精密無(wú)縫紡織基平帶制備工藝參數(shù)對(duì)其拉伸性的影響

連明強(qiáng)， 林　婧， 王富軍， 王文祖， 鄧　櫻， 沈光輝， 王　璐

(1.東華大學(xué) a. 紡織學(xué)院；b. 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620；2. 寧波伏龍同步帶有限公司， 浙江 寧波 315311)

精密無(wú)縫紡織基平帶是一種新型的高性能平帶[1]，主要由增強(qiáng)體紡織基、橡膠層和黏結(jié)層組成，如圖1所示.其中，紡織基起到提高平帶抗張強(qiáng)力作用；橡膠層起到增加平帶摩擦接觸及彈性的作用；而黏結(jié)層用于黏結(jié)增強(qiáng)體紡織基與橡膠層[2-3].相比普通平帶，精密無(wú)縫紡織基平帶的周長(zhǎng)更短、厚度更薄，結(jié)構(gòu)更緊湊，在微傳動(dòng)方面具有高精度、高平穩(wěn)性和高傳動(dòng)效率的優(yōu)點(diǎn)[4]，目前已被廣泛應(yīng)用于結(jié)算機(jī)、檢票機(jī)、自動(dòng)存取款機(jī)等涉及紙張和卡片等平滑傳動(dòng)的自動(dòng)化設(shè)備領(lǐng)域[5].國(guó)際上主要的精密無(wú)縫紡織基平帶生產(chǎn)商有日本阪東集團(tuán)、日本UNITTA、德國(guó)BRECOflex和英國(guó)F&F等，這些公司的精密無(wú)縫紡織基平帶性能優(yōu)良，使用周期較長(zhǎng).精密無(wú)縫紡織基平帶在國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)巨大[6]，但目前國(guó)內(nèi)自主品牌的精密無(wú)縫紡織基平帶由于橡膠和紡織基黏結(jié)牢度不足，普遍存在橡膠層易老化開(kāi)裂、帶體拉伸強(qiáng)度較小等缺點(diǎn)，導(dǎo)致產(chǎn)品生命周期縮短、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力欠佳.另外，目前國(guó)內(nèi)對(duì)精密無(wú)縫紡織基平帶的研發(fā)力度相對(duì)不足，雖然有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、長(zhǎng)春理工大學(xué)、山東大學(xué)等高校對(duì)傳送帶進(jìn)行系統(tǒng)研究，但研究對(duì)象主要集中在傳統(tǒng)平帶、V帶和同步帶等方面.

(a) 平帶外觀

(b) 平帶組成

Fig.1Sketchmapofthecompositionofprecisionseamlessbelt

精密無(wú)縫紡織基平帶作為由紡織基與橡膠層兩者結(jié)合的復(fù)合材料，整條平帶最終力學(xué)性能取決于紡織基與橡膠層黏結(jié)狀態(tài)的優(yōu)劣[7-8].目前平帶紡織基與橡膠層黏結(jié)力不足的主要是原因是黏結(jié)劑與紡織基的結(jié)合不牢[9].為了進(jìn)一步提高黏結(jié)劑與滌綸紡織基的結(jié)合牢度，有研究者嘗試從改進(jìn)黏結(jié)劑化學(xué)成分方面進(jìn)行探索[10]，雖然能在一定程度上改善黏結(jié)劑與紡織基的結(jié)合性，但大大增加了材料成本和操作的復(fù)雜性.

本文從增加黏結(jié)劑與紡織基黏結(jié)面積和改變黏結(jié)劑上附形態(tài)的角度出發(fā)，在不改變目前精密無(wú)縫紡織基平帶主流紡織基組織結(jié)構(gòu)和黏結(jié)劑成分的前提下，以較簡(jiǎn)易的方法改進(jìn)黏結(jié)劑和紡織基的結(jié)合情況.為此，本文選取了滌綸長(zhǎng)絲卷曲性、紡織基線圈縱密和間苯二酚-甲醛-膠乳溶液上附方式3個(gè)方面對(duì)紡織基與橡膠層黏結(jié)牢度及平帶力學(xué)性能的影響進(jìn)行研究.

1　試驗(yàn)部分

1.1　試驗(yàn)材料

橡膠液；間苯二酚-甲醛-膠乳溶液(RFL浸漬液)；選擇3種不同的滌綸長(zhǎng)絲，分別編號(hào)為長(zhǎng)絲A、B、C，其參數(shù)指標(biāo)如表1所示.

表1　長(zhǎng)絲各參數(shù)指標(biāo)

(續(xù)　表)

1.2　試驗(yàn)方法

1.2.1紡織基增強(qiáng)體的制備

在紡織基增強(qiáng)體的制備過(guò)程中，在相同彎紗深度的情況下利用高線密度且高彈性的滌綸長(zhǎng)絲對(duì)織物進(jìn)行兩端封口，可有效地避免緯平針織物在后續(xù)套模等處理時(shí)發(fā)生的線圈脫散現(xiàn)象.由于在同樣的彎紗深度情況下，滌綸長(zhǎng)絲的線密度越高、彈性越高，緯平針織物的緊密程度越大，長(zhǎng)絲與長(zhǎng)絲之間的接觸面積越大；滌綸長(zhǎng)絲彈性的增加，加大了長(zhǎng)絲的卷曲程度[11]，使得織物內(nèi)長(zhǎng)絲間或長(zhǎng)絲內(nèi)單絲間相互勾結(jié)抱纏.這些都有利于增加線圈與線圈之間的接觸摩擦力，防止緯平針織物散邊.

本文分別利用長(zhǎng)絲A、B、C通過(guò)圓型緯編機(jī)編織3種緯平針織物SA、 SB、 SC.為避免針織物在后續(xù)處理工藝中出現(xiàn)脫圈，在編織過(guò)程中為織物兩端引入小段由防散邊絲編織而成的防散邊結(jié)構(gòu)，如圖2方框處所示.

圖2　防散邊紡織基實(shí)物Fig.2　Anti-scattering edge structure

1.2.2RFL浸漬液上附方法

RFL浸漬液是精密無(wú)縫紡織基平帶橡膠層和紡織基增強(qiáng)體結(jié)合穩(wěn)固的關(guān)鍵，是兩者直接的黏結(jié)層[12-13].因此，RFL浸漬液在紡織基增強(qiáng)體表面的上附分布、上附量、上附形貌等都可能影響平帶的拉伸性能. 本文選用浸漬法及噴霧法對(duì)比研究上附方式對(duì)平帶拉伸性能的影響.

(1) 浸漬法.將洗凈及低溫烘干后的織物增強(qiáng)體套入一定外徑模具中(外徑為所制備平帶的內(nèi)徑)，織物兩端用扎帶固定在模具上，將織物帶模具一起浸入RFL浸漬液中(如圖3所示)，取出置于干燥箱中以150 ℃、 10 min[14]的條件下加熱烘干.

圖3　浸漬法原理圖Fig.3　Impregnation method

(2) 噴霧法[15].將洗凈后的織物增強(qiáng)體的兩端固定于模具上，利用噴槍將RFL浸漬液以霧狀的方式噴涂于織物上(如圖4所示)，噴涂完成后，對(duì)織物進(jìn)行烘干處理，烘干條件同浸漬法.

圖4　噴霧法原理圖Fig.4　Spray method

1.2.3橡膠硫化等后續(xù)加工

對(duì)涂覆有RFL浸漬液的紡織基增強(qiáng)體進(jìn)行橡膠硫化、冷卻、精磨和切割等后續(xù)工藝流程，獲得厚度為0.7 mm的材料，參照GB/T 10716—2012，每個(gè)試樣的機(jī)械切割尺寸為長(zhǎng)度300 mm和寬度12 mm，供力學(xué)性能測(cè)試用.

本文設(shè)計(jì)并制備了9種不同結(jié)構(gòu)的精密無(wú)縫紡織基平帶試樣，用來(lái)研究結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能的構(gòu)效關(guān)系. 樣品采用阿拉伯?dāng)?shù)字進(jìn)行編號(hào)，1#～3#樣帶用于研究不同卷曲性的滌綸長(zhǎng)絲對(duì)帶體拉伸性能的影響；4#～6#樣帶和無(wú)紡織基增強(qiáng)體的9#樣帶用于探索不同紡織基縱密對(duì)帶體拉伸性能的影響；7#與8#樣帶分別采用浸漬法和噴霧法上附黏結(jié)劑，以對(duì)比不同上附方式對(duì)帶體拉伸性能的影響. 9種樣帶的主要差異參數(shù)如表2所示.

表2　各樣帶的基本參數(shù)

(續(xù)　表)

1.2.4拉伸測(cè)試

參照GB/T 10716—2012和精密無(wú)縫紡織基平帶在傳動(dòng)機(jī)上應(yīng)用需要的尺寸，裁取長(zhǎng)度為300 mm和寬度為12 mm長(zhǎng)條狀平帶[16]，每個(gè)試樣測(cè)試3次. 利用強(qiáng)力測(cè)試儀(Instron)測(cè)試平帶在拉伸階段所受拉力相對(duì)于位移變化關(guān)系曲線，通過(guò)對(duì)不同試樣曲線的對(duì)比分析，探索不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)精密無(wú)縫紡織基平帶拉伸行為的影響.

1.2.5平帶拉伸前后形貌觀察

采用SMZ745T型立體顯微鏡(日本尼康公司)觀察各個(gè)試樣拉伸前后的表觀形態(tài)，分析不同長(zhǎng)絲結(jié)構(gòu)、織物密度以及RFL上附方式在拉伸前后對(duì)平帶表觀形貌特征的影響.

2　結(jié)果與討論

2.1　長(zhǎng)絲卷曲性對(duì)平帶拉伸行為的影響

不同卷曲性長(zhǎng)絲樣帶的拉伸性能如圖5所示.

(a) 斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率

(b) 拉伸曲線

Fig.5Tensilepropertyofdifferentcoiledfilamentbelts

由圖5可知：斷裂伸長(zhǎng)率方面，長(zhǎng)絲C>長(zhǎng)絲B>長(zhǎng)絲A，但在制備成精密無(wú)縫紡織基平帶后，平帶斷裂強(qiáng)度相近，而長(zhǎng)絲卷曲性低的1#樣帶斷裂伸長(zhǎng)率卻遠(yuǎn)高于2#、3#樣帶；1#樣帶的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在a點(diǎn)之后出現(xiàn)明顯的波動(dòng)現(xiàn)象. 作為一整體性能高的精密無(wú)縫紡織基平帶，其在拉伸斷裂時(shí)紡織基和橡膠層不應(yīng)發(fā)生分離滑移，應(yīng)力-應(yīng)變曲線線性關(guān)系越高越好. 1#樣帶所用的長(zhǎng)絲A卷曲程度為0，其紡織基與橡膠層結(jié)合力的不足，經(jīng)過(guò)一段拉伸后，紡織基與橡膠層發(fā)生了分層滑移現(xiàn)象；繼續(xù)拉伸樣帶，由于紡織基線圈的斷裂不同時(shí)性引起試樣在a點(diǎn)之后出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)，紡織基與橡膠層繼續(xù)發(fā)生相對(duì)滑移，最終1#樣帶的斷裂伸長(zhǎng)率(173.34%)遠(yuǎn)高于其他試樣，但此時(shí)1#樣帶的高斷裂強(qiáng)度已失去了使用價(jià)值.而長(zhǎng)絲B、 C由于具有較高的卷曲性，因此相比長(zhǎng)絲A而言，其本身存在微觀彎曲，在編織成圈后其實(shí)際線圈長(zhǎng)度更長(zhǎng)，這將有利于增加RFL和長(zhǎng)絲之間的接觸面積和黏合性，同時(shí)，長(zhǎng)絲卷曲程度越大，復(fù)絲越蓬松[17]，長(zhǎng)絲內(nèi)單絲間隙更大，更有利于橡膠的滲入，從而有利于提高紡織基與橡膠層的黏結(jié)牢度，最終將大大提高樣帶的整體拉伸力學(xué)性能.長(zhǎng)絲C卷曲程度較長(zhǎng)絲B進(jìn)一步提高，實(shí)際線圈長(zhǎng)度同樣進(jìn)一步得到增加，因此，3#樣帶的斷裂伸長(zhǎng)率較2#樣帶大，而初始模量相對(duì)較小.

試驗(yàn)樣帶的拉伸破壞形貌如圖6所示.

(a) 拉伸前(×5)

(b) 1#樣帶拉斷后(×5)

(c) 2#樣帶拉斷后(×5)

(d) 3#樣帶拉斷后(×5)

由圖6可以進(jìn)一步驗(yàn)證以上結(jié)論：1#樣帶拉伸后可以清晰地觀察到長(zhǎng)絲和橡膠的剝離，且部分剝離的滌綸長(zhǎng)絲裸露出自身白色表面(圓圈中)，這說(shuō)明涂覆RFL后的滌綸長(zhǎng)絲經(jīng)拉伸后，RFL已從長(zhǎng)絲表面脫落；2#和3#樣帶經(jīng)拉伸斷裂后紡織基和橡膠層結(jié)合始終良好，兩種樣帶斷裂處均較平整，且未見(jiàn)紡織基和橡膠層分離的現(xiàn)象.

2.2　紡織基縱密對(duì)平帶拉伸行為的影響

由于卷曲性最高的長(zhǎng)絲C所制備的樣帶，其紡織基與橡膠層結(jié)合牢度較高、帶體拉伸性能較好，因此，利用長(zhǎng)絲C制備的3種縱密紡織基樣帶用以研究紡織基縱密對(duì)帶體拉伸性能的影響. 不同縱密紡織基樣帶的拉伸性能和樣帶拉斷后表觀和斷口處形貌分別如圖7和8所示.

(a) 斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率

(b) 拉伸曲線

Fig.7Tensilepropertyofdifferentfabriclongitudinaldensity

(a) 4#樣帶(×5)

(b) 5#樣帶(×5)

(c) 6#樣帶(×5)

由圖7可知，隨著紡織基縱密的增加，精密無(wú)縫紡織基平帶的斷裂強(qiáng)度逐漸提高，斷裂伸長(zhǎng)率逐漸減小. 紡織基是平帶在拉伸時(shí)承受外力的主要部分，因此紡織基縱密越大，平帶寬度內(nèi)線圈橫列數(shù)越多，承受外部拉力的滌綸長(zhǎng)絲數(shù)量也越多，其斷裂強(qiáng)度就越大.9#樣帶體內(nèi)不存在紡織基，其拉伸斷裂伸長(zhǎng)率超過(guò)600%(圖7(b)只給出了其應(yīng)力-應(yīng)變曲線的一部分)，從曲線中可以看出純橡膠帶的低模高伸特點(diǎn). 因此在精密無(wú)縫紡織基平帶中，隨著滌綸體積分?jǐn)?shù)的增加、橡膠體積分?jǐn)?shù)的降低，平帶的斷裂伸長(zhǎng)率減小.通過(guò)橡膠結(jié)合滌綸紡織基可有效地增加帶體抵抗外拉力的能力，同時(shí)極大程度地降低了帶體的延伸性. 4#、5#、6#樣帶的拉伸曲線不存在明顯的波動(dòng)現(xiàn)象，可推測(cè)其紡織基增強(qiáng)體和橡膠層結(jié)合性良好. 由圖8可知，樣帶在拉斷后紡織基與橡膠層沒(méi)有明顯的分層滑移，斷口平整. 因此，通過(guò)調(diào)整紡織基縱密可有效地改善精密無(wú)縫紡織基平帶的拉伸性能.

2.3　上附方式對(duì)平帶拉伸行為的影響

不同黏結(jié)劑上附方式樣帶的拉伸性能如圖9所示.由圖9可知：以浸漬法將RFL上附于滌綸織物的樣帶平均斷裂伸長(zhǎng)率為91.51%，高于噴霧法樣帶的83.52%；浸漬法樣帶的斷裂強(qiáng)度則略低于噴霧法樣帶.兩種上附方法的拉伸曲線在伸長(zhǎng)率為15%～20%處均有屈服現(xiàn)象，但不同的是，浸漬法樣帶的屈服點(diǎn)較噴霧法樣帶的靠后，在屈服點(diǎn)之后，噴霧法樣帶拉伸曲線的斜率大于浸漬法樣帶拉伸曲線.

(a) 斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率

(b) 拉伸曲線

不同黏結(jié)劑上附方式的紡織基形貌差異如圖10所示.由圖10可知：浸漬法上附RFL是將織物完全浸沒(méi)于RFL液中，這使得長(zhǎng)絲完全被RFL包裹其中，烘干之后形成單根結(jié)構(gòu)，其長(zhǎng)絲往往只有外層單絲表面的RFL與橡膠結(jié)合，RFL與橡膠的接觸面積小且與橡膠的接觸面往往較光滑，不利于RFL與橡膠的黏結(jié)；噴霧法與浸漬法不同的是，噴霧法將RFL浸漬液以微細(xì)液滴的形式噴附于滌綸長(zhǎng)絲內(nèi)各單絲表面，烘干之后單絲之間的間隙促進(jìn)了后續(xù)硫化工序中橡膠充分地滲入，大大增加了滌綸與橡膠的接觸面積.因此，相比浸漬法，噴霧法更有利于橡膠和滌綸黏結(jié)力的提高、減少兩者的相對(duì)滑移，同時(shí)也增加了平帶的拉伸斷裂強(qiáng)度，減小其斷裂伸長(zhǎng)率.

平帶體內(nèi)緯編針織物橫向拉伸時(shí)，線圈與線圈的交織點(diǎn)會(huì)發(fā)生滑移從而產(chǎn)生線圈的變形，但在RFL的黏結(jié)下，線圈間的交織點(diǎn)被固結(jié).由于固化后的RFL伸長(zhǎng)率較小，因此在平帶的拉伸前階段，拉力會(huì)急劇增加以撕裂線圈交織點(diǎn)處的RFL、活化交織點(diǎn)，交織點(diǎn)破壞后會(huì)出現(xiàn)屈服點(diǎn)，進(jìn)入相對(duì)高伸低強(qiáng)的線圈彎曲變形狀態(tài).采用浸漬法制備的樣帶線圈表面覆蓋有較厚的殼層RFL，其線圈交織點(diǎn)被更多的RFL固結(jié)，部分線圈被RFL完全填充，如圖10(b)圓圈處所示，故在線圈變形時(shí)需更大的拉力加以破壞，從而導(dǎo)致屈服點(diǎn)的延后.

(a) 浸漬法長(zhǎng)絲

(b) 浸漬法紡織基(×5)

(c) 浸漬法紡織基SEM照片(×80)

(d) 噴霧法長(zhǎng)絲

(e) 噴霧法紡織基(×5)

(f) 噴霧法紡織基SEM照片(×80)

Fig.10Apparentmorphologyofthefabricsafterdifferentcoatingmethods

不同黏結(jié)劑上附方式樣帶拉斷后表觀和斷口處形貌如圖11所示. 由圖11可知，浸漬法樣帶的橡膠從RFL表面剝落，而噴霧法樣帶的RFL表面則依然黏附有黑色橡膠.故噴霧法樣帶帶體斷裂時(shí)，由于RFL與橡膠黏結(jié)牢固，發(fā)生更多的是橡膠本身的撕裂.

(a) 7#樣帶拉斷后(×5)

(b) 8#拉斷后g(×5)

3　結(jié)　語(yǔ)

精密無(wú)縫紡織基平帶是一種紡織基與橡膠的復(fù)合材料，其結(jié)合了紡織產(chǎn)品的高強(qiáng)度和橡膠的高彈性、回復(fù)性等優(yōu)點(diǎn). 在精密無(wú)縫紡織基平帶中，紡織基與橡膠的黏結(jié)牢度至關(guān)重要，本文通過(guò)試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論.

(1) 在相同彎紗深度情況下，滌綸長(zhǎng)絲線密度越大、卷曲性越高，緯平針織物線圈長(zhǎng)度越長(zhǎng)，織物與RFL接觸的面積越大，繼而RFL與橡膠的接觸面積越大，最終有效地改善滌綸與橡膠的黏結(jié).同時(shí)，隨著線圈長(zhǎng)度的增加，帶體的斷裂伸長(zhǎng)率會(huì)隨之提高.

(2) 紡織基的引入，極大程度地提高了帶體抵抗外張力變形的能力，在相同織物橫密下，織物縱密越大，平帶帶體的線圈橫列數(shù)越多，其斷裂強(qiáng)度越大，斷裂伸長(zhǎng)率越小.

(3) 利用噴霧法對(duì)滌綸織物進(jìn)行RFL浸漬液的上附處理，在增加滌綸紡織基與橡膠黏結(jié)牢度的同時(shí)減少浸漬液的使用量，實(shí)現(xiàn)RFL浸漬液的高效利用和環(huán)保目的.

(4) 通過(guò)長(zhǎng)絲的選擇和浸漬液上附方法的改進(jìn)能有效地提高精密無(wú)縫紡織基平帶的整體性能，延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命，對(duì)國(guó)產(chǎn)精密無(wú)縫紡織基平帶的發(fā)展研究有一定的借鑒意義.

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