高渭淞，于得江，姜 偉，于白鴿

(青島天邦線業(yè)有限公司，山東 萊西 266609)

1 化學(xué)纖維簡介

化學(xué)纖維是用天然的或人工合成的高分子物質(zhì)為原料制成的纖維。根據(jù)原料來源的不同，可分為以天然高分子物質(zhì)為原料的人造纖維和以合成高分子物質(zhì)為原料的合成纖維。人造纖維是以天然含纖維素的物質(zhì)如木、棉等材料經(jīng)加工處理與紡絲加工而制成的纖維，因此又被稱為天然纖維素再生纖維。橡膠制品骨架材料中的粘膠人造絲纖維就是一種人造纖維。合成纖維是指以石油、天然氣、煤或者農(nóng)副產(chǎn)品等天然有機物為原料，經(jīng)一系列的化學(xué)反應(yīng)合成為高分子聚合物，再經(jīng)紡絲工藝加工制成的纖維。合成纖維還可以按照特定條件進行分類，通常按合成纖維的分子結(jié)構(gòu)分為碳鏈纖維和雜鏈纖維兩類。前者包括維綸和丙綸(即聚丙烯纖維，因其耐熱性不好，熔點低，所以不用做制造骨架材料)，后者包括聚酯、錦綸6、錦綸66(脂肪族聚酰胺纖維，亦稱尼龍)等?，F(xiàn)在橡膠制品骨架材料用纖維材料中，化學(xué)纖維已占絕對優(yōu)勢[1]。

化學(xué)纖維的制備，通常是先把天然的或合成的高分子物質(zhì)制成紡絲熔體或溶液，然后經(jīng)過過濾、計量，由噴絲頭(板)擠出成為液態(tài)細流，接著凝固而成纖維狀固體。此時的纖維稱為初生纖維，它的力學(xué)性能很差，必須經(jīng)過一系列后加工工序才能符合使用要求。后續(xù)加工主要針對纖維進行拉伸和熱定形，以提高纖維的使用性能。拉伸可以使初生纖維中的各結(jié)構(gòu)單元沿著纖維順軸取向；熱定形主要是使纖維中各單元間的內(nèi)應(yīng)力松弛。其中，濕紡纖維的后加工還包括水洗、上油、干燥等工序。上述工序完成后，即可卷繞成筒。

將優(yōu)良性能的化學(xué)纖維制成線繩、耐撕裂布等骨架材料作為橡膠制品的骨架層，其作用是提高橡膠制品的強度，承受來自制品內(nèi)部和外部的作用力，提升使用性能，并限制變形。纖維骨架材料的性能決定著橡膠制品的性能，而化學(xué)纖維的性能決定著纖維骨架材料的性能。目前橡膠制品中較常用化學(xué)纖維骨架材料主要有錦綸纖維、滌綸纖維和芳綸纖維[2]。

2 纖維性能及其應(yīng)用

2.1 錦綸纖維

錦綸是聚酰胺纖維的商品名稱，又稱耐綸(Nylon)，尼龍。英文名稱Polyamide(簡稱PA)，其基本組成物質(zhì)是通過酰胺鍵-[NHCO]-連接起來的脂肪族聚酰胺。錦綸是美國杰出的科學(xué)家卡羅瑟斯(Carothers)及其領(lǐng)導(dǎo)下的一個科研小組研制出來的，是世界上出現(xiàn)的第一種合成纖維。錦綸的出現(xiàn)使紡織品的面貌煥然一新，它的合成是合成纖維工業(yè)的重大突破，同時也是高分子化學(xué)的一個非常重要里程碑。

常用的錦綸纖維可分為兩大類：一類是由二元酸和二元胺縮聚而得的聚合物，其相對分子質(zhì)量一般為17000～23000。根據(jù)所用二元胺和二元酸的碳原子數(shù)不同，可以得到不同的錦綸產(chǎn)品，并可通過加在錦綸后的數(shù)字區(qū)別，其中前一數(shù)字是二元胺的碳原子數(shù)，后一數(shù)字是二元酸的碳原子數(shù)。例如錦綸66，說明它是由己二胺和己二酸縮聚制得。另一類是由內(nèi)酰胺縮聚或開環(huán)聚合得到的，根據(jù)其單元結(jié)構(gòu)所含碳原子數(shù)目，可得到不同品種的命名。例如錦綸6，說明它是由含6個碳原子的己內(nèi)酰胺開環(huán)聚合而得。錦綸6和錦綸66兩者的物理性質(zhì)相近，但錦綸66熔點相對高一些，耐熱性能更好，應(yīng)用更為廣泛[3-4]。

與其他骨架材料相比，錦綸纖維的優(yōu)點在于伸長率大，單絲伸長可超過20%，遠遠高于滌綸和芳綸；耐磨性好，耐磨性優(yōu)于聚酯，但比芳綸較差；表面活性基團較多，易與橡膠材料進行粘合，通常以錦綸制得的橡膠骨架材料，只需要一浴法浸膠即可得到需要的產(chǎn)品，而聚酯通常需要兩浴法浸膠，芳綸需要兩浴甚至三浴浸膠；加工性能好，錦綸在捻線過程中強力損失很小，而芳綸因捻線產(chǎn)生的強力損失超過15%；同時，由于尼龍在浸膠過程中，是在不改變其自身分子骨架的情況下，與膠液中的組分發(fā)生交聯(lián)，所以浸膠發(fā)生的強力損失很小。而其缺點是初始強力較低，模量較小，在一些沖擊性較大，對斷裂強力要求較高的情況下，不能使用。

目前以錦綸纖維制成的骨架材料主要有尼龍軟線、尼龍硬線、尼龍膠管紗、簾子線等，其強度高、彈性好、耐摩擦、與橡膠易粘合等特性使其廣泛應(yīng)用于特殊彈性皮帶、多楔帶、動力轉(zhuǎn)向管、橡膠密封件、輪胎等橡膠制品[5]。

2.2 滌綸纖維

滌綸纖維，別名:的確良、聚酯、達克綸，英文名: polyethylene terephthalate(簡稱PET)，密度:1.68 g/mL(25℃)，熔點:250～255℃，為乳白色或淺黃色的結(jié)合物。其基本組成物質(zhì)是聚對苯二甲酸乙二醇酯,分子式 [-OC-Ph-COOCH2CH2O-]n，因分子鏈上存在大量酯基故稱聚酯纖維(PET)，其長鏈分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)式為H(OCH2CCOCO)NOCH2CH2OH，用于纖維的聚酯相對分子質(zhì)量一般在18000～25000左右，仿毛滌綸分子量較低，工業(yè)滌綸分子量較高。實際上，其中還有少量的單體和低聚物存在。這些低聚物的聚合度較低，又以環(huán)狀形式存在。聚對苯二甲酸乙二酯可由對苯二甲酸(PTA)和乙二醇(EG)通過直接酯化法制取對苯二甲酸乙二酯9BHET)后縮聚而成[6]。

滌綸纖維具有斷裂強度高、模量高，不容易蠕變伸長，耐熱性好，彈性恢復(fù)好等特點，是目前所有纖維材料中性價比最好的材料，因而在骨架材料中應(yīng)用最為廣泛。滌綸有良好的耐酸堿、耐日曬性能，不像鋼絲那樣容易腐蝕，也不像棉紗那樣容易腐爛，對于運輸距離長、要求尺寸穩(wěn)定性好的橡膠制品是一種非常理想的材料[7]。

目前國產(chǎn)工業(yè)用滌綸絲有高強型、高模低縮型、超低收縮型、活化型等。滌綸纖維的缺點是特定高溫蒸汽條件下強力損失大，特別是在胺的存在環(huán)境中會發(fā)生分解，導(dǎo)致性能下降。滌綸纖維可制成聚酯浸膠硬線繩、聚酯浸膠軟線繩(紅、黑)、聚酯包膠硬線繩(EPDM/CR)、聚酯浸膠半硬線、聚酯膠管線、高強聚酯耐撕裂網(wǎng)布等骨架材料，其有斷裂強度高、斷裂伸長率低、熱收縮低、粘合強度高、耐疲勞性與尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點，廣泛適用于切邊V帶、多楔帶、包布式V帶、普通膠管、高壓膠管、輸送帶等。

2.3 芳綸纖維

芳綸纖維全稱為“芳香族聚酰胺纖維”，英文為Aramid fiber(杜邦公司的品牌名為Kevlar，帝人公司的品牌名為 Twaron和Technora )，是一種新型高科技合成纖維，具有高強度、高模量和重量輕、耐高溫、耐酸堿、耐磨、耐沖擊等優(yōu)良性能，目前已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。其強度、模量和韌性比鋼絲還要強，而重量比鋼絲輕的多，長期使用溫度可達210℃，在138℃的飽和水蒸氣中80 h，強度損失率僅為15%左右。在pH值=3或者pH值=10的環(huán)境中16 h，強度保留率在40%以上。優(yōu)異的酸堿性能、耐磨性能和耐疲勞性能使得其有很長的生命周期。芳綸的發(fā)現(xiàn)，被認為是材料界一個非常重要的歷史進程，芳綸中最具實用價值的品種有兩個:一是分子鏈排列呈鋸齒狀的間位芳綸纖維，我國稱之為芳綸1313，另一種是分子鏈排列呈直線狀的對位芳綸纖維，我國稱之為芳綸1414[8-10]。

20世紀80年代開始歐洲已經(jīng)開始競相使用芳綸生產(chǎn)橡膠制品，在此期間，芳綸作為骨架材料充分展現(xiàn)了其優(yōu)越的性能。國內(nèi)芳綸產(chǎn)品起步較晚，20世紀90年代初，青島天邦線業(yè)的前身--新飛橡膠廠首先開始了芳綸骨架材料的研制和工業(yè)化生產(chǎn)，直至2010年后，芳綸骨架材料才在國內(nèi)橡膠行業(yè)得到較大規(guī)模應(yīng)用，時至今日該行業(yè)已進入快速發(fā)展時期。目前形成了包括浸膠芳綸軟線繩、浸膠芳綸硬線繩、芳綸膠管紗、芳綸+尼龍混紡膠管紗線、芳綸布等優(yōu)良性能的系列骨架材料產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于高端農(nóng)機帶包布式V帶、切邊V帶、同步帶、多楔帶、汽車V帶等傳動帶產(chǎn)品。其中芳綸+尼龍的混紡線能賦予膠管紗線更優(yōu)越的抗疲勞性及與粘合劑浸膠液的相容性，使其成為很多產(chǎn)品的首選。芳綸布強度高、韌性好、耐腐蝕、抗疲勞等特性使得其在房屋建筑、橋梁修復(fù)加固、抗震補強、艦船等領(lǐng)域也可大展拳腳[11-14]。

3 發(fā)展趨勢

隨著汽車、工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，對橡膠制品的要求也越來越高，相應(yīng)的，對橡膠骨架材料的要求也越來越嚴格。因此不斷開發(fā)新型纖維材料，提高骨架材料的整體水平，開發(fā)新型浸膠工藝配方，提升浸膠骨架材料與橡膠的粘合性能，是我國化學(xué)纖維浸膠骨架材料的主要發(fā)展方向。

3.1 技術(shù)指標提升

2017年，在全國橡標委浸膠骨架材料分技術(shù)委員會的主持下，《V帶和多楔帶用浸膠芳綸線繩》等多項國家和行業(yè)標準進行了修訂，以斷裂強力、粘合力為主的多項指標要求進一步提升。這標志著我國浸膠骨架材料行業(yè)技術(shù)水平正穩(wěn)步提高，并逐步與國際接軌，也意味著隨著技術(shù)發(fā)展的進一步加快，產(chǎn)品多樣化、精細化、專用化的趨勢愈加明顯。

例如，杜邦公司的KEVLAR系列，由K29系列的單絲強力20cN/dtex升級到K29AP系列的23cN/dtex；滌綸絲市場也由原來的單一品種演變?yōu)槿缃竦钠胀ǜ邚娦?、高模低縮低伸長型、高模低縮低收縮型等多個品種，以滿足市場的各種特殊要求。

3.2 新型纖維應(yīng)用

近年來涌現(xiàn)了很多新型纖維材料。韓國曉星的POK纖維是已乙烯和一氧化碳為單體的高強度纖維，強力指數(shù)介于滌綸和芳綸之間，但其成本較高，而且針對POK纖維的浸膠工藝還有待研發(fā)提升。PBO纖維被稱為21世紀超性能纖維，具有十分優(yōu)異的物理性能和化學(xué)性能，具有高強力、高模量和耐熱阻燃的性能，特別是PBO纖維的強度不僅超過鋼絲，甚至還在碳纖維之上。此外，PBO纖維的耐沖擊性、耐摩擦性和尺寸穩(wěn)定性均很優(yōu)異，并且質(zhì)地輕而柔軟，是一種非常理想的原料，但將其應(yīng)用到骨架材料中，還有很多工作要做。

此外，國內(nèi)外研究機構(gòu)一直在從事化學(xué)纖維的改性工作，以提高滌綸、芳綸、碳纖維等表面惰性材料與橡膠的粘合性，提高纖維的整體技術(shù)性能。

3.3 開發(fā)新型浸膠工藝配方

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，滌綸、錦綸的浸膠體系已經(jīng)相對成熟，其工藝和配方的改進可根據(jù)骨架材料不同的使用條件而進行有選擇的優(yōu)化，從而提高橡膠制品的使用性能和壽命。芳綸的浸膠體系目前也有很大發(fā)展，基于RFL的浸膠體系目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用，研究新的浸膠工藝和配方對芳綸纖維的擴大使用范圍和用量，有很大的幫助作用。

4 結(jié)語

浸膠骨架材料在橡膠制品中起重要作用，從一定程度上講，橡膠制品的使用性能依賴于骨架材料，優(yōu)質(zhì)的骨架材料可以提升橡膠制品的品質(zhì)。而且橡膠制品在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及新產(chǎn)品的開發(fā)方面都離不開新品種、新結(jié)構(gòu)骨架材料的配合。而化學(xué)纖維作為骨架材料的主體，對骨架材料的性能又起到?jīng)Q定性的作用。因此，不斷開發(fā)生產(chǎn)新材料和改性材料對促進我國橡膠制品行業(yè)的快速發(fā)展有至關(guān)重要的影響。