專利名稱：復合繩及相關增強制品的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及復合繩，特別是具有高斷裂強力和高斷裂伸長率的復合繩，以及包含所述復合繩的橡膠制品和其他可膨脹彈性制品。
背景技術：
目前纖維增強的橡膠制品已經得到廣泛的應用，例如應用在充氣橡膠輪胎、軟管、 膠帶(belts)和膠囊(bellows)中。嵌入橡膠基質中的纖維是作為增強元件來支持橡膠制品的結構。很多橡膠制品都有高強度、高壓力要求，同時要求具有足夠大的變形或膨脹以抵消應力。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度及可伸長的保護層 (緩沖層)，當輪胎處于在壓力和載荷下的膨脹初始階段時，胎體和帶束層會膨脹以承接應力，保護層也伸長但不分擔很多載荷。當膨脹至足夠大時，保護層開始分擔大量的載荷使得整個輪胎在高應力下得到保護。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別，能在爆破前同時有適當的膨脹。鋼絲和對位芳族聚酰胺纖維具有高強度，但是其斷裂伸長率卻低。鋼絲的斷裂伸長率通常是2 % -6 %，對位芳族聚酰胺的斷裂伸長率通常是2 % -5 %，它們均適合用于需要高強度和低斷裂伸長率的應用中，但不適于前述要求高斷裂伸長率之類的應用。尼龍和聚酯纖維具有非常高的斷裂伸長率，它們的斷裂伸長率都可以達到15% _25%，但是在一些需要承受高爆破壓力或高載荷的應用中，它們都缺乏足夠的強度。為了解決上述問題而滿足工業需要，人們已經開發了各種技術。美國專利 5，271，445公開了一種波浪形或鋸齒形繩技術。在載荷的初始階段，波浪形繩通過拉直所述波浪形而伸長，然后在載荷的后期階段通過已拉直的繩來承接載荷。所述繩材料的一個實例是芳族聚酰胺。歐洲專利0567334B1公開了使用鋼絲繩的類似技術。將高斷裂強力的纖維加捻至高捻度可以增加纖維的斷裂伸長率，并改進纖維的耐疲勞強度。但是提高捻度也降低了該纖維的強度。例如，1500旦的Kevlar ^型纖維通常具有23克力/旦的斷裂強力和3.6%的斷裂伸長率；當被加捻至480丨 111(丨#計per meter 每米的捻數)時，其斷裂伸長率僅增加至5. 2%，但是斷裂強力降低到10克力/旦；當被加捻至更高的捻度610tpm時，其斷裂伸長率增加至約8.5%，但是其斷裂強力進一步降低到約8克力/旦。將高斷裂強力纖維與具有高疲勞強度高斷裂伸長率纖維一起復合加捻也是一種可能的解決方案。復合繩已經用于充氣輪胎作為增強材料以改進耐疲勞強度或其它性能。 美國專利申請說明書2009/0090447A1公開了一種芳族聚酰胺/尼龍復合結構的繩(1股 1500旦的芳族聚酰胺和1股1260旦的尼龍共捻)。該復合繩具有332N的斷裂載荷，相當于12. 3克力/旦的斷裂強力，和16. 4%的斷裂伸長率。這種復合繩適用于飛行器輪胎中。 美國專利6，799，618B2公開了一些芳族聚酰胺/尼龍復合繩結構，其最高的斷裂強力可達 13. 3克力/旦，而最高的斷裂伸長率可達17%。上述兩篇文獻沒有公開具有更高斷裂伸長率的復合繩。[0007]美國專利4，333，507公開了一種用于增強輪胎的復合繩。該復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。當這種復合繩嵌入橡膠基質中，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率，但其斷裂強力仍然不足。此外，用聚酰胺、聚酯和/或芳族聚酰胺等高熔點纖維所制成的復合繩，并無法在橡膠的硫化溫度熔融或降解，從而獲得提高斷裂伸長率的效果。因此，人們仍然需要具有高斷裂強力和高斷裂伸長率的復合繩，以應用在橡膠制品和其他可膨脹彈性制品中。
實用新型內容本實用新型的目的是解決現有技術中存在的復合繩的斷裂強力和斷裂伸長率相互制約而不能同時達到理想水平的問題。本實用新型提供了既具有大于等于9克力/旦的斷裂強力又具有大于等于20%的斷裂伸長率的復合繩。所述復合繩能夠理想地應用于增強橡膠和其他彈性制品的領域。本實用新型的一個方面提供一種復合繩，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。本實用新型的另一個方面涉及包含本實用新型的復合繩的制品。
圖1是本實用新型的一個實施方式中復合繩的結構示意圖；圖2是本實用新型的另一個實施方式中復合繩的結構示意圖；圖3是本實用新型的又一個實施方式中復合繩的結構示意圖；圖4是本實用新型的一個對比例中復合繩的結構示意圖；圖5是本實用新型的再一個實施方式中復合繩的結構示意圖；圖6是本實用新型的進一步的一個實施方式中復合繩的結構示意圖；圖7是圖5的復合繩的橫截面圖。
具體實施方式
除非另外說明，本文中提到的所有的出版物、專利申請、專利和其它參考文獻都以引用的方式全文結合入本文中，相當于全文呈現于本文。除非另外定義，本文中使用的所有技術和科學術語具有本實用新型所屬領域普通技術人員通常所理解的同樣含義。在抵觸的情況下，以本說明書包括定義為準。除非另外說明，所有的百分數、份數、比例等都以重量計。當以范圍、優選范圍、或者優選的數值上限以及優選的數值下限的形式表述某個量、濃度或其它值或參數的時候，應當理解相當于具體揭示了通過將任意一對范圍上限或優選數值與任意范圍下限或優選數值結合起來的任何范圍，而不考慮該范圍是否具體揭示。除非另外指出，本文所列出的數值范圍旨在包括范圍的端點，和該范圍之內的所有整數和分數。在本文中，術語“由……形成”或“由……構成”等同于“包含/包括”。本文中所用的術語“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、過程、方法、制件或設備并不一定只限于那些要素， 而是還可以包括沒有明確列出的或者這些組合物、過程、方法、制件或設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，用于本實用新型某種要素或組分之前的詞語“一根”和“一種”對該要素或組分的數量沒有限制性。因此“一根”或“一種”應理解為包括一根/ 一種或至少一根/ 一種，除非明確數量為單數，否則單數形式的所述要素或組分也包括復數的情況。除非有另外的說明，本實用新型的材料、方法和實施例僅僅是示例性的，而非限制性的。雖然在本實用新型的實施或測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，但本說明書下文已描述了合適的方法和材料。在本申請中，術語“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所構成的線型高分子經紡絲制得的纖維，其中至少85%的酰胺鍵或酰亞胺鍵直接與兩個芳環相連接，且當存在酰亞胺鍵時，其數目不超過酰胺鍵。典型的芳族聚酰胺纖維例如但不限于由杜邦公司生產的Kevlar 系列纖維和 Nomex 系列纖維。術語“紗線”是指由一股或多股纖維構成的紗線，當由多股纖維構成時，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自加捻，然后將已加捻的各股纖維合并在一起而形成。術語“中心紗線”是指位于復合繩中心的一根紗線。術語“纏繞紗線”是指圍繞中心紗線纏繞的一根或多根紗線。術語“螺旋角，，是指纏繞紗線所纏繞方向的切線方向與復合繩的長度方向之間的夾角。術語“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。通常旦數越大，其紗線或纖維越粗。由多股纖維組成的紗線，其旦數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，實際上通過加捻，該紗線的單位長度內的重量會比4500旦略高。本實用新型的復合繩中，中心紗線由至少一股間位芳族聚酰胺纖維形成，對所述間位芳族聚酰胺纖維的性能沒有特別的限制。所述一股間位芳族聚酰胺纖維的線密度范圍優選為200-3500旦，更優選為1000-2000旦，斷裂強力范圍優選為3_7克力/旦，斷裂伸長率范圍優選為20-40%。在本實用新型的復合繩中，每根纏繞紗線由至少一股對位芳族聚酰胺纖維形成， 對所述對位芳族聚酰胺纖維的性能沒有特別的限制。所述一股對位芳族聚酰胺纖維的線密度范圍優選為200-3500旦，更優選為600-2000旦，斷裂強力范圍優選為18-28克力/旦， 斷裂伸長率范圍優選為1.5-5.0%。一些可影響本實用新型復合繩性能的因素包括，但不限于，對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，和之后的復捻捻度；以及加捻方向與方式。復合繩中，中心紗線和纏繞紗線的重量比例可以根據復合繩的用途來適宜選擇， 以使復合繩的斷裂強力和/或斷裂伸長率滿足應用要求。優選的是，在本實用新型的復合繩中，以復合繩的總重量計，中心紗線占20-60重量％，纏繞紗線占40-80重量％。本實用新型的復合繩由經初捻或未經初捻的中心紗線與經初捻的纏繞紗線復捻在一起形成，結構例如如圖1-3和圖5-7所示。在圖1-圖7中，標號10、20和30表示的是纏繞紗線，標號100表示的是中心紗線。角a代表纏繞紗線的螺旋角。術語“初捻”是指構成中心紗線或纏繞紗線的至少一股纖維本身的加捻過程；術語 “復捻”是指中心紗線與纏繞紗線合并在一起之后形成復合繩的加捻過程。中心紗線由至少一股間位芳族聚酰胺纖維構成，所述的至少一股間位芳族聚酰胺纖維可以是未加捻的(即無捻的)，也可以是輕度加捻的，其初捻捻度范圍優選為0-20捻/ 米；更優選為0-10捻/米。當中心紗線由兩股以上間位芳族聚酰胺纖維構成時，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位芳族聚酰胺纖維構成。當一根纏繞紗線由兩股以上對位芳族聚酰胺纖維構成時，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選為100-1000捻/米，更優選為100-500捻/米；纏繞紗線的初捻捻度與復合繩的復捻捻度的比值范圍優選為0. 8-1. 2。本實用新型的復合繩可將經初捻或未經初捻的中心紗線以一定的捻度與一根以上經初捻的纏繞紗線一起捻繞(復捻)形成結構例如如圖1-圖3所示的復合繩。此外，本實用新型的復合繩亦可僅用一根以上經初捻的纏繞紗線圍繞著經初捻或未經初捻的中心紗線螺旋環繞(復捻)形成結構例如如圖5-7所示的復合繩，其中中心紗線不與纏繞紗線一起捻繞，當存在兩根以上纏繞紗線時，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繞。紗線的加捻方向可以是順時針或逆時針方向。通常，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合繩的復捻的加捻方向則相反。本實用新型的復合繩中，纏繞紗線的螺旋角的范圍為10-60度，優選25-50度。螺旋角可用顯微鏡觀察測量而獲得其值。當以加捻系數(twist multiplier, TM)表示時，本實用新型的復合繩中中心紗線的加捻系數為0-0. 5，復合繩的復捻的加捻系數為4. 5-12，優選5-8. 5，此處加捻系數的計算方式如下對于由比重相同的纖維組成的紗線，例如本實用新型的復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(無單位)
6[0054]TPM 捻度(捻 / 米)D 紗線線密度(旦)P 紗線的比重(g/cm3)。對于由比重不同的兩股以上纖維組成的紗線或繩，例如本實用新型的由間位芳族聚酰胺中心紗線和對位芳族聚酰胺纏繞紗線組成的復合繩而言，加捻系數的計算式如下
權利要求1.一種復合繩，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.如權利要求1所述的復合繩，其特征在于，具有9克力/旦或更大的斷裂強力和20% 或更大的斷裂伸長率。
3.如權利要求1或2所述的復合繩，其特征在于，以復合繩的總重量計，中心紗線占 20-60重量％，纏繞紗線占40-80重量％。
4.如權利要求1或2所述的復合繩，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、斷裂強力為3-7克力/旦，和斷裂伸長率為20-40%。
5.如權利要求1或2所述的復合繩，其特征在于，每根所述纏繞紗線由至少一股對位芳族聚酰胺纖維形成，所述一股對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、斷裂強力為18-28克力/旦，和斷裂伸長率為1.5-5.0%。
6.如權利要求1或2所述的復合繩，其特征在于，所述中心紗線的初捻加捻系數為 0-0. 5，復合繩的復捻加捻系數為4. 5-12，優選5-8. 5，纏繞紗線的初捻捻度與復合繩的復捻捻度的比值范圍為0. 8-1.2。
7.如權利要求1或2所述的復合繩，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，包含如權利要求1-7任一項所述的復合繩。
9.如權利要求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。
專利摘要本實用新型涉及復合繩及相關增強制品。具體地說，本實用新型涉及一種具有高斷裂強力和高斷裂伸長率的復合繩，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，所述復合繩具有9克力/旦或更大的斷裂強力和20％或更大的斷裂伸長率，可以作為增強材料用于橡膠制品或其他彈性基質制品中，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D02G3/44GK201952556SQ201020669930
公開日2011年8月31日 申請日期2010年12月16日 優先權日2010年12月16日
發明者施駿捷, 黎學東 申請人:杜邦公司