一种高强度耐寒芳纶纤维同步带及其制备方法

技术领域

本发明涉及同步带技术领域，尤其涉及一种高强度耐寒芳纶纤维同步带及其制备方法。

背景技术

同步带是一根内周表面设有等间距齿的环形带，转动时，通过带齿和齿轮的齿槽啮合来传递动力。同步带综合了带传动、链传动和齿轮传动各自的优点，具有传动效率高、传动比准确、传动比范围大、传动平稳、对轴作用力小、噪音小、节能等优点，被广泛应用于纺织、机床、烟草、通讯电缆、轻工、化工、冶金、仪表仪器、食品、矿山、石油、汽车等各行业各种类型的机械传动中。

传统的同步带主体胶料主要有聚氨酯橡胶、氯丁橡胶和丁腈橡胶等，这些胶料制成的同步带或多或少存在耐寒性不佳，强度不够，耐热老化性、阻燃性不足，机械力学性能和环保阻燃性有待进一步提高，在一些特殊场合下使用存在安全隐患的缺陷。

芳纶纤维是一种新型高科技合成纤维，具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能，其强度是钢丝的5～6倍，模量为钢丝或玻璃纤维的2～3倍，韧性是钢丝的2倍，而重量仅为钢丝的1/5左右，在560度的温度下，不分解，不融化。它具有良好的绝缘性和抗老化性能，具有很长的生命周期，是同步带材料的良添加剂。然而，由于其表面活性能低，与胶料基材之间的相容性差，使得制成的同步带性能稳定性不佳，使用寿命短。

为了解决上述问题，中国发明专利申请CN112063173A公开了一种高强度耐寒芳纶纤维同步带及其制备方法，该芳纶纤维同步带由以下原料制备而成：芳纶短纤维、尼龙短纤维、玻璃纤维芯线、四氧化三铁、酚醛树脂、正2,2-二苯甲酰胺基二苯基二硫化物、硼酸钙、二氧化硅、氧化铝、膨润土、羧甲基纤维素钠、硅橡胶。该发明方法充分兼顾各组原料性能，利用磁性材料在外加磁场下引导纤维排序，有效增强原料组分间的协同作用，保证同步带在低温下的良好使用，提高同步带在低温环境中的使用时间。然而，该同步带仍然存在性能稳定性不佳，耐热性和耐老化性能有待进一步提高的缺陷。

因此，本领域仍然需要一种强度大、耐寒性足，耐老化性和耐热性佳，使用寿命长的高强度耐寒芳纶纤维同步带及其制备方法。

发明内容

本发明的主要目的在于解决现有的芳纶纤维同步带存在的阻燃性不足、性能稳定性不佳，耐热性和耐老化性能有待进一步提高的技术问题，提供一种强度大、耐寒性足，耐老化性和耐热性佳，使用寿命长的高强度耐寒芳纶纤维同步带及其制备方法。

为达到以上目的，本发明提供一种高强度耐寒芳纶纤维同步带，其特征在于，包括同步带骨架以及包贴在同步带骨架外面的同步带胶片，所述同步带胶片是由如下按重量份计的各原料制成：芳纶短纤维10-15份、五氧化二磷2-4份、多聚磷酸1-3份、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸6-8份、甲基乙烯基苯基硅橡胶60-70份、引发剂2-5份、偶联剂3-5份、纳米硼纤维3-5份、无机填料10-20份、N-(4-氰基-3-三氟甲基苯基)甲基丙烯酰胺2-5份、聚醚聚酰胺弹性体10-20份、防老剂1-3份。

优选的，所述防老剂为防老剂NBC、防老剂BLE中的至少一种。

优选的，所述聚醚聚酰胺弹性体的来源无特殊要求，在本发明的一个实施例中，所述聚醚聚酰胺弹性体为按中国发明专利CN103403064B中实施例1-1的方法制成。

优选的，所述无机填料为炭黑、白炭黑、氧化石墨烯按质量比1:(3-5):(0.1-0.3)混合形成的混合物；所述无机填料的粒度为1000-1200目。

优选的，所述纳米硼纤维的平均直径为300-500nm，长径比为(10-15):1。

优选的，所述偶联剂为硅烷偶联剂KH550、硅烷偶联剂KH560、硅烷偶联剂KH570中的至少一种。

优选的，所述引发剂为过氧化苯甲酰、过氧化二叔丁基、过氧化二异丙苯按质量比1:(2-4):(1-1.5)混合形成的混合物。

优选的，所述甲基乙烯基苯基硅橡胶为甲基乙烯基苯基硅橡胶IOTA-120。

优选的，所述芳纶短纤维的平均直径为3-10μm，长径比为(15-25):1；在本发明的一个实施例中，所述芳纶短纤维为废旧Kevlar-49短纤维。

本发明的另一个目的，在于提供一种所述高强度耐寒芳纶纤维同步带的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、制备同步带胶片：将甲基乙烯基苯基硅橡胶、聚醚聚酰胺弹性体放入开炼机进行混炼，交替加入芳纶短纤维、纳米硼纤维、偶联剂和无机填料，带包辊后，再加入五氧化二磷、多聚磷酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、引发剂、N-(4-氰基-3-三氟甲基苯基)甲基丙烯酰胺和防老剂，混炼后得到同步带胶片；

步骤S2、制备同步带骨架：将芳纶纤维、玻璃纤维混合后，依次经过清花、梳棉、预并、条卷、精梳、头并、二并及三并工序纺制得到骨架纱线；在模具上均匀地涂一层脱模剂，然后在该模具上套上相应的布套上，吊装于成型主机上，在32N的缠绕应力下缠绕成型，即得到同步带骨架；

步骤S3、成型、硫化：将同步带胶片包贴在同步带骨架上，后置于平板硫化机上硫化，冷却至室温后得到高强度耐寒芳纶纤维同步带。

优选的，步骤S2中所述芳纶纤维、玻璃纤维的质量比为1:(3-5)。

优选的，步骤S3中所述硫化具体为：在温度130-150℃，8-12MPa下硫化2-4min，然后在175-195℃，10-15MPa下硫化1-2h。

由于上述技术方案的运用，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明公开的高强度耐寒芳纶纤维同步带的制备方法，无需专用设备，也无需对现有生产线进行改进，资金投入少，制备工艺简单，操作控制方便，制备效率和良品率高，适合连续规模化生产。

（2）本发明公开的高强度耐寒芳纶纤维同步带，所述同步带胶片是由如下按重量份计的各原料制成：芳纶短纤维6-10份、五氧化二磷2-4份、多聚磷酸1-3份、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸6-8份、甲基乙烯基苯基硅橡胶80-90份、引发剂2-5份、偶联剂3-5份、纳米硼纤维3-5份、无机填料15-25份、N-(4-氰基-3-三氟甲基苯基)甲基丙烯酰胺2-5份、聚醚聚酰胺弹性体10-20份、防老剂1-3份；通过各原料之间的相互作用相互影响，使得制成的同步带强度大、耐寒性足，耐老化性和耐热性佳，使用寿命长。

（3）本发明公开的高强度耐寒芳纶纤维同步带，聚醚聚酰胺弹性体和甲基乙烯基苯基硅橡胶共混作为基材，结合了二者的优点，使得制成的同步带性能优异；聚醚聚酰胺弹性体、芳纶短纤维上的苯环在五氧化二磷和多聚磷酸的催化作用下能与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸上的磺酸基发生化学反应；而2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸上的不饱和烯键又能与甲基乙烯基苯基硅橡胶、N-(4-氰基-3-三氟甲基苯基)甲基丙烯酰胺上的不饱和烯键发生共聚交联反应，使得最终形成互穿网络结构，有效改善改善各原料之间的相容性，避免了相分离和外渗现象的发生，形成有机整体，能改善性能稳定性，延长使用寿命。

（4）本发明公开的高强度耐寒芳纶纤维同步带，通过和原料之间的相互作用相互影响，使得芳纶短纤维以化学键的形式与橡胶基材连接，有效改善了界面活性，使得同步带产品具备了芳纶短纤维赋予的高强度、高耐老化和耐寒性能，且这些性能的稳定性好。

（5）本发明公开的高强度耐寒芳纶纤维同步带，添加纳米硼纤维和无机填料；所述无机填料为炭黑、白炭黑、氧化石墨烯按质量比1:(3-5):(0.1-0.3)混合形成的混合物；这些无机组分相互配合共同作用，不仅与橡胶基材相容性好，且具有更好的增强、耐磨效果。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。

本发明各实施例中所述聚醚聚酰胺弹性体为按中国发明专利CN103403064B中实施例1-1的方法制成。

实施例1

一种高强度耐寒芳纶纤维同步带，包括同步带骨架以及包贴在同步带骨架外面的同步带胶片，所述同步带胶片是由如下按重量份计的各原料制成：芳纶短纤维10份、五氧化二磷2份、多聚磷酸1份、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸6份、甲基乙烯基苯基硅橡胶60份、引发剂2份、偶联剂3份、纳米硼纤维3份、无机填料10份、N-(4-氰基-3-三氟甲基苯基)甲基丙烯酰胺2份、聚醚聚酰胺弹性体10份、防老剂1份。

所述防老剂为防老剂NBC；所述无机填料为炭黑、白炭黑、氧化石墨烯按质量比1:3:0.1混合形成的混合物；所述无机填料的粒度为1000目；所述纳米硼纤维的平均直径为300nm，长径比为10:1。

所述偶联剂为硅烷偶联剂KH550；所述引发剂为过氧化苯甲酰、过氧化二叔丁基、过氧化二异丙苯按质量比1:2:1混合形成的混合物；所述甲基乙烯基苯基硅橡胶为甲基乙烯基苯基硅橡胶IOTA-120；所述芳纶短纤维的平均直径为3μm，长径比为15:1；所述芳纶短纤维为废旧Kevlar-49短纤维。

一种所述高强度耐寒芳纶纤维同步带的制备方法，包括如下步骤：

步骤S1、制备同步带胶片：将甲基乙烯基苯基硅橡胶、聚醚聚酰胺弹性体放入开炼机进行混炼，交替加入芳纶短纤维、纳米硼纤维、偶联剂和无机填料，带包辊后，再加入五氧化二磷、多聚磷酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、引发剂、N-(4-氰基-3-三氟甲基苯基)甲基丙烯酰胺和防老剂，混炼后得到同步带胶片；

步骤S2、制备同步带骨架：将芳纶纤维、玻璃纤维混合后，依次经过清花、梳棉、预并、条卷、精梳、头并、二并及三并工序纺制得到骨架纱线；在模具上均匀地涂一层脱模剂，然后在该模具上套上相应的布套上，吊装于成型主机上，在32N的缠绕应力下缠绕成型，即得到同步带骨架；

步骤S3、成型、硫化：将同步带胶片包贴在同步带骨架上，后置于平板硫化机上硫化，冷却至室温后得到高强度耐寒芳纶纤维同步带。

步骤S2中所述芳纶纤维、玻璃纤维的质量比为1:3。

步骤S3中所述硫化具体为：在温度130℃，8MPa下硫化2min，然后在175℃，10MPa下硫化1h。

实施例2

一种高强度耐寒芳纶纤维同步带，包括同步带骨架以及包贴在同步带骨架外面的同步带胶片，所述同步带胶片是由如下按重量份计的各原料制成：芳纶短纤维11份、五氧化二磷2.5份、多聚磷酸1.5份、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸6.5份、甲基乙烯基苯基硅橡胶63份、引发剂3份、偶联剂3.5份、纳米硼纤维3.5份、无机填料12份、N-(4-氰基-3-三氟甲基苯基)甲基丙烯酰胺2.5份、聚醚聚酰胺弹性体13份、防老剂1.5份。

所述防老剂为防老剂BLE；所述无机填料为炭黑、白炭黑、氧化石墨烯按质量比1:3.5:0.15混合形成的混合物；所述无机填料的粒度为1050目；所述纳米硼纤维的平均直径为350nm，长径比为11:1。

所述偶联剂为硅烷偶联剂KH560；所述引发剂为过氧化苯甲酰、过氧化二叔丁基、过氧化二异丙苯按质量比1:2.5:1.1混合形成的混合物；所述甲基乙烯基苯基硅橡胶为甲基乙烯基苯基硅橡胶IOTA-120；所述芳纶短纤维的平均直径为5μm，长径比为17:1；所述芳纶短纤维为废旧Kevlar-49短纤维。

一种所述高强度耐寒芳纶纤维同步带的制备方法，包括如下步骤：

步骤S1、制备同步带胶片：将甲基乙烯基苯基硅橡胶、聚醚聚酰胺弹性体放入开炼机进行混炼，交替加入芳纶短纤维、纳米硼纤维、偶联剂和无机填料，带包辊后，再加入五氧化二磷、多聚磷酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、引发剂、N-(4-氰基-3-三氟甲基苯基)甲基丙烯酰胺和防老剂，混炼后得到同步带胶片；

步骤S2、制备同步带骨架：将芳纶纤维、玻璃纤维混合后，依次经过清花、梳棉、预并、条卷、精梳、头并、二并及三并工序纺制得到骨架纱线；在模具上均匀地涂一层脱模剂，然后在该模具上套上相应的布套上，吊装于成型主机上，在32N的缠绕应力下缠绕成型，即得到同步带骨架；

步骤S3、成型、硫化：将同步带胶片包贴在同步带骨架上，后置于平板硫化机上硫化，冷却至室温后得到高强度耐寒芳纶纤维同步带。

步骤S2中所述芳纶纤维、玻璃纤维的质量比为1:3.5。

步骤S3中所述硫化具体为：在温度135℃，9MPa下硫化2.5min，然后在180℃，12MPa下硫化1.2h。

实施例3

一种高强度耐寒芳纶纤维同步带，包括同步带骨架以及包贴在同步带骨架外面的同步带胶片，所述同步带胶片是由如下按重量份计的各原料制成：芳纶短纤维13份、五氧化二磷3份、多聚磷酸2份、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸7份、甲基乙烯基苯基硅橡胶65份、引发剂3.5份、偶联剂4份、纳米硼纤维4份、无机填料15份、N-(4-氰基-3-三氟甲基苯基)甲基丙烯酰胺3.5份、聚醚聚酰胺弹性体15份、防老剂2份。

所述防老剂为防老剂NBC；所述无机填料为炭黑、白炭黑、氧化石墨烯按质量比1:4:0.2混合形成的混合物；所述无机填料的粒度为1100目；所述纳米硼纤维的平均直径为400nm，长径比为13:1。

所述偶联剂为硅烷偶联剂KH570；所述引发剂为过氧化苯甲酰、过氧化二叔丁基、过氧化二异丙苯按质量比1:3:1.3混合形成的混合物；所述甲基乙烯基苯基硅橡胶为甲基乙烯基苯基硅橡胶IOTA-120；所述芳纶短纤维的平均直径为7μm，长径比为20:1；所述芳纶短纤维为废旧Kevlar-49短纤维。

一种所述高强度耐寒芳纶纤维同步带的制备方法，包括如下步骤：

步骤S1、制备同步带胶片：将甲基乙烯基苯基硅橡胶、聚醚聚酰胺弹性体放入开炼机进行混炼，交替加入芳纶短纤维、纳米硼纤维、偶联剂和无机填料，带包辊后，再加入五氧化二磷、多聚磷酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、引发剂、N-(4-氰基-3-三氟甲基苯基)甲基丙烯酰胺和防老剂，混炼后得到同步带胶片；

步骤S2、制备同步带骨架：将芳纶纤维、玻璃纤维混合后，依次经过清花、梳棉、预并、条卷、精梳、头并、二并及三并工序纺制得到骨架纱线；在模具上均匀地涂一层脱模剂，然后在该模具上套上相应的布套上，吊装于成型主机上，在32N的缠绕应力下缠绕成型，即得到同步带骨架；

步骤S3、成型、硫化：将同步带胶片包贴在同步带骨架上，后置于平板硫化机上硫化，冷却至室温后得到高强度耐寒芳纶纤维同步带。

步骤S2中所述芳纶纤维、玻璃纤维的质量比为1:4。

步骤S3中所述硫化具体为：在温度140℃，10MPa下硫化3min，然后在185℃，13MPa下硫化1.5h。

实施例4

一种高强度耐寒芳纶纤维同步带，包括同步带骨架以及包贴在同步带骨架外面的同步带胶片，所述同步带胶片是由如下按重量份计的各原料制成：芳纶短纤维14份、五氧化二磷3.5份、多聚磷酸2.5份、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸7.5份、甲基乙烯基苯基硅橡胶68份、引发剂4.5份、偶联剂4.5份、纳米硼纤维4.5份、无机填料18份、N-(4-氰基-3-三氟甲基苯基)甲基丙烯酰胺4.5份、聚醚聚酰胺弹性体18份、防老剂2.5份。

所述防老剂为防老剂NBC、防老剂BLE按质量比3:5混合形成的混合物；所述无机填料为炭黑、白炭黑、氧化石墨烯按质量比1:4.5:0.25混合形成的混合物；所述无机填料的粒度为1150目；所述纳米硼纤维的平均直径为450nm，长径比为14:1。

所述偶联剂为硅烷偶联剂KH550、硅烷偶联剂KH560、硅烷偶联剂KH570按质量比1:2:3混合形成的混合物；所述引发剂为过氧化苯甲酰、过氧化二叔丁基、过氧化二异丙苯按质量比1:3.5:1.4混合形成的混合物；所述甲基乙烯基苯基硅橡胶为甲基乙烯基苯基硅橡胶IOTA-120；所述芳纶短纤维的平均直径为9μm，长径比为23:1；所述芳纶短纤维为废旧Kevlar-49短纤维。

一种所述高强度耐寒芳纶纤维同步带的制备方法，包括如下步骤：

步骤S1、制备同步带胶片：将甲基乙烯基苯基硅橡胶、聚醚聚酰胺弹性体放入开炼机进行混炼，交替加入芳纶短纤维、纳米硼纤维、偶联剂和无机填料，带包辊后，再加入五氧化二磷、多聚磷酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、引发剂、N-(4-氰基-3-三氟甲基苯基)甲基丙烯酰胺和防老剂，混炼后得到同步带胶片；

步骤S2、制备同步带骨架：将芳纶纤维、玻璃纤维混合后，依次经过清花、梳棉、预并、条卷、精梳、头并、二并及三并工序纺制得到骨架纱线；在模具上均匀地涂一层脱模剂，然后在该模具上套上相应的布套上，吊装于成型主机上，在32N的缠绕应力下缠绕成型，即得到同步带骨架；

步骤S3、成型、硫化：将同步带胶片包贴在同步带骨架上，后置于平板硫化机上硫化，冷却至室温后得到高强度耐寒芳纶纤维同步带。

步骤S2中所述芳纶纤维、玻璃纤维的质量比为1:4.5。

步骤S3中所述硫化具体为：在温度147℃，11MPa下硫化3.5min，然后在192℃，14MPa下硫化1.8h。

实施例5

一种高强度耐寒芳纶纤维同步带，包括同步带骨架以及包贴在同步带骨架外面的同步带胶片，所述同步带胶片是由如下按重量份计的各原料制成：芳纶短纤维15份、五氧化二磷4份、多聚磷酸3份、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸8份、甲基乙烯基苯基硅橡胶70份、引发剂5份、偶联剂5份、纳米硼纤维5份、无机填料20份、N-(4-氰基-3-三氟甲基苯基)甲基丙烯酰胺5份、聚醚聚酰胺弹性体20份、防老剂3份。

所述防老剂为防老剂NBC；所述无机填料为炭黑、白炭黑、氧化石墨烯按质量比1:5:0.3混合形成的混合物；所述无机填料的粒度为1200目；所述纳米硼纤维的平均直径为500nm，长径比为15:1。

所述偶联剂为硅烷偶联剂KH570；所述引发剂为过氧化苯甲酰、过氧化二叔丁基、过氧化二异丙苯按质量比1:4:1.5混合形成的混合物；所述甲基乙烯基苯基硅橡胶为甲基乙烯基苯基硅橡胶IOTA-120；所述芳纶短纤维的平均直径为10μm，长径比为25:1；所述芳纶短纤维为废旧Kevlar-49短纤维。

一种所述高强度耐寒芳纶纤维同步带的制备方法，包括如下步骤：

步骤S1、制备同步带胶片：将甲基乙烯基苯基硅橡胶、聚醚聚酰胺弹性体放入开炼机进行混炼，交替加入芳纶短纤维、纳米硼纤维、偶联剂和无机填料，带包辊后，再加入五氧化二磷、多聚磷酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、引发剂、N-(4-氰基-3-三氟甲基苯基)甲基丙烯酰胺和防老剂，混炼后得到同步带胶片；

步骤S2、制备同步带骨架：将芳纶纤维、玻璃纤维混合后，依次经过清花、梳棉、预并、条卷、精梳、头并、二并及三并工序纺制得到骨架纱线；在模具上均匀地涂一层脱模剂，然后在该模具上套上相应的布套上，吊装于成型主机上，在32N的缠绕应力下缠绕成型，即得到同步带骨架；

步骤S3、成型、硫化：将同步带胶片包贴在同步带骨架上，后置于平板硫化机上硫化，冷却至室温后得到高强度耐寒芳纶纤维同步带。

步骤S2中所述芳纶纤维、玻璃纤维的质量比为1:5。

步骤S3中所述硫化具体为：在温度150℃，12MPa下硫化4min，然后在195℃，15MPa下硫化2h。

对比例1

本发明提供一种高强度耐寒芳纶纤维同步带，其配方和制备方法与实施例1相似，不同的是没有添加聚醚聚酰胺弹性体。

对比例2

本发明提供一种高强度耐寒芳纶纤维同步带，其配方和制备方法与实施例1相似，不同的是没有添加2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸。

为了进一步说明本发明各实施例制成的高强度耐寒芳纶纤维同步带的有益技术效果，对实施例1-5及对比例1-2制成的高强度耐寒芳纶纤维同步带进行相关性能测试，测试结果见表1，测试方法如下：邵尔A硬度按GB/T531-1999测定；拉伸强度按GB/T528-2009测定，拉伸速率100mm/min；耐老化性能是将各例产品置于85℃的热空气中人工加速老化150小时后，冷却至常温，测试并计算常温下拉伸强度的保留率，保留率数值越大，表明耐热老化性能越好。耐低温性能是是将各例产品置于-30℃下56小时后，恢复至常温，测试并计算常温下拉伸强度的保留率，保留率数值越大，表明耐寒性能越好。

表1

从表1可见，本发明实施例公开的高强度耐寒芳纶纤维同步带，与对比例产品相比，具有更加优异的机械力学性能、耐低温性能和耐热老化性能，这是各原料协同作用的结果；聚醚聚酰胺弹性体、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的加入均有利于改善上述性能。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。