王 亮 陳南梁 汪澤幸 蘭 竹 (1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620;2.產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海，200051; .上海永利帶業(yè)股份有限公司，上海，201702)

芳綸機(jī)織骨架材料增強(qiáng)輕型輸送帶的拉伸性能研究

王 亮1，2陳南梁1，2汪澤幸1，2蘭 竹3(1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620;2.產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海，200051; 3.上海永利帶業(yè)股份有限公司，上海，201702)

輕型輸送帶的拉伸性能是其產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)，作為染整印花工作平臺(tái)的輕型輸送帶對(duì)拉伸性能提出了更高的要求。為提高芳綸機(jī)織增強(qiáng)輕型輸送帶的拉伸性能，分別針對(duì)芳綸骨架材料定型處理的工藝和成品測(cè)試試樣的規(guī)格對(duì)芳綸織物增強(qiáng)輕型輸送帶拉伸性能的影響進(jìn)行觀察與分析。結(jié)果表明:涂膠預(yù)定型處理能有效提高芳綸骨架材料增強(qiáng)輸送帶的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、拉伸斷裂同時(shí)性;測(cè)試試樣規(guī)格對(duì)拉伸強(qiáng)度影響較小，而對(duì)拉伸強(qiáng)力下的伸長(zhǎng)影響較大。

芳綸，骨架材料，機(jī)織物，輕型輸送帶，拉伸性能

輸送帶作為一種起承載和運(yùn)送物料的纖維、金屬或織物和橡膠或塑料的復(fù)合制品，其帶芯骨架的材料和結(jié)構(gòu)直接影響了輸送帶的性能，如承載能力、強(qiáng)力、伸長(zhǎng)等［1]。隨著輸送物料的增加，對(duì)輸送帶特別是高強(qiáng)輸送帶的需求越來(lái)越大，質(zhì)量要求也越來(lái)越高［2]。輸送帶的強(qiáng)度是輸送帶賴(lài)以傳遞動(dòng)力、承載物料的最重要特性，因此作為高強(qiáng)力纖維之一的芳綸在高性能輸送帶中的應(yīng)用逐漸顯露出來(lái)［3]。聚氨酯(polyurethane)輕型輸送帶廣泛應(yīng)用在染整工業(yè)領(lǐng)域，作為染整印花的工作平臺(tái)，其延伸性和穩(wěn)定性決定了印花產(chǎn)品的質(zhì)量，因此對(duì)芳綸(kevrlar)織物芯增強(qiáng)輸送帶的制備與性能研究顯得日益重要和緊迫。

常用的柔性復(fù)合材料的骨架材料大部分是機(jī)織物，這類(lèi)柔性復(fù)合材料的力學(xué)性能已有很多人進(jìn)行了研究［4]。本文同樣采用機(jī)織物作為骨架增強(qiáng)材料，主要針對(duì)定型和未定型整理對(duì)輸送帶的經(jīng)向拉伸性能進(jìn)行了測(cè)試與分析，研究了kevlar29長(zhǎng)絲作為經(jīng)向材料在輕型輸送帶中的應(yīng)用性。

1 芳綸增強(qiáng)輕型輸送帶的制備

1.1 骨架材料及輸送帶結(jié)構(gòu)的選用

采用機(jī)織平紋結(jié)構(gòu)織物作為主要骨架材料，經(jīng)紗為杜邦公司1 000 D kevlar 29低捻長(zhǎng)絲，捻度為110捻/m，緯紗為1 000 D普通滌綸長(zhǎng)絲。由于芳綸機(jī)織平紋織物面內(nèi)尺寸穩(wěn)定性差，在剪切外力作用下，織物易變形，織物面內(nèi)紗線分布均勻度較差，故通常在制備輸送帶前，需要對(duì)芳綸織物進(jìn)行預(yù)定型處理。定型前，芳綸機(jī)織平紋織物的經(jīng)緯向密度為 25根/英寸 ×15根/英寸，織物面密度為180 g/m2;定型后芳綸機(jī)織平紋織物經(jīng)緯向密度為 37根/英寸 ×15根/英寸，織物面密度為280 g/m2。

因芳綸具有高模量、在外加負(fù)荷下不易伸長(zhǎng)、制品剛性較好的特點(diǎn)，使得外層織物在變形時(shí)不適應(yīng)彎曲，故芳綸織物輸送帶不適合采用多層結(jié)構(gòu)。同時(shí)，芳綸纖維對(duì)表面損傷敏感，故在制備芳綸織物輸送帶時(shí)，需要考慮采用底部涂膠或另加對(duì)表面損傷敏感較小的骨架層，以減少外部環(huán)境對(duì)芳綸骨架層的損傷，達(dá)到提高芳綸輸送帶使用壽命的目的。本文選用滌綸織物骨架材料作為芳綸織物底部保護(hù)層;同時(shí)為減小芳綸骨架材料在彎曲時(shí)上下表面變形的差異程度，故在芳綸骨架層與上表面層之間增加滌綸骨架層，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 輸送帶結(jié)構(gòu)示意圖

滌綸織物骨架材料的經(jīng)紗為1 000 D超低收縮滌綸復(fù)絲，緯紗為0.3 mm滌綸單絲，經(jīng)緯向織物密度為56根/英寸×26根/英寸，織物面密度為360 g/m2。

1.2 芳綸織物增強(qiáng)輸送帶的制備

芳綸增強(qiáng)輕型輸送帶的制備厚度要求為:總厚度2.6 mm，其中三布二膠厚2.2 mm，面層厚0.4 mm。

底涂配方為PU底涂膠水(VP的添加量為6%，PU膠水的添加量為92%，L75的添加量為2%);面層涂料為127KB導(dǎo)電PU，貼合層涂料為126KB導(dǎo)電PU。

制備工藝流程如下:上層滌綸骨架層工藝為定型2遍→底涂→上127KB導(dǎo)電PU到0.9 mm→壓亞光→反面PU底涂;中層芳綸骨架層工藝為定型→底涂，不需要預(yù)定型的織物直接進(jìn)行底涂;底層滌綸骨架層工藝為定型2遍→底涂→上126KB導(dǎo)電PU到0.9 mm→反面底涂2遍;然后將處理好的中層芳綸和底層滌綸進(jìn)行貼合→修壓1遍→底涂→上126KB導(dǎo)電PU到1.7 mm;最后與處理好的上層滌綸貼合到2.6 mm。

2 芳綸增強(qiáng)輸送帶的拉伸性能試驗(yàn)

單向拉伸性能主要測(cè)試材料在外加載荷下的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系以及材料的最大拉伸強(qiáng)力。芳綸骨架材料增強(qiáng)輸送帶的拉伸性能測(cè)試在WDW-20型萬(wàn)能強(qiáng)力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)參考GB/T 3690—1994。制樣規(guī)格如圖2所示，A型試樣采用250 mm的夾持器間距，夾持器外緣位于試樣末端10 mm;B型試樣采用200 mm的夾持器間距。拉伸速度均為100 mm/min，測(cè)試環(huán)境溫度為25℃，相對(duì)濕度為65%。

采用名義應(yīng)力(Smon)和名義應(yīng)變(emon)表征材料拉伸過(guò)程中應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，其計(jì)算公式為:

式中:F——拉伸載荷;

S——最窄部分面積;

W——試樣寬度(試樣最窄部分的尺寸);

h——試樣厚度;

l——拉伸載荷下試樣伸長(zhǎng);

l0——夾持隔距。

圖2 芳綸增強(qiáng)輕型輸送帶拉伸試樣規(guī)格

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 拉伸曲線分析

圖3為芳綸增強(qiáng)輕型輸送帶縱向試樣典型拉伸曲線，從圖中可以看出，芳綸增強(qiáng)輸送帶的拉伸斷裂過(guò)程可以分為兩個(gè)階段:第一階段為拉伸伸長(zhǎng)階段，該階段的應(yīng)力—應(yīng)變呈現(xiàn)近似直線關(guān)系;第二階段為材料斷裂過(guò)程，由于增強(qiáng)骨架中的紗線在拉伸斷裂過(guò)程中呈現(xiàn)斷裂不同時(shí)性，故成品輸送帶的拉伸斷裂破壞過(guò)程的曲線呈現(xiàn)波動(dòng)變化趨勢(shì)。

圖3 典型芳綸增強(qiáng)輸送帶拉伸曲線

從圖3中還可以看出，芳綸骨架材料增強(qiáng)輸送帶的最大拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)在拉伸破壞階段，即第二階段。在實(shí)際使用時(shí)，通常關(guān)注材料在拉伸伸長(zhǎng)階段的最大拉伸強(qiáng)度，故本文采用材料拉伸伸長(zhǎng)階段的最大拉伸強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)材料所能承受的最大加載載荷。

3.2 試樣規(guī)格

圖4為不同規(guī)格試樣芳綸骨架材料增強(qiáng)輸送帶的拉伸曲線，可以看出，采用A、B型試樣測(cè)試得到的拉伸曲線具有相似的變化趨勢(shì)。采用A型試樣測(cè)得的初始拉伸模量高于B型試樣，同時(shí)對(duì)拉伸強(qiáng)度影響較小;B型試樣測(cè)得的最大拉伸強(qiáng)力伸長(zhǎng)高于A型試樣。

圖4 A、B型試樣的典型拉伸曲線

對(duì)兩種試樣測(cè)試而得到的拉伸曲線進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，拉伸曲線的第一階段呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系(如圖3所示)，其線性關(guān)系可用式(3)表示:

采用最小二乘法得到的線性擬合方程為:

A 型試樣:σ =26.957 4 × ε，R2=0.992 26

B 型試樣:σ =23.263 0 × ε，R2=0.998 33

對(duì)于拉伸曲線的第一階段而言，與B型試樣相比，A型試樣得到的線性擬合方程具有較大的斜率，表明在拉伸過(guò)程的第一階段，A型試樣的拉伸模量較B型試樣高。

3.3 涂膠預(yù)定型整理

芳綸骨架材料經(jīng)過(guò)涂膠預(yù)定型及未定型處理制備而成輸送帶的拉伸曲線如圖5所示。

圖5 骨架預(yù)定型處理對(duì)輸送帶拉伸性能的影響(A型試樣)

芳綸骨架材料經(jīng)預(yù)定型及未定型制備的輸送帶的拉伸過(guò)程仍可以分為兩個(gè)階段，即拉伸伸長(zhǎng)階段及斷裂破壞階段。從圖5可以看出，預(yù)定型處理能有效提高骨架材料的拉伸模量及拉伸強(qiáng)度，芳綸骨架材料經(jīng)預(yù)定型工藝后制備的輸送帶，其拉伸強(qiáng)度達(dá)到67.49 N/mm2，較未定型處理制備的輸送帶的拉伸強(qiáng)度提高了21.98%。對(duì)兩種工藝制備的輸送帶的拉伸曲線進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，骨架材料預(yù)定型處理不僅能提高輸送帶的拉伸模量，而且還能改善拉伸過(guò)程中第一階段中模量的線性度。

3.4 拉伸破壞形式

對(duì)試樣破壞以后的斷裂部位進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，A、B型試樣的斷裂均發(fā)生在試樣中部最窄處，徑向試樣拉伸破壞主要是芳綸紗線的斷裂，如圖6所示。芳綸骨架材料經(jīng)涂膠預(yù)定型后，由其制備的輸送帶的拉伸破壞斷口較為整齊，具有較好的拉伸斷裂同時(shí)性;由未經(jīng)涂膠預(yù)定型處理的芳綸骨架材料制備的輸送帶的拉伸破壞斷口由大量芳綸紗線連接，破壞形式主要由芳綸紗線斷裂及紗線滑移構(gòu)成，拉伸斷裂同時(shí)性較差。這主要?dú)w功于涂膠預(yù)定型處理過(guò)程有效增大了芳綸紗線在經(jīng)紗方向的取向度，所涂覆的打底用PU膠水能有效減小芳綸織物面內(nèi)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而達(dá)到提高成品輸送帶的拉伸斷裂同時(shí)性。

圖6 試樣拉伸斷裂破壞示意圖

4 結(jié)論

本文研究了骨架材料經(jīng)過(guò)涂膠預(yù)定型處理前后制備的輸送帶的拉伸性能，對(duì)不同規(guī)格試樣的拉伸性能進(jìn)行測(cè)試及分析，并對(duì)拉伸斷裂斷口進(jìn)行了分析研究。試驗(yàn)結(jié)果表明:預(yù)定型處理能有效提高芳綸骨架材料增強(qiáng)輸送帶的拉伸強(qiáng)度，并能有效提高材料的拉伸模量及拉伸斷裂同時(shí)性;測(cè)試試樣規(guī)格對(duì)拉伸強(qiáng)度影響較小，而對(duì)拉伸強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)影響較大。

本文僅研究了試樣規(guī)格、預(yù)定型工藝對(duì)輸送帶拉伸性能的影響，為進(jìn)一步提高芳綸骨架材料增強(qiáng)輸送帶的質(zhì)量，有必要對(duì)骨架材料組織結(jié)構(gòu)、織造參數(shù)、經(jīng)緯向紗線、輸送帶加工工藝等因素進(jìn)一步試驗(yàn)研究。如經(jīng)紗可選用kevlar 49長(zhǎng)絲，緯紗可選用超低收縮滌綸單絲或復(fù)絲;芳綸骨架材料可以采用預(yù)伸長(zhǎng)裝置，使其中的經(jīng)向紗線伸直而減小緯紗的傾斜等。

［1]韓瀟，周羅慶.織物輸送帶芯的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)［J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2006(12):1-4.

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Investigation on tensile performance of kevlar woven fabric carcass for reinforced light-weight conveyor belt

Wang Liang1，2，Chen Nanliang1，2，Wang Zexing1，2，Lan Zhu3

(1.College of Textiles，Donghua University; 2.Engineering Research Center of Technical Textiles，Ministry of Education;3.Shanghai Yongli Belting Co.，Ltd.)

Tensile performance is a key property for light-weight conveyor belt，working platform for printing and finishing process，and higher tensile performance is required.In order to improve the tensile performance of the light-weight conveyor belt with kevlar woven fabric carcass，the effects of pre-setting processing of kevlar carcass and test specimen specification on the tensile performance of light conveyor belt with kevlar woven fabric were investigated in this paper.The experimental results showed that presetting treatment can improve the tensile strength，tensile modulus for light-weight conveyor belt with kevlar woven fabric carcass.The effect of test specimen specification on the tensile strength was not obvious，but quite obvious on the tensile elongation.

kevlar，carcass，woven fabric，light-weight conveyor belt，tensile performance

TS101.923

A

1004－7093(2011)04－0013－04

2010－07－14

王亮，男，1985年生，在讀碩士研究生。主要研究方向?yàn)楫a(chǎn)業(yè)用紡織品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能。

陳南梁，E-mail:nlch@dhu.edu.cn