高强度纤维桩（精选八篇）
高强度纤维桩 篇1
关键词：纤维桩,前牙,残根残冠
由于龋损、外伤等原因常造成前牙的重度牙体缺损,形成了残根、残冠,严重影响了美观。传统方法是采用金属桩核和烤瓷冠修复,但存在美观差、弹性模量大,易导致根折及金属腐蚀致牙龈着色等问题。近年来我们将高强度玻璃纤维复合树脂桩应用于前牙的残根残冠保存修复,现对其临床应用效果进行分析。
1 资料与方法
1.1 一般资料
选择2005～2006 年来我院就诊的前牙牙冠大部分缺损需要桩核和全瓷冠修复的41 例患者共62 个牙。其中残冠为冠缺损大于1/2,不能用常规方法充填修复的;残根在颈部留有约2 mm大小的牙本质肩领;无深覆 、对刃 ,牙槽骨无吸收或轻度吸收能够支持桩冠修复者;所有患牙均已做过完善的根管治疗,牙根长度、根管长度及直径符合桩冠修复要求。
1.2 材料
高强度玻璃纤维复合树脂预成根管桩(Parapost Fiber Lux);根管桩树脂水门汀套装(Parapost Cement),其中包括处理剂、粘接剂A、B及树脂型水门汀的基质与催化剂;双重固化高强度复合树脂桩核材料(Papra Core, 瑞士康特公司)。光固化机(美国)。氧化铝全瓷冠(沈阳清美公司)。
1.3 方法
(1)根面预备:去净根面龋损组织、薄壁弱尖及无基釉,残根要有大于2 mm的牙本质肩领,根管口处要尽量形成唇舌向的2 个斜面,尽可能保留牙体组织。(2)根管测量:通过X线片决定桩的直径与长度,桩径为根径的1/3,根尖留有4.0～5.0 mm 的牙胶充填物以维持根尖封闭。(3)根管预备:用Parapost根管预备钻头由小型号开始逐渐增大型号制备,直至达到所测量的根管长度与直径,选择适合的玻璃纤维桩,用金钢砂车针调改至临床所需长度。(4)纤维桩粘接及核的形成:在试戴后粘固前,用酒精轻轻擦拭桩和根管消毒,先用处理剂,30 s后轻吹,然后将粘接剂A、B等量混匀后送入根管,用纸尖吸去多余的材料,轻轻吹干。然后将等量的水门汀基质和催化剂置于纸上混合数秒,在桩的表面涂布,并用根管糊剂螺旋形输送器将水门汀送入根管内,缓慢将桩插入根管内就位,使多余的水门汀溢出,稍加压,直至固化完成。核的形成:桩粘固完成后,在桩及牙本质表面用处理剂进行预处理,然后用Para Core在其上堆筑双重固化的复合树脂形成核的外形,分层光照固化数秒。(5)按全瓷冠常规备牙,牙体组织磨除量切端要有1.5～2.0 mm,唇舌及邻面为1.2～1.5 mm,颈部1.0 mm直角肩台; 去除邻面倒凹,精修完成;排龈、取模,戴临时冠,择期全瓷冠修复。
1.4 效果评价[1]
修复后0.6～2.0 年随访观察,检查桩有无松动、折断、脱落;有无根折;以邻牙或同名牙为参照,检查牙龈有无变晦暗及龈缘着色;牙冠颜色是否协调自然,患者满意度。
2 结 果
在41例、62 个牙随访结果中,有2例残根的桩在修复半年后出现脱落,其余桩核冠均良好,无松动、脱落,及根折,其修复效果要好于其它金属桩核冠,且牙龈健康,修复体美观自然,患者满意度良好。
3 讨 论
高强度玻璃纤维复合树脂桩是在聚合物树脂基质中加入纤维,纤维可有效阻止树脂裂纹扩展,显著提高了桩核的机械强度。其优点[2]:(1)提供足够的固位力、支持力;(2)能够支撑内核使其与粘固的全冠保持良好的结合;(3)弹性模量与牙本质的弹性模量相近,减少根折发生率;(4)生物相容性好;(5)不影响医学影像可为预后作出判断;(6)美学性能好。另外玻璃纤维桩不同于金属桩核,必要时需要取出核桩,可以用根管内钻将树脂材料磨碎,清除残渣后重新再制备修复体[3]。
本文采用高强度玻璃纤维复合树脂桩核加全瓷冠修复前牙重度牙体缺损,在41 例、62 个前牙修复体随访结果中,有2 例残根的纤维桩在修复半年后出现脱落,其余桩核冠均良好,无根折发生,患者满意度良好。此2 例残根桩核冠脱落可能与牙体条件不好有关,术前没能很好把握适应证,颈部没有足够的牙本质肩领是造成脱落的重要原因。
总之,高强度玻璃纤维复合树脂桩核实现了桩核的无金属修复,减少了根折发生的可能;也减少了患者复诊次数,解决了患者修复的美观问题;必要时也有利于重新修复。但是对于前牙残根无足够牙本质肩领时,此修复方法还有待于进一步观察和探讨。
参考文献
[1]张玉惠,刘敏,王频,等.高强度玻璃纤维复合树脂桩修复牙冠大部分缺损临床效果观察[J].实用医院临床杂志,2007,4(2):42-43.
[2]Akkayan B,Gulmez T.Resistance to fracture of endodonti-cally treated teeth restored with different post system[J].JProsthet Dent,2002,87(4):431-437.
高强度纤维桩 篇2
①英国剑桥大学材料科学教授阿兰?魏德尔与美国陆军士兵研究开发中心的研究人员共同研制出一种新型碳纳米管纤维。该碳纳米管纤维上最脆弱的地方也需要1吉帕斯卡的应力才能折断，强度足以与钢铁相媲美。
②碳纳米管是一种棉线状的碳分子，带有仅一个原子厚度的壁。虽然它们具有非常强的导电性能，但可靠性难以保证。为了制作这种超强纤维，魏德尔在热炉中将碳汽化，然后吹出一股碳纳米管流。当这些碳纳米管在空中被捕获并围绕一个轴旋转时，就会形成一根由数十亿个分子组成的纤维，而这些分子沿着碳纳米管紧密排列在一起。
③研究人员认为，强度的改善主要取决于缠绕速度，以便将碳纳米管更好地排列成线以及更紧密地包裹起来。研究人员通过调节炉温和调整缠绕速度优化制作工艺，制作出的纤维强度较其他小组制作的要高出0.3倍。为了使制作的纤维密度更大，他们还在制作工艺中增加了一个步骤，让纤维通过丙酮气体。丙酮气体可在纤维上凝结成一层液体，由于表面张力效应将纳米管拉在一起，从而增强纤维强度。
④新碳纳米纤维一般要在施以大约6吉帕斯卡的应力时才发生断裂，强度要高于制造防弹背心的常用材料芳纶，而且可与两种最高强度的商业材料——基纶和迪尼玛相抗衡。目前，研究人员已制作出一根单独的超强碳纳米管纤维，可承受9吉帕斯卡的应力，表现出具有无与伦比的超强性能，而用别的方法制作的碳纳米管纤维最多可承受3吉帕斯卡的应力。
⑤魏德尔目前能制作出的最好纤维长度仅为1毫米，这主要是因为纤维越长，包含的细微碳颗粒和其他缺陷就越有可能削弱它的强度。即便调节制作工艺，如调整缠绕速度和利用丙酮方法，都不能改变这些碳素颗粒，因此必须回到化学合成的方法来解决这类问题。研究人员称，这种纤维最具前景的应用也许是制作防弹衣和开采油气钻头。
小题1:用自己的语言概括新型碳纳米管纤维的制作工艺。（3分）
小题2:第④段运用了哪些说明方法？有何作用？（2分）
小题3:第⑤段中划线的“目前”能否删去？为什么？（2分）
参考答案：
小题1:①调节炉温，使碳在热炉中汽化，吹出碳纳米管流。（1分）②调整缠绕速度，将碳纳米管排列成线并紧密地包裹起来。（1分）③纤维通过丙酮气体时，丙酮在纤维上凝结成液体，通过表面张力将纳米管拉在一起。（1分）
小题2:作比较、列数字（1分）。具体准确地说明新型纳米纤维强度之高。（1分）
小题3：不能。“目前”限制了时间，不排除今后能制作出更好的纤维长度，如果去掉就排除了这种可能性，所以不能去掉。“有可能”体现了说明文语言的准确性。
小题1:试题分析：根据第3段中“通过调节炉温和调整缠绕速度优化制作工艺”“让纤维通过丙酮气体，丙酮气体可在纤维上凝结成一层液体，由于表面张力效应将纳米管拉在一起，从而增强纤维强度”这部分的内容来概括新型碳纳米管纤维的制作工艺。
小题:2:试题分析：通过“新碳纳米纤维的强度”与“制造防弹背心的常用材料芳纶的强度”进行对比，“大约6吉帕斯卡”“承受9吉帕斯卡的应力”“最多可承受3吉帕斯卡的应力”一系列的数据，通过这两者之间的比较以及一系列的数据具体准确的说明了说明对象的特征。
影响纤维桩抗折强度的研究进展 篇3
关键词：纤维桩,抗折强度
根管桩常用来加强残根残冠的保存修复。早期主要使用金属桩, 由于其整体透光性差, 弹性模量与牙本质相差很大, 容易导致根折等缺点, 使其应用范围受到一定的限制。目前, 随着美容美学的修复, 尤其是全瓷修复技术的广泛应用, 纤维桩成为近年来牙体缺损修复研究中的一个活跃领域。其具有美观性、耐腐蚀性、良好的生物相容性、操作简便且其弹性模量与牙本质相当等优点[1,2]。但纤维桩核系统因各种原因仍然存在一定的失败率。本文将对纤维桩修复后其整体抗折强度的影响因素作一简单综述。
1 剩余牙体组织量
一定程度上保留较多的剩余牙体组织有利于加强其整体的修复强度。剩余牙体组织的强度直接关系到修复体整体的强度, 影响因素主要包括箍结构、肩台设计、根管牙本质厚度等[3]。国内外学者对于剩余牙体组织高度界值的界定尚未得出一致结论。Sadek等[4,5,6,7,8]认为, 当牙体组织剩余高度在1.5~2.0 mm时修复体的抗折强度可以满足临床修复需求。而聂二民等[9]认为, 当界值小于2 mm时, 剩余牙体组织提供的箍效应作用降低, 抗折能力也显著降低。Ferrari等[10]通过实验回访证实, 纤维桩修复患者中出现冠脱落或纤维桩脱落主要是由于冠部牙体缺损太多所致。因此, 当牙冠剩余牙体组织的量不能满足修复需求甚至无法制备出牙本质肩领时, 常需要通过采用冠延长术或制备龈下肩台来获得所需要的牙本质肩领, 否则应慎重修复。
2 根管治疗
完善的根管治疗是患牙行任何一种桩核修复的根本前提要求。杨茂林[11]认为牙髓治疗后, 牙体失去来自牙髓的营养, 硬组织脱水, 有机物含量减少, 组织变脆, 容易发生折裂。通常, 根管治疗后的患牙常伴有牙冠的大面积缺损, 因此, 为了增加全冠修复体的固位形和抗力形, 常需对其进行桩核修复[12,13]。Cagidiaco等[14]通过纤维桩修复长期回访结果证实, 由于根管治疗失败而导致修复失败占总纤维桩修复失败率的33%。
3 桩道及牙体预备
3.1 桩道预备要求及时机
根管治疗后, 预防了根尖病变的发生, 但口腔内是一个污染环境, 根管内的所有操作都与口腔环境相通。因此必须保留不少于4 mm的根尖充填材料以隔离口腔与根尖周[15]。在直接影响桩冠修复的远期临床疗效中, 桩道预备前后提高根管的封闭性至关重要, 目前桩道预备的常用器械是纤维桩配套的钻[16]。Coniglio等[17]认为在预备卵圆形根管的桩道时, 使用卵圆形的超声工作头更能显著减少残片的出现率, 增加开放的牙本质小管的数量, 可有效去除根管内的玷污层并且对根管封闭无显著影响。而对于根管治疗和桩道预备的时间间隔问题尚没有得出一致的结论, 桩道预备可以在根管治疗后立刻进行, 也可以在根管封闭剂固化一段时期后延期进行。Boone等[18]的研究表明即刻预备与延期预备对纤维桩粘结力的影响无明显差异。而Vano等[19]认为根管治疗24 h后和1周后的延期桩道预备, 其粘结强度显著高于进行即刻桩道预备的强度, 这是由于进行即刻预备时, 根管封闭剂尚未固化, 易在操作过程中污染整个桩道。
3.2 牙体预备要求及时机
张瑞等[20]通过研究不同时间间隔牙体预备时机对纤维桩粘结强度的影响, 设置分组为5、15、30 min以及24 h时间点, 所得结果显示, 随着牙体预备时间的延后, 纤维桩的粘结强度呈显著性增加趋势, 于24 h后达到最大。
4 粘结系统
4.1 桩的种类及材质对粘结系统强度的影响
纤维桩根据纤维的类型分为玻璃纤维桩、碳纤维桩、氧化锆纤维桩、石英纤维桩和有机硅纤维桩等, 临床实验中最常用的是玻璃与石英纤维桩。纤维桩根据外形的差异分为平行状、双圆柱体形、阶梯状等。
纤维桩为纤维增强树脂基质复合材料, 其成分影响到与树脂材料间的黏接[21]。纤维桩的主要成分为氧化钙、氧化铝、二氧化硅和其他一些碱金属氧化物等。其中, 二氧化硅在石英纤维桩中主要以晶体的形式存在, 在玻璃纤维桩中是以非晶体的形式存在。董颖韬[22]实验研究表明, 石英纤维桩的并发症小于玻璃纤维桩且患者的满意度较玻璃纤维桩高, 弯曲强度及效果也好于玻璃纤维桩, 更适用于临床。
4.2 粘结剂及其操作步骤的影响
4.2.1 粘结剂种类的影响
临床上常用于黏固纤维桩的树脂粘结系统主要包括三类:自酸蚀粘结系统、全酸蚀粘结系统和自粘结树脂水门汀。但是目前关于自粘结树脂水门汀用于粘固纤维桩的研究尚少, 对粘结效果的评价也并不一致;对于全酸蚀及自酸蚀粘结体系统粘固纤维桩的效果, 也存在争议。王泽等[23]通过对30颗单根管前牙用于纤维桩粘结实验中, 得出的结论为全酸蚀粘结系统的粘结强度优于自酸蚀粘结系统, 具有良好的纤维桩固位性能。而许诺等[24]通过实验, 对三种树脂粘结系统的粘结强度可知:Rely X Unicem自粘结组最高, 其次为Panavia—F自酸蚀组, 最后为DUO—LINK全酸蚀组。
4.2.2 操作步骤的影响
在实际操作中, 采用全酸蚀进行处理时, 由于桩道内残留的酸蚀剂不易彻底清除, 则会造成比自酸蚀粘结系统更大的微渗漏, 这表明纤维桩的成功不仅与粘结强度相关, 同粘结操作的便利性也具有直接关系[25]。目前, 自酸蚀粘结系统目前更广泛应用于临床纤维桩的粘结。
4.3 其他因素
4.3.1 桩道预备后不同冲洗剂对桩道内壁玷污层的清除
张晓等[26]认为, 冲洗处理对桩道内牙本质表面有影响, 5.25%Na Cl O溶液和15%EDTA溶液联合应用冲洗效果好, 能有效清除玷污层, 增加桩的粘结强度。
4.4表面处理
表面处理是可以提高界面的粘结力, 其可促进不同成分之间形成化学或机械的固位。Sahafi等[27]认为, 纤维桩的表面处理可以增强树脂材料与桩的粘结强度。目前常用的表面处理方法主要有硅烷化处理、酸蚀和喷砂等技术。
4.4.1 紫外线照射
Bo等[28]指出增加纤维桩的粘结强度可以通过紫外线照射, 在距离纤维桩表面1 cm处对其照射3 min测得的纤维桩与树脂水门汀之间的粘结强度高于距离纤维桩表面10 cm对其照射10 min。
4.4.2 等离子处理
Yavirach等[29]用氩等离子体 (Ar) 、氧等离子 (O2) 、氮等离子体 (N2) 以及氦加氮等离子体 (He+N2) 分别处理FRC posts和DTLight-Post, 结果发现:Ar、O2、N2以及He+N2等离子体可提高FRC posts与树脂之间的剪切粘结强度;Ar、N2、He+N2等离子体可提高DT Light-Post与树脂之间的剪切粘结强度。
高强度纤维桩 篇4
1 资料与方法
1.1 一般资料
30颗健康离体上前磨牙(牙体形态正常,无龋及其他缺损,无隐裂),拔除1个月以内,37℃生理盐水保存。GC-FujiⅠ型玻璃离子水门汀(GC公司,日本富士);One-step树脂粘结剂(Bisco公司,美国);直径1.2 mm的玻璃纤维桩(康特公司,瑞士);AGS-500万能材料试验机(Shmiadzu公司,日本);SMZ645型体视显微镜(Nikon公司,日本)。
1.2 方法
1.2.1 牙体的制备
将30颗健康离体牙取出,用涡轮机水雾冷却,在釉牙骨质界冠方1 mm处与牙体长轴垂直去除牙冠,截面使用金刚砂纸打磨平整光滑。常规根管治疗,采用逐步后退法预备根管,所有去除牙冠的牙根管用相同的手用镍钛根管预备器械扩挫至F3号。用17%EDTA和5.25%次氯酸钠溶液冲洗根管,常规根管糊剂和牙胶尖充填。用环氧树脂将根管末端封闭,根管口处用蜡封闭。根管治疗后,立即将试件放入37℃恒温箱中水浴24 h。水浴后放入生理盐水中保存于室温下。3 d后取出试件,用康特公司直径1.2 mm的玻璃纤维桩配套根管预备钻进行根管预备,预备完成的离体牙随机分为两组,每组15个,分别为GC-FujiⅠ型玻璃离子水门汀组和One-step树脂粘结剂组,按操作说明分别粘结纤维桩,纤维桩埋入根管部分为8 mm,粘结完成后室温下将样本放置在蒸馏水中保存24 h。
1.2.2 粘结强度的测试
样本取出后用低速金刚石切割机将牙沿垂直牙根长轴的方向切片,每片厚度为1 mm,每个样本片切5片,在实验机上进行微推出测试,以0.5 mm/s的速度垂直牙片推出加载,纤维桩被推出则停止加载,记录最大力值。
1.2.3 粘结界面的断裂方式
体视显微镜下(×40)观察每个样本粘结界面的断裂方式,断裂方式分为粘结破坏(发生在粘结剂/牙本质界面)、内聚破坏(发生在粘结剂或牙本质内部)和混合破坏(同时具有以上两种破坏方式)。记录每个样本的断裂方式。
1.3 统计学处理
应用SPSS13.0软件分析数据。计量数据以均数±标准差表示,组间差异比较采用t检验。计数数据的比较采用确切概率法,P<0.05为差异有显著性。
2 结果
附表两种粘结剂的粘结强度和破坏方式的比较
注:1)两组比较,P<0.05;2)与同组破坏方式比较,P<0.05
One-s tep树脂粘结剂的粘结强度明显高于GC-FujiⅠ型玻璃离子水门汀,差异有显著性。树脂粘结剂的断裂方式以粘结破坏为主,玻璃离子水门汀以内聚破坏为主。详见附表。
3 讨论
纤维桩在临床已得到广泛应用,其修复失败的原因大多为脱粘结。影响桩钉固位的因素很多,包括根管内壁牙本质的特点、表面预处理、粘结剂的种类、粘桩方法、聚合收缩、桩与粘结剂的选择性亲和及其表面形态等[3,4]。根管内粘结强度的实验主要有3种:拔出测试、微拉伸测试和微推出测试。微推出实验相对于微拉伸实验可获得较多的样本量、降低树脂收缩的影响、数据合理变异适度,较适合用于根管剪切粘结强度的研究[5],通过控制试件的厚度有效地减小了试件的粘结面积,减少了材料的内部缺陷,从而使其破坏方式接近于界面破坏[6]。国内外研究[7]的结果表明,使用该方法可取得了较好的效果。本研究采用微推出法对粘结剂与根管牙本质的粘结强度进行测试,选择了One-step树脂粘结剂和GC-FujiⅠ型玻璃离子水门汀两种粘接剂,仅是初步探讨粘接剂对固位的影响,其他力学因素还有待进一步研究。
本实验中结果显示,One-step树脂粘结剂的粘结强度明显高于GC-FujiⅠ型玻璃离子水门汀,差异有显著性,其原因为:(1)树脂粘结剂的表面湿润性好,玻璃纤维桩为树脂类桩,两者可产生化学性结合,故粘固力强,微渗漏少。(2)纤维桩表面为多孔结构,能提供最大的粘结面积,树脂突能进入微孔中,增强了机械固位。(3)玻璃离子水门汀与牙本质具有一定的化学结合,同时可因其很好的延展性和极强的抗压强度使其与根管壁的机械嵌合力增强,但其在固化过程中的体积收缩影响了与牙本质间的粘结强度,与桩钉间主要依靠机械作用和封闭作用产生粘结力,未形成化学结合。因此,与玻璃离子相比,树脂粘结剂使桩更能承受旋转力,且可增加牙根的强度。SAHMALI等[8]用不同种类的粘结剂粘固碳纤维桩,测其拉伸粘固强度,发现树脂类粘固组显著高于玻璃离子组。董文杰等[9]研究也表明树脂粘结剂的固位力优于玻璃离子水门汀。
根管内粘结主要涉及两个界面:一是纤维桩/粘结剂界面;另一个是粘结剂/牙本质界面。本研究中在体视显微镜下的观察显示,树脂粘结剂的断裂方式以粘结破坏为主,玻璃离子水门汀以内聚破坏为主。玻璃离子水门汀的脆性较大,不易耐受施加在根桩的应力,而导致破坏,而树脂粘结剂抗压强度高,与根管内牙本质的粘结强度一般。因此,两种粘连剂导致粘结界面断裂的方式不同。
综上所述,不同粘固材料对纤维桩的粘结力不同,树脂水门汀固位力优于玻璃离子水门汀,显示了良好的粘结固位性质。临床应首选树脂类粘结剂。
摘要：目的 分别研究纤维桩采用GC-FujiⅠ型玻璃离子水门汀和One-step树脂粘结剂这两种粘固材料的固位力,为临床选择纤维桩的粘固材料提供依据。方法 30个健康离体上前磨牙随机分为两组。将玻璃纤维桩分别用GC-FujiⅠ型玻璃离子水门汀和One-step树脂粘结剂粘固于离体的人牙根管内,用万能力学试验机进行微推出测试,用体视显微镜观察其断裂方式。比较两组纤维桩脱出力的大小,对粘结强度及断裂类型进行统计学分析。结果 One-step树脂粘结剂的粘结强度明显高于GC-FujiⅠ型玻璃离子水门汀,差异有显著性(P<0.05)。树脂粘结剂的断裂方式以粘结破坏为主,玻璃离子水门汀以内聚破坏为主。结论 不同粘固材料对纤维桩的粘结力不同,树脂粘结剂的固位力优于玻璃离子水门汀,显示了良好的粘结固位性质。临床应首选树脂类粘结剂。
关键词：粘结剂,玻璃纤维桩,牙本质,粘结强度
参考文献
[1]NAUMANN M,BLANKENSTEIN F,DIETRICH T.Survival ofglass fibre reinforced composite post restorations after 2 years-anobservational clinical study[J].J Dent,2005,33(4):305-312.
[2]黄鹂,陈吉华,沈丽娟.七种双固化树脂粘结剂与根管内牙本质粘结性能的实验研究[J].临床口腔医学杂志,2008,24(3):160-162.[2]HUANG L,CHEN JH,SHEN LJ.The experimental study of du-al-cure resin cement and the seven root canal dentin bondingperformance[J].Journal of Clinical Stomatology,2008,24(3):160-162.Chinese
[3]张文云,吴雨耘,杨立斗,等.不同粘固材料对纤维桩固位力的影响[J].口腔颌面修复学杂志,2009,10(2):106-109.[3]ZHANG WY,WU YY,YANG LD,et al.The effect of differ-entcement materials on fiber post retention[J].Journal of Oraland Maxillofacial Prosthetics,2009,10(2):106-109.Chinese
[4]肖云,代静,郭泽清,等.不同粘结剂对玻璃纤维桩固位力影响的研究[J].口腔医学研究,2007,23(1):98-100.[4]XIAO Y,DAI J,GUO ZQ,et al.The effects of different binderson the glass fiber post retention[J].Oral Medicine,2007,23(1):98-100.Chinese
[5]吴悦梅,张富强.纤维/树脂桩核的黏结与固位[J].国外医学:口腔医学分册,2006,33(11):75-79.[5]WU YM,ZHANG FQ.Fiber/resin post and core bond and re-tention[J].International Journal:Section of Stomatology,2006,33(11):75-79.Chinese
[6]游杰,周望梅.不同粘结剂对玻璃纤维桩与根管内牙本质粘结强度比较[J].广东医学,2009,30(9):1317-1319.[6]YOU J,ZHOU WM.The comparison of different binders on theglass fiber post and root canal dentin bond strength[J].Guang-dong Medicine,2009,30(9):1317-1319.Chinese
[7]王婧婧,陈亚明,陈峰,等.两种纤维桩固位影响因素的剪切黏结实验研究[J].口腔医学,2007,27(2):89-91.[7]WANG JJ,CHEN YM,CHEN F,et al.Thear bondexperimentalstudy of the effect factors between two fiber post retention[J].O-ral Medicine,2007,27(2):89-91.Chinese
[8]SAHMALI S,DEMIREL F,SAYGILI G.Strengths of luting ce-ment to metallic and tooth-colored posts[J].Int J PetiodonticsRestorative Dent,2004,24(3):256-263.
高强度PVDF中空纤维超滤膜综述 篇5
1 制膜方法
目前PVDF中空纤维超滤膜的制备方法主要有两种,即“非溶剂致相分离法”(N IPS法)和“热致相分离法”(TIPS法)。因NIPS法所制得的膜丝拉伸强度较低,不适合应用于MBR水处理工程中,所以TIPS法制备PVDF膜的研究逐渐成为热点。
T I P S法是1 9 8 1年C a s t r o在专利US4247498[3]中首次提出的。专利中指出,许多热塑性、结晶性的高分子聚合物与某些高沸点的小分子化合物(稀释剂)在高温下(一般要高于聚合物熔点温度)能形成均相溶液,降低温度时又会发生固-液或液-液分离,然后用萃取的方法除去稀释剂可形成多孔膜,基本特征是“高温溶解,低温分相”,所以称之为“热致相分离法”。TIPS法相分离仅由热交换引起,所得的膜缺陷较少,膜内不会出现大孔结构而影响膜强度;制膜时容易发生旋节分相,因而还能够获得更窄的孔径分布[2]。
最初的TIPS法研究主要集中在那些无法用常规的非溶剂致相分离法制膜的聚合物材料上,如聚丙烯[4,5]、聚乙烯[6,7]等,这些聚合物通常需要一些高沸点小分子物质才能将其高温溶解。TIPS法所需温度高,一般要达到聚合物熔点以上100℃。
随着PVDF逐渐成为膜材料的主导,研究者进一步把TIPS法制膜材料扩展到了PVDF[8,9]聚合物上,PV DF不但在常温下有很好的良溶剂,而且也有很多不良溶剂或潜溶剂,这些潜溶剂在常温下对PVDF的溶解能力不良或很差,但是在提高温度的情况下却能与聚合物形成浓度较高的均相溶液,降低温度时又可以发生液-固或液-液分相。有地章浩和山田英树[9]将其称为“修正热致相分离法”(m-TIPS)。
m-TIPS法在拓宽膜材料范围的同时,降低了溶解温度,但是由于m-TIPS法所用的稀释剂为潜溶剂,提高温度可以形成PVDF均相溶液,降低温度时却通常只会发生固-液相分离,即PVDF从饱和溶液中析出(结晶或沉淀),这样形成的膜一般都是球晶堆积的结构,强度不会太高。所以寻找可以与PVDF发生明显液-液相分离的稀释剂便成为目前研究者探求的一个热点,目前的主要研究集中在以下几点。
(1)从PVD F与稀释剂的溶解参数的差异方面考虑。
杨健[10]和林亚凯[11]利用聚合物PVDF与稀释剂的溶解参数的差异[12,13],分别用二苯甲酮(DPK)和碳酸二苯酯(DPC)为稀释剂,使铸膜液发生了液-液分相区,但是如图1所示,当温度进一步降低时,仍然会发生固-液相分离。
1.PVDF膜;2.纤维编织管;3.PVDF膜基质;4.偶联层;5.纤维束
(2)寻找复合稀释剂。
一些研究者采用由两种对PVDF有不同溶解性能的溶剂组成的复合稀释剂[14,15,16,17,18,19]来制备中空膜,这种复合稀释剂在降温过程中首先发生液-液相分离:由一种中温溶解能力较高的溶剂与大部分PVDF组成的富聚合物液相,和由另一种中温溶解能力较差的溶剂与少部分PVDF组成的贫聚合物液相。但是,进一步降低温度至室温时,仍然会发生PVDF从潜溶剂中析出的现象。
鉴于这两种情况,祝振鑫等[20]设想如果用水溶性良溶剂和水溶性添加剂组成的混合液做稀释剂,则只要PVDF的浓度足够大或添加剂的量足够大,就有可能在常温下该混合液不能与PVDF形成均相溶液(即不能把所有加入的PVDF完全溶解),需要体系在较高的温度下经搅拌形成均相溶液,在这种情况下,降低温度就比较容易发生液-液相分离。在此基础上,北京坎普尔公司发明了“复合热致相分离法”(c-TIPS),即采用复合稀释剂(水溶性良溶剂和水溶性添加剂)制备,并发生了复合相分离过程(热致相分离为主,非溶剂致相分离为辅)。图2为北京坎普尔公司利用c-TIPS法制备的一种PVDF中空纤维超滤膜的电镜照片。
此外,逯志平、吕晓龙等[21]提出了一种新的方法——低温热致相分离法(L-TIPS),通过在聚合物与添加剂构成的混合物中加入溶剂,使成膜聚合物在低于聚合物熔点的温度下成为均匀的铸膜液,相转化成膜时,控制铸膜液的温度低于聚合物熔点、高于铸膜液的浊点温度,同时凝固浴温度显著低于铸膜液浊点温度。这样当铸膜液进入凝固浴中时,就会发生TIPS和NIPS相分离机理。
c-TI PS和L-TIP S法不但充分发挥了TIPS法膜强度高的特点,而且可在膜表面形成更致密的分离层,同时还打破了传统TIPS工艺中温度过高的禁锢,成为近期研究的热点。
TIPS制膜技术在日本等发达国家发展较快,长期以来被东丽、旭化成等外企公司所垄断,导致PVDF超滤膜价格昂贵。国内TIPS制膜技术起步较晚,技术还不成熟,但近年来也取得了一些进展。北京赛诺、苏州膜华等公司利用TIPS制备的PVDF中空超1.PVDF膜;2.纤维编织管;3.PVDF膜基质;滤膜已实现产业化。
2 制膜工艺
2.1 多孔中空纤维膜
传统使用的中空超滤膜都属于单孔结构,强度低,在使用过程中易出现断丝的现象。在此基础上,荷兰Koenhen博士发明了多孔中空纤维超滤膜,多孔中空纤维膜是由多根单孔中空纤维膜融合而成的,在一根膜丝上集成了呈蜂窝状的多根毛细纤维通道,多个孔之间相互支撑,膜丝的强度大大加强。多孔中空纤维膜是利用特殊的多孔纺丝喷头[22]制备而成,纺丝喷头中间通过多股芯液共同挤出,形成初生态中空纤维膜,而后经凝固浴固化成形。
Koenhen新型七孔中空超滤膜产品近年来在德国Inge公司和荷兰IMT公司生产及销售,其材质为聚醚砜(PES)。随后国内众多科研单位也开始了对多孔中空超滤膜的研究。北京中水源[23]以及泉州索爱公司研制的七孔PVC合金超滤膜已分别走上了产业化之路,抗拉强度达到了14~15 N左右,使得膜应用范围更为广泛。
目前有关多孔PVDF中空纤维超滤膜尚未实现产业化,但已在陆续研究中[24,25,26]。天津工业大学刘捷等[24]利用特殊结构的纺丝喷头,通过干-湿纺丝法,研制出了具有异形结构(一字型多芯、品字形多芯)的PVDF多孔中空纤维膜,其中品字形三芯中空纤维膜(如图4所示)的断裂强力从单芯中空纤维膜的101cN提高到了289cN,产业化指日可待。
2.2 纤维增强型中空纤维膜
为克服NIPS法膜丝强度低的问题,在NIPS法基础上又引进了一种纤维增强型中空超滤膜制备工艺,即在中空纤维膜内部引入编织纤维管或纤维束作为支撑体,利用编织纤维管或纤维束来增加膜强度。其中编织纤维管或纤维束本身要具有良好的化学和热稳定性、良好的拉伸强度,能够被铸膜液所润湿并且不能被铸膜液中所溶解[2],常用的有锦纶、涤纶、丙纶等。
最初的纤维增强型中空膜制备工艺源于Hayano等人[27]提出的纤维编织管涂覆技术,该技术只是简单地将铸膜液涂覆在纤维编织管的外表面,很难控制铸膜液向编织管内的渗入量,易堵塞中空纤维膜内腔,并且在使用中容易脱落。在此基础上,加拿大Zenon公司[28]通过减小旦尼尔数、增加纤维束的编织密度以及改进纤维束的编织方式,使铸膜液不至于渗入到编织管内部,但是分离膜易于脱落的问题并没有解决。
针对此问题,杭州洁弗公司发明了一种纤维编织——共挤出一体化成膜工艺[29],即将芯液引入至编织管内腔。天津大学李凭力等[30]用合成纤维在中空纤维膜外部编织成网,将经纤维加固后的中空纤维膜依次通过制膜液、凝固浴,制得网状纤维增强型聚偏氟乙烯中空纤维膜。另外还可以通过二次涂覆的方式[31,32],在分离膜与纤维编织管增加一层界面偶联层,如图5所示,该偶联层可以使小分子或是有机聚合物,也可以是铸膜液。这几种方法都保证了纤维位于膜壁中,解决了传统涂覆工艺制备的中空纤维膜中聚合物与编织纤维管易脱离的技术问题。并使得中空纤维内流道无纤维堵塞现象。但是在长期使用过程中,在强的连续冲击力下,还有可能出现分离膜与纤维编织管分离的现象。
为了进一步克服以上的不足,有研究者提出在中空膜中引入单根纤维,以代替编织纤维管,特征是在中空纤维膜本体内均匀设置3根以上的单丝纤维[33,34]。与采用编织纤维管为支撑体的中空纤维膜相比,单丝纤维与中空纤维膜本体具有更好的粘合性,更加不易剥落,大大提升了膜的使用寿命;而且嵌设在中空膜体内的单丝纤维体积比编织管小很多,基本不影响本体的水通量。其方法是利用特殊的喷丝头,使单丝纤维分别穿过喷丝头上相应的孔,然后与从其他入口进入喷丝头的铸膜液和芯液一起发生复合成型,进入凝固浴发生相分离固化成膜。
此外德国Membrana公司在上世纪90年代开发了Ultra-flux亲水性中空纤维膜,采用独特的P.E.T.技术(Performance Enhancing Technology),将高强度的长丝线与多根膜丝编织在一起,增加了膜丝强度,提高了膜的反洗效果。
目前国际上的纤维增强型中空超滤膜市场主要被美国GE、加拿大泽能、日本三菱丽阳所占据。近年来国内研究取得了一定的进展[33~36]。
因新型增强型纤维采用湿法制膜工艺,在提高强度的基础上,还解决了TIPS法成本高、制备难的问题,所以这种增强型中空纤维膜具有很高的研发价值,一旦产业化,效益也相当可观。
2.3“3H”纺丝工艺
碧水源结合NIPS和TIPS法的特点,发明了一种新的纺丝工艺,即高压高固高效凝胶纺丝工艺,简称“三高”(或“3H”)纺丝工艺[37]。该方法采用类似NIPS法的纺丝工艺,区别在于“3H”工艺所用的铸膜液中PVDF含量较高(25wt%~40wt%),远远高于NIPS法纺丝液的浓度(15w t%~25wt%),为提高聚合物的溶解性和降低铸膜液的粘度,铸膜液的制备和纺丝都采用的较高的温度80℃~130℃,通常NIPS法都低于80℃。铸膜液粘度的提高也迫使纺丝压力提高至10个大气压,而一般NIPS法的纺丝压力低于2个大气压。在凝胶过程中,凝固浴也采用了较高的温度(50℃~95℃),以促使初生中空纤维快速凝胶。碧水源采用“3H”纺丝工艺成功地将中空膜的强度由NIPS法制备时的1~2 N提高到了7~10 N。但是这种方法的缺点是纯水通量会受到限制,所以未能普遍应用。
3 结语
综上所述,为了适应工程需要,可以采用多种途径来增强PVDF中空纤维超滤膜的强度。目前高强度中空纤维膜已基本上实现产业化,但其市场主要被国外占据,国内研究有待进一步发展。
高强度纤维桩 篇6
关键词：碳纤维,X射线衍射,微晶取向,力学性能
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维具有高强度、高模量、耐高温和耐腐蚀等优异性能,被广泛应用于航空航天、国防军事等领域。此外, 在飞机工业、汽车行业、船舶制造、医疗器械、体育运动器材和新型建材等领域亦有广阔的应用前景。
近年来,由于对材料性能要求的不断提高,高强度、高模量碳纤维成为研制的热点[1,2,3,4,5]。在碳纤维的研发方面,日本东丽公司处于领先水平,其主要生产的PAN基碳纤维有T系列(即高强度)和M系列(即高模量)两类。由于碳纤维的微观结构对性能有着重要的影响,因此深入了解这两类碳纤维的结构特征以及微观结构与力学性能的关系非常必要,进而为研制高性能碳纤维提供科学的依据。
研究用X射线衍射方法分别对日本东丽公司生产的T系列和M系列PAN基碳纤维样品结构特征进行分析,分析这两类碳纤维在微观结构上的差异,以及对力学性能的影响。
1 实验部分
1.1 试样
日本东丽公司生产的T系列和M系列8种不同牌号的PAN基碳纤维试样,分别为:T300、T700、T800、T1000和M35JB、M40JB、M55JB、M60JB,力学性能数据见表1[6,7]。
1.2 X射线衍射测试
采用日本理学公司(D/max-2550 PC,Cu靶(λkα1=0.15406nm))X射线衍射仪。分别进行以下测试:将碳纤维充分剪碎如粉末。扫描范围(2θ)为5～100°;功率为40kV、250mA;步宽:0.02°;扫描速度:5°/min。
用Scherrer公式计算晶粒尺寸。将碳纤维疏理整齐,平行排列夹在纤维附件中,用点光束进行透射测试。分别测试纤维轴平行于子午线和赤道线的衍射谱图,以及纤维旋转360°即方位角扫描。功率为40kV、300mA;扫描速度:4°/min;方位角转速:12°/min。
2 结果与讨论
2.1 X射线衍射分析
T系列和M系列PAN基碳纤维的X射线衍射谱图如图1、2所示。PAN基碳纤维如同纳米材料的衍射特征,虽然图中显示了各个晶面的衍射峰,但峰强较低,峰形较宽。T系列碳纤维仅呈现4个衍射峰,分别为(002)、(100)、(004)和(110)晶面的衍射(见图1),M系列碳纤维除了呈现此4个峰以外,在大角处还出现了(110)、(105)和(006)晶面的衍射。此现象表明:M系列碳纤维的层状结构比T系列排列整齐,石墨化程度也高。
在此,以(002)和(100)的晶面间距计算晶胞参数,见表2。PAN基碳纤维如石墨结构,为六方晶系,通过与石墨(PDF89-8487)的晶体结构参数(a=b=0.2461nm、c=0.6708nm)比较,可以发现碳纤维晶体的a轴长度都小于石墨,而c轴长度大于石墨的c轴长度。T系列的c轴长度按照牌号顺序依次变小,a轴长度却几乎没有变化。M系列的c轴长度按照牌号 顺序依次变小,a轴长度却依次变大。通过这两类碳纤维比较可以看到,M系列碳纤维的微晶按照牌号顺序依次接近于石墨的晶胞尺寸。
图1与图2比较可以发现,T系列碳纤维的衍射峰强度比M系列低、且宽得多。以(002)和(100)的晶面衍射,用(1)式计算的晶粒尺寸列于表2。T系列碳纤维的(002)和(100)晶面的晶粒尺寸按照牌号顺序变化不大,并且(100)晶面的晶粒尺寸按照牌号顺序有变小的趋势。M系列碳纤维的(002)与(100)晶面的晶粒尺寸不仅远远大于T系列,而且按牌号顺序依次增大。
引起T系列碳纤维的衍射峰宽化,除了晶粒尺寸较小以外,还与两个因素密切有关:(1)层平面平整(即径向曲率)和层层之间的规整排列;(2)准晶(局部有序,但不完善的晶体状态)和缺陷。实际上,碳纤维的分子链平行于纤维轴,属伸直链结晶,以层状的石墨结构二维堆砌[8,9,10,11,12]。层平面平整,层之间规整地均匀堆砌,以完善的晶体存在,将趋向三维有序结构发展,(002)和(100)晶面的衍射峰峰形越窄,晶粒尺寸越大。反之,层平面弯曲,层之间厚度不均匀、紊乱堆砌,必然使衍射峰宽化。由此表明, T系列比M系列紊乱得多,并且存在较多的准晶和缺陷。
2.2 微晶取向分析
T系列和M系列碳纤维微晶取向的X射线衍射如图3、4所示。图(a)为纤维轴平行于子午线(即方位角θ=0°;图(b)为纤维轴平行于赤道线(即方位角θ=90°,由于微晶发生取向,各晶面的衍射环变为衍射弧,故两者衍射谱图几乎完全不同。根据倒易关系的原理,在图(a)中主要是(00l)晶面的衍射贡献;在图(b)中主要是(h00)晶面的衍射贡献。
图3与图4比较,明显的不同之处是M系列碳纤维在2θ≈23.68°、38.46°、48.18°等处有衍射峰(见图4用“↓”标注),并且这些衍射峰强度随牌号顺序依次增大。由此表明T系列碳纤维也存在这些峰,只不过强度较弱,并已经宽化,被(002)和(100)晶面的衍射峰掩盖。T系列碳纤维在2θ≈23.68°、38.46°、48.18°处衍射峰的晶面间距(d)分别为0.375nm、0.234nm、0.189nm,用上述石墨的六方晶系不能指标化。换言之,这些峰不属于此类晶系的贡献。对此,另外进行指标化,这些衍射峰标记为[2]、[100]、[4]晶面(为了区别于前一种晶系的晶面指数,在此用方括号表示)。由此表明,在M系列碳纤维中存在着另一种六方晶系的石墨结构,其晶胞参数:a=0.270nm、c=0.750 nm,比前一种的晶胞尺寸大,但含量要少得多。并且T系列碳纤维也存在这些峰,只不过含量更少,强度较弱,并已经宽化,或被(002)和(100)晶面的衍射峰掩盖。
选择(002)晶面的衍射,测试纤维轴围绕方位角旋转360°的谱图如图5所示,图(a)和图(b)分别为T系列和M系列的衍射谱图。可以发现,T系列的衍射弧宽度比M系列窄得多,用取向度计算公式算取向度列入表2中。T系列碳纤维的取向度差异不大,而M系列的取向度都大于T系列,并按牌号顺序依次增大。
2.3 结构与性能的关系
2.3.1 T系列和M系列碳纤维的结构特征:
(1)虽然这两类碳纤维的晶胞a轴长度普遍小于石墨的a轴长度,c轴长度大于石墨的c轴长度,但T系列碳纤维的晶胞尺寸与石墨结构相差较大,而M系列碳纤维的晶胞尺寸较接近于石墨结构;
(2)T系列碳纤维的衍射峰强度比M系列的衍射峰弱,且衍射峰峰形较宽,因此T系列碳纤维的晶粒尺寸比M系列小的多,二维堆砌较为紊乱,准晶和缺陷存在较多;
(3)T系列碳纤维中的微晶取向规整性不如M系列,因此其取向度比M系列取向度小;
(4)M系列碳纤维中明显存在两种不同晶胞尺寸的六方晶系石墨结构。
2.3.2 微观结构对力学性能的影响
(1)由表1力学性能的数据可以看出,T系列碳纤维的取向度都小于M系列。T系列的取向度增加,使拉伸强度和拉伸模量均有所增强,并且拉伸强度增强的幅度大于拉伸模量。对于M系列,取向度的增加使拉伸模量大幅度提高,但使拉伸强度却有所下降。显然,取向度的增加,使分子链以及层层之间的缺陷和微孔减少[13],有利于提高拉伸强度和拉伸模量。但取向度增加到一定程度,碳纤维的层状堆砌趋于规整,不完善晶体减少,晶粒尺寸增大,并向三维有序结构发展,使拉伸模量提高。但由于不完善晶体、缺陷和微孔减少,使拉伸强度降低,因为当纤维被拉伸时,张力主要集中在不完善的结晶部分以及缺陷部分,易实现塑性形变和蠕变[12];
(2)取向度的增加使T系列碳纤维微晶的横向尺寸Lc增大,却使径向尺寸La减小[14],导致断裂伸长率增加。由此表明,层状横向规整堆砌有利于提高拉伸强度。对于M系列碳纤维来说,取向度的增加到一定程度以后,不仅Lc增大,而且也使La增大。
3 结论
(1)T系列和M系列碳纤维结构特征的差异是:M系列碳纤维的晶胞尺寸较接近于石墨结构,晶粒尺寸和取向度较大,以两种不同晶胞尺寸的六方晶系石墨结构共存。
(2)PAN基碳纤维的微晶取向性越高,晶粒尺寸越大、二维堆砌越规整,石墨化程度越高,越有利于提高碳纤维的拉伸模量。
高强度纤维桩 篇7
随着时代发展、科技进步, 新设备、新工艺、新技术不断得到应用。就辛置煤矿而言, 地质条件复杂、工作面设备更新缓慢, 严重制约着煤矿生产, 为了改变这种现状, 在辛置煤矿2-505B回采工作面末采期间首次使用了高强度树脂纤维网代替传统铁丝网, 为实现了安全、快速、高效末采的奠定了基础[1,2]。
1 工作面概况及新材料使用简介
1.1 工作面概况
辛置煤矿2-505B工作面位于南五采区左侧, 开采山西组2#煤层, 煤层厚度3.28 m。煤层直接顶板为砂质泥岩, 厚2.5 m~5.5 m;其上为基本顶K8细砂岩, 厚8m~10 m;直接底板为砂质泥岩, 厚5 m, 其下为中砂岩, 厚2.5 m。工作面煤层倾角较小, 煤层整体走向为北东方向, 倾角1°~4°。工作面两巷均沿煤层走向布置, 走向长度178 m, 切割巷长69 m。工作面标高383 m~392m, 于2012年3月开始回采任务, 4月末开始末采。
1.2 新材料使用简介
本次2-505B工作面末采期间使用了山东浩珂矿业格瑞特煤矿高强阻燃聚酯纤维柔性网 (PET400×400RS格瑞特树脂纤维网) , 此网采用高强涤纶工业长丝编织而成, 涂覆阻燃、抗静电高分子材料, 具有强度大、面积大、阻燃、抗静电、整体性强的特点, 可应用于煤矿工作面回撤铺网、巷道支护、制作人工假顶、边坡防护, 可代替金属网广泛使用[3]。
2 高强阻燃聚酯纤维柔性网与传统铁丝网施工工艺比较
2.1 传统铁丝网
使用菱形金属网 (0.8 m×10 m) , 相互搭接, 连网护顶。当工作面推进到距停采线位置10.2 m时 (剩17个循环时) , 采煤机割煤后从机尾到机头铺设三道菱形金属网 (4 cm×4 cm) , 以后每个循环铺一道菱形金属网, 距停采位置剩余8.4 m (14个循环) 时, 割煤铺网后沿工作面方向在第四道网中间挂连一道钢丝绳 (Φ28mm) , 以后每个循环连一道钢丝绳, 共铺连9道钢丝绳, 工作面推进到距停采位置剩余2.4 m (4个循环) 时, 采煤机割煤后, 停止移架, 沿顶板打一排锚杆, 之后每个循环只移溜割煤、不移架, 在顶板上共打四排锚杆, 并在支架顶梁前端0.3 m处布置一排锚索, 在第二排和第三排锚杆中间布置一排锚索, 共计两排锚索。推至停采位置后在煤帮打三排帮锚杆, 如顶板压力较大或顶板破碎时, 应在停采线靠煤壁侧加打贴帮柱。
2.2 高强阻燃聚酯纤维柔性网
2.2.1 施工准备
2-505B工作面使用的两张PET400×400RS格瑞特树脂纤维网对接 (使用规格36 m×10.2 m) , 一次性上网、铺网。需要配备手绞盘 (23个) 、滑轮 (23个) , 钢丝绳和尼龙绳若干进行铺网 (如图1) 。
2.2.2 施工工艺
本次上网, 柔性网分为两段, 在工作面展开时需要考虑停机位置, 保证中间搭接段预留2 m~3 m (可以根据工作面的生产条件设计网片的规格, 便于运输、挂网、连网, 满足实际生产需求) 。
初步上网需要注意网头、网边的固定牢靠, 采用降低支架顶梁上网, 隔架打锚杆固定网边。上网过程中需要使用导链在两侧网头对拉, 便于铺网平整[4]。
进入末采前, 提前在工作面所有奇数支架的左立柱中部安装手动绞盘和顶梁上安装定滑轮, 并在绞盘上安装好钢丝绳, 以便收网、放网。末采开始前一个循环割煤后不拉架推溜, 将机道和溜子上浮煤清理干净, 将做好的网拉到工作面做准备。
用手绞盘配合钢丝绳将树脂网整体反向拉起, 置于支架顶梁下。采煤机截割末采开始第一个循环, 割煤后, 操作手绞盘将网下放, 打出偶数号支架护帮板, 前移奇数号支架并升紧, 接着收回偶数号支架护帮板并前移升紧, 摇动手绞盘将网反响拉起, 置于支架顶板梁下。
前移奇数号支架时, 必须从工作面一端向另一端逐架前移, 偶数号码支架操作方法与奇数号支架相同[5]。以确保初始端的钢丝绳始终是紧绷的 (纤维网全长全部紧贴于顶板上) 。重复割煤和铺网的每个过程, 直到工作面到达停采位置。撤架通道煤壁铺设经纬网时必须与顶板铺设的纤维网用16#铁丝连接, 搭接不低于100mm, 每隔一格连一道 (连绳和打锚杆、锚索方法参照传统工艺) 。
3 柔性网与铁丝网末采铺网使用效益比较
3.1 工艺及工时效率
3.1.1 工艺改进
传统末采需要在拉过架打开护帮板, 闭锁采煤机、回采刮板输送机后, 人员需要频繁地进入煤帮内进行人工连网作业。末采铺网工艺为“割煤→放网→拉架→移溜→连网→钩网→割煤”。按照传统工期安排, 一切巷长69m工作面的末采过程用时12 d。使用柔性网末采, 固定网头后, 一次性上网铺网。末采铺网工艺为“割煤→放网→拉架→移溜→钩网→割煤”。
3.1.2 工时效率
主要省去了传统工艺中“连网”的工序, 末采节省时间5 d。
3.2 劳动强度和安全系数
3.2.1 劳动强度降低
柔性网上网、铺网时作业人员可借用机械 (手绞盘、滑轮) 远距离操作, 很大程度上避免了作业人员频繁进入回采机道和煤帮侧进行连网作业, 降低了人员劳动强度, 保障作业人员的安全。
节约了停机连网时间和工序, 提高生产效率, 缩短末采所需时间。柔性网较铁丝网的挡矸、护顶效果较明显, 可达到实际需求[6]。
3.2.2 安全系数提高
柔性网实现一次性上网, 整体性强, 上架及向后移动速度快、效果好, 使用整块网减少了人员频繁进入煤壁侧连网作业, 降低作业人员劳动强度, 利于保障人员安全。
4 经济社会效益
末采天数由传统的12 d简省至7 d, 同时以往需要25人进行末采, 现在进行15人即可完成, 传统的需要25×3×12=900人次, 现在需要15×3×7=315人次, 共计节约585人次, 劳动工效按80元/人班, 共节省费用80×585=46 800元。试验切巷69 m, 末采长度13.4 m, 上网924.6 m2。铁丝网费用为36元/m2, 柔性网费用为126元/m2。铁丝网 (双层) 费用=36×2×924.6=66 571.2元, 柔性网费用=126×924.6=116 499.6元。减少锚杆两排, 每排69根, 54元/每套, 减少54×2×69=7 452元。减少钢丝绳四道, 17元/m, 减少17×4×69=4 692元。减少打锚杆、上绳劳动, 以往至少需要6人、5 d, 即6×3×5=90人次, 劳动工效按80元/人班, 共节省费用80×90=7 200元。综上, 共计节约16 215.6元。
5 结语
在辛置煤矿2-505B回采工作面末采期间首次使用的高强度树脂纤维网代替传统铁丝网, 实现了安全、快速、高效末采的目的。使用柔性网末采, 柔性网实现一次性上网, 整体性强, 上架及向后移动速度快, 效果好, 使用整块网减少了人员频繁进入煤壁侧连网作业, 降低作业人员劳动强度, 保障人员作业安全。经过本次末采使用新型高强度树脂纤维网材料代替传统铁丝网的实践证明, 采用这种同步上网工艺整体铺设, 简化了工序, 很大程度上减轻了作业人员的劳动强度, 工时效率、安全系数有较大提高, 实现了综采工作面安全、快速、高效末采, 对提高综采工作面回撤效率和安全保障具有重要意义。
参考文献
[1]孔彪.高强聚酯纤维柔性网在煤炭产业中的应用探究[J].资源节约与环保, 2013 (9) :52.
[2]邓国恩.高强聚酯纤维网在薄基岩富水区综采工作面回撤中的应用研究与实践[J].内蒙古煤炭经济, 2013 (5) :61-63.
[3]蒙鹏科.大采高综采工作面设备快速回撤的现场应用[J].神华科技, 2010 (5) :28-31.
[4]吕世明, 王君嵬.综采工作面安全优质快速回撤技术[J].煤炭技术, 2010 (4) :79-80.
[5]丁永禄.柔性网在大采高大断面回撤通道中的应用[J].煤炭工程, 2011 (10) :34-36.
高强度纤维桩 篇8
关键词：高强度,钢纤维混凝土,隧道,二次衬砌
1 工程概述
本项目位于迪庆州维西县境内，澜沧江左岸邻江陡坡地带，隧道穿越舌状山脊，隧址区海拔高度为1 846 m～2 073 m。由于受大区域断裂构造影响本区各种较小断裂构造数量较多，地层受挤压扭转等影响，褶皱构造发育，岩层倒转、向斜、背斜现象普遍，裂隙发育，特别是竖向裂隙发育。隧道全长360 m，隧道出口的K183+820～K183+800段开挖过程中发现断层，岩石破碎，呈巨块状;开挖后，采用了中空注浆锚杆+挂网喷锚联合;隧道开挖后继续向前掘进，当掘进至桩号K183+800位置时，该段隧道出现了大规模开裂，工字钢接头位置焊缝变形，工字钢弯曲。
2 变形监测数据分析
1)监测单位将变形监测周期由原来的每两天一次更改为每天两次，并对数据进行分析。同时监控单位根据相关规范要求，对隧道断面进行了布点监控(见图1)。
2)下面就1号断面K183+804和2号断面K183+810两个比较典型的数据进行分析(见图2～图5)。
3)数据分析。
1号断面K183+804周边收敛位移速率最大值为-1.87 mm/d、位移累计值为-24.86 mm;拱顶下沉位移速率最大值为3.26 mm/d、位移累计值为67.86 mm。综合监测的数据结果及洞内支护情况调查进行综合分析认为，围岩处于不稳定状态，围岩变形有进一步加剧的趋势。
2号断面K183+810周边收敛位移速率最大值为1.02 mm/d、位移累计值为-5.71 mm;拱顶下沉位移速率最大值为1.45 mm/d、位移累计值为41.46 mm。综合监测的数据结果及洞内支护情况调查进行综合分析认为，围岩处于不稳定状态，围岩变形有进一步加剧的趋势。
由于该处断层较长，围岩破碎，围岩基本呈现巨块状，直径为2 m～3 m，中空注浆锚杆打入后很难发挥其作用，特别是在水的作用下，围岩之间的夹层一旦软化，围岩产生错动，围岩之间应力重新分布，其产生的作用力工字钢很难起到支撑作用，工字钢很快产生变形，喷射混凝土产生开裂。如果不及时进行处理，净空进一步被压缩，最终导致隧道垮塌或者隧道净空被压缩后无法满足使用要求。
3 处理方案
1)根据监测单位的数据，要求马上进行二次衬砌施工。对初期支护后形成的断面进行了复测，由于变形收敛部分初期支护已经侵入二次衬砌，经过统计，原设计的50 cm二次衬砌厚度已经无法满足，厚度只有35 cm左右，不满足设计及规范要求，而变形收敛还在继续，围岩尚未进入稳定状态，无法重新进行初期支护。
2)通过计算分析，决定采取如下措施:通过加强二次衬砌来保证隧道的稳定和安全性，具体方案为:a．原设计C30混凝土变更为C40混凝土。环向主筋间距由20 cm变更为10 cm。b．混凝土中加入钢纤维，钢纤维参数为:钢纤维掺量30 kg/m3。钢纤维参数:长度20 mm～60 mm，直径或等效直径0.3 mm～0.9 mm，长径比30～80。正式浇筑前对C40钢纤维防水混凝土进行相应配合比及各种强度试验。c.C40钢纤维防水混凝土二次衬砌后压浆，径向孔应深入岩层2 m，采用42 mm×4 mm钢管，钢管上30 cm外制作梅花孔，每个断面3根(拱顶1根，拱腰2根)，纵向2 m间距埋设。要求注浆材料采用纯水泥浆，水灰比1∶1～1.25∶1，其配合比也可根据现场试验后调整，且待二次衬砌混凝土强度达到设计强度70%后进行压浆处理，初压0.3 MPa～0.5 MPa，严格按照固结灌浆技术工艺进行。
4 处理结果
经过处理后，同样进行了变形观测，并对各点数据进行分析(见图6，图7)。
通过对数据进行分析，变形逐渐收敛，围岩、初期支护及二次衬砌共同作用下隧道进入稳定期。
5 结论及建议
1)钢纤维在高强度混凝土中抗剪性能方面的效果明显，能明显减少裂缝的产生。
2)二次衬砌作为隧道初期支护最后支撑体系，在初期支护施工过程中必须保证质量，严防收敛变形过大导致隧道二次衬砌厚度不足。
3)钢纤维在混凝土中的掺入量需要进行提前试拌，并制作试块进行试验，检验钢纤维混凝土的相关力学参数。
参考文献
[1]CECS38-2004,纤维混凝土结构技术规程[S].
[2]CECS-92,钢纤维混凝土结构设计与施工规程[S].
[3]JTG D70-2004,公路隧道设计规范[S].
