精密无缝纺织基平带制备工艺参数对其拉伸性的影响

2017-04-10连明强王富军王文祖沈光辉

东华大学学报（自然科学版） 2017年6期

连明强，林　婧，王富军，王文祖，邓　樱，沈光辉，王　璐

(1.东华大学 a. 纺织学院；b. 纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620；2. 宁波伏龙同步带有限公司，浙江宁波 315311)

精密无缝纺织基平带是一种新型的高性能平带[1]，主要由增强体纺织基、橡胶层和黏结层组成，如图1所示.其中，纺织基起到提高平带抗张强力作用；橡胶层起到增加平带摩擦接触及弹性的作用；而黏结层用于黏结增强体纺织基与橡胶层[2-3].相比普通平带，精密无缝纺织基平带的周长更短、厚度更薄，结构更紧凑，在微传动方面具有高精度、高平稳性和高传动效率的优点[4]，目前已被广泛应用于结算机、检票机、自动存取款机等涉及纸张和卡片等平滑传动的自动化设备领域[5].国际上主要的精密无缝纺织基平带生产商有日本阪东集团、日本UNITTA、德国BRECOflex和英国F&F等，这些公司的精密无缝纺织基平带性能优良，使用周期较长.精密无缝纺织基平带在国内的市场巨大[6]，但目前国内自主品牌的精密无缝纺织基平带由于橡胶和纺织基黏结牢度不足，普遍存在橡胶层易老化开裂、带体拉伸强度较小等缺点，导致产品生命周期缩短、市场竞争力欠佳.另外，目前国内对精密无缝纺织基平带的研发力度相对不足，虽然有哈尔滨工业大学、长春理工大学、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.

(a) 平带外观

(b) 平带组成

Fig.1Sketchmapofthecompositionofprecisionseamlessbelt

精密无缝纺织基平带作为由纺织基与橡胶层两者结合的复合材料，整条平带最终力学性能取决于纺织基与橡胶层黏结状态的优劣[7-8].目前平带纺织基与橡胶层黏结力不足的主要是原因是黏结剂与纺织基的结合不牢[9].为了进一步提高黏结剂与涤纶纺织基的结合牢度，有研究者尝试从改进黏结剂化学成分方面进行探索[10]，虽然能在一定程度上改善黏结剂与纺织基的结合性，但大大增加了材料成本和操作的复杂性.

本文从增加黏结剂与纺织基黏结面积和改变黏结剂上附形态的角度出发，在不改变目前精密无缝纺织基平带主流纺织基组织结构和黏结剂成分的前提下，以较简易的方法改进黏结剂和纺织基的结合情况.为此，本文选取了涤纶长丝卷曲性、纺织基线圈纵密和间苯二酚-甲醛-胶乳溶液上附方式3个方面对纺织基与橡胶层黏结牢度及平带力学性能的影响进行研究.

1　试验部分

1.1　试验材料

橡胶液；间苯二酚-甲醛-胶乳溶液(RFL浸渍液)；选择3种不同的涤纶长丝，分别编号为长丝A、B、C，其参数指标如表1所示.

表1　长丝各参数指标

(续　表)

1.2　试验方法

1.2.1纺织基增强体的制备

在纺织基增强体的制备过程中，在相同弯纱深度的情况下利用高线密度且高弹性的涤纶长丝对织物进行两端封口，可有效地避免纬平针织物在后续套模等处理时发生的线圈脱散现象.由于在同样的弯纱深度情况下，涤纶长丝的线密度越高、弹性越高，纬平针织物的紧密程度越大，长丝与长丝之间的接触面积越大；涤纶长丝弹性的增加，加大了长丝的卷曲程度[11]，使得织物内长丝间或长丝内单丝间相互勾结抱缠.这些都有利于增加线圈与线圈之间的接触摩擦力，防止纬平针织物散边.

本文分别利用长丝A、B、C通过圆型纬编机编织3种纬平针织物SA、 SB、 SC.为避免针织物在后续处理工艺中出现脱圈，在编织过程中为织物两端引入小段由防散边丝编织而成的防散边结构，如图2方框处所示.

图2　防散边纺织基实物Fig.2　Anti-scattering edge structure

1.2.2RFL浸渍液上附方法

RFL浸渍液是精密无缝纺织基平带橡胶层和纺织基增强体结合稳固的关键，是两者直接的黏结层[12-13].因此，RFL浸渍液在纺织基增强体表面的上附分布、上附量、上附形貌等都可能影响平带的拉伸性能. 本文选用浸渍法及喷雾法对比研究上附方式对平带拉伸性能的影响.

(1) 浸渍法.将洗净及低温烘干后的织物增强体套入一定外径模具中(外径为所制备平带的内径)，织物两端用扎带固定在模具上，将织物带模具一起浸入RFL浸渍液中(如图3所示)，取出置于干燥箱中以150 ℃、 10 min[14]的条件下加热烘干.

图3　浸渍法原理图Fig.3　Impregnation method

(2) 喷雾法[15].将洗净后的织物增强体的两端固定于模具上，利用喷枪将RFL浸渍液以雾状的方式喷涂于织物上(如图4所示)，喷涂完成后，对织物进行烘干处理，烘干条件同浸渍法.

图4　喷雾法原理图Fig.4　Spray method

1.2.3橡胶硫化等后续加工

对涂覆有RFL浸渍液的纺织基增强体进行橡胶硫化、冷却、精磨和切割等后续工艺流程，获得厚度为0.7 mm的材料，参照GB/T 10716—2012，每个试样的机械切割尺寸为长度300 mm和宽度12 mm，供力学性能测试用.

本文设计并制备了9种不同结构的精密无缝纺织基平带试样，用来研究结构对力学性能的构效关系. 样品采用阿拉伯数字进行编号，1#～3#样带用于研究不同卷曲性的涤纶长丝对带体拉伸性能的影响；4#～6#样带和无纺织基增强体的9#样带用于探索不同纺织基纵密对带体拉伸性能的影响；7#与8#样带分别采用浸渍法和喷雾法上附黏结剂，以对比不同上附方式对带体拉伸性能的影响. 9种样带的主要差异参数如表2所示.

表2　各样带的基本参数

(续　表)

1.2.4拉伸测试

参照GB/T 10716—2012和精密无缝纺织基平带在传动机上应用需要的尺寸，裁取长度为300 mm和宽度为12 mm长条状平带[16]，每个试样测试3次. 利用强力测试仪(Instron)测试平带在拉伸阶段所受拉力相对于位移变化关系曲线，通过对不同试样曲线的对比分析，探索不同结构参数对精密无缝纺织基平带拉伸行为的影响.

1.2.5平带拉伸前后形貌观察

采用SMZ745T型立体显微镜(日本尼康公司)观察各个试样拉伸前后的表观形态，分析不同长丝结构、织物密度以及RFL上附方式在拉伸前后对平带表观形貌特征的影响.

2　结果与讨论

2.1　长丝卷曲性对平带拉伸行为的影响

不同卷曲性长丝样带的拉伸性能如图5所示.

(a) 断裂强度和断裂伸长率

(b) 拉伸曲线

Fig.5Tensilepropertyofdifferentcoiledfilamentbelts

由图5可知：断裂伸长率方面，长丝C>长丝B>长丝A，但在制备成精密无缝纺织基平带后，平带断裂强度相近，而长丝卷曲性低的1#样带断裂伸长率却远高于2#、3#样带；1#样带的应力-应变曲线在a点之后出现明显的波动现象. 作为一整体性能高的精密无缝纺织基平带，其在拉伸断裂时纺织基和橡胶层不应发生分离滑移，应力-应变曲线线性关系越高越好. 1#样带所用的长丝A卷曲程度为0，其纺织基与橡胶层结合力的不足，经过一段拉伸后，纺织基与橡胶层发生了分层滑移现象；继续拉伸样带，由于纺织基线圈的断裂不同时性引起试样在a点之后出现了明显的波动，纺织基与橡胶层继续发生相对滑移，最终1#样带的断裂伸长率(173.34%)远高于其他试样，但此时1#样带的高断裂强度已失去了使用价值.而长丝B、 C由于具有较高的卷曲性，因此相比长丝A而言，其本身存在微观弯曲，在编织成圈后其实际线圈长度更长，这将有利于增加RFL和长丝之间的接触面积和黏合性，同时，长丝卷曲程度越大，复丝越蓬松[17]，长丝内单丝间隙更大，更有利于橡胶的渗入，从而有利于提高纺织基与橡胶层的黏结牢度，最终将大大提高样带的整体拉伸力学性能.长丝C卷曲程度较长丝B进一步提高，实际线圈长度同样进一步得到增加，因此，3#样带的断裂伸长率较2#样带大，而初始模量相对较小.

试验样带的拉伸破坏形貌如图6所示.

(a) 拉伸前(×5)

(b) 1#样带拉断后(×5)

(d) 3#样带拉断后(×5)

由图6可以进一步验证以上结论：1#样带拉伸后可以清晰地观察到长丝和橡胶的剥离，且部分剥离的涤纶长丝裸露出自身白色表面(圆圈中)，这说明涂覆RFL后的涤纶长丝经拉伸后，RFL已从长丝表面脱落；2#和3#样带经拉伸断裂后纺织基和橡胶层结合始终良好，两种样带断裂处均较平整，且未见纺织基和橡胶层分离的现象.

2.2　纺织基纵密对平带拉伸行为的影响

由于卷曲性最高的长丝C所制备的样带，其纺织基与橡胶层结合牢度较高、带体拉伸性能较好，因此，利用长丝C制备的3种纵密纺织基样带用以研究纺织基纵密对带体拉伸性能的影响. 不同纵密纺织基样带的拉伸性能和样带拉断后表观和断口处形貌分别如图7和8所示.

(a) 断裂强度和断裂伸长率

(b) 拉伸曲线

Fig.7Tensilepropertyofdifferentfabriclongitudinaldensity

(a) 4#样带(×5)

(b) 5#样带(×5)

由图7可知，随着纺织基纵密的增加，精密无缝纺织基平带的断裂强度逐渐提高，断裂伸长率逐渐减小. 纺织基是平带在拉伸时承受外力的主要部分，因此纺织基纵密越大，平带宽度内线圈横列数越多，承受外部拉力的涤纶长丝数量也越多，其断裂强度就越大.9#样带体内不存在纺织基，其拉伸断裂伸长率超过600%(图7(b)只给出了其应力-应变曲线的一部分)，从曲线中可以看出纯橡胶带的低模高伸特点. 因此在精密无缝纺织基平带中，随着涤纶体积分数的增加、橡胶体积分数的降低，平带的断裂伸长率减小.通过橡胶结合涤纶纺织基可有效地增加带体抵抗外拉力的能力，同时极大程度地降低了带体的延伸性. 4#、5#、6#样带的拉伸曲线不存在明显的波动现象，可推测其纺织基增强体和橡胶层结合性良好. 由图8可知，样带在拉断后纺织基与橡胶层没有明显的分层滑移，断口平整. 因此，通过调整纺织基纵密可有效地改善精密无缝纺织基平带的拉伸性能.

2.3　上附方式对平带拉伸行为的影响

不同黏结剂上附方式样带的拉伸性能如图9所示.由图9可知：以浸渍法将RFL上附于涤纶织物的样带平均断裂伸长率为91.51%，高于喷雾法样带的83.52%；浸渍法样带的断裂强度则略低于喷雾法样带.两种上附方法的拉伸曲线在伸长率为15%～20%处均有屈服现象，但不同的是，浸渍法样带的屈服点较喷雾法样带的靠后，在屈服点之后，喷雾法样带拉伸曲线的斜率大于浸渍法样带拉伸曲线.

(a) 断裂强度和断裂伸长率

(b) 拉伸曲线

不同黏结剂上附方式的纺织基形貌差异如图10所示.由图10可知：浸渍法上附RFL是将织物完全浸没于RFL液中，这使得长丝完全被RFL包裹其中，烘干之后形成单根结构，其长丝往往只有外层单丝表面的RFL与橡胶结合，RFL与橡胶的接触面积小且与橡胶的接触面往往较光滑，不利于RFL与橡胶的黏结；喷雾法与浸渍法不同的是，喷雾法将RFL浸渍液以微细液滴的形式喷附于涤纶长丝内各单丝表面，烘干之后单丝之间的间隙促进了后续硫化工序中橡胶充分地渗入，大大增加了涤纶与橡胶的接触面积.因此，相比浸渍法，喷雾法更有利于橡胶和涤纶黏结力的提高、减少两者的相对滑移，同时也增加了平带的拉伸断裂强度，减小其断裂伸长率.

平带体内纬编针织物横向拉伸时，线圈与线圈的交织点会发生滑移从而产生线圈的变形，但在RFL的黏结下，线圈间的交织点被固结.由于固化后的RFL伸长率较小，因此在平带的拉伸前阶段，拉力会急剧增加以撕裂线圈交织点处的RFL、活化交织点，交织点破坏后会出现屈服点，进入相对高伸低强的线圈弯曲变形状态.采用浸渍法制备的样带线圈表面覆盖有较厚的壳层RFL，其线圈交织点被更多的RFL固结，部分线圈被RFL完全填充，如图10(b)圆圈处所示，故在线圈变形时需更大的拉力加以破坏，从而导致屈服点的延后.

(a) 浸渍法长丝

(b) 浸渍法纺织基(×5)

(d) 喷雾法长丝

(e) 喷雾法纺织基(×5)

(f) 喷雾法纺织基SEM照片(×80)

Fig.10Apparentmorphologyofthefabricsafterdifferentcoatingmethods

不同黏结剂上附方式样带拉断后表观和断口处形貌如图11所示. 由图11可知，浸渍法样带的橡胶从RFL表面剥落，而喷雾法样带的RFL表面则依然黏附有黑色橡胶.故喷雾法样带带体断裂时，由于RFL与橡胶黏结牢固，发生更多的是橡胶本身的撕裂.

(a) 7#样带拉断后(×5)

(b) 8#拉断后g(×5)

3　结　语

精密无缝纺织基平带是一种纺织基与橡胶的复合材料，其结合了纺织产品的高强度和橡胶的高弹性、回复性等优点. 在精密无缝纺织基平带中，纺织基与橡胶的黏结牢度至关重要，本文通过试验研究，得出以下结论.

(1) 在相同弯纱深度情况下，涤纶长丝线密度越大、卷曲性越高，纬平针织物线圈长度越长，织物与RFL接触的面积越大，继而RFL与橡胶的接触面积越大，最终有效地改善涤纶与橡胶的黏结.同时，随着线圈长度的增加，带体的断裂伸长率会随之提高.

(2) 纺织基的引入，极大程度地提高了带体抵抗外张力变形的能力，在相同织物横密下，织物纵密越大，平带带体的线圈横列数越多，其断裂强度越大，断裂伸长率越小.

(3) 利用喷雾法对涤纶织物进行RFL浸渍液的上附处理，在增加涤纶纺织基与橡胶黏结牢度的同时减少浸渍液的使用量，实现RFL浸渍液的高效利用和环保目的.

(4) 通过长丝的选择和浸渍液上附方法的改进能有效地提高精密无缝纺织基平带的整体性能，延长产品使用寿命，对国产精密无缝纺织基平带的发展研究有一定的借鉴意义.

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