化学纤维在橡胶骨架材料中的应用及发展趋势

高渭淞，于得江，姜 伟，于白鸽

(青岛天邦线业有限公司，山东 莱西 266609)

1 化学纤维简介

化学纤维是用天然的或人工合成的高分子物质为原料制成的纤维。根据原料来源的不同，可分为以天然高分子物质为原料的人造纤维和以合成高分子物质为原料的合成纤维。人造纤维是以天然含纤维素的物质如木、棉等材料经加工处理与纺丝加工而制成的纤维，因此又被称为天然纤维素再生纤维。橡胶制品骨架材料中的粘胶人造丝纤维就是一种人造纤维。合成纤维是指以石油、天然气、煤或者农副产品等天然有机物为原料，经一系列的化学反应合成为高分子聚合物，再经纺丝工艺加工制成的纤维。合成纤维还可以按照特定条件进行分类，通常按合成纤维的分子结构分为碳链纤维和杂链纤维两类。前者包括维纶和丙纶(即聚丙烯纤维，因其耐热性不好，熔点低，所以不用做制造骨架材料)，后者包括聚酯、锦纶6、锦纶66(脂肪族聚酰胺纤维，亦称尼龙)等。现在橡胶制品骨架材料用纤维材料中，化学纤维已占绝对优势[1]。

化学纤维的制备，通常是先把天然的或合成的高分子物质制成纺丝熔体或溶液，然后经过过滤、计量，由喷丝头(板)挤出成为液态细流，接着凝固而成纤维状固体。此时的纤维称为初生纤维，它的力学性能很差，必须经过一系列后加工工序才能符合使用要求。后续加工主要针对纤维进行拉伸和热定形，以提高纤维的使用性能。拉伸可以使初生纤维中的各结构单元沿着纤维顺轴取向；热定形主要是使纤维中各单元间的内应力松弛。其中，湿纺纤维的后加工还包括水洗、上油、干燥等工序。上述工序完成后，即可卷绕成筒。

将优良性能的化学纤维制成线绳、耐撕裂布等骨架材料作为橡胶制品的骨架层，其作用是提高橡胶制品的强度，承受来自制品内部和外部的作用力，提升使用性能，并限制变形。纤维骨架材料的性能决定着橡胶制品的性能，而化学纤维的性能决定着纤维骨架材料的性能。目前橡胶制品中较常用化学纤维骨架材料主要有锦纶纤维、涤纶纤维和芳纶纤维[2]。

2 纤维性能及其应用

2.1 锦纶纤维

锦纶是聚酰胺纤维的商品名称，又称耐纶(Nylon)，尼龙。英文名称Polyamide(简称PA)，其基本组成物质是通过酰胺键-[NHCO]-连接起来的脂肪族聚酰胺。锦纶是美国杰出的科学家卡罗瑟斯(Carothers)及其领导下的一个科研小组研制出来的，是世界上出现的第一种合成纤维。锦纶的出现使纺织品的面貌焕然一新，它的合成是合成纤维工业的重大突破，同时也是高分子化学的一个非常重要里程碑。

常用的锦纶纤维可分为两大类：一类是由二元酸和二元胺缩聚而得的聚合物，其相对分子质量一般为17000～23000。根据所用二元胺和二元酸的碳原子数不同，可以得到不同的锦纶产品，并可通过加在锦纶后的数字区别，其中前一数字是二元胺的碳原子数，后一数字是二元酸的碳原子数。例如锦纶66，说明它是由己二胺和己二酸缩聚制得。另一类是由内酰胺缩聚或开环聚合得到的，根据其单元结构所含碳原子数目，可得到不同品种的命名。例如锦纶6，说明它是由含6个碳原子的己内酰胺开环聚合而得。锦纶6和锦纶66两者的物理性质相近，但锦纶66熔点相对高一些，耐热性能更好，应用更为广泛[3-4]。

与其他骨架材料相比，锦纶纤维的优点在于伸长率大，单丝伸长可超过20%，远远高于涤纶和芳纶；耐磨性好，耐磨性优于聚酯，但比芳纶较差；表面活性基团较多，易与橡胶材料进行粘合，通常以锦纶制得的橡胶骨架材料，只需要一浴法浸胶即可得到需要的产品，而聚酯通常需要两浴法浸胶，芳纶需要两浴甚至三浴浸胶；加工性能好，锦纶在捻线过程中强力损失很小，而芳纶因捻线产生的强力损失超过15%；同时，由于尼龙在浸胶过程中，是在不改变其自身分子骨架的情况下，与胶液中的组分发生交联，所以浸胶发生的强力损失很小。而其缺点是初始强力较低，模量较小，在一些冲击性较大，对断裂强力要求较高的情况下，不能使用。

目前以锦纶纤维制成的骨架材料主要有尼龙软线、尼龙硬线、尼龙胶管纱、帘子线等，其强度高、弹性好、耐摩擦、与橡胶易粘合等特性使其广泛应用于特殊弹性皮带、多楔带、动力转向管、橡胶密封件、轮胎等橡胶制品[5]。

2.2 涤纶纤维

涤纶纤维，别名:的确良、聚酯、达克纶，英文名: polyethylene terephthalate(简称PET)，密度:1.68 g/mL(25℃)，熔点:250～255℃，为乳白色或浅黄色的结合物。其基本组成物质是聚对苯二甲酸乙二醇酯,分子式 [-OC-Ph-COOCH2CH2O-]n，因分子链上存在大量酯基故称聚酯纤维(PET)，其长链分子的化学结构式为H(OCH2CCOCO)NOCH2CH2OH，用于纤维的聚酯相对分子质量一般在18000～25000左右，仿毛涤纶分子量较低，工业涤纶分子量较高。实际上，其中还有少量的单体和低聚物存在。这些低聚物的聚合度较低，又以环状形式存在。聚对苯二甲酸乙二酯可由对苯二甲酸(PTA)和乙二醇(EG)通过直接酯化法制取对苯二甲酸乙二酯9BHET)后缩聚而成[6]。

涤纶纤维具有断裂强度高、模量高，不容易蠕变伸长，耐热性好，弹性恢复好等特点，是目前所有纤维材料中性价比最好的材料，因而在骨架材料中应用最为广泛。涤纶有良好的耐酸碱、耐日晒性能，不像钢丝那样容易腐蚀，也不像棉纱那样容易腐烂，对于运输距离长、要求尺寸稳定性好的橡胶制品是一种非常理想的材料[7]。

目前国产工业用涤纶丝有高强型、高模低缩型、超低收缩型、活化型等。涤纶纤维的缺点是特定高温蒸汽条件下强力损失大，特别是在胺的存在环境中会发生分解，导致性能下降。涤纶纤维可制成聚酯浸胶硬线绳、聚酯浸胶软线绳(红、黑)、聚酯包胶硬线绳(EPDM/CR)、聚酯浸胶半硬线、聚酯胶管线、高强聚酯耐撕裂网布等骨架材料，其有断裂强度高、断裂伸长率低、热收缩低、粘合强度高、耐疲劳性与尺寸稳定性好等优点，广泛适用于切边V带、多楔带、包布式V带、普通胶管、高压胶管、输送带等。

2.3 芳纶纤维

芳纶纤维全称为“芳香族聚酰胺纤维”，英文为Aramid fiber(杜邦公司的品牌名为Kevlar，帝人公司的品牌名为 Twaron和Technora )，是一种新型高科技合成纤维，具有高强度、高模量和重量轻、耐高温、耐酸碱、耐磨、耐冲击等优良性能，目前已广泛应用于各个领域。其强度、模量和韧性比钢丝还要强，而重量比钢丝轻的多，长期使用温度可达210℃，在138℃的饱和水蒸气中80 h，强度损失率仅为15%左右。在pH值=3或者pH值=10的环境中16 h，强度保留率在40%以上。优异的酸碱性能、耐磨性能和耐疲劳性能使得其有很长的生命周期。芳纶的发现，被认为是材料界一个非常重要的历史进程，芳纶中最具实用价值的品种有两个:一是分子链排列呈锯齿状的间位芳纶纤维，我国称之为芳纶1313，另一种是分子链排列呈直线状的对位芳纶纤维，我国称之为芳纶1414[8-10]。

20世纪80年代开始欧洲已经开始竞相使用芳纶生产橡胶制品，在此期间，芳纶作为骨架材料充分展现了其优越的性能。国内芳纶产品起步较晚，20世纪90年代初，青岛天邦线业的前身--新飞橡胶厂首先开始了芳纶骨架材料的研制和工业化生产，直至2010年后，芳纶骨架材料才在国内橡胶行业得到较大规模应用，时至今日该行业已进入快速发展时期。目前形成了包括浸胶芳纶软线绳、浸胶芳纶硬线绳、芳纶胶管纱、芳纶+尼龙混纺胶管纱线、芳纶布等优良性能的系列骨架材料产品，广泛应用于高端农机带包布式V带、切边V带、同步带、多楔带、汽车V带等传动带产品。其中芳纶+尼龙的混纺线能赋予胶管纱线更优越的抗疲劳性及与粘合剂浸胶液的相容性，使其成为很多产品的首选。芳纶布强度高、韧性好、耐腐蚀、抗疲劳等特性使得其在房屋建筑、桥梁修复加固、抗震补强、舰船等领域也可大展拳脚[11-14]。

3 发展趋势

随着汽车、工业技术的快速发展，对橡胶制品的要求也越来越高，相应的，对橡胶骨架材料的要求也越来越严格。因此不断开发新型纤维材料，提高骨架材料的整体水平，开发新型浸胶工艺配方，提升浸胶骨架材料与橡胶的粘合性能，是我国化学纤维浸胶骨架材料的主要发展方向。

3.1 技术指标提升

2017年，在全国橡标委浸胶骨架材料分技术委员会的主持下，《V带和多楔带用浸胶芳纶线绳》等多项国家和行业标准进行了修订，以断裂强力、粘合力为主的多项指标要求进一步提升。这标志着我国浸胶骨架材料行业技术水平正稳步提高，并逐步与国际接轨，也意味着随着技术发展的进一步加快，产品多样化、精细化、专用化的趋势愈加明显。

例如，杜邦公司的KEVLAR系列，由K29系列的单丝强力20cN/dtex升级到K29AP系列的23cN/dtex；涤纶丝市场也由原来的单一品种演变为如今的普通高强型、高模低缩低伸长型、高模低缩低收缩型等多个品种，以满足市场的各种特殊要求。

3.2 新型纤维应用

近年来涌现了很多新型纤维材料。韩国晓星的POK纤维是已乙烯和一氧化碳为单体的高强度纤维，强力指数介于涤纶和芳纶之间，但其成本较高，而且针对POK纤维的浸胶工艺还有待研发提升。PBO纤维被称为21世纪超性能纤维，具有十分优异的物理性能和化学性能，具有高强力、高模量和耐热阻燃的性能，特别是PBO纤维的强度不仅超过钢丝，甚至还在碳纤维之上。此外，PBO纤维的耐冲击性、耐摩擦性和尺寸稳定性均很优异，并且质地轻而柔软，是一种非常理想的原料，但将其应用到骨架材料中，还有很多工作要做。

此外，国内外研究机构一直在从事化学纤维的改性工作，以提高涤纶、芳纶、碳纤维等表面惰性材料与橡胶的粘合性，提高纤维的整体技术性能。

3.3 开发新型浸胶工艺配方

经过几十年的发展，涤纶、锦纶的浸胶体系已经相对成熟，其工艺和配方的改进可根据骨架材料不同的使用条件而进行有选择的优化，从而提高橡胶制品的使用性能和寿命。芳纶的浸胶体系目前也有很大发展，基于RFL的浸胶体系目前已经广泛应用，研究新的浸胶工艺和配方对芳纶纤维的扩大使用范围和用量，有很大的帮助作用。

4 结语

浸胶骨架材料在橡胶制品中起重要作用，从一定程度上讲，橡胶制品的使用性能依赖于骨架材料，优质的骨架材料可以提升橡胶制品的品质。而且橡胶制品在产品结构的调整以及新产品的开发方面都离不开新品种、新结构骨架材料的配合。而化学纤维作为骨架材料的主体，对骨架材料的性能又起到决定性的作用。因此，不断开发生产新材料和改性材料对促进我国橡胶制品行业的快速发展有至关重要的影响。