作用,主要动力为空化作用。对位芳纶纤维是一种由液晶纺丝法制备而成的高科技纤维,纤维中包含类似于植物纤维的微纤状结构,对位芳纶纤维的微纤沿纤维轴方向取向,微纤的长度高达数厘米,直径约600nm。因此,用超声波处理对位芳纶纤维,也具有与机械打浆相似的效果,对位芳纶纤维易发生微纤维化,其原理也是空化作用。当液体中有强度超过该液体的空化阈(使液体空化的最低声强或声压幅值)的超声波传播时,液体内会产生大量的气泡,小气泡将随着超声振动而逐渐生长和增大,然后又突然破灭和分裂,分裂后的气泡又连续生长和破灭,这种现象称之为空化。这些小气泡急速崩溃时在气泡内产生了高温高压,并且由于气泡周围的液体高速冲入气泡,微小泡会在周围极小的空间产生出5000K以上的高温和超过1.013×105kPa的高压,温度变化率高达109K/s,并且伴随强烈的冲击波和时速高达400km/h的射流[13,14],由此产生了超声作用的各种效应。
在固-液界面,即对位芳纶纤维-水界面处的空化作用与在纯液体中的空化有所不同,由于界面附近的不对称性会使气泡发生形变,靠近固体一侧较平,起到一种强化作用,使破裂时产生快速运动的微射流,并以大于100m/s的速度射向界面,使固体表面发生局部侵蚀和剥蚀。由于对位芳纶纤维的尺寸远远大于空化泡,纤维-水悬浮液受到超声波作用时,空化作用产生的微射流冲击波起到机械打浆的效果[16]。因此超声波预处理使对位芳纶纤维表面发生分丝帚化及细纤维化现象。超声波对对位芳纶纤维形态结构的影响与空化泡破裂的激烈程度有关,而后者取决于超声波强度。通常,超声波强度是由功率及预处理时间决定,因此提高超声波功率,增加预处理时间,芳纶纤维的细纤维化程度提高。
3 结论
(1) 未处理对位芳纶短切纤维的黏均相对分子质量为2.70万,聚合度为114;超声波功率为600W,预处理时间为1,2,4,6min时,芳纶纤维的相对分子质量分别为2.80万,2.69万,2.61万,2.62万,相应的聚合度分别为117,113,109,110,与预处理前相比,变化不大。超声波预处理对芳纶纤维相对分子质量、聚合度的影响不大。
(2)未处理对位芳纶短切纤维结晶度为58.24%,超声波预处理后(功率600W,时间6min)芳纶纤维的结晶度为57.52%,与处理前相比变化很小;主要衍射峰晶粒尺寸L200由3.99nm变为3.89nm,变化也不大,即超声波预处理对芳纶纤维聚集态结构的影响不大。