精密無縫紡織基平帶制備工藝參數對其拉伸性的影響

連明強， 林　婧， 王富軍， 王文祖， 鄧　櫻， 沈光輝， 王　璐

(1.東華大學 a. 紡織學院；b. 紡織面料技術教育部重點實驗室， 上海 201620；2. 寧波伏龍同步帶有限公司， 浙江 寧波 315311)

精密無縫紡織基平帶是一種新型的高性能平帶[1]，主要由增強體紡織基、橡膠層和黏結層組成，如圖1所示.其中，紡織基起到提高平帶抗張強力作用；橡膠層起到增加平帶摩擦接觸及彈性的作用；而黏結層用于黏結增強體紡織基與橡膠層[2-3].相比普通平帶，精密無縫紡織基平帶的周長更短、厚度更薄，結構更緊湊，在微傳動方面具有高精度、高平穩性和高傳動效率的優點[4]，目前已被廣泛應用于結算機、檢票機、自動存取款機等涉及紙張和卡片等平滑傳動的自動化設備領域[5].國際上主要的精密無縫紡織基平帶生產商有日本阪東集團、日本UNITTA、德國BRECOflex和英國F&F等，這些公司的精密無縫紡織基平帶性能優良，使用周期較長.精密無縫紡織基平帶在國內的市場巨大[6]，但目前國內自主品牌的精密無縫紡織基平帶由于橡膠和紡織基黏結牢度不足，普遍存在橡膠層易老化開裂、帶體拉伸強度較小等缺點，導致產品生命周期縮短、市場競爭力欠佳.另外，目前國內對精密無縫紡織基平帶的研發力度相對不足，雖然有哈爾濱工業大學、長春理工大學、山東大學等高校對傳送帶進行系統研究，但研究對象主要集中在傳統平帶、V帶和同步帶等方面.

(a) 平帶外觀

(b) 平帶組成

Fig.1Sketchmapofthecompositionofprecisionseamlessbelt

精密無縫紡織基平帶作為由紡織基與橡膠層兩者結合的復合材料，整條平帶最終力學性能取決于紡織基與橡膠層黏結狀態的優劣[7-8].目前平帶紡織基與橡膠層黏結力不足的主要是原因是黏結劑與紡織基的結合不牢[9].為了進一步提高黏結劑與滌綸紡織基的結合牢度，有研究者嘗試從改進黏結劑化學成分方面進行探索[10]，雖然能在一定程度上改善黏結劑與紡織基的結合性，但大大增加了材料成本和操作的復雜性.

本文從增加黏結劑與紡織基黏結面積和改變黏結劑上附形態的角度出發，在不改變目前精密無縫紡織基平帶主流紡織基組織結構和黏結劑成分的前提下，以較簡易的方法改進黏結劑和紡織基的結合情況.為此，本文選取了滌綸長絲卷曲性、紡織基線圈縱密和間苯二酚-甲醛-膠乳溶液上附方式3個方面對紡織基與橡膠層黏結牢度及平帶力學性能的影響進行研究.

1　試驗部分

1.1　試驗材料

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

表1　長絲各參數指標

(續　表)

1.2　試驗方法

1.2.1紡織基增強體的制備

在紡織基增強體的制備過程中，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絲對織物進行兩端封口，可有效地避免緯平針織物在后續套模等處理時發生的線圈脫散現象.由于在同樣的彎紗深度情況下，滌綸長絲的線密度越高、彈性越高，緯平針織物的緊密程度越大，長絲與長絲之間的接觸面積越大；滌綸長絲彈性的增加，加大了長絲的卷曲程度[11]，使得織物內長絲間或長絲內單絲間相互勾結抱纏.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.

本文分別利用長絲A、B、C通過圓型緯編機編織3種緯平針織物SA、 SB、 SC.為避免針織物在后續處理工藝中出現脫圈，在編織過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構，如圖2方框處所示.

圖2　防散邊紡織基實物Fig.2　Anti-scattering edge structure

1.2.2RFL浸漬液上附方法

RFL浸漬液是精密無縫紡織基平帶橡膠層和紡織基增強體結合穩固的關鍵，是兩者直接的黏結層[12-13].因此，RFL浸漬液在紡織基增強體表面的上附分布、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比研究上附方式對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體套入一定外徑模具中(外徑為所制備平帶的內徑)，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，對織物進行烘干處理，烘干條件同浸漬法.

圖4　噴霧法原理圖Fig.4　Spray method

1.2.3橡膠硫化等后續加工

對涂覆有RFL浸漬液的紡織基增強體進行橡膠硫化、冷卻、精磨和切割等后續工藝流程，獲得厚度為0.7 mm的材料，參照GB/T 10716—2012，每個試樣的機械切割尺寸為長度300 mm和寬度12 mm，供力學性能測試用.

本文設計并制備了9種不同結構的精密無縫紡織基平帶試樣，用來研究結構對力學性能的構效關系. 樣品采用阿拉伯數字進行編號，1#～3#樣帶用于研究不同卷曲性的滌綸長絲對帶體拉伸性能的影響；4#～6#樣帶和無紡織基增強體的9#樣帶用于探索不同紡織基縱密對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劑，以對比不同上附方式對帶體拉伸性能的影響. 9種樣帶的主要差異參數如表2所示.

表2　各樣帶的基本參數

(續　表)

1.2.4拉伸測試

參照GB/T 10716—2012和精密無縫紡織基平帶在傳動機上應用需要的尺寸，裁取長度為300 mm和寬度為12 mm長條狀平帶[16]，每個試樣測試3次. 利用強力測試儀(Instron)測試平帶在拉伸階段所受拉力相對于位移變化關系曲線，通過對不同試樣曲線的對比分析，探索不同結構參數對精密無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)觀察各個試樣拉伸前后的表觀形態，分析不同長絲結構、織物密度以及RFL上附方式在拉伸前后對平帶表觀形貌特征的影響.

2　結果與討論

2.1　長絲卷曲性對平帶拉伸行為的影響

不同卷曲性長絲樣帶的拉伸性能如圖5所示.

(a) 斷裂強度和斷裂伸長率

(b) 拉伸曲線

Fig.5Tensilepropertyofdifferentcoiledfilamentbelts

由圖5可知：斷裂伸長率方面，長絲C>長絲B>長絲A，但在制備成精密無縫紡織基平帶后，平帶斷裂強度相近，而長絲卷曲性低的1#樣帶斷裂伸長率卻遠高于2#、3#樣帶；1#樣帶的應力-應變曲線在a點之后出現明顯的波動現象. 作為一整體性能高的精密無縫紡織基平帶，其在拉伸斷裂時紡織基和橡膠層不應發生分離滑移，應力-應變曲線線性關系越高越好. 1#樣帶所用的長絲A卷曲程度為0，其紡織基與橡膠層結合力的不足，經過一段拉伸后，紡織基與橡膠層發生了分層滑移現象；繼續拉伸樣帶，由于紡織基線圈的斷裂不同時性引起試樣在a點之后出現了明顯的波動，紡織基與橡膠層繼續發生相對滑移，最終1#樣帶的斷裂伸長率(173.34%)遠高于其他試樣，但此時1#樣帶的高斷裂強度已失去了使用價值.而長絲B、 C由于具有較高的卷曲性，因此相比長絲A而言，其本身存在微觀彎曲，在編織成圈后其實際線圈長度更長，這將有利于增加RFL和長絲之間的接觸面積和黏合性，同時，長絲卷曲程度越大，復絲越蓬松[17]，長絲內單絲間隙更大，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牢度，最終將大大提高樣帶的整體拉伸力學性能.長絲C卷曲程度較長絲B進一步提高，實際線圈長度同樣進一步得到增加，因此，3#樣帶的斷裂伸長率較2#樣帶大，而初始模量相對較小.

試驗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可以進一步驗證以上結論：1#樣帶拉伸后可以清晰地觀察到長絲和橡膠的剝離，且部分剝離的滌綸長絲裸露出自身白色表面(圓圈中)，這說明涂覆RFL后的滌綸長絲經拉伸后，RFL已從長絲表面脫落；2#和3#樣帶經拉伸斷裂后紡織基和橡膠層結合始終良好，兩種樣帶斷裂處均較平整，且未見紡織基和橡膠層分離的現象.

2.2　紡織基縱密對平帶拉伸行為的影響

由于卷曲性最高的長絲C所制備的樣帶，其紡織基與橡膠層結合牢度較高、帶體拉伸性能較好，因此，利用長絲C制備的3種縱密紡織基樣帶用以研究紡織基縱密對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) 斷裂強度和斷裂伸長率

(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，精密無縫紡織基平帶的斷裂強度逐漸提高，斷裂伸長率逐漸減小. 紡織基是平帶在拉伸時承受外力的主要部分，因此紡織基縱密越大，平帶寬度內線圈橫列數越多，承受外部拉力的滌綸長絲數量也越多，其斷裂強度就越大.9#樣帶體內不存在紡織基，其拉伸斷裂伸長率超過600%(圖7(b)只給出了其應力-應變曲線的一部分)，從曲線中可以看出純橡膠帶的低模高伸特點. 因此在精密無縫紡織基平帶中，隨著滌綸體積分數的增加、橡膠體積分數的降低，平帶的斷裂伸長率減小.通過橡膠結合滌綸紡織基可有效地增加帶體抵抗外拉力的能力，同時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現象，可推測其紡織基增強體和橡膠層結合性良好. 由圖8可知，樣帶在拉斷后紡織基與橡膠層沒有明顯的分層滑移，斷口平整. 因此，通過調整紡織基縱密可有效地改善精密無縫紡織基平帶的拉伸性能.

2.3　上附方式對平帶拉伸行為的影響

不同黏結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率為91.51%，高于噴霧法樣帶的83.52%；浸漬法樣帶的斷裂強度則略低于噴霧法樣帶.兩種上附方法的拉伸曲線在伸長率為15%～20%處均有屈服現象，但不同的是，浸漬法樣帶的屈服點較噴霧法樣帶的靠后，在屈服點之后，噴霧法樣帶拉伸曲線的斜率大于浸漬法樣帶拉伸曲線.

(a) 斷裂強度和斷裂伸長率

(b) 拉伸曲線

不同黏結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是將織物完全浸沒于RFL液中，這使得長絲完全被RFL包裹其中，烘干之后形成單根結構，其長絲往往只有外層單絲表面的RFL與橡膠結合，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；噴霧法與浸漬法不同的是，噴霧法將RFL浸漬液以微細液滴的形式噴附于滌綸長絲內各單絲表面，烘干之后單絲之間的間隙促進了后續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力的提高、減少兩者的相對滑移，同時也增加了平帶的拉伸斷裂強度，減小其斷裂伸長率.

平帶體內緯編針織物橫向拉伸時，線圈與線圈的交織點會發生滑移從而產生線圈的變形，但在RFL的黏結下，線圈間的交織點被固結.由于固化后的RFL伸長率較小，因此在平帶的拉伸前階段，拉力會急劇增加以撕裂線圈交織點處的RFL、活化交織點，交織點破壞后會出現屈服點，進入相對高伸低強的線圈彎曲變形狀態.采用浸漬法制備的樣帶線圈表面覆蓋有較厚的殼層RFL，其線圈交織點被更多的RFL固結，部分線圈被RFL完全填充，如圖10(b)圓圈處所示，故在線圈變形時需更大的拉力加以破壞，從而導致屈服點的延后.

(a) 浸漬法長絲

(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，由于RFL與橡膠黏結牢固，發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　語

精密無縫紡織基平帶是一種紡織基與橡膠的復合材料，其結合了紡織產品的高強度和橡膠的高彈性、回復性等優點. 在精密無縫紡織基平帶中，紡織基與橡膠的黏結牢度至關重要，本文通過試驗研究，得出以下結論.

(1) 在相同彎紗深度情況下，滌綸長絲線密度越大、卷曲性越高，緯平針織物線圈長度越長，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.同時，隨著線圈長度的增加，帶體的斷裂伸長率會隨之提高.

(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越多，其斷裂強度越大，斷裂伸長率越小.

(3) 利用噴霧法對滌綸織物進行RFL浸漬液的上附處理，在增加滌綸紡織基與橡膠黏結牢度的同時減少浸漬液的使用量，實現RFL浸漬液的高效利用和環保目的.

(4) 通過長絲的選擇和浸漬液上附方法的改進能有效地提高精密無縫紡織基平帶的整體性能，延長產品使用壽命，對國產精密無縫紡織基平帶的發展研究有一定的借鑒意義.

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