專利名稱：包括具有低捻度系數(shù)和改進(jìn)壓縮模量的有機(jī)纖維的復(fù)合材料的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及制品或制品組件，它們具有面內(nèi)剪切模量(IPSM)和圓周拉伸模量的改進(jìn)組合，這提高了對于在制品的使用過程中產(chǎn)生的各種應(yīng)力的耐受性。更具體地，本發(fā)明涉及用非金屬復(fù)絲增強(qiáng)的橡膠制品，該復(fù)絲在使用中承受張力和剪切應(yīng)力，例如在輪胎和尤其子午線輪胎的帶束和傳動帶中見到的那些復(fù)絲。
輪胎是高性能復(fù)合材料，它必須(1)產(chǎn)生縱向(圓周)力以用于加速和制動；(2)產(chǎn)生橫向力以用于轉(zhuǎn)彎；(3)支持豎向荷載；和(4)提供緩沖作用。因此，輪胎帶束用于為輪胎提供勁度并因此對轉(zhuǎn)彎特性，爪印形變(與道路接觸)和向前運(yùn)動產(chǎn)生顯著影響。沿著輪胎的圓周提高拉伸模量將會增強(qiáng)從車軸傳輸驅(qū)動力到輪胎和最終到道路的效率。在駕駛員駕駛車輛時(shí)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)彎力，它讓觸地區(qū)域(與地面接觸的輪胎面或輪胎觸地區(qū)域)和因此使帶束受到面內(nèi)剪切力。輪胎帶束的高剛度使得在輪胎觸地區(qū)域中的胎面保持扁平并與道路接觸，從而改善轉(zhuǎn)彎和輪胎胎面磨損。帶束的重要性使得需要對它改進(jìn)以便達(dá)到用于高性能輪胎應(yīng)用的目標(biāo)。
對于農(nóng)用和越野輪胎主要關(guān)注的是如何通過輪胎高效地傳輸動力。這些性能目標(biāo)主要受輪胎帶束的圓周(或縱向)模量的影響。在輪胎帶束中，高的圓周拉伸模量對應(yīng)于從輪的旋轉(zhuǎn)至車輛的前進(jìn)運(yùn)動的高傳送功率。然而，在優(yōu)化帶束的這一性能時(shí)，面內(nèi)剪切模量這一性能受到不利的影響。對于客車輪胎，即用于正常每天使用的小客車中的輪胎，除了動力傳送之外，還非常關(guān)注的是乘坐舒適性、方便操縱和輪胎胎面磨損。乘坐舒適性受到輪胎帶束的面外彎曲的影響。低的面外彎曲模量使得胎面容易包圍路障，從而最大程度減少豎向翹曲到輪胎車軸的傳輸。操縱，如轉(zhuǎn)彎，受到輪胎帶束的面內(nèi)彎曲的影響。隨著輪胎帶束的面內(nèi)剪切模量的增加，也改進(jìn)了操縱響應(yīng)。然而，當(dāng)優(yōu)化這一特性時(shí)，必須保持所需水平的動力傳送，因此圓周模量不能減少到低于可接受的程度。為客車輪胎設(shè)計(jì)的帶束所以不同于越野車和農(nóng)用輪胎的帶束，區(qū)別在于前者需要優(yōu)化大量的帶束參數(shù)以達(dá)到所需性能目標(biāo)。
氣胎用的角度斜裁簾布帶束復(fù)合材料是典型地通過沿著交替方向堆疊兩層或多層長絲增強(qiáng)橡膠片材所制得的。該增強(qiáng)絲典型地是在片材內(nèi)單方向性的。在將這些單方向性的簾布層引入到輪胎中的過程中，在增強(qiáng)長絲和輪胎圓周切向線之間形成了角度。這一角度典型地是20-23°。由帶束復(fù)合材料的這一常規(guī)制造方法得到了具有裁切長絲邊緣的帶束，這些邊緣分布在帶束層邊的整個(gè)圓周長度上。因此，角度斜裁簾布復(fù)合材料的各增強(qiáng)絲是斷開的，由于裁切的長絲末端產(chǎn)生獨(dú)立的運(yùn)動而不是總體運(yùn)動，減損了復(fù)合材料的機(jī)械和疲勞性能。另外，裁切的簾子線末端呈現(xiàn)了材料不連續(xù)性，導(dǎo)致不希望有的應(yīng)力集中。
鋼絲簾線用作增強(qiáng)絲是普通輪胎帶束中最常采用的方式。這是因?yàn)殇摻z簾線具有適用于帶束增強(qiáng)的壓縮和拉伸性能。然而，由于它的低韌性和高密度，鋼的重量是缺點(diǎn)，它影響了燃料經(jīng)濟(jì)性。另外，為了得到高速下的最佳性能，鋼絲增強(qiáng)帶束典型地需要使用胎冠緩沖層或冠帶層，其中低密度的合成長絲覆蓋了裁切的鋼絲簾線邊緣，因此有助于包含沉重的鋼絲簾線和在鋼絲簾線的尖銳切邊處減少應(yīng)力集中，從而延長輪胎壽命和增進(jìn)高速能力。冠帶層在用合成長絲增強(qiáng)的帶束制得的輪胎中是不需要使用的，意味著在勞動力和材料成本上的節(jié)約。另外，如果鋼絲已腐蝕的話，鋼絲增強(qiáng)帶束的使用使得輪胎翻新不可行。此外，鋼絲帶束輪胎的輪胎回收利用是更加困難的(由于輪胎撕碎設(shè)備的過度磨損)并產(chǎn)生高百分比的低級碎橡膠(即無法保證不含金屬)。整個(gè)鋼絲帶束輪胎的回收利用比合成有機(jī)長絲帶束輪胎的回收利用的成本有效性低。
正是由于將鋼絲用于增強(qiáng)用輪胎帶束中的許多缺點(diǎn)，非常希望用輕質(zhì)材料代替鋼絲來作為增強(qiáng)材料。有利的是，當(dāng)在給定的纖維重量下對比時(shí)，輕質(zhì)合成長絲如PEN，PET，芳族聚酰胺和尼龍的拉伸強(qiáng)度優(yōu)于鋼絲的拉伸強(qiáng)度。由于輪胎一般被設(shè)計(jì)成高強(qiáng)度，當(dāng)使用合成材料時(shí)，這一差異導(dǎo)致較低簾線密度/每只輪胎。然而，不利的是，此類合成纖維通常具有比鋼絲低的壓縮模量，因此得到具有較低面內(nèi)剪切模量的復(fù)合材料。輪胎帶束的較低面內(nèi)剪切模量同時(shí)有損于氣胎的轉(zhuǎn)彎力系數(shù)和輪胎胎面磨損特性。
當(dāng)用合成纖維增強(qiáng)時(shí)，有幾種可能提高帶束性能的途徑。通常這些措施將附加的簾布層引入到帶束中和/或引入三維(third dimension)增強(qiáng)。后一措施包括通過將簾布層縫合在一起，折疊簾布層，或編織或交織來將帶束的簾布層結(jié)合在一起。
USP 3,616,832，USP 3,854,515和國際專利出版物WO 98/14336想法用合成材料替換輪胎帶束中的鋼絲簾線。USP 3,616,832教導(dǎo)了具有5-35°的簾布層貼合角度的四層簾布帶束；實(shí)施例中使用15°的簾布貼合角度。USP 3,854,515教導(dǎo)了在帶束中使用四層簾布，全部具有30°簾布貼合角度，來代替鋼絲帶束。用于增強(qiáng)的聚酯比在普通聚酯簾子線中使用的聚酯有更低的聚合度，還有捻度限制。國際專利出版物WO98/14336教導(dǎo)了具有特殊簾線結(jié)構(gòu)的聚酯在帶束中的使用，該帶束用于重型車輛使用的子午線胎體輪胎中，如越野車輪胎和農(nóng)業(yè)車輪胎。實(shí)施例使用了聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)纖維和教導(dǎo)了在四層簾布帶束中常規(guī)簾布貼合角度為20°，和在兩層簾布帶束中為15-30°，優(yōu)選17-23°。所有這些公開物教導(dǎo)了對于合成增強(qiáng)材料來說的常見簾布貼合角度的使用，和不考慮與用鋼絲增強(qiáng)的那些相比而言在這些輪胎帶束中固有的較低面內(nèi)剪切模量問題。
改變的斜紋簾布層角度的使用已經(jīng)用于傳動皮帶的設(shè)計(jì)中。USP5,211,609教導(dǎo)了三層簾布復(fù)合材料傳動帶，相對于帶束的縱軸，其中兩層具有大約45-75°(優(yōu)選70°)的斜紋簾布角度。選擇斜紋簾布角度來平衡影響抓地性的橫向力。對于增強(qiáng)電纜的組合物沒有任何教導(dǎo)，也沒有建議將該結(jié)構(gòu)用于輪胎帶束。
縫合在層壓復(fù)合材料設(shè)計(jì)中的使用已經(jīng)在文獻(xiàn)中公開，然而，這些公開物都沒有教導(dǎo)對面內(nèi)剪切模量的有益影響，或沒有教導(dǎo)或建議縫合在輪胎帶束復(fù)合材料中的使用。縫合在復(fù)合層壓材料結(jié)構(gòu)中的使用已在USP 4,331,495和共同轉(zhuǎn)讓的USP 5,185,195；5,198,280；和5,591,933中進(jìn)行了描述。公開物‘495沒有教導(dǎo)增強(qiáng)絲在鄰近簾布層中的布置，教導(dǎo)了不同的縫合花樣，不是打算用于柔性彈性體復(fù)合材料中，并且沒有教導(dǎo)或建議縫合在面內(nèi)剪切模量上帶來的益處。公開物’195和’280使用縫合來固定抗穿透性制品的各層，縫合的至少兩個(gè)相鄰線跡的間距小于0.125英寸。公開物’933教導(dǎo)了松弛縫合方法來達(dá)到在抗穿透性制品中所需要水平的層離。M.Cholakara，B.Z.Jang和C.Z.Wang的“三維復(fù)合材料(3-D Composites)的機(jī)械性能”(ANTEC’89，1549-1551頁)教導(dǎo)了縫合Kevlar和環(huán)氧樹脂的層壓材料，通過改進(jìn)層間剪切強(qiáng)度來對損傷容限產(chǎn)生影響。它沒有教導(dǎo)單方向性的纖維，沒有描述縫合的細(xì)節(jié)，沒有建議在輪胎帶束復(fù)合材料中使用縫合，和不考慮面內(nèi)剪切模量。
使用折疊簾布層的復(fù)合材料，例如在USP 5,535,801中描述的，它教導(dǎo)具有5-15mm的寬度和在帶束的邊緣之間折疊成之字形的聚芳酰胺纖維增強(qiáng)絲帶的使用。該專利沒有談及增強(qiáng)簾子線的簾子線結(jié)構(gòu)和簾子線性能，并且沒有教導(dǎo)特定的簾布貼合角度。雖然該之字形帶束含有連續(xù)纖維增強(qiáng)材料，僅僅在絲帶的兩端有裁切簾子線，但是它具有許多接縫并且制備窄寬度的絲帶是麻煩的。USP 4,210,189教導(dǎo)了通過折疊單層寬簾布所形成的帶束，其中增強(qiáng)簾子線穿越單層簾布的寬度進(jìn)入具有三次折疊和四個(gè)重疊的簾布層的結(jié)構(gòu)中。裁切簾子線末端是處在單層未折疊簾布層的寬度的邊緣上，和當(dāng)折疊時(shí)，裁切簾子線末端存在于折疊帶束結(jié)構(gòu)的整個(gè)圓周上。該專利沒有談及簾子線結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)簾子線的簾子線性能。對于用于子午線輪胎，所教導(dǎo)的帶束簾布貼合角度是0-30°和用于斜交輪胎，教導(dǎo)的帶束簾布貼合角度是20-55°。USP 3,830,276還教導(dǎo)了折疊帶束，其中增強(qiáng)簾子線被裁切并且裁切末端存在于折疊帶束結(jié)構(gòu)的整個(gè)圓周中。編織的結(jié)構(gòu)例如描述在USP4,830,781中，它公開了編織輪胎增強(qiáng)組件用于簾線下方和氣胎的至少側(cè)壁區(qū)域。該織物結(jié)構(gòu)是通過使用有涂層的連續(xù)簾布加強(qiáng)層制得，后者優(yōu)選含有在橡膠涂層內(nèi)間隔的單根簾子線。該專利沒有談及簾子線結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)簾子線的簾子線性能。
利用聚萘二甲酸乙二醇酯纖維的復(fù)合材料的其它教導(dǎo)包括日本專利公開號30210-1997(1997年2月4日)；日本專利公開號276704-1996(1996年10月22日)；日本專利公開號310251-1995(1995年11月28日)；日本專利公開號193608-1997(1997年7月29日)；和日本專利公開號142101-1997(1997年6月3日)，和國際專利出版物WO98/47726。
在廣泛地研究復(fù)合材料設(shè)計(jì)之后，通過僅僅使用非金屬增強(qiáng)材料本發(fā)明使常規(guī)輪胎帶束設(shè)計(jì)得到改進(jìn)，使得輕得多的帶束能夠具有與鋼絲帶束相當(dāng)或更優(yōu)異的圓周拉伸模量和面內(nèi)剪切模量。各性能的這一綜合歸因于合成長絲簾子線與新型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能的綜合。關(guān)鍵的簾子線性能包括初始拉伸模量和初始壓縮模量。
發(fā)明概述需要解決的問題是提高用合成長絲如聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)增強(qiáng)的輪胎帶束的面內(nèi)剪切模量，以獲得減輕輪胎重量、更易翻新和再循環(huán)處理的益處，同時(shí)提供與鋼絲增強(qiáng)帶束相當(dāng)?shù)膱A周拉伸模量和面內(nèi)剪切模量。當(dāng)與鋼絲簾線比較時(shí)，該問題是由于合成有機(jī)纖維的固有低壓縮模量引起的。這一問題在本發(fā)明中得到解決，本發(fā)明是由至少兩層簾布組成的纖維增強(qiáng)制品，其中每一簾布層包括(a)橡膠和(b)從可熔融紡絲的非金屬復(fù)絲纖維制得的簾子線，該簾子線具有低于或等于約375的捻度系數(shù)，在1％應(yīng)變下大于或等于約1.7克/旦尼爾的應(yīng)力，和大于或等于大約7克/旦尼爾的初始壓縮模量，以及該至少兩層簾布具有大于或等于大約23°的纖維取向角度。
本發(fā)明改進(jìn)用非金屬長絲增強(qiáng)的輪胎帶束的關(guān)鍵性能，方法是通過改進(jìn)/改變普通的鋼絲增強(qiáng)輪胎帶束的設(shè)計(jì)以使這些性能的綜合能夠得以實(shí)現(xiàn)，這些性能的綜合與在普通鋼絲增強(qiáng)的帶束中見到的性能綜合相當(dāng)或比后者更優(yōu)異。
在一個(gè)實(shí)施方案中，通過在兩層簾布復(fù)合材料中使用非普通的簾布貼合角度，改進(jìn)了面內(nèi)剪切模量和圓周拉伸模量的綜合。
在第二實(shí)施方案中，在三層和四層簾布復(fù)合材料中，通過使用非普通的簾布貼合角度和添加具有低簾子線密度和較低簾子線重量的附加簾布層以彌補(bǔ)在圓周拉伸模量上任何不希望有的損失，實(shí)現(xiàn)了面內(nèi)剪切模量、面外彎曲模量和圓周拉伸模量的優(yōu)化組合。另外，可以將不同的簾布貼合角度的單方向性簾布層與特定的簾布層序列相結(jié)合。更具體地說，典型±23°角度的外簾布層包夾具有±45°角度的兩層簾布，或±30°角度的外簾布層包夾大約0°角度的單個(gè)簾布層。這一實(shí)施方案實(shí)施的另外優(yōu)點(diǎn)在于它不需要任何新的設(shè)備。
在第三實(shí)施方案中，通過向復(fù)合材料的角度斜裁簾布層中引入(即縫合)第三維的增強(qiáng)可以實(shí)現(xiàn)圓周拉伸模量、面內(nèi)剪切模量和面外彎曲模量的優(yōu)異組合。該面內(nèi)剪切模量與普通鋼絲增強(qiáng)帶束相當(dāng)。更具體地說，非金屬柔性增強(qiáng)材料，例如合成纖維如PEN、PET、芳族聚酰胺和尼龍，被用于縫合穿過具有單方向性的非金屬長絲增強(qiáng)橡膠片層的復(fù)合材料的厚度。
在本發(fā)明的第四實(shí)施方案中，講述了未裁切邊緣的連續(xù)增強(qiáng)簾子線復(fù)合材料。此類方法消除了沿著帶束層邊分布的裁切長絲末端，相對于普通的裁切邊緣復(fù)合材料，顯著改進(jìn)了所制備復(fù)合材料的拉伸和疲勞性能。通過按照US專利4,210,189中所教導(dǎo)的那樣或通過其中教導(dǎo)的新的螺旋折疊方法，可以制成這一連續(xù)邊緣。合成的長絲簾子線是柔軟的，因此本身可以承受這一折疊操作。這一實(shí)施方案的變化形式是編織簾布筒，它可以壓扁而形成兩層簾布、無裁切邊緣、連續(xù)增強(qiáng)簾子線型復(fù)合材料。還教導(dǎo)了新型的捻接方法。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是鋼絲簾線完全被合成纖維取代而沒有犧牲輪胎性能。另外，通過重量減輕有利于燃料經(jīng)濟(jì)性，輪胎翻新成為可能，和輪胎再回收利用不那么困難和更加有利可圖。
本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)將通過下面的描述、附圖和所附權(quán)利要求變得更清楚。
附圖簡述

圖1說明了可用于實(shí)施本發(fā)明的兩層簾布復(fù)合材料。
圖2說明了可用于實(shí)施本發(fā)明的四層簾布的、不同簾布貼合角度的復(fù)合材料。
圖3說明了可用于實(shí)施本發(fā)明的三層簾布的、不同簾布貼合角度的復(fù)合材料。
圖4說明了可用于實(shí)施本發(fā)明的連續(xù)鏈?zhǔn)娇p合圖案。
圖5說明了可用于實(shí)施本發(fā)明的十字縫合圖案。
圖6說明了可用于實(shí)施本發(fā)明的鋸齒形縫合圖案。
圖7說明了可用于實(shí)施本發(fā)明的一系列折疊步驟。
圖8說明了沒有切邊的輪胎帶束的捻接方法。
圖9說明了在兩層簾布復(fù)合材料的簾布貼合角度和兩種性能之間的關(guān)系。
優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)說明這里使用的術(shù)語“復(fù)絲纖維”包括紗，加捻紗，簾子線等，但是排除大的旦尼爾數(shù)(＞500d)的單絲。這里使用的術(shù)語“簾子線”包括不具有繩捻和因此具有0的捻度系數(shù)的構(gòu)造。
這里術(shù)語的術(shù)語“簾布層”是指在本發(fā)明的復(fù)合材料中的單層。簾布層可以是與在復(fù)合材料中的任何其它簾布層連續(xù)或非連續(xù)的。與另一簾布層相連的簾布層將在其中具有至少一個(gè)折疊，和如果不折疊的話，則為單層的單方向性纖維增強(qiáng)橡膠片。此類簾布層還可與至少一個(gè)其它簾布層交織以形成編織結(jié)構(gòu)。因此，兩層簾布復(fù)合材料具有雙層的單方向性纖維增強(qiáng)橡膠片，這些片材可以是具有至少一個(gè)折疊的連續(xù)形式，或是編織的，或非連續(xù)的，和如果分離開的話，則是兩個(gè)獨(dú)立的片材。
這里使用的“簾布貼合角度”或“取向角”是指在橡膠中單方向性增強(qiáng)纖維和輪胎帶束的沿圓周方向(或在一般復(fù)合材料制品中，制品的縱向)之間形成的銳角。
這里使用的短語“捻度系數(shù)”是計(jì)算量，它反映了簾子線的構(gòu)造和涉及組分加捻紗的螺旋角，或?qū)τ诩幽砑喍?，相對于簾子線的軸的加捻長絲的螺旋角。降低捻度系數(shù)導(dǎo)致低的螺旋角。為了計(jì)算該捻度系數(shù)，使用下面公式捻度系數(shù)＝tpi×(TD)1/2(1)其中“tpi”是每英寸加捻簾子線的轉(zhuǎn)數(shù)，和“TD”是簾子線的總標(biāo)稱纖度。TD是通過將紗的旦尼爾數(shù)乘以用于制造簾子線的紗的數(shù)目，或如果混合旦尼爾值用于簾子線中則僅僅將各個(gè)組成紗的旦尼爾數(shù)總計(jì)來計(jì)算。
現(xiàn)有技術(shù)中眾所周知的是，提高捻度數(shù)能夠補(bǔ)償所給定合成紗差的疲勞性能。然而，較高的捻度導(dǎo)致同時(shí)降低拉伸和壓縮模量，不利地影響輪胎帶束功能。另一方面，降低簾子線的捻度將降低它們的疲勞壽命。PEN紗比其它超高模量合成有機(jī)紗如芳族聚酰胺具有更好的內(nèi)在抗疲勞性和具有更高的內(nèi)在粘合性。所以，能夠降低PEN簾子線的捻度但不降低疲勞壽命到無法接受的水平和不降低粘合性到無法接受的水平。因此，PEN取代鋼絲在輪胎帶束中的成功使用，可通過利用低捻度提供足夠高的壓縮模量以在輪胎帶束中有效地發(fā)揮作用，而同時(shí)保持就耐久性而言足夠的疲勞壽命和良好的粘合性而變得可能。
對于用作增強(qiáng)簾子線，PEN是優(yōu)選的纖維。然而，可以使用任何可熔融紡絲的復(fù)絲纖維，只要所述簾子線性能能夠得到滿足。熔融可紡絲的纖維包括，例如，聚酯如聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和液晶聚酯；聚烯烴酮(POK)；和聚酰胺如尼龍4，6和尼龍6T。用于本發(fā)明實(shí)施例的增強(qiáng)材料中的纖維是聚酯，聚萘二甲酸乙二醇酯，和對于使用PEN纖維的所有實(shí)施例，都使用由Allied Signal，Inc。提供的PENTEXTM聚萘二甲酸乙二醇酯纖維?？捎糜趯?shí)施本發(fā)明的PEN纖維可以是普通的PEN，如在USP3,616,832或英國專利1,445,464中描述的，或尺寸穩(wěn)定的PEN纖維，如在共同轉(zhuǎn)讓的USP5,397,527中描述的，在根據(jù)本公開物的需要的程度上引入所有這些文獻(xiàn)供參考。
用于本發(fā)明復(fù)合材料中的簾子線具有低于約375，更優(yōu)選低于約360和最優(yōu)選低于或等于約310的捻度系數(shù)。能夠使用包括環(huán)錠捻線機(jī)和直接搓繩機(jī)在內(nèi)的任何可用設(shè)備來進(jìn)行紗捻和繩捻。平衡捻，即簾布層(紗)捻度基本上等于纜線(簾子線)捻度，已用于本發(fā)明實(shí)施例中，但是能夠使用不平衡的簾子線捻，如果物理性能和疲勞壽命受到纜式捻而不是紗合股捻的控制。大約500到大約6000的紗旦尼爾數(shù)是特別適用于本發(fā)明中的。單絲旦尼爾數(shù)是至少約2dpf和優(yōu)選是大約5dpf-大約10dpf。
這里使用的PEN簾子線所采用的簾子線浸膠是普通的雙浸膠處理，它包括使用由下面組分組成的浸涂液的預(yù)浸步驟Aerosol OT(3.6克(g))，蒸餾水(2045毫升)，樹膠tragocanth(1.2g)，和Aracast XU-AY-238Epoxy(150g)，并具有0.7％浸漬附著量(按重量計(jì)算)。然后將預(yù)浸過的簾子線在6％恒定拉伸伸長率下通過兩個(gè)烘箱，第一個(gè)烘箱處在300°F(停留時(shí)間80秒)和第二烘箱處在450°F(停留時(shí)間40秒)。接著用氨化的RFL進(jìn)行最后的浸涂，5％浸漬附著量(按重量計(jì)算)，然后該簾子線通過兩個(gè)烘箱和允許它們松弛到2％。第一烘箱處在300°F(停留時(shí)間80秒)和第二烘箱處在450°F(停留時(shí)間60秒)。
適用于本發(fā)明的簾子線在1％應(yīng)變下具有至少1.7克/旦尼爾(g/den)的應(yīng)力。適用于本發(fā)明的簾子線還具有至少大約7g/den、更優(yōu)選至少大約9g/den和最優(yōu)選至少大約9.5g/den的初始壓縮模量。
總的簾子線旦尼爾數(shù)和每英寸的末端數(shù)(EPI)取決于輪胎尺寸，構(gòu)造，和性能標(biāo)準(zhǔn)。目前，有限元素模型(FEM)常常用于定義所需要的輪胎帶束機(jī)械性能。這些帶束要求反過來決定簾子線的量和間距。通常，該簾子線旦尼爾數(shù)應(yīng)該盡可能低的，以得到最薄的簾布層(最輕的重量)而同時(shí)提供良好的帶束耐久性。近的簾子線間距將在與簾子線的軸垂直的方向上增強(qiáng)復(fù)合材料簾布層的模量。對于本發(fā)明的角度貼合簾布層，這一較近的間距會沿著輪胎的圓周方向增強(qiáng)拉伸性能。在簾子線之間的分?jǐn)?shù)化距離可由常使用的“橡膠鉚接(rivet)”技術(shù)名詞來表述?！跋鹉z鉚接”是垂直于簾子線軸的分?jǐn)?shù)化橡膠密度并能夠從下式計(jì)算橡膠鉚接值＝1-(EPI)*(簾子線直徑) (2)其中簾子線直徑按英寸計(jì)。對于本發(fā)明，在兩層簾布復(fù)合材料中，包括兩層簾布連續(xù)邊緣復(fù)合材料，和在三層和四層簾布復(fù)合材料的外簾布層中，大約0.10到0.25的橡膠鉚接值是優(yōu)選的。較高的橡膠鉚接值(至多大約0.86)可用于三層和四層簾布復(fù)合材料以及四層簾布連續(xù)邊緣復(fù)合材料的內(nèi)簾布層。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，增強(qiáng)簾子線是具有以下性能的6000d，4×4捻度系數(shù)是310，斷裂強(qiáng)度是8.3g/den，初始拉伸模量是173g/den，極限伸長是6.4％，在1％應(yīng)變下應(yīng)力是1.7g/den，在3％應(yīng)變下應(yīng)力是4.4g/den，和在5％應(yīng)變下應(yīng)力是6.9g/den。
復(fù)合材料制品可使用適合于所需最終用途的任何橡膠。對于用于增強(qiáng)客車氣胎的帶束，典型的輪胎帶束橡膠原料例如包括天然橡膠/SBR(苯乙烯-丁二烯橡膠)橡膠共混物和硫固化劑。這里使用的橡膠是工業(yè)上使用的橡膠原料。
在本發(fā)明的第一實(shí)施方案中，使用單方向性的纖維-和-橡膠復(fù)合片材來構(gòu)造兩層簾布帶束，其中PEN纖維簾子線滿足了前面所述的參數(shù)。該復(fù)合片材是通過使用現(xiàn)有的加工方法如普通的輪胎簾布壓延，長絲纏繞，單方向性的復(fù)合材料預(yù)浸處理，拉擠成型等等來制造。然后將該單方向性的片材以特定的簾布斜裁角度進(jìn)行斜切，并將兩層這樣的片材層壓來制造±角度斜裁簾布層結(jié)構(gòu)的二維層壓件。對于這里使用的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模樣品，使這一未固化的層壓復(fù)合材料承受合適的壓力，以使兩層簾布層固結(jié)成完整的多層簾布復(fù)合材料。最后的步驟包括由常規(guī)方法加熱至合適的高溫，同時(shí)在加壓下經(jīng)過足夠的時(shí)間來硫化(固化)橡膠基質(zhì)來固化復(fù)合材料。注意在典型的輪胎生產(chǎn)方法中，這一固化步驟實(shí)際上發(fā)生在已將帶束組裝到輪胎中時(shí)。
圖1說明兩層簾布帶束。在這一復(fù)合結(jié)構(gòu)5中，兩層簾布7和9彼此相鄰，并且所處位置應(yīng)使得在第一層中的平行增強(qiáng)長絲11不平行于在第二層中的平行增強(qiáng)長絲11。簾布貼合角度13，它是在帶束15的圓周切向軸和復(fù)合材料中增強(qiáng)纖維11之間形成的角度，對于本實(shí)施方案而言是關(guān)鍵的。兩層簾布具有同樣大的簾布貼合角度，它們可通過一個(gè)為正(簾布層9)和一個(gè)為負(fù)(簾布層7)來平衡。為了實(shí)現(xiàn)面內(nèi)剪切模量和圓周切向拉伸模量的最優(yōu)組合，即與普通的兩層簾布鋼絲增強(qiáng)帶束相當(dāng)?shù)慕M合，本發(fā)明的兩層簾布復(fù)合材料的簾布貼合角度優(yōu)選是至少大約23°-大約35°，更優(yōu)選大約25°-大約35°和最優(yōu)選大約26°-大約35°。
在本發(fā)明的第二實(shí)施方案中，具有不同簾布貼合角度結(jié)合的三層和四層簾布復(fù)合材料的制造是用與兩層簾布復(fù)合材料同樣系列的步驟來進(jìn)行的。單方向性的纖維-和-橡膠復(fù)合片材是通過使用現(xiàn)有的加工方法如普通的輪胎簾線壓延，長絲纏繞，單方向性的復(fù)合材料預(yù)浸處理，拉擠成型等等來制造。該單方向性的復(fù)合片材然后以特定的簾布斜裁角度進(jìn)行斜切并且切片被層壓來制造±角度斜裁簾布結(jié)構(gòu)的二維層壓件。圖2和3分別說明了本發(fā)明的這一實(shí)施方案的四層簾布和三層簾布形式。
在圖2中，該復(fù)合材料17是由四層簾布19，21，23和25組成。兩個(gè)外簾布層19和25包夾兩個(gè)內(nèi)簾布層21和23。為了用于輪胎中，外部簾布層19或25中的一個(gè)將是相對于輪胎旋轉(zhuǎn)軸的徑向最內(nèi)部的簾布，而另一個(gè)外部簾布層將是徑向最外部的簾布層，并且該簾布層最靠近輪胎的胎面。各簾布層是用平行、單方向性的纖維11增強(qiáng)。該角度13是由增強(qiáng)纖維11和圓周切向輪胎(或縱向)軸15形成的銳角并稱作簾布貼合角度。在這一附圖中，簾布層19和21具有正(+)的簾布貼合角度，而簾布層23和25具有負(fù)(-)的簾布貼合角度。雖然一般來說，在復(fù)合材料中各簾布層的簾布貼合角度的大小可以變化，只要滿足相對于圓周切向線的對稱條件就行，但是可用角度的例子包括但不限于±23°的外簾布層和±45°的內(nèi)簾布層。例如，在這些簾布層中的取向角能夠是+/+/-/-或-/-/+/+或+/-/-/+或-/+/+/-或+/-/+/-或-/+/-/+，從徑向最內(nèi)部的簾布層到徑向最外部的簾布層。
在圖3中，三層簾布復(fù)合材料27是由兩個(gè)外部簾布層29和33和內(nèi)部簾布層31組成。為了用于輪胎中，外部簾布層29或33中的一個(gè)將是相對于輪胎旋轉(zhuǎn)軸的徑向最內(nèi)部的簾布層，而另一個(gè)外部簾布將是徑向最外部的簾布層，并且該簾布層最靠近輪胎的胎面。各簾布層用平行、單方向性的纖維11增強(qiáng)。角度13是由增強(qiáng)纖維11和圓周切向輪胎(或縱向)軸15形成的銳角并稱作簾布貼合角度。簾布層29具有負(fù)的簾布貼合角度和簾布層33具有正的簾布貼合角度。該外簾布層在優(yōu)選約±23到35°的簾布貼合角度下具有非金屬增強(qiáng)。夾在外簾布層29和33之間的單個(gè)內(nèi)簾布層31在大約±0°至5°、最優(yōu)選大約±0°的簾布貼合角度下具有非金屬增強(qiáng)。
本發(fā)明的另一實(shí)施方案包括向復(fù)合材料中引入第三維組分，即縫合線。與其它實(shí)施方案一樣，縫合的帶束復(fù)合材料的制造包括一系列步驟。按以上所述將該橡膠復(fù)合材料組裝和固化，只是在固化之前將未固化的組裝復(fù)合材料進(jìn)行縫合。
復(fù)合材料的縫合需要柔性的增強(qiáng)材料如合成纖維。鋼絲不適合在本發(fā)明中的縫合，因?yàn)樗姆菗锨?。能夠使用大多?shù)的工業(yè)纖維，如PEN，PET，尼龍，人造絲或芳族聚酰胺。縫合纖維的優(yōu)選旦尼爾是500到6000?？p合纖維應(yīng)該具有通常的機(jī)械性能。層壓件的縫合可手工或利用機(jī)器來進(jìn)行?？p合孔，它與縫合簾子線直徑有大致相同的直徑，可在縫合之前預(yù)先穿透到層壓件中，或幾乎在纖維穿透層壓件的厚度的瞬間形成的。在最終的升高溫度固化過程中將縫合孔密封，在該過程中橡膠流入這些孔中。該縫合線跡最初保持整齊，和在固化之后保持如此。優(yōu)選的是該縫合線跡覆蓋了層壓復(fù)合材料的整個(gè)表面，以優(yōu)化所述改進(jìn)的面內(nèi)剪切模量。僅僅在切邊或帶束的少數(shù)部分的縫合將減少層離，然而該面內(nèi)剪切模量將不會改進(jìn)。沒有必要將縫紉纖維末端打結(jié)。經(jīng)過隨后在升高的溫度下固化之后，該縫合線成為復(fù)合材料的永久部分。
對于在本發(fā)明的第一實(shí)施方案中使用的縫合線跡的圖案，使面內(nèi)剪切模量得到改進(jìn)的任何圖案都可以使用。幾種常見的縫合線跡是優(yōu)選的并為了更加清楚的目的來詳細(xì)描述。優(yōu)選的連續(xù)鏈?zhǔn)娇p合線跡示于圖4中，其中由實(shí)線表示的縫合線跡35是在層壓復(fù)合材料36的前面，和由虛線表示的縫合線跡37是在層壓復(fù)合材料的背面。線15表示制品的圓周切向軸的取向。該縫合纖維例如在39位點(diǎn)處穿過復(fù)合材料，和在41位點(diǎn)處跨過復(fù)合材料的前側(cè)并穿透到背側(cè)，在43位點(diǎn)處跨過復(fù)合材料的背側(cè)又穿透復(fù)合材料，然后在45位點(diǎn)處再橫跨復(fù)合材料。同樣地，縫合纖維在47位點(diǎn)處穿過復(fù)合材料，在49位點(diǎn)處橫跨表面和穿透到背側(cè)，在41位點(diǎn)處跨過復(fù)合材料的背側(cè)并又穿透復(fù)合材料，然后在51位點(diǎn)處再橫跨復(fù)合材料。這一圖案在復(fù)合材料帶束的整個(gè)表面上延續(xù)。下面討論角度53。
優(yōu)選的鋸齒形縫紉線跡示于圖5中。與圖4中一樣，縫合線跡35是處在層壓復(fù)合材料的正面而縫合線跡37是處在背側(cè)。角度53是在縫合復(fù)合材料的縫合線跡和圓周切向軸15之間形成的角度。在這些Z形圖案中，纖維從位點(diǎn)55處跨過復(fù)合材料的正面到達(dá)位點(diǎn)57，在57位點(diǎn)處它穿過復(fù)合材料到達(dá)背側(cè)，然后橫跨到位點(diǎn)59處，在59位點(diǎn)處它再穿過復(fù)合材料的厚度和跨過正面到達(dá)位點(diǎn)61。這一圖案在復(fù)合材料帶束的整個(gè)表面上延續(xù)。
優(yōu)選的第三種縫合線跡花樣，十字縫合線跡，示于圖6中并類似于Z形圖案，只是縫合纖維互相交叉。因此，縫合纖維從位點(diǎn)63跨過復(fù)合材料的正面到達(dá)位點(diǎn)65處，在位點(diǎn)65處它穿過到背側(cè)并到達(dá)位點(diǎn)67處，在位點(diǎn)67處它再穿過復(fù)合材料回到正面然后到達(dá)位點(diǎn)69處。類似地，縫合纖維從位點(diǎn)71跨過復(fù)合材料的正面到達(dá)位點(diǎn)73處，在位點(diǎn)73處它穿過到背側(cè)并到達(dá)位點(diǎn)75處，在位點(diǎn)75處它再穿過復(fù)合材料回到正面然后到達(dá)位點(diǎn)77處。這一圖案在復(fù)合材料帶束的整個(gè)表面上延續(xù)。與圖4和5中一樣，縫合線跡35是處在層壓復(fù)合材料的正面而縫合線跡37是處在背側(cè)。角度53是在縫合復(fù)合材料的縫合線跡和圓周向軸15之間形成的角度。
如果需要，可以使用所有三種縫合線跡類型的組合。然而在這三種縫合類型中，最優(yōu)選的是在帶束的整個(gè)表面上使用的連續(xù)鏈?zhǔn)娇p合線跡。可用于縫合實(shí)施方案的實(shí)施中的簾布貼合角度是在約23°到35°范圍內(nèi)，優(yōu)選范圍是23°到30°，和最優(yōu)選值為23°。
在縫合線跡圖案中，非常優(yōu)選的是角度53，由縫合線跡相對于輪胎帶束的圓周切向軸15(或一般制品的縱向軸)所構(gòu)成的角度是±45°。在這一大小的縫合角度53時(shí)，獲得了基于改進(jìn)的面內(nèi)剪切模量的最大益處。緊相鄰的平行排的縫合線跡最優(yōu)選被分隔大約0.35英寸。因此，針跡密度，被定義為每英寸的縫合線跡排數(shù)，優(yōu)選是大約3排/英寸。縫合線跡尺寸，例如在圖4中從位點(diǎn)39到位點(diǎn)41的纖維長度，最優(yōu)選是大約0.7英寸。因此，在單個(gè)線性的一排縫合線跡中，約有1.4個(gè)縫合/每英寸。
在本發(fā)明的另一實(shí)施方案中，具有未裁切邊的復(fù)合材料的制造是使用與在制造單方向性復(fù)合片材過程中的縫合和不同簾布貼合角度復(fù)合材料時(shí)同樣系列的步驟來開始的。然而取決于所使用的折疊方法，該單方向性復(fù)合片材可以裁切或不裁切來產(chǎn)生特定的簾布貼合角度。US專利3,473,594；3,863,695；和4,210,189描述了以前由輪胎工業(yè)使用的折疊帶束概念。本發(fā)明也教導(dǎo)了如圖7中所示的新系列的折疊步驟，由其獲得了具有未裁切、折疊邊緣的帶束，和在帶束層邊中有基本上連續(xù)的纖維增強(qiáng)材料。“基本上連續(xù)的”是指在帶束外邊緣上基本上沒有自由的簾子線末端。參見圖7a，其中顯示了具有與片材的縱向平行的纖維增強(qiáng)材料11的纖維增強(qiáng)的橡膠復(fù)合材料79。在圖7b中，該復(fù)合材料79通過沿線85折疊而被折疊成位點(diǎn)81與位點(diǎn)83貼近。在線85和邊緣87之間的角度13是折疊復(fù)合材料中所形成的簾布貼合角度。如圖7c中所示，將一次折疊的復(fù)合材料翻轉(zhuǎn)過來，并按照圖7d中所示通過沿著線93折疊將位點(diǎn)89與位點(diǎn)91貼近。線95表示輪胎帶束的寬度。如圖7e中所示，將兩次折疊的復(fù)合材料再次翻轉(zhuǎn)過來，并按照圖7f中所示通過沿著線101折疊將位點(diǎn)97與位點(diǎn)99貼近。按照類似方式將三次折疊的復(fù)合材料翻轉(zhuǎn)過來和繼續(xù)折疊，直到達(dá)到足以滿足給定用途(例如輪胎帶束)的折疊復(fù)合材料的長度。因此，僅僅兩重折疊就可為給定用途提供足夠的長度。折疊的帶束然后按照前面所述通過使用壓力和升高的溫度來固化。折疊能夠手工進(jìn)行或使用任何合適的自動操作方法。
通過在兩端之間形成接頭，從未裁切邊緣、螺旋形折疊、兩層簾布的復(fù)合材料103形成了圓形帶束。如圖8中所示形成了新的接頭。在這一圖中，增強(qiáng)長絲11平行于未折疊的單方向性復(fù)合片材的原始邊緣105。末端107和109是單個(gè)簾布層，這樣當(dāng)重疊時(shí)，形成了與折疊帶束區(qū)域有同樣厚度的兩層簾布接頭。折疊帶束的增強(qiáng)簾子線沿著一側(cè)被裁切，使得在接頭區(qū)域中形成了裁切缺口111。為了最大程度減少這些裁切簾子線的影響，在另一單層簾布端包括副翼片113。折疊的復(fù)合材料彎曲成環(huán)形，單層簾布端107重疊單層簾布端109。副翼片113沿線115折疊，配合到切口111區(qū)域中。副翼片113具有缺口111的相反形狀，為的是當(dāng)副翼片113折疊到缺口111中時(shí)讓它完全填充缺口111。這樣一來，沒有裁切簾子線處在最終的折疊和接頭的帶束復(fù)合材料的邊緣。對于四層簾布復(fù)合材料，末端107和109是兩層簾布，這樣當(dāng)重疊時(shí)，形成了具有與折疊帶束區(qū)域同樣厚度的四層簾布接頭。在編織帶束中，將兩個(gè)簾布層編織(交織)在一起形成了管形簾布筒。簾布筒然后被壓扁形成了與管形簾布筒的縱軸平行的兩個(gè)基本上二維的簾布層。
本發(fā)明的增強(qiáng)制品可用于需要從本發(fā)明獲得改進(jìn)性能的增強(qiáng)制品中。這樣的用途是用于客車的輪胎帶束或用于摩托車輪胎。其它用途是用于傳動帶，V-形帶，和輸送帶。
試驗(yàn)方法a.簾子線根據(jù)ASTM測量初始拉伸模量。按照ASTM D885中的說明，用適宜的預(yù)張力來夾住各樣品。在1％應(yīng)變下的應(yīng)力是取自用于計(jì)算初始拉伸模量的相同數(shù)據(jù)并使用簾子線的實(shí)際旦尼爾來計(jì)算。在1％應(yīng)變下的應(yīng)力涉及在1％應(yīng)變下的LASE，其中LASE表示定伸長載荷，但對于紗旦尼爾加以標(biāo)準(zhǔn)化。
通過使用以Goodrich圓盤疲勞試樣為基礎(chǔ)的復(fù)合材料試樣來測定簾子線的初始壓縮模量。代替單根簾子線，將5根簾子線放置在每一橡膠充填的模具腔中，但是沒有添加簾子線的對照橡膠樣品除外。在試樣的模塑加工過程中，在大約0.01g/den的最低張力下固緊該簾子線。各受壓試件是呈現(xiàn)直立棱柱形狀，大約0.49英寸寬，0.43英寸厚和1.25英寸長。各樣品的頂部和底部被研磨成平行表面。通過以0.5in/min的十字頭速度在壓板之間單軸壓縮樣品來測量壓縮模量。使用壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線的初始直線區(qū)域(在簾子線/樣品縱向彎曲之前)來測定復(fù)合材料的壓縮模量(E復(fù)合材料)并使用下面公式計(jì)算E復(fù)合材料＝斜率×標(biāo)距/面積 (3)其中“斜率”是負(fù)荷-位移曲線的初始直線部分的斜率，“標(biāo)距”是初始復(fù)合材料標(biāo)距和“面積”是初始復(fù)合材料橫截面積。通過假設(shè)同等應(yīng)變條件來計(jì)算簾子線模量(E簾子線)，其中橡膠/簾子線復(fù)合材料模量(E復(fù)合材料)是由混合物的規(guī)則給出的，使得E復(fù)合材料＝(V簾子線×E簾子線)+(V橡膠×E橡膠)(4)其中“E”是初始壓縮模量和“V”是該組分在樣品中的體積分?jǐn)?shù)?？紤]在簾子線束中的剩余空間，對V簾子線計(jì)算采用校正系數(shù)。假設(shè)簾子線體積是70％實(shí)體和30％剩余空間。
b.復(fù)合材料根據(jù)ASTM D3039對大約0.75英寸寬和6英寸標(biāo)距的矩形復(fù)合材料試樣進(jìn)行圓周拉伸試驗(yàn)，得到樣品縱橫比(長度除以寬度)為8。在運(yùn)行Series IX數(shù)據(jù)采集軟件的Instron 8511試驗(yàn)機(jī)或也運(yùn)行Series IX軟件的Instron 4505試驗(yàn)機(jī)上，以0.2in/min的恒定十字頭速度來測試樣品。通過GPIB界面，在連接于Instron試驗(yàn)機(jī)的計(jì)算機(jī)上采集數(shù)據(jù)。
最大負(fù)荷是破壞時(shí)的負(fù)荷，按ASTM D3039中所述。
使用下面公式計(jì)算圓周拉伸模量(在實(shí)施例數(shù)據(jù)的表中標(biāo)記為拉伸模量)圓周拉伸模量＝(F/Δl)l0/w0(5)其中“F/Δl”是在1％-4％應(yīng)變范圍內(nèi)的負(fù)荷-位移曲線的斜率，“l(fā)0”是樣品初始標(biāo)距和“w0”是樣品初始寬度。所獲得的單位是磅-力/每英寸(lbf/in)。
根據(jù)用于評價(jià)復(fù)合材料的面內(nèi)剪切性能的ASTM D4255標(biāo)準(zhǔn)說明書來進(jìn)行面內(nèi)剪切模量(IPSM)測試。使用軌道剪切(方法A)。對于縫合的復(fù)合材料試樣，在室溫(～23℃)和55％相對濕度下，在0.2in/min的恒定十字頭速度下，在運(yùn)行Series IX軟件的Instron 4505試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。對于不同的簾布貼合角度樣品，在～23℃溫度和環(huán)境相對濕度下，在0.2in/min的恒定十字頭速度下，在Instron 8511試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。通過GPIB界面，在連接于Instron試驗(yàn)機(jī)的計(jì)算機(jī)上采集數(shù)據(jù)。用于計(jì)算IPSM的公式是IPSM＝(F/Δw)w0/2l0(6)其中“F/Δw”是剪切負(fù)荷-位移曲線的斜率，“w0”是樣品初始寬度和“l(fā)0”是樣品初始標(biāo)距。所獲得的單位是lbf/in。
應(yīng)該指出的是，拉伸模量和面內(nèi)剪切模量值都是以磅-力/每英寸報(bào)告。樣品厚度沒有包括在計(jì)算中，消除了因?yàn)閷捎玫南鹉z片的厚度的限制而可能有的數(shù)值的低估。在本研究中制備的復(fù)合材料比傳統(tǒng)壓延方法制得的那些更厚。而且，這一單位的使用與輪胎工業(yè)中常用的一致。
通過使用利用在簡單支持橫梁上的中心加載的三(3)點(diǎn)彎曲幾何模型，由動力學(xué)撓曲試驗(yàn)進(jìn)行面外彎曲模量(OPBM)測試。在放置在裝置中之后樣品最初位移了3mm和總的周期位移是超過初始位移距離的1.4mm。測試頻率是10赫茲。樣品具有大約1.6英寸的長度和大約0.4英寸的寬度。復(fù)合材料與復(fù)合材料在厚度上都有變化。使用下面公式計(jì)算OPBMOPBM＝(F/Δl)/w0(7)其中“F/Δl”是動態(tài)負(fù)荷-位移曲線的斜率和“w0”是樣品初始寬度。
對10英寸長和0.75英寸寬的矩形復(fù)合材料試樣進(jìn)行撓曲疲勞試驗(yàn)。在通常用于輪胎工業(yè)中評價(jià)增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的疲勞和簾線粘合強(qiáng)度的Scott壓縮疲勞試驗(yàn)儀上測試樣品的疲勞性能。將樣品環(huán)繞0.5英寸直徑芯軸并受70磅-力(lbf)總荷載。在大約266個(gè)周期/分鐘(～4.4赫茲)的速率下將樣品周期性彎曲(撓曲)，直至破壞為止。對于每一樣品都記錄一直到破壞為止的總周期數(shù)和對破壞機(jī)理的評價(jià)。
表中的數(shù)據(jù)和報(bào)道的值都是至少測試兩次樣品所獲得的平均值。
實(shí)施例對比簾子線A，B，C，D，E、F和G，和起始PEN簾子線1-6(本發(fā)明實(shí)施例)制備在聚合物組成和簾線結(jié)構(gòu)上不同的一系列簾子線。各個(gè)系列都是為了說明每一聚合物類型在捻度系數(shù)和簾子線性能之間的關(guān)系。對比簾子線A，B和C是從商購的芳族聚酰胺紗制造的。對比簾子線D，E和F是從商購的PET紗制造的。起始PEN簾子線1-6的PEN紗是通過使用Allied Signal的商購PENTEXTM紗制造的。對這些簾子線的每一種測量初始拉伸模量和初始壓縮模量。這些數(shù)據(jù)以及在1％應(yīng)變下的應(yīng)力列于表I中。
表I
1.簡寫“n.a.”是指“不可用”。由于不可比的簾子線處理?xiàng)l件或不合適的或不可比的樣品制備而使數(shù)據(jù)不可用。
由對比簾子線A，B和C所示，在低捻度值下芳族聚酰胺簾子線具有較高的初始拉伸模量值，然而，這些簾子線的壓縮模量是非常低的。由這些簾子線制造的輪胎帶束同時(shí)具有差的輪胎胎面磨損特性和差的轉(zhuǎn)彎力系數(shù)，這歸因于低的壓縮模量值。由對比簾子線D、E、F和G所示，從PET制得的簾子線具有良好的壓縮模量值但較低的初始拉伸模量值。起始PEN簾子線1-6同時(shí)具有高的初始拉伸模量和優(yōu)異的壓縮模量值。除非另有說明，否則，具有6000的標(biāo)稱旦尼爾、大約6500的實(shí)際旦尼爾和大約7的dpf的起始PEN簾子線5被隨后用于制造下面的本發(fā)明實(shí)施例和對比實(shí)施例A的所有橡膠和簾子線復(fù)合材料。
對比實(shí)施例A和本發(fā)明實(shí)施例1-6在對比實(shí)施例A和本發(fā)明實(shí)施例1-6中，基礎(chǔ)的橡膠-和-纖維復(fù)合材料片材是相同的，并通過涂有RFL(間苯二酚甲醛膠乳)的起始PEN簾子線5的21 EPI的單方向性預(yù)浸件與工業(yè)使用的輪胎用橡膠一起層壓來制造。為了揭開在簾布貼合角度和對于客車輪胎的帶束設(shè)計(jì)而言相當(dāng)關(guān)鍵的兩種帶束性能(面內(nèi)剪切模量和拉伸模量)之間的關(guān)系，構(gòu)造下列帶束。各帶束是兩層簾布的、與圖1中類似的切邊復(fù)合材料。每一未固化的層壓件在100psi壓力下，在150℃下固化30分鐘。簾布貼合角度是從0°到45°變化。該數(shù)據(jù)列于表II中，使用對比實(shí)施例B作為對比點(diǎn)。對比實(shí)施例B，表III中的數(shù)據(jù)，是在23°的簾布貼合角度下普通兩層簾布鋼絲增強(qiáng)帶束。表II數(shù)據(jù)也作為圖9中的曲線圖示出，其中圓點(diǎn)是相對面內(nèi)剪切模量數(shù)據(jù)，和空心方塊是相對拉伸模量數(shù)據(jù)。
表II
1.相對于具有23°的簾布貼合角度的普通鋼絲增強(qiáng)帶束的數(shù)據(jù)；大于1的值表示PEN-增強(qiáng)帶束超過了鋼絲增強(qiáng)帶束的值。
這些數(shù)據(jù)清楚表明了一般性趨勢隨著簾布貼合角度的增加，面內(nèi)剪切模量會增加而拉伸模量會降低。該數(shù)據(jù)還清楚地證明，帶束角度必須對PEN增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行優(yōu)化，為的是滿足鋼絲帶束的基本要求，并證明最佳的PEN帶束角度不同于鋼絲所使用的角度。
數(shù)據(jù)出乎意料地顯示，對于PEN增強(qiáng)復(fù)合材料，為同時(shí)優(yōu)化面內(nèi)剪切模量和拉伸模量所需要的最佳簾布斜裁貼合角度是比鋼絲帶束的典型23°更高的簾布貼合角度。例如，分別具有25°、26°、30°和35°的簾布貼合角度的本發(fā)明實(shí)施例2，3，4和5具有就面內(nèi)剪切模量和拉伸剪切模量而言的合理和所需要的結(jié)合。有理由相信，所有在25°和35°之間的角度將同樣地具有就面內(nèi)剪切模量和拉伸模量兩者而言的所需結(jié)合。該數(shù)據(jù)還證明，當(dāng)簾布貼合角度等于或大于30°時(shí)，PEN-增強(qiáng)復(fù)合材料的面內(nèi)剪切模量能夠超過相當(dāng)?shù)钠胀ㄤ摻z帶束。
對比實(shí)施例B對比實(shí)施例B是單方向性增強(qiáng)材料按±23°取向的一般商購帶束的代表性兩層鋼絲增強(qiáng)輪胎帶束。該鋼絲簾線是～14,000旦尼爾，在22 EPI/每層簾布。該層壓件在標(biāo)準(zhǔn)輪胎模塑條件下固化成最終的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明實(shí)施例7-11本發(fā)明實(shí)施例7也是與本發(fā)明實(shí)施例1-6有同樣構(gòu)造的兩層簾布帶束，與圖1類似，但在單方向性預(yù)浸片材中，在26 EPI下使用起始PEN簾子線2。簾布貼合角度是28°。
本發(fā)明實(shí)施例8和9都是與圖2中所說明的類似的用RFL涂層過的起始PEN簾子線5增強(qiáng)的四層簾布復(fù)合材料。在這兩個(gè)實(shí)施例中，外簾布層19和25呈現(xiàn)±23°角度和PEN簾子線是21 EPI/每層簾布。在兩種情況下，兩個(gè)被夾在中間的簾布層21和23呈現(xiàn)±45°角度。在本發(fā)明實(shí)施例8中，PEN增強(qiáng)材料是4 EPI/每層簾布，而在本發(fā)明實(shí)施例9中它是8 EPI。在本發(fā)明的這兩個(gè)實(shí)施例中，在構(gòu)造該層壓復(fù)合材料時(shí)簾布層的序列是-23°/-45°/+45°/+23°。
本發(fā)明的實(shí)施例10和11是三層簾布帶束，與圖3中所說明的類似。對于本發(fā)明的實(shí)施例10，兩外簾布層29和33的簾布貼合角度是±30°并且PEN簾線加強(qiáng)層是21 EPI/每層簾布。內(nèi)簾布層31相對于復(fù)合材料的圓周切向軸為大約0°，而PEN簾布加強(qiáng)層是4 EPI/每層簾布。類似地對于本發(fā)明的實(shí)施例11，兩外簾線層29和33的簾布貼合角度是±30°并且PEN簾線加強(qiáng)層是21 EPI/每層簾布。對于本發(fā)明實(shí)施例11的內(nèi)簾布層，PEN簾子線增強(qiáng)材料是1000/1/3，5.6×5.6，在16 EPI下。這一簾線結(jié)構(gòu)具有與起始PEN簾子線5大約相同的捻度系數(shù)并因此具有與該簾子線相同的初始拉伸和初始壓縮模量。所有這些本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)據(jù)示于表III中。
本發(fā)明實(shí)施例1測試的其它性能列在表III中。
表III
本發(fā)明的實(shí)施例1說明了在典型的帶束構(gòu)造中使用起始PEN簾子線5導(dǎo)致了與典型的兩層簾布鋼絲增強(qiáng)帶束(對比實(shí)施例B)相當(dāng)?shù)淖畲筘?fù)荷和OPBM的值，和超過普通鋼絲帶束的拉伸模量和疲勞壽命。然而，與普通鋼絲帶束相比，面內(nèi)剪切模量降低了。本發(fā)明實(shí)施例7說明了通過在簾布層中使用具有63的極低捻度系數(shù)(對于起始PEN簾子線2在以上表1中所報(bào)道的)的PEN簾子線，增加的EPI/每層簾布，和28°的簾布貼合角度，可以達(dá)到與普通鋼絲帶束相當(dāng)?shù)腎PSM。
從表III中對于本發(fā)明實(shí)施例8-11總結(jié)的結(jié)果可以看出，用附加的簾布層和用各種簾布貼合角度制得的帶束復(fù)合材料具有與鋼絲增強(qiáng)復(fù)合材料接近的IPSM值。本發(fā)明實(shí)施例8和9顯示，提高四層簾布復(fù)合材料中內(nèi)簾布的EPI將導(dǎo)致IPSM的提高。此外，在內(nèi)簾布層中EPI提高預(yù)計(jì)會進(jìn)一步提高IPSM，超過鋼絲增強(qiáng)帶束的IPSM值。實(shí)際的EPI提高程度僅僅受到帶束厚度和重量限制值和簾子線直徑的限制。
當(dāng)外簾布層具有30°的簾布貼合角度和內(nèi)簾布層具有0°時(shí)，本發(fā)明實(shí)施例10和11說明了與對比實(shí)施例B的普通鋼絲增強(qiáng)帶束對比的三層簾布復(fù)合材料能夠具有可比的或改進(jìn)的IPSM值，改進(jìn)的圓周切向拉伸模量和優(yōu)異的疲勞壽命。與本發(fā)明實(shí)施例10相比，本發(fā)明實(shí)施例11的內(nèi)簾布層提高的EPI值提高了最大負(fù)荷、圓周切向拉伸模量和IPSM。
本發(fā)明實(shí)施例12-15簡單地將第三維增強(qiáng)材料引入到本發(fā)明實(shí)施例1中的效果，是通過使用縫合來揭示的。通過使用與用于橡膠的增強(qiáng)材料相同的簾子線，起始PEN簾子線5，在復(fù)合材料的整個(gè)表面上進(jìn)行了縫合，如本發(fā)明實(shí)施例12-14。通過使用具有1000/2，7×7的簾線結(jié)構(gòu)和2400的實(shí)際旦尼爾的PEN簾子線來縫合本發(fā)明實(shí)施例15。所有四個(gè)本發(fā)明實(shí)施例是在3行/英寸下縫合的，并且縫合線跡角度相對于帶束的圓周切向軸為45°。本發(fā)明實(shí)施例12使用與圖4中類似的連續(xù)鏈?zhǔn)娇p合。本發(fā)明實(shí)施例13使用與圖6中類似的十字縫合。本發(fā)明實(shí)施例14和15使用與圖5中類似的Z形縫合?？p合的層壓件然后在100psi壓力下在150℃下固化30分鐘。對三種不同試樣的縫合進(jìn)行測試?？p合的復(fù)合材料試樣的數(shù)據(jù)列于表IV中。
對比實(shí)施例B和本發(fā)明實(shí)施例1的數(shù)據(jù)在表IV中重新列出，以方便對比。在表IV中，n.s.是指沒有縫合。
表IV
正如表IV中數(shù)據(jù)所說明的，與在橡膠片中僅使用PEN增強(qiáng)材料所制得的帶束相比，PEN-增強(qiáng)帶束復(fù)合材料的縫合顯著改進(jìn)了IPSM。例如，與未縫合的PEN-增強(qiáng)的本發(fā)明實(shí)施例1相比的16％的最小改進(jìn)可通過使用十字縫合圖案來實(shí)現(xiàn)。縫合圖案在一定程度上影響IPSS改進(jìn)的程度，這可通過本發(fā)明實(shí)施例12，13和14來說明。本發(fā)明實(shí)施例14和15的對比說明了縫合用纖維的旦尼爾的變化不會影響這一效果。還可以觀察到，縫合的帶束使得復(fù)合材料簾布層減少了層離，這是在普通設(shè)計(jì)的輪胎帶束中常見的與疲勞相關(guān)的問題。減少的層離是有益的，因?yàn)閷与x是輪胎帶束的常見破壞機(jī)理。
本發(fā)明實(shí)施例16-19通過在兩層簾布帶束(另外也等同于本發(fā)明實(shí)施例3和4)中引入折疊來避免增強(qiáng)簾子線的裁切，來測試作為第三維的增強(qiáng)措施在帶束層邊的折疊。所獲得的折疊的雙層簾布帶束是本發(fā)明實(shí)施例16和17。在本發(fā)明實(shí)施例18中還測試了四層簾布折疊帶束結(jié)構(gòu)。本發(fā)明實(shí)施例19是兩層簾布，其中折疊是通過編織來引入的。
在折疊的帶束中，在構(gòu)造帶束的方法中沒有裁切復(fù)合材料的增強(qiáng)簾子線。這些構(gòu)造可通過對單方向性的纖維增強(qiáng)橡膠片進(jìn)行獨(dú)特系列的折疊操作來實(shí)現(xiàn)。該折疊操作在圖7中進(jìn)行部分地說明。在編織帶束中，將兩個(gè)簾布層編織(交織)在一起形成了管形簾布筒。然后簾布筒被壓扁形成了與管形簾布筒的縱軸平行的兩個(gè)基本上二維的簾布層。
表V總結(jié)了帶束構(gòu)造，機(jī)械和疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)列在表VI中。在表VI中列出測試本發(fā)明實(shí)施例3和4的其它性能。對比實(shí)施例B也列在表V和VI中以便于比較。在表VI中，n.d.是指沒有測定。
表V
表VI
表VI中數(shù)據(jù)說明了連續(xù)邊緣帶束復(fù)合材料對機(jī)械和疲勞性能的影響。本發(fā)明實(shí)施例3和16在組成材料上相同但在結(jié)構(gòu)上不同本發(fā)明實(shí)施例3具有裁切邊緣和因此有裁切增強(qiáng)纖維，而本發(fā)明實(shí)施例16具有未切邊的和連續(xù)的增強(qiáng)纖維。如表VI中所示，相對于裁切邊緣的復(fù)合材料(本發(fā)明實(shí)施例3)，在未裁切邊緣的復(fù)合材料(本發(fā)明實(shí)施例16)中拉伸強(qiáng)度和拉伸模量顯著提高。本發(fā)明實(shí)施例16的疲勞壽命，在撓曲疲勞試驗(yàn)中沒有破壞，比本發(fā)明實(shí)施例3高得多。本發(fā)明實(shí)施例17和本發(fā)明實(shí)施例4在組成材料上是相同的但在結(jié)構(gòu)上不同。再一次，在對這兩個(gè)實(shí)施例的拉伸模量、拉伸強(qiáng)度和彎曲疲勞壽命的數(shù)值進(jìn)行對比時(shí)，未裁切邊緣和連續(xù)的纖維增強(qiáng)材料的有益效果是明顯的。對于由未裁切邊緣的復(fù)合材料顯示出改進(jìn)的拉伸強(qiáng)度和疲勞壽命性能的一個(gè)明顯原因是它們的破壞機(jī)理是纖維斷裂而不是剪切引起的破壞本發(fā)明的未裁切邊緣的復(fù)合材料因?yàn)樵鰪?qiáng)材料斷裂而破壞，但相應(yīng)的裁切邊緣的復(fù)合材料是在沒有增強(qiáng)簾子線斷裂的情況下因?yàn)榛募羟卸茐牡摹?br> 在本發(fā)明實(shí)施例18中，一片14EPI單方向性纖維增強(qiáng)的橡膠直接鋪在第二片同樣的單方向性纖維增強(qiáng)的橡膠上，然后將其作為一個(gè)單元在如圖7中所示的折疊操作中通過使用30°的簾布貼合角度來處理。最后結(jié)果是在每一簾布貼合角度方向(+或-)上的28EPI，與本發(fā)明實(shí)施例16和17的每一簾布貼合角度方向上的21EPI形成對比。本發(fā)明實(shí)施例18提高了IPSM、拉伸模量、拉伸強(qiáng)度和撓曲模量，這是與在每一簾布貼合角度方向上具有僅僅21EPI和具有30°的簾布貼合角度的本發(fā)明實(shí)施例17相比而言的。
本發(fā)明實(shí)施例19是編織的結(jié)構(gòu)，該實(shí)施例與本發(fā)明實(shí)施例17類似，因?yàn)槎际蔷哂?1 EPI/每層的起始PEN簾子線5的簾布和具有30°的簾布貼合角度的兩層簾布復(fù)合材料。它與本發(fā)明實(shí)施例17和鋼絲增強(qiáng)的對比實(shí)施例B相比在拉伸模量和最大負(fù)荷上都得到改進(jìn)，它與對比實(shí)施例B相比具有改進(jìn)的疲勞壽命。然而，本發(fā)明實(shí)施例19的IPSM卻沒有與本發(fā)明實(shí)施例17一樣得到改進(jìn)。
拉伸和剪切性能隨增強(qiáng)簾子線簾布貼合角度而變化。對于兩層簾布復(fù)合材料，這顯示在例如表II和圖9中。通常，隨著該簾布貼合角度在0°和45°之間增加，拉伸模量降低而面內(nèi)剪切模量提高。結(jié)果，在普通的裁切邊緣的鋼絲帶束中該簾布貼合角度具有23°的典型值，為的是平衡這些相反的變化。在26°的簾布貼合角度下，本發(fā)明實(shí)施例3，用非金屬復(fù)絲纖維增強(qiáng)的裁切邊緣的帶束十分接近地滿足鋼絲帶束的拉伸模量和平面內(nèi)模量。在本發(fā)明實(shí)施例4中將該簾布貼合角度增大到約30°將會提高面內(nèi)剪切模量，然而也導(dǎo)致拉伸模量降低到較低水平。通過使用與本發(fā)明實(shí)施例16和17中同樣的未裁切邊緣的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，該斜交簾布角度能夠增加到30°以改進(jìn)面內(nèi)剪切模量和同時(shí)超過對比實(shí)施例B的鋼絲帶束拉伸模量。所以，通過使用由折疊單方向性的合成有機(jī)纖維增強(qiáng)的橡膠片所形成的未裁切邊緣的連續(xù)纖維復(fù)合材料，能夠制備具有高的斜交簾布角度的帶束復(fù)合材料，以同時(shí)獲得相當(dāng)高的面內(nèi)剪切模量和足夠的拉伸性能。與普通的鋼絲增強(qiáng)帶束設(shè)計(jì)(對比實(shí)施例B)相比，這些本發(fā)明實(shí)施例還獲得了非凡的耐曲撓疲勞性。
本發(fā)明的實(shí)施減少了輪胎帶束的重量，與普通的鋼絲增強(qiáng)帶束相比，在體現(xiàn)各種優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)還為減少輪胎總重量提供了機(jī)會。在表VII中給出了這類重量減輕的代表性數(shù)據(jù)。
表VII
權(quán)利要求
1.由至少兩層簾布層組成的纖維增強(qiáng)制品，其中這些簾布層中的每一層包括(a)橡膠和(b)從可熔融紡絲的、非金屬的復(fù)絲纖維制得的簾子線，該簾子線具有小于或等于大約375的捻度系數(shù)，在1％應(yīng)變下大于或等于約1.7克/旦尼爾的應(yīng)力，和大于或等于約7克/旦尼爾的初始壓縮模量，和所述至少兩層簾布層具有大于或等于約23°的纖維取向角度。
2.權(quán)利要求1的制品，其中捻度系數(shù)小于或等于約310。
3.權(quán)利要求1的制品，其中初始壓縮模量大于或等于約9克/旦尼爾。
4.權(quán)利要求1的制品，其中所述至少兩層簾布層的纖維取向角度大于或等于約26°。
5.權(quán)利要求1的制品，它包括三層簾布層，其中兩層簾布層具有大約30°的纖維取向角度和第三層簾布層具有大約0°的纖維取向角度。
6.權(quán)利要求5的制品，其中所述第三層簾布層具有4-20個(gè)末端/英寸的簾子線。
7.權(quán)利要求1的制品，它包括四層簾布層，其中兩層簾布層具有大約23°的纖維取向角度和另外兩層簾布層具有大約45°的纖維取向角度。
8.權(quán)利要求7的制品，其中所述兩層內(nèi)簾布層具有4-20個(gè)末端/英寸的簾子線。
9.權(quán)利要求1的制品，其中所述簾子線是由聚萘二甲酸乙二醇酯制備的。
10.權(quán)利要求1的制品，它具有在第三維中的纖維增強(qiáng)。
11.權(quán)利要求10的制品，其中第三維的增強(qiáng)包括縫合或折疊。
12.權(quán)利要求11的制品，其中所述縫合包括連續(xù)鏈?zhǔn)?、Z形或十字形縫合。
13.權(quán)利要求11的制品，其中所述折疊形成了復(fù)合材料的縱向的邊緣。
14.權(quán)利要求11的制品，其中所述第三維是由編織形成的。
15.權(quán)利要求1的制品，其中所述制品沿其縱向邊緣基本上無裁切的簾子線末端。
16.權(quán)利要求1的制品，其中所述簾子線進(jìn)一步包括具有大于或等于約2的單絲旦數(shù)的簾子線。
17.權(quán)利要求1的制品，其中所述簾子線進(jìn)一步包括具有至少約165克/旦尼爾的初始拉伸模量的簾子線。
18.權(quán)利要求1的制品，其中所述制品具有至少大約730磅-力/英寸的面內(nèi)剪切模量。
19.權(quán)利要求1的制品，其中所述制品具有至少大約830磅-力/英寸的面內(nèi)剪切模量。
20.權(quán)利要求1的制品，其中所述制品具有至少約2700個(gè)疲勞損壞周期的耐疲勞性能。
21.權(quán)利要求1的制品，其中所述制品具有至少約5500個(gè)疲勞損壞周期的耐疲勞性能。
22.權(quán)利要求1的制品，其中所述制品是輪胎帶束。
23.包括根據(jù)權(quán)利要求1的帶束的輪胎。
24.包括根據(jù)權(quán)利要求9的帶束的輪胎。
25.制造輪胎的方法，其包括以下步驟將權(quán)利要求1的纖維增強(qiáng)制品引入其中。
26.制造權(quán)利要求13的制品的方法，其包括以下步驟以螺旋方式折疊單方向性的復(fù)合材料片材(79)以形成具有連續(xù)纖維增強(qiáng)材料和未裁切的、折疊邊緣的復(fù)合材料。
27.形成環(huán)形制品的方法，它包括以下步驟將權(quán)利要求13的制品折疊成環(huán)形，重疊該制品的末端(107和109)，使至少一個(gè)末端具有缺口(111)和第二個(gè)末端具有與其在形狀上互補(bǔ)的副翼片(113)，和將副翼片折疊到缺口中，其中該環(huán)形物體在沿其圓周邊緣方向上沒有被裁切的簾子線末端。
28.制造權(quán)利要求12的制品的方法，其包括以下步驟將兩層或多層簾布層縫合在一起。
全文摘要
本發(fā)明提供由至少兩層簾布層組成的改進(jìn)的纖維增強(qiáng)制品。每一層簾布層包括(a)橡膠和(b)從可熔融紡絲的非金屬的復(fù)絲纖維制得的簾子線,該簾子線具有低于或等于約375的捻度系數(shù),在1%應(yīng)變下大于或等于約1.7克/旦尼爾的應(yīng)力,和大于或等于大約7克/旦尼爾的初始壓縮模量,并且所述至少兩層簾布具有大于或等于約23°的纖維取向角度。該復(fù)合材料適合用作客車輪胎中的輪胎帶束。
文檔編號B29D30/70GK1354717SQ00808578
公開日2002年6月19日 申請日期2000年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月11日
發(fā)明者E·P·索茨, U·B·賈維里, T·H·戈?duì)柕? J·D·普拉特, C·J·納爾遜, Y·D·江 申請人:聯(lián)合訊號公司