精密无缝纺织基平带结构与成型分析

连明强 林 婧 王富军 王文祖 王 璐

1． 东华大学纺织学院，上海 201620；2. 东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620



精密无缝纺织基平带结构与成型分析

连明强1, 2林 婧1, 2王富军1, 2王文祖1, 2王 璐1, 2

1． 东华大学纺织学院，上海 201620；2. 东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620

介绍精密无缝纺织基平带的发展现状及其当前的主要组成部分，指出未来我国精密无缝纺织基平带应从橡胶层、纺织基和黏结层三部分进行系统研究，以提高产品质量和延长使用寿命为目标，提升我国自主研发精密无缝纺织基平带的市场占有率。

精密无缝纺织基平带，橡胶层，纺织基，黏结层

当前,动力传递主要有带传动、链传动、齿轮传动和联轴传动等形式，而带传动以其成本等方面的巨大优势应用最为广泛[1]。带传动依托传动带将主动轮的转动传递，驱动从动轮转动或使物体空间位移，其在长距离传动方面存在巨大优势[2]。带传动结构简单，带体更换方便，可满足绝大部分的动力传递。此外，带传动历史久远，且带体种类繁多，如平带、V带、同步带等，用途极为广泛[3]，从大型纺织机械到车站检票机，再到个人电脑、微型飞行器等，都可见其身影[4]。其中，平带出现最早，其结构简单、成本低，在动力传动领域曾占据过半份额。传统平带传动效率约为85%，随着20世纪60年代传动效率更高的V带[5]和传动比更精确的同步带[6-8]的兴起，传统平带的市场份额开始缩减。但平带自身也具有其他带体无法替代的优势，如生产工艺简单、成本低、结构紧凑、过载时自动发生打滑可避免重大安全事故的发生[9]等。随着平带逐渐向轻薄化、高强化、柔软化的方向发展[10]，平带又开始焕发出了新活力。新型高性能平带根据带体接合方式可分为接头新型高性能平带和无接头新型高性能平带两种。前者带体周长较大，主要用于大型机械设备；后者带体周长较小，主要在自动化设备中用于微型传动，增强体部分由织机一体成型，整个带体无需接合即为环形，因此又称精密无缝纺织基平带。

下文将对精密无缝纺织基平带发展现状及产品特点进行介绍。

1 精密无缝纺织基平带发展现状

精密无缝纺织基平带所需传动功率小，带体更轻薄、更柔软，可实现精确、高速传动，目前在金融设备(如自动存取款机、结算机、自动售票检票机等)、办公设备(如复印机、打印机等)及医疗设备中广泛用于纸张、卡片等的平滑传动。

精密无缝纺织基平带在欧洲发展迅速，如德国BRECOflex和英国芬纳都有相对成熟的产品，其平带纺织基与橡胶层结合牢固，带体整体性高，使用周期长。亚洲目前能制备出相对成熟的精密无缝纺织基平带的企业主要是日本阪东和日本UNITTA，它们生产的精密无缝纺织基平带产品性能优良、使用寿命长、市场竞争力强。

目前，我国对精密无缝纺织基平带的需求巨大，但研发力量相对不足，虽然有哈尔滨工业大学、长春理工大学[11]、山东大学等高校对传送带进行系统研究，但研究对象主要集中在传统平带、V带和同步带等方面，对精密无缝纺织基平带研究较少。国产精密无缝纺织基平带产品主要存在拉伸强力不足，回弹性较差，橡胶层易老化开裂、易打滑等问题，且使用寿命短，竞争力不足，现行使用的产品主要依赖进口。因此，为缓解我国供需不平衡的局面，减少进口量，发挥国产精密无缝纺织基平带的成本优势，加大精密无缝纺织基平带的研发力度势在必行。

2 精密无缝纺织基平带基本特点

精密无缝纺织基平带应具备：

(1) 周长较小，厚度薄，结构紧凑；

(2) 弯曲性能好，带体尺寸稳定，拉伸回复性能好(这可确保传动比的精确与传动效率的提升)；

(3) 纺织基一次成型(这省去了带体接合工序，保证了带体的均一性，大大增强了传动的平滑性，并进一步提高了传动速度)。

精密无缝纺织基平带主要用于传递动力和传输物体。动力传递在带轮间进行，图1反映了精密无缝纺织基平带可在主动轮和多个从动轮及张紧轮间进行动力传递；物体传输主要涉及纸张与卡片等，图2展示了自动取款机中银行卡的读取和输出，精密无缝纺织基平带利用与银行卡的摩擦实现了银行卡的空间位移变化。

图2 自动取款机对银行卡的读取和输出

3 精密无缝纺织基平带的结构与成型

精密无缝纺织基平带主要由起摩擦接触作用的橡胶层、起增强带体抗张强力的纺织基及起加强橡胶层和纺织基黏合作用的黏结层组成[12](图3)。

图3 精密无缝纺织基平带组成

3.1 橡胶层

橡胶层直接与带轮接触，起着向其他带轮传递主动带轮动力的作用。对于涉及纸张、卡片等平滑传动的机件，橡胶层除了直接向带轮传递动力之外，还需利用表层的摩擦实现纸张、卡片等的空间位移变化。传动机件在运转或静止时，精密无缝纺织基平带都会受到包括张力、摩擦力、惯性力和离心力等众多力的作用，只有足够的带体强度和模量才能确保其正常的传动。因此，橡胶层需具有合适的弹性范围、良好的摩擦性、优良的抗剪切破环性、适宜的柔韧性、足够的拉伸强度与模量、突出的耐疲劳性等。

张力的存在使得机件间驱动力的传递成为可能，而橡胶的弹性是精密无缝纺织基平带具有张力的本质原因。优良的弹性能极大程度地缓冲传动过程中的大幅振动，实现机件平滑传动，延长机件运转寿命。

由于橡胶层直接与机件接触，故合适的摩擦性能可提高其传动效率[13]、减小能量损失。而摩擦性能除了与橡胶成分重要相关外，还与橡胶层表面的拓扑结构密切相关。拓扑结构主要表现在精密无缝纺织基平带的内外表面。以唯一从动轮为例，平带内表面拓扑结构主要影响动力的传递效率，只有橡胶内表面与带轮不发生相对滑动[14]，动力传递才能保证最大化，同时橡胶层与带轮的磨损也大大减少，使用寿命延长；外表面拓扑结构对物体的传输效果影响较大，只有足够的摩擦力才能准确地将物体传送到指定位置。

精密无缝纺织基平带在传递动力时，驱动力在一定厚度的带体间沿厚度方向呈层分布特性，如图4所示，越靠近带轮的橡胶层越早受剪切，其力值也越大。且从微观、微时间的角度分析，由于力和速度的传递需一定时间[15]，因此靠近带轮的橡胶微层位移较外微层更大。由此可见，橡胶层的抗剪切性能对整个精密无缝纺织基平带的最终性能至关重要。

图4 带体周向微层传动示意

此外，大多数传动机件都或多或少地配有张紧装置。精密无缝纺织基平带在绕过主、从动带轮等装置时，都会形成较大的弯曲，因此只有足够柔软的带体才能确保其优良的耐疲劳性能，并有效减少能源消耗。

总之，橡胶层性能的优劣在很大程度上决定了精密无缝纺织基平带的整体性能。从聚氨酯到氯丁橡胶再到氢化丁腈橡胶[16]，橡胶层材质正向着高强、高弹、耐高(低)温、耐磨损、耐油蚀、耐挠曲龟裂[17]及易加工等方向发展。

3.2 纺织基

纺织基作为精密无缝纺织基平带的增强体，是带体受外力拉伸时的主要承载体。纺织基的加入提高了精密无缝纺织基平带的模量和尺寸稳定性，有效降低了带体厚度，减轻了带体质量，降低了传动过程中的离心力和惯性力，提高了传动效率，实现了平带的高速传动和优良包覆性，提高了平带的挠曲性[18]，使精密无缝纺织基平带的轻薄化成为可能。

纺织基具有众多优点，如结构组织的可选择性，复杂外形的一次成型性，强度、模量及弹性等物理性能的可设计性，整体结构的柔韧和缓冲性等[19]。目前，精密无缝纺织基平带的纺织基主要选用纬编织物，其由一根或多根纱线沿横向依次成圈而成[20]。纬编织物纵横两向均具有良好的延伸性和回弹性，对瞬间外力有着极佳的缓冲作用；可直接编织形成圆筒形织物，无需后续缝合，口径也可调整，这对精密无缝纺织基平带的无缝化和种类多样化至关重要；生产成本较低，如长丝等原料可直接以筒纱的形式织造，无需整经等工序；设备占地面积较小，使用简单，省去了穿综等耗时工序。

目前，精密无缝纺织基平带中应用相对较多的是纬平针组织(图5)。原料方面多选择工业用涤纶长丝，其具有高强度、高模量、高熔点、耐化学腐蚀、耐磨、耐老化、易加工等优点，在传统传送带中广泛应用。但纬平针组织的纺织基，一方面由于所用原材料具有捻度，长丝在自由状态下具有退捻的趋势(即捻度活性)，另一方面长丝原料在弯曲成线圈时存在内应力需释放[21]，因此，下机后的筒状纬平针织物纵行线圈会出现明显的歪斜，且歪斜程度与长丝材料、捻度大小与捻向、捻度活性、机器转向[22]等均有关，这将导致织物外观扭曲、表面不平，因此需进行后续处理，其中最主要的处理方式就是热定型。热定型可消除纬平针织物线圈的内应力[23]，改善纵行线圈的歪斜，增强纺织基的结构稳定性，利于纺织基与橡胶层的均匀、合理结合。

图5 纬平针组织

此外，相较于以前的尼龙片，纺织基作为增强体的平带的表面拓扑结构设计与调整更为快速、简便。图6为纸张传输用精密无缝纺织基平带，其与纸张接触的外表面拓扑结构主要由纺织基组织结构决定。不同组织结构可设计出不同的拓扑结构形貌，而调整纺织基在橡胶层厚度方向的位置还可决定拓扑结构的深浅。

图6 纺织基形成的拓扑结构

3.3 黏结层

纺织基原材料(化学长丝等)表面光滑平整，以涤纶为例，其表面除了光滑外还因缺少极性基团呈化学惰性，故普通涤纶长丝与橡胶层间的黏结力无法满足精密无缝纺织基平带的工作要求，两者易分层，最终影响带体的完整统一性，使精密无缝纺织基平带失效。利用黏结层可提高纺织基与橡胶层的黏结力[24]，确保纺织基与橡胶层之间拥有足够的抗剪切强度(图7)，使精密无缝纺织基平带高速化成为可能。

图7 黏结机理

间苯二酚-甲醛-胶乳(RFL)是当前传送带中使用较多的一种浸渍液[25-26]，其主要成分为间苯二酚甲醛树脂(RF)和胶乳(L)。RF由间苯二酚和甲醛缩聚得到，其决定了黏结层与纺织基的黏结牢度；L则是苯乙烯、丁二烯及乙烯基吡啶的三聚物，是黏结层与橡胶层牢固黏结的主要原因所在[27]。调整RF与L及R与F的质量配比[28]，可得到所需的黏结层强度。另外，在橡胶硫化过程中，硫化剂会向RFL扩散，造成胶乳聚合物交联[29]，进一步增强了黏结层的黏结作用。

对于纤维表面极性基团较少、不易形成氢键、结晶度较高、浸渍液不易渗入内部的纺织基，有必要在传统RFL浸渍处理前进行预处理。以涤纶纺织基为例，预处理的方法：

(1) 纺丝前预浸胶[30]。通过在涤纶纺丝过程中添加试剂以增加纤维表面的极性基团；

(2) 二步浸胶[31]。在进行标准一步法RFL浸胶前，利用环氧或异氰酸酯等进行预处理，使涤纶与RFL以化学键的方式结合；

(3) 表面激活改性[32-33]。利用等离子、电子或紫外光等进行表面激活，有效引入活性基团[34]，增强纤维与黏结层之间的连结。

简化工艺和减少环境污染是所有制造业从业者追求的目标。因此，纺织基与黏结层的黏结研究应以产生废液较少的纺丝前预浸胶和表面激活改性为主要切入点，探索更有效的方法去提高纺织基和黏结层的黏结力。

4 结语

自动化将是今后的一个发展方向。自动化设备逐年增加，且将更加地高速精密化，因此，对精密无缝纺织基平带的需求也将比现在更多。鉴于目前我国国内相对滞后的研究现状和较缓慢的发展速度，精密无缝纺织基平带亟需加大研发投入，从带体各个部分改善产品的综合性能，包括提高橡胶层的耐老化性、探索带体表面拓扑结构；稳定纺织基结构、调整纺织基模量；改善橡胶层和纺织基的界面结合情况、提高黏结牢度等，推进精密无缝纺织基平带向更轻更薄更柔、高强高速高效的方向发展。

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The analysis of structure and formability of precision seamless belts

LianMingqiang1, 2,LinJing1, 2,WangFujun1, 2,WangWenzu1, 2,WangLu1, 2

1. College of Textiles，Donghua University, Shanghai 201620, China;2. Key Laboratory of Textile Science & Technology，Ministry of Education，Donghua University, Shanghai 201620, China

The development status and main components of precision seamless belts were introduced, and it was pointed out that systematical study for precision seamless belts of our country in the future was made from rubber layer，fabric reinforcement and bonding layer，with the aim to improve quality and increase service life，so that the market occupation ratio of domestically developed precision seamless belt was raised.

precision seamless belt，rubber layer，fabric reinforcement，bonding layer

2015-11-15

连明强，男，1991年生，在读硕士研究生，研究方向是功能纺织品的设计与制备

王璐，E-mail：wanglu@dhu.edu.cn

TS186.5

A

1004-7093(2016)03-0033-06