精密無縫紡織基平帶結(jié)構(gòu)與成型分析

連明強(qiáng) 林 婧 王富軍 王文祖 王 璐

1． 東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620；2. 東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620

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精密無縫紡織基平帶結(jié)構(gòu)與成型分析

連明強(qiáng)1, 2林 婧1, 2王富軍1, 2王文祖1, 2王 璐1, 2

1． 東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620；2. 東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620

介紹精密無縫紡織基平帶的發(fā)展現(xiàn)狀及其當(dāng)前的主要組成部分，指出未來我國(guó)精密無縫紡織基平帶應(yīng)從橡膠層、紡織基和黏結(jié)層三部分進(jìn)行系統(tǒng)研究，以提高產(chǎn)品質(zhì)量和延長(zhǎng)使用壽命為目標(biāo)，提升我國(guó)自主研發(fā)精密無縫紡織基平帶的市場(chǎng)占有率。

精密無縫紡織基平帶，橡膠層，紡織基，黏結(jié)層

當(dāng)前,動(dòng)力傳遞主要有帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)和聯(lián)軸傳動(dòng)等形式，而帶傳動(dòng)以其成本等方面的巨大優(yōu)勢(shì)應(yīng)用最為廣泛[1]。帶傳動(dòng)依托傳動(dòng)帶將主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞，驅(qū)動(dòng)從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)或使物體空間位移，其在長(zhǎng)距離傳動(dòng)方面存在巨大優(yōu)勢(shì)[2]。帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，帶體更換方便，可滿足絕大部分的動(dòng)力傳遞。此外，帶傳動(dòng)歷史久遠(yuǎn)，且?guī)w種類繁多，如平帶、V帶、同步帶等，用途極為廣泛[3]，從大型紡織機(jī)械到車站檢票機(jī)，再到個(gè)人電腦、微型飛行器等，都可見其身影[4]。其中，平帶出現(xiàn)最早，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，在動(dòng)力傳動(dòng)領(lǐng)域曾占據(jù)過半份額。傳統(tǒng)平帶傳動(dòng)效率約為85%，隨著20世紀(jì)60年代傳動(dòng)效率更高的V帶[5]和傳動(dòng)比更精確的同步帶[6-8]的興起，傳統(tǒng)平帶的市場(chǎng)份額開始縮減。但平帶自身也具有其他帶體無法替代的優(yōu)勢(shì)，如生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、過載時(shí)自動(dòng)發(fā)生打滑可避免重大安全事故的發(fā)生[9]等。隨著平帶逐漸向輕薄化、高強(qiáng)化、柔軟化的方向發(fā)展[10]，平帶又開始煥發(fā)出了新活力。新型高性能平帶根據(jù)帶體接合方式可分為接頭新型高性能平帶和無接頭新型高性能平帶兩種。前者帶體周長(zhǎng)較大，主要用于大型機(jī)械設(shè)備；后者帶體周長(zhǎng)較小，主要在自動(dòng)化設(shè)備中用于微型傳動(dòng)，增強(qiáng)體部分由織機(jī)一體成型，整個(gè)帶體無需接合即為環(huán)形，因此又稱精密無縫紡織基平帶。

下文將對(duì)精密無縫紡織基平帶發(fā)展現(xiàn)狀及產(chǎn)品特點(diǎn)進(jìn)行介紹。

1 精密無縫紡織基平帶發(fā)展現(xiàn)狀

精密無縫紡織基平帶所需傳動(dòng)功率小，帶體更輕薄、更柔軟，可實(shí)現(xiàn)精確、高速傳動(dòng)，目前在金融設(shè)備(如自動(dòng)存取款機(jī)、結(jié)算機(jī)、自動(dòng)售票檢票機(jī)等)、辦公設(shè)備(如復(fù)印機(jī)、打印機(jī)等)及醫(yī)療設(shè)備中廣泛用于紙張、卡片等的平滑傳動(dòng)。

精密無縫紡織基平帶在歐洲發(fā)展迅速，如德國(guó)BRECOflex和英國(guó)芬納都有相對(duì)成熟的產(chǎn)品，其平帶紡織基與橡膠層結(jié)合牢固，帶體整體性高，使用周期長(zhǎng)。亞洲目前能制備出相對(duì)成熟的精密無縫紡織基平帶的企業(yè)主要是日本阪東和日本UNITTA，它們生產(chǎn)的精密無縫紡織基平帶產(chǎn)品性能優(yōu)良、使用壽命長(zhǎng)、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)。

目前，我國(guó)對(duì)精密無縫紡織基平帶的需求巨大，但研發(fā)力量相對(duì)不足，雖然有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、長(zhǎng)春理工大學(xué)[11]、山東大學(xué)等高校對(duì)傳送帶進(jìn)行系統(tǒng)研究，但研究對(duì)象主要集中在傳統(tǒng)平帶、V帶和同步帶等方面，對(duì)精密無縫紡織基平帶研究較少。國(guó)產(chǎn)精密無縫紡織基平帶產(chǎn)品主要存在拉伸強(qiáng)力不足，回彈性較差，橡膠層易老化開裂、易打滑等問題，且使用壽命短，競(jìng)爭(zhēng)力不足，現(xiàn)行使用的產(chǎn)品主要依賴進(jìn)口。因此，為緩解我國(guó)供需不平衡的局面，減少進(jìn)口量，發(fā)揮國(guó)產(chǎn)精密無縫紡織基平帶的成本優(yōu)勢(shì)，加大精密無縫紡織基平帶的研發(fā)力度勢(shì)在必行。

2 精密無縫紡織基平帶基本特點(diǎn)

精密無縫紡織基平帶應(yīng)具備：

(1) 周長(zhǎng)較小，厚度薄，結(jié)構(gòu)緊湊；

(2) 彎曲性能好，帶體尺寸穩(wěn)定，拉伸回復(fù)性能好(這可確保傳動(dòng)比的精確與傳動(dòng)效率的提升)；

(3) 紡織基一次成型(這省去了帶體接合工序，保證了帶體的均一性，大大增強(qiáng)了傳動(dòng)的平滑性，并進(jìn)一步提高了傳動(dòng)速度)。

精密無縫紡織基平帶主要用于傳遞動(dòng)力和傳輸物體。動(dòng)力傳遞在帶輪間進(jìn)行，圖1反映了精密無縫紡織基平帶可在主動(dòng)輪和多個(gè)從動(dòng)輪及張緊輪間進(jìn)行動(dòng)力傳遞；物體傳輸主要涉及紙張與卡片等，圖2展示了自動(dòng)取款機(jī)中銀行卡的讀取和輸出，精密無縫紡織基平帶利用與銀行卡的摩擦實(shí)現(xiàn)了銀行卡的空間位移變化。

圖2 自動(dòng)取款機(jī)對(duì)銀行卡的讀取和輸出

3 精密無縫紡織基平帶的結(jié)構(gòu)與成型

精密無縫紡織基平帶主要由起摩擦接觸作用的橡膠層、起增強(qiáng)帶體抗張強(qiáng)力的紡織基及起加強(qiáng)橡膠層和紡織基黏合作用的黏結(jié)層組成[12](圖3)。

圖3 精密無縫紡織基平帶組成

3.1 橡膠層

橡膠層直接與帶輪接觸，起著向其他帶輪傳遞主動(dòng)帶輪動(dòng)力的作用。對(duì)于涉及紙張、卡片等平滑傳動(dòng)的機(jī)件，橡膠層除了直接向帶輪傳遞動(dòng)力之外，還需利用表層的摩擦實(shí)現(xiàn)紙張、卡片等的空間位移變化。傳動(dòng)機(jī)件在運(yùn)轉(zhuǎn)或靜止時(shí)，精密無縫紡織基平帶都會(huì)受到包括張力、摩擦力、慣性力和離心力等眾多力的作用，只有足夠的帶體強(qiáng)度和模量才能確保其正常的傳動(dòng)。因此，橡膠層需具有合適的彈性范圍、良好的摩擦性、優(yōu)良的抗剪切破環(huán)性、適宜的柔韌性、足夠的拉伸強(qiáng)度與模量、突出的耐疲勞性等。

張力的存在使得機(jī)件間驅(qū)動(dòng)力的傳遞成為可能，而橡膠的彈性是精密無縫紡織基平帶具有張力的本質(zhì)原因。優(yōu)良的彈性能極大程度地緩沖傳動(dòng)過程中的大幅振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)件平滑傳動(dòng)，延長(zhǎng)機(jī)件運(yùn)轉(zhuǎn)壽命。

由于橡膠層直接與機(jī)件接觸，故合適的摩擦性能可提高其傳動(dòng)效率[13]、減小能量損失。而摩擦性能除了與橡膠成分重要相關(guān)外，還與橡膠層表面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密切相關(guān)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)在精密無縫紡織基平帶的內(nèi)外表面。以唯一從動(dòng)輪為例，平帶內(nèi)表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要影響動(dòng)力的傳遞效率，只有橡膠內(nèi)表面與帶輪不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)[14]，動(dòng)力傳遞才能保證最大化，同時(shí)橡膠層與帶輪的磨損也大大減少，使用壽命延長(zhǎng)；外表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)物體的傳輸效果影響較大，只有足夠的摩擦力才能準(zhǔn)確地將物體傳送到指定位置。

精密無縫紡織基平帶在傳遞動(dòng)力時(shí)，驅(qū)動(dòng)力在一定厚度的帶體間沿厚度方向呈層分布特性，如圖4所示，越靠近帶輪的橡膠層越早受剪切，其力值也越大。且從微觀、微時(shí)間的角度分析，由于力和速度的傳遞需一定時(shí)間[15]，因此靠近帶輪的橡膠微層位移較外微層更大。由此可見，橡膠層的抗剪切性能對(duì)整個(gè)精密無縫紡織基平帶的最終性能至關(guān)重要。

圖4 帶體周向微層傳動(dòng)示意

此外，大多數(shù)傳動(dòng)機(jī)件都或多或少地配有張緊裝置。精密無縫紡織基平帶在繞過主、從動(dòng)帶輪等裝置時(shí)，都會(huì)形成較大的彎曲，因此只有足夠柔軟的帶體才能確保其優(yōu)良的耐疲勞性能，并有效減少能源消耗。

總之，橡膠層性能的優(yōu)劣在很大程度上決定了精密無縫紡織基平帶的整體性能。從聚氨酯到氯丁橡膠再到氫化丁腈橡膠[16]，橡膠層材質(zhì)正向著高強(qiáng)、高彈、耐高(低)溫、耐磨損、耐油蝕、耐撓曲龜裂[17]及易加工等方向發(fā)展。

3.2 紡織基

紡織基作為精密無縫紡織基平帶的增強(qiáng)體，是帶體受外力拉伸時(shí)的主要承載體。紡織基的加入提高了精密無縫紡織基平帶的模量和尺寸穩(wěn)定性，有效降低了帶體厚度，減輕了帶體質(zhì)量，降低了傳動(dòng)過程中的離心力和慣性力，提高了傳動(dòng)效率，實(shí)現(xiàn)了平帶的高速傳動(dòng)和優(yōu)良包覆性，提高了平帶的撓曲性[18]，使精密無縫紡織基平帶的輕薄化成為可能。

紡織基具有眾多優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)組織的可選擇性，復(fù)雜外形的一次成型性，強(qiáng)度、模量及彈性等物理性能的可設(shè)計(jì)性，整體結(jié)構(gòu)的柔韌和緩沖性等[19]。目前，精密無縫紡織基平帶的紡織基主要選用緯編織物，其由一根或多根紗線沿橫向依次成圈而成[20]。緯編織物縱橫兩向均具有良好的延伸性和回彈性，對(duì)瞬間外力有著極佳的緩沖作用；可直接編織形成圓筒形織物，無需后續(xù)縫合，口徑也可調(diào)整，這對(duì)精密無縫紡織基平帶的無縫化和種類多樣化至關(guān)重要；生產(chǎn)成本較低，如長(zhǎng)絲等原料可直接以筒紗的形式織造，無需整經(jīng)等工序；設(shè)備占地面積較小，使用簡(jiǎn)單，省去了穿綜等耗時(shí)工序。

目前，精密無縫紡織基平帶中應(yīng)用相對(duì)較多的是緯平針組織(圖5)。原料方面多選擇工業(yè)用滌綸長(zhǎng)絲，其具有高強(qiáng)度、高模量、高熔點(diǎn)、耐化學(xué)腐蝕、耐磨、耐老化、易加工等優(yōu)點(diǎn)，在傳統(tǒng)傳送帶中廣泛應(yīng)用。但緯平針組織的紡織基，一方面由于所用原材料具有捻度，長(zhǎng)絲在自由狀態(tài)下具有退捻的趨勢(shì)(即捻度活性)，另一方面長(zhǎng)絲原料在彎曲成線圈時(shí)存在內(nèi)應(yīng)力需釋放[21]，因此，下機(jī)后的筒狀緯平針織物縱行線圈會(huì)出現(xiàn)明顯的歪斜，且歪斜程度與長(zhǎng)絲材料、捻度大小與捻向、捻度活性、機(jī)器轉(zhuǎn)向[22]等均有關(guān)，這將導(dǎo)致織物外觀扭曲、表面不平，因此需進(jìn)行后續(xù)處理，其中最主要的處理方式就是熱定型。熱定型可消除緯平針織物線圈的內(nèi)應(yīng)力[23]，改善縱行線圈的歪斜，增強(qiáng)紡織基的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，利于紡織基與橡膠層的均勻、合理結(jié)合。

圖5 緯平針組織

此外，相較于以前的尼龍片，紡織基作為增強(qiáng)體的平帶的表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與調(diào)整更為快速、簡(jiǎn)便。圖6為紙張傳輸用精密無縫紡織基平帶，其與紙張接觸的外表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要由紡織基組織結(jié)構(gòu)決定。不同組織結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)出不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形貌，而調(diào)整紡織基在橡膠層厚度方向的位置還可決定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的深淺。

圖6 紡織基形成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.3 黏結(jié)層

紡織基原材料(化學(xué)長(zhǎng)絲等)表面光滑平整，以滌綸為例，其表面除了光滑外還因缺少極性基團(tuán)呈化學(xué)惰性，故普通滌綸長(zhǎng)絲與橡膠層間的黏結(jié)力無法滿足精密無縫紡織基平帶的工作要求，兩者易分層，最終影響帶體的完整統(tǒng)一性，使精密無縫紡織基平帶失效。利用黏結(jié)層可提高紡織基與橡膠層的黏結(jié)力[24]，確保紡織基與橡膠層之間擁有足夠的抗剪切強(qiáng)度(圖7)，使精密無縫紡織基平帶高速化成為可能。

圖7 黏結(jié)機(jī)理

間苯二酚-甲醛-膠乳(RFL)是當(dāng)前傳送帶中使用較多的一種浸漬液[25-26]，其主要成分為間苯二酚甲醛樹脂(RF)和膠乳(L)。RF由間苯二酚和甲醛縮聚得到，其決定了黏結(jié)層與紡織基的黏結(jié)牢度；L則是苯乙烯、丁二烯及乙烯基吡啶的三聚物，是黏結(jié)層與橡膠層牢固黏結(jié)的主要原因所在[27]。調(diào)整RF與L及R與F的質(zhì)量配比[28]，可得到所需的黏結(jié)層強(qiáng)度。另外，在橡膠硫化過程中，硫化劑會(huì)向RFL擴(kuò)散，造成膠乳聚合物交聯(lián)[29]，進(jìn)一步增強(qiáng)了黏結(jié)層的黏結(jié)作用。

對(duì)于纖維表面極性基團(tuán)較少、不易形成氫鍵、結(jié)晶度較高、浸漬液不易滲入內(nèi)部的紡織基，有必要在傳統(tǒng)RFL浸漬處理前進(jìn)行預(yù)處理。以滌綸紡織基為例，預(yù)處理的方法：

(1) 紡絲前預(yù)浸膠[30]。通過在滌綸紡絲過程中添加試劑以增加纖維表面的極性基團(tuán)；

(2) 二步浸膠[31]。在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)一步法RFL浸膠前，利用環(huán)氧或異氰酸酯等進(jìn)行預(yù)處理，使滌綸與RFL以化學(xué)鍵的方式結(jié)合；

(3) 表面激活改性[32-33]。利用等離子、電子或紫外光等進(jìn)行表面激活，有效引入活性基團(tuán)[34]，增強(qiáng)纖維與黏結(jié)層之間的連結(jié)。

簡(jiǎn)化工藝和減少環(huán)境污染是所有制造業(yè)從業(yè)者追求的目標(biāo)。因此，紡織基與黏結(jié)層的黏結(jié)研究應(yīng)以產(chǎn)生廢液較少的紡絲前預(yù)浸膠和表面激活改性為主要切入點(diǎn)，探索更有效的方法去提高紡織基和黏結(jié)層的黏結(jié)力。

4 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)化將是今后的一個(gè)發(fā)展方向。自動(dòng)化設(shè)備逐年增加，且將更加地高速精密化，因此，對(duì)精密無縫紡織基平帶的需求也將比現(xiàn)在更多。鑒于目前我國(guó)國(guó)內(nèi)相對(duì)滯后的研究現(xiàn)狀和較緩慢的發(fā)展速度，精密無縫紡織基平帶亟需加大研發(fā)投入，從帶體各個(gè)部分改善產(chǎn)品的綜合性能，包括提高橡膠層的耐老化性、探索帶體表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；穩(wěn)定紡織基結(jié)構(gòu)、調(diào)整紡織基模量；改善橡膠層和紡織基的界面結(jié)合情況、提高黏結(jié)牢度等，推進(jìn)精密無縫紡織基平帶向更輕更薄更柔、高強(qiáng)高速高效的方向發(fā)展。

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The analysis of structure and formability of precision seamless belts

LianMingqiang1, 2,LinJing1, 2,WangFujun1, 2,WangWenzu1, 2,WangLu1, 2

1. College of Textiles，Donghua University, Shanghai 201620, China;2. Key Laboratory of Textile Science & Technology，Ministry of Education，Donghua University, Shanghai 201620, China

The development status and main components of precision seamless belts were introduced, and it was pointed out that systematical study for precision seamless belts of our country in the future was made from rubber layer，fabric reinforcement and bonding layer，with the aim to improve quality and increase service life，so that the market occupation ratio of domestically developed precision seamless belt was raised.

precision seamless belt，rubber layer，fabric reinforcement，bonding layer

2015-11-15

連明強(qiáng)，男，1991年生，在讀碩士研究生，研究方向是功能紡織品的設(shè)計(jì)與制備

王璐，E-mail：wanglu@dhu.edu.cn

TS186.5

A

1004-7093(2016)03-0033-06