專利名稱：復(fù)合繩及相關(guān)增強(qiáng)制品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及復(fù)合繩，特別是具有高斷裂強(qiáng)力和高斷裂伸長(zhǎng)率的復(fù)合繩，以及包含所述復(fù)合繩的橡膠制品和其他可膨脹彈性制品。
背景技術(shù)：
目前纖維增強(qiáng)的橡膠制品已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，例如應(yīng)用在充氣橡膠輪胎、軟管、 膠帶(belts)和膠囊(bellows)中。嵌入橡膠基質(zhì)中的纖維是作為增強(qiáng)元件來(lái)支持橡膠制品的結(jié)構(gòu)。很多橡膠制品都有高強(qiáng)度、高壓力要求，同時(shí)要求具有足夠大的變形或膨脹以抵消應(yīng)力。例如，在一些飛行器輪胎中，在帶束層之上還需要一層具高強(qiáng)度及可伸長(zhǎng)的保護(hù)層 (緩沖層)，當(dāng)輪胎處于在壓力和載荷下的膨脹初始階段時(shí)，胎體和帶束層會(huì)膨脹以承接應(yīng)力，保護(hù)層也伸長(zhǎng)但不分擔(dān)很多載荷。當(dāng)膨脹至足夠大時(shí)，保護(hù)層開(kāi)始分擔(dān)大量的載荷使得整個(gè)輪胎在高應(yīng)力下得到保護(hù)。另外的例子是一些彈性膠囊，這些彈性膠囊具有較高的爆破壓力級(jí)別，能在爆破前同時(shí)有適當(dāng)?shù)呐蛎?。鋼絲和對(duì)位芳族聚酰胺纖維具有高強(qiáng)度，但是其斷裂伸長(zhǎng)率卻低。鋼絲的斷裂伸長(zhǎng)率通常是2 % -6 %，對(duì)位芳族聚酰胺的斷裂伸長(zhǎng)率通常是2 % -5 %，它們均適合用于需要高強(qiáng)度和低斷裂伸長(zhǎng)率的應(yīng)用中，但不適于前述要求高斷裂伸長(zhǎng)率之類的應(yīng)用。尼龍和聚酯纖維具有非常高的斷裂伸長(zhǎng)率，它們的斷裂伸長(zhǎng)率都可以達(dá)到15% _25%，但是在一些需要承受高爆破壓力或高載荷的應(yīng)用中，它們都缺乏足夠的強(qiáng)度。為了解決上述問(wèn)題而滿足工業(yè)需要，人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種技術(shù)。美國(guó)專利 5，271，445公開(kāi)了一種波浪形或鋸齒形繩技術(shù)。在載荷的初始階段，波浪形繩通過(guò)拉直所述波浪形而伸長(zhǎng)，然后在載荷的后期階段通過(guò)已拉直的繩來(lái)承接載荷。所述繩材料的一個(gè)實(shí)例是芳族聚酰胺。歐洲專利0567334B1公開(kāi)了使用鋼絲繩的類似技術(shù)。將高斷裂強(qiáng)力的纖維加捻至高捻度可以增加纖維的斷裂伸長(zhǎng)率，并改進(jìn)纖維的耐疲勞強(qiáng)度。但是提高捻度也降低了該纖維的強(qiáng)度。例如，1500旦的Kevlar ^型纖維通常具有23克力/旦的斷裂強(qiáng)力和3.6%的斷裂伸長(zhǎng)率；當(dāng)被加捻至480丨 111(丨#計(jì)per meter 每米的捻數(shù))時(shí)，其斷裂伸長(zhǎng)率僅增加至5. 2%，但是斷裂強(qiáng)力降低到10克力/旦；當(dāng)被加捻至更高的捻度610tpm時(shí)，其斷裂伸長(zhǎng)率增加至約8.5%，但是其斷裂強(qiáng)力進(jìn)一步降低到約8克力/旦。將高斷裂強(qiáng)力纖維與具有高疲勞強(qiáng)度高斷裂伸長(zhǎng)率纖維一起復(fù)合加捻也是一種可能的解決方案。復(fù)合繩已經(jīng)用于充氣輪胎作為增強(qiáng)材料以改進(jìn)耐疲勞強(qiáng)度或其它性能。 美國(guó)專利申請(qǐng)說(shuō)明書(shū)2009/0090447A1公開(kāi)了一種芳族聚酰胺/尼龍復(fù)合結(jié)構(gòu)的繩(1股 1500旦的芳族聚酰胺和1股1260旦的尼龍共捻)。該復(fù)合繩具有332N的斷裂載荷，相當(dāng)于12. 3克力/旦的斷裂強(qiáng)力，和16. 4%的斷裂伸長(zhǎng)率。這種復(fù)合繩適用于飛行器輪胎中。 美國(guó)專利6，799，618B2公開(kāi)了一些芳族聚酰胺/尼龍復(fù)合繩結(jié)構(gòu)，其最高的斷裂強(qiáng)力可達(dá) 13. 3克力/旦，而最高的斷裂伸長(zhǎng)率可達(dá)17%。上述兩篇文獻(xiàn)沒(méi)有公開(kāi)具有更高斷裂伸長(zhǎng)率的復(fù)合繩。[0007]美國(guó)專利4，333，507公開(kāi)了一種用于增強(qiáng)輪胎的復(fù)合繩。該復(fù)合繩的中心紗線是聚烯烴纖維，例如聚乙烯或聚丙烯纖維；而其纏繞紗線包括尼龍、芳族聚酰胺、鋼絲等。當(dāng)這種復(fù)合繩嵌入橡膠基質(zhì)中，因其中心紗線可以在橡膠的硫化溫度熔融或降解(約150°C )， 由此所制成的橡膠制品具有非常高的斷裂伸長(zhǎng)率，但其斷裂強(qiáng)力仍然不足。此外，用聚酰胺、聚酯和/或芳族聚酰胺等高熔點(diǎn)纖維所制成的復(fù)合繩，并無(wú)法在橡膠的硫化溫度熔融或降解，從而獲得提高斷裂伸長(zhǎng)率的效果。因此，人們?nèi)匀恍枰哂懈邤嗔褟?qiáng)力和高斷裂伸長(zhǎng)率的復(fù)合繩，以應(yīng)用在橡膠制品和其他可膨脹彈性制品中。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的復(fù)合繩的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率相互制約而不能同時(shí)達(dá)到理想水平的問(wèn)題。本實(shí)用新型提供了既具有大于等于9克力/旦的斷裂強(qiáng)力又具有大于等于20%的斷裂伸長(zhǎng)率的復(fù)合繩。所述復(fù)合繩能夠理想地應(yīng)用于增強(qiáng)橡膠和其他彈性制品的領(lǐng)域。本實(shí)用新型的一個(gè)方面提供一種復(fù)合繩，其包括(a) 一根中心紗線，其由間位芳族聚酰胺纖維形成；和(b)至少一根纏繞紗線，其由對(duì)位芳族聚酰胺纖維形成并圍繞所述中心紗線纏繞，其中，所述纏繞紗線的螺旋角為10-60度。本實(shí)用新型的另一個(gè)方面涉及包含本實(shí)用新型的復(fù)合繩的制品。

圖1是本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施方式中復(fù)合繩的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型的另一個(gè)實(shí)施方式中復(fù)合繩的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實(shí)用新型的又一個(gè)實(shí)施方式中復(fù)合繩的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本實(shí)用新型的一個(gè)對(duì)比例中復(fù)合繩的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本實(shí)用新型的再一個(gè)實(shí)施方式中復(fù)合繩的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本實(shí)用新型的進(jìn)一步的一個(gè)實(shí)施方式中復(fù)合繩的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是圖5的復(fù)合繩的橫截面圖。
具體實(shí)施方式
除非另外說(shuō)明，本文中提到的所有的出版物、專利申請(qǐng)、專利和其它參考文獻(xiàn)都以引用的方式全文結(jié)合入本文中，相當(dāng)于全文呈現(xiàn)于本文。除非另外定義，本文中使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有本實(shí)用新型所屬領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常所理解的同樣含義。在抵觸的情況下，以本說(shuō)明書(shū)包括定義為準(zhǔn)。除非另外說(shuō)明，所有的百分?jǐn)?shù)、份數(shù)、比例等都以重量計(jì)。當(dāng)以范圍、優(yōu)選范圍、或者優(yōu)選的數(shù)值上限以及優(yōu)選的數(shù)值下限的形式表述某個(gè)量、濃度或其它值或參數(shù)的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)理解相當(dāng)于具體揭示了通過(guò)將任意一對(duì)范圍上限或優(yōu)選數(shù)值與任意范圍下限或優(yōu)選數(shù)值結(jié)合起來(lái)的任何范圍，而不考慮該范圍是否具體揭示。除非另外指出，本文所列出的數(shù)值范圍旨在包括范圍的端點(diǎn)，和該范圍之內(nèi)的所有整數(shù)和分?jǐn)?shù)。在本文中，術(shù)語(yǔ)“由……形成”或“由……構(gòu)成”等同于“包含/包括”。本文中所用的術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”、“具有”、“有”“含有”或它們的任意其他變體，是意圖包括非排它性的包含。例如，包含一系列要素的組合物、過(guò)程、方法、制件或設(shè)備并不一定只限于那些要素， 而是還可以包括沒(méi)有明確列出的或者這些組合物、過(guò)程、方法、制件或設(shè)備所固有的其他要素。而且，除非明確表示相反含義，否則，“或”是指包含“或”而非排它性的“或”。例如，以下任何一條件都滿足條件A或B :A為真(或存在)且B為假(或不存在)，A為假(或不存在)且B為真(或存在)，以及A和B都為真(或存在)。另外，用于本實(shí)用新型某種要素或組分之前的詞語(yǔ)“一根”和“一種”對(duì)該要素或組分的數(shù)量沒(méi)有限制性。因此“一根”或“一種”應(yīng)理解為包括一根/ 一種或至少一根/ 一種，除非明確數(shù)量為單數(shù)，否則單數(shù)形式的所述要素或組分也包括復(fù)數(shù)的情況。除非有另外的說(shuō)明，本實(shí)用新型的材料、方法和實(shí)施例僅僅是示例性的，而非限制性的。雖然在本實(shí)用新型的實(shí)施或測(cè)試中可以采用類似于或等同于本文所述的那些方法和材料，但本說(shuō)明書(shū)下文已描述了合適的方法和材料。在本申請(qǐng)中，術(shù)語(yǔ)“芳族聚酰胺纖維”是指由酰胺鍵或酰亞胺鍵連接芳香族基團(tuán)所構(gòu)成的線型高分子經(jīng)紡絲制得的纖維，其中至少85%的酰胺鍵或酰亞胺鍵直接與兩個(gè)芳環(huán)相連接，且當(dāng)存在酰亞胺鍵時(shí)，其數(shù)目不超過(guò)酰胺鍵。典型的芳族聚酰胺纖維例如但不限于由杜邦公司生產(chǎn)的Kevlar 系列纖維和 Nomex 系列纖維。術(shù)語(yǔ)“紗線”是指由一股或多股纖維構(gòu)成的紗線，當(dāng)由多股纖維構(gòu)成時(shí)，所述紗線可以是由未加捻的多股纖維合并在一起而形成、也可以是由多股纖維在一起加捻而形成、 也可以是由每股纖維獨(dú)自加捻，然后將已加捻的各股纖維合并在一起而形成。術(shù)語(yǔ)“中心紗線”是指位于復(fù)合繩中心的一根紗線。術(shù)語(yǔ)“纏繞紗線”是指圍繞中心紗線纏繞的一根或多根紗線。術(shù)語(yǔ)“螺旋角，，是指纏繞紗線所纏繞方向的切線方向與復(fù)合繩的長(zhǎng)度方向之間的夾角。術(shù)語(yǔ)“旦”或“旦尼爾”(denier)是指在9000米未加捻的紗線或纖維所具有重量的克數(shù)。通常旦數(shù)越大，其紗線或纖維越粗。由多股纖維組成的紗線，其旦數(shù)是所含多股纖維的總和。例如，一根由3股1500旦的纖維合捻而得的紗線，即算為一根4500旦的紗線。 不過(guò)，實(shí)際上通過(guò)加捻，該紗線的單位長(zhǎng)度內(nèi)的重量會(huì)比4500旦略高。本實(shí)用新型的復(fù)合繩中，中心紗線由至少一股間位芳族聚酰胺纖維形成，對(duì)所述間位芳族聚酰胺纖維的性能沒(méi)有特別的限制。所述一股間位芳族聚酰胺纖維的線密度范圍優(yōu)選為200-3500旦，更優(yōu)選為1000-2000旦，斷裂強(qiáng)力范圍優(yōu)選為3_7克力/旦，斷裂伸長(zhǎng)率范圍優(yōu)選為20-40%。在本實(shí)用新型的復(fù)合繩中，每根纏繞紗線由至少一股對(duì)位芳族聚酰胺纖維形成， 對(duì)所述對(duì)位芳族聚酰胺纖維的性能沒(méi)有特別的限制。所述一股對(duì)位芳族聚酰胺纖維的線密度范圍優(yōu)選為200-3500旦，更優(yōu)選為600-2000旦，斷裂強(qiáng)力范圍優(yōu)選為18-28克力/旦， 斷裂伸長(zhǎng)率范圍優(yōu)選為1.5-5.0%。一些可影響本實(shí)用新型復(fù)合繩性能的因素包括，但不限于，對(duì)位芳族聚酰胺纖維與間位芳族聚酰胺纖維的重量百分比；中心紗線和纏繞紗線之初捻捻度，和之后的復(fù)捻捻度；以及加捻方向與方式。復(fù)合繩中，中心紗線和纏繞紗線的重量比例可以根據(jù)復(fù)合繩的用途來(lái)適宜選擇， 以使復(fù)合繩的斷裂強(qiáng)力和/或斷裂伸長(zhǎng)率滿足應(yīng)用要求。優(yōu)選的是，在本實(shí)用新型的復(fù)合繩中，以復(fù)合繩的總重量計(jì)，中心紗線占20-60重量％，纏繞紗線占40-80重量％。本實(shí)用新型的復(fù)合繩由經(jīng)初捻或未經(jīng)初捻的中心紗線與經(jīng)初捻的纏繞紗線復(fù)捻在一起形成，結(jié)構(gòu)例如如圖1-3和圖5-7所示。在圖1-圖7中，標(biāo)號(hào)10、20和30表示的是纏繞紗線，標(biāo)號(hào)100表示的是中心紗線。角a代表纏繞紗線的螺旋角。術(shù)語(yǔ)“初捻”是指構(gòu)成中心紗線或纏繞紗線的至少一股纖維本身的加捻過(guò)程；術(shù)語(yǔ) “復(fù)捻”是指中心紗線與纏繞紗線合并在一起之后形成復(fù)合繩的加捻過(guò)程。中心紗線由至少一股間位芳族聚酰胺纖維構(gòu)成，所述的至少一股間位芳族聚酰胺纖維可以是未加捻的(即無(wú)捻的)，也可以是輕度加捻的，其初捻捻度范圍優(yōu)選為0-20捻/ 米；更優(yōu)選為0-10捻/米。當(dāng)中心紗線由兩股以上間位芳族聚酰胺纖維構(gòu)成時(shí)，兩股以上纖維可以不加捻、一起加捻、或分別加捻然后合并在一起。每根纏繞紗線由至少一股對(duì)位芳族聚酰胺纖維構(gòu)成。當(dāng)一根纏繞紗線由兩股以上對(duì)位芳族聚酰胺纖維構(gòu)成時(shí)，兩股以上纖維可以一起加捻或分別加捻然后合并在一起。纏繞紗線的初捻捻度范圍優(yōu)選為100-1000捻/米，更優(yōu)選為100-500捻/米；纏繞紗線的初捻捻度與復(fù)合繩的復(fù)捻捻度的比值范圍優(yōu)選為0. 8-1. 2。本實(shí)用新型的復(fù)合繩可將經(jīng)初捻或未經(jīng)初捻的中心紗線以一定的捻度與一根以上經(jīng)初捻的纏繞紗線一起捻繞(復(fù)捻)形成結(jié)構(gòu)例如如圖1-圖3所示的復(fù)合繩。此外，本實(shí)用新型的復(fù)合繩亦可僅用一根以上經(jīng)初捻的纏繞紗線圍繞著經(jīng)初捻或未經(jīng)初捻的中心紗線螺旋環(huán)繞(復(fù)捻)形成結(jié)構(gòu)例如如圖5-7所示的復(fù)合繩，其中中心紗線不與纏繞紗線一起捻繞，當(dāng)存在兩根以上纏繞紗線時(shí)，兩根以上纏繞紗線均以螺旋角a 相互平行地圍繞中心紗線環(huán)繞。紗線的加捻方向可以是順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较颉Ｍǔ?，加捻的中心紗線的初捻與纏繞紗線的初捻的加捻方向可以相同或相反；但纏繞紗線的初捻與復(fù)合繩的復(fù)捻的加捻方向則相反。本實(shí)用新型的復(fù)合繩中，纏繞紗線的螺旋角的范圍為10-60度，優(yōu)選25-50度。螺旋角可用顯微鏡觀察測(cè)量而獲得其值。當(dāng)以加捻系數(shù)(twist multiplier, TM)表示時(shí)，本實(shí)用新型的復(fù)合繩中中心紗線的加捻系數(shù)為0-0. 5，復(fù)合繩的復(fù)捻的加捻系數(shù)為4. 5-12，優(yōu)選5-8. 5，此處加捻系數(shù)的計(jì)算方式如下對(duì)于由比重相同的纖維組成的紗線，例如本實(shí)用新型的復(fù)合繩的中心紗線或纏繞紗線的初捻而言，V η
TM = TPMx-^ H
2395其中TM 加捻系數(shù)(無(wú)單位)
6[0054]TPM 捻度(捻 / 米)D 紗線線密度(旦)P 紗線的比重(g/cm3)。對(duì)于由比重不同的兩股以上纖維組成的紗線或繩，例如本實(shí)用新型的由間位芳族聚酰胺中心紗線和對(duì)位芳族聚酰胺纏繞紗線組成的復(fù)合繩而言，加捻系數(shù)的計(jì)算式如下
權(quán)利要求1.一種復(fù)合繩，其特征在于，包括(a)一根由間位芳族聚酰胺纖維形成的中心紗線；和(b)至少一根由對(duì)位芳族聚酰胺纖維形成并圍繞所述中心紗線纏繞的纏繞紗線，其中，所述纏繞紗線的螺旋角為10-60度。
2.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合繩，其特征在于，具有9克力/旦或更大的斷裂強(qiáng)力和20% 或更大的斷裂伸長(zhǎng)率。
3.如權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合繩，其特征在于，以復(fù)合繩的總重量計(jì)，中心紗線占 20-60重量％，纏繞紗線占40-80重量％。
4.如權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合繩，其特征在于，所述中心紗線由至少一股間位芳族聚酰胺纖維形成，所述一股間位芳族聚酰胺纖維滿足下述至少一種條件，線密度為200-3500旦、斷裂強(qiáng)力為3-7克力/旦，和斷裂伸長(zhǎng)率為20-40%。
5.如權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合繩，其特征在于，每根所述纏繞紗線由至少一股對(duì)位芳族聚酰胺纖維形成，所述一股對(duì)位芳族聚酰胺纖維滿足下述至少一種條件，線密度為200-3500旦、斷裂強(qiáng)力為18-28克力/旦，和斷裂伸長(zhǎng)率為1.5-5.0%。
6.如權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合繩，其特征在于，所述中心紗線的初捻加捻系數(shù)為 0-0. 5，復(fù)合繩的復(fù)捻加捻系數(shù)為4. 5-12，優(yōu)選5-8. 5，纏繞紗線的初捻捻度與復(fù)合繩的復(fù)捻捻度的比值范圍為0. 8-1.2。
7.如權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合繩，其特征在于，所述纏繞紗線的螺旋角為25-50度。
8.一種制品，其特征在于，包含如權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的復(fù)合繩。
9.如權(quán)利要求8所述的制品，其特征在于，其是充氣橡膠輪胎、軟管、膠帶、或膠囊。
專利摘要本實(shí)用新型涉及復(fù)合繩及相關(guān)增強(qiáng)制品。具體地說(shuō)，本實(shí)用新型涉及一種具有高斷裂強(qiáng)力和高斷裂伸長(zhǎng)率的復(fù)合繩，其特征在于，包括一根由間位芳族聚酰胺纖維形成的中心紗線；和至少一根由對(duì)位芳族聚酰胺纖維形成并圍繞所述中心紗線纏繞的纏繞紗線，其中，所述纏繞紗線的螺旋角為10-60度，所述復(fù)合繩具有9克力/旦或更大的斷裂強(qiáng)力和20％或更大的斷裂伸長(zhǎng)率，可以作為增強(qiáng)材料用于橡膠制品或其他彈性基質(zhì)制品中，例如可以用于充氣橡膠輪胎、軟管、帶束層、膠帶或膠囊中。
文檔編號(hào)D02G3/44GK201952556SQ201020669930
公開(kāi)日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2010年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月16日
發(fā)明者施駿捷, 黎學(xué)東 申請(qǐng)人:杜邦公司