CN100436861C - 用于减少凸轮轴的角向振动的方法 - Google Patents

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Abstract

一种动力传送带(10)，更具体地说一种有齿的动力传送带，包括一个在纵向上延伸的抗拉体(18)，所述抗拉体(18)包括一根或多根碳纤维帘线，其中在48小时后于100℃下进行高温皮带增长分析时，皮带显示不大于原始长度为基础的0.1%，一种用于生产这种皮带的方法显示减少的皮带增长，和一种方法用于减少内燃机中凸轮轴相对于曲线的角振动，其中凸轮轴由正时皮带驱动。

Description

用于减少凸轮轴的角向振动的方法
技术领域
本发明涉及动力传送带，其中包括V形皮带、多V肋式皮带和有齿动力传送带，更具体地说，涉及这类皮带，所述皮带包括一个纵向上延伸的抗拉体，所述抗拉体包括一根或多根帘线，上述帘线的至少其中之一由一种碳纤维纱线形成；涉及一种有齿的皮带，所述有齿的皮带用于在汽车内燃机中提供活塞-阀的同步作用；和涉及一种方法，所述方法用于减少内燃机中凸轮轴相对于曲轴的角振动，在上述内燃机中凸轮轴由有齿的皮带驱动。
背景技术
动力传送带通常用来如在滑轮之间传送动力。它们可以经受在正常运行期间的温度和载荷上的两个极端情况。由于它们的复合结构，其中包括两个较低模量硫化的弹性体主体部分和一个较高模量的抗拉体限定皮带的主承载零部件，和按常规实施的载荷和温度的两个极端情况，所以要求每个零部件部分高度持久耐用、灵活性和一致性。
更普遍但不是唯一与利用有齿的皮带有关的一个具体问题是皮带增长问题，所述皮带增长问题构成皮带的永久变形，并且由于延长操作、极端的动态载荷、极端温度、不合适的零部件选择或者上述情况的组合的结果而可能发生。尤其是，如果包围抗拉体的材料耐热不足，则在一比较高的温度下工作可以使那些材料脆化，以致它们不再有效地将抗拉体粘合到周围皮带主体上，从而导致皮带抗拉强度下降并导致快速皮带增长。这种皮带的永久变形导致不合适的齿槽相互作用、拉伸断裂和最终导致拉力帘线的灾难性损坏。
在橡胶复合制品中加入碳纤维作为增强材料，由于它具有比常规纤维比如玻璃帘线高的模量，所以对某些应用有改善性能的可能性。然而迄今为止，还没有充分解决将纤维粘合到周围弹性体部分上来延长工作寿命和相关的问题。美国专利编号5,807,194公开了利用碳纤维作为有齿的动力传送带结构中的拉力帘线，上述有齿的动力传送带结构具有聚氨酯皮带主体部分。那种专利公开限于具有帘线处理组分的碳纤维帘线，上述帘线处理组分可供它加入皮带复合结构内用，它包括在皮带铸造过程中粘着各种聚氨酯皮带材料本身不同量的帘线。聚氨酯材料本身的可铸造性质，亦即它在硫化步骤之前的液体形式，可使聚氨酯围绕碳纤维和在它们之间的间隙内流动。然而上述专利公开不能应用于包括不可铸造的弹性体皮带主体部分的皮带结构，比如氢化丁腈橡胶(“HNBR”)和氯丁橡胶(“CR”)。
通过汽车发动机实施的供在驱动内燃机中一个凸轮轴时使用的有齿的皮带面临影响它们使用寿命的具体问题。正在运转的发动机及其每个单独部件，由于旋转式发动机部件和往复式发动机部件之间的不平衡和轴的角振动二者的结果而对发动机系统的振动产生影响，上述轴的角振动是重复的燃烧脉冲亦即每个汽缸点火的结果，上述重复燃烧脉冲在曲轴和凸轮轴上产生角力。这种振动涉及正时皮带的疲劳断裂。尤其是在用同步皮带来驱动多个部件的情况下和/或由柴油发动机所实施的干涉式发动机中，其中在阀和活塞之间有很小的间隙，正时皮带的断裂可能引起严重的和代价高的发动机损坏。
发明内容
为了解决上述凸轮轴和曲轴上产生的角力给发动机带来的后果，本发明提供了一种用于减少内燃机中凸轮轴相对于曲轴角向振动的方法，其中凸轮轴由一种有齿的皮带驱动，上述有齿的皮带包括一个硫化的弹性体主体部分和一个抗拉体，所述抗拉体由一种螺旋式卷绕的埋置于皮带中的帘线形成；一种帘线处理组分包括一种弹性体胶乳，所述弹性体胶乳涂装上述帘线的其中至少一部分，其特征在于，上述方法包括以下步骤：a.对上述帘线选定至少一种包括碳纤维的纱线；b.将一种间苯二酚-甲醛反应产物加入上述帘线处理组分中；c.将上述帘线处理组分在20℃温度下的弹性模量选定在1.0×107达因/cm2-5.0×108达因/cm2范围内，在100℃温度下的弹性模量选定在5.0×106达因/cm2-4.0×108达因/cm2范围内；d.将上述帘线处理组分涂布到帘线上以便形成一种经过处理的帘线；e.将经过处理的帘线施加到一种未硫化的弹性体组分中以便形成一种组件；f.将组件硫化以形成上述有齿的皮带；以及g.将所述有齿的皮带安装到所述内燃机上，其中所述凸轮轴由所述有齿的皮带驱动，从而减少所述凸轮轴相对于所述曲轴的角向振动。
优选地，经过硫化的弹性体皮带主体部分包括从下列弹性体中选定的至少一种弹性体：a.氢化丁腈橡胶弹性体；b.氯丁橡胶；c.丁腈橡胶；d.丁苯橡胶；e.烷基化氯磺化聚乙烯；f.氯甲代氧丙环；g.丁二烯橡胶；h.聚异戊二烯；和i.乙烯α-烯烃弹性体。
优选地，上述弹性体皮带主体部分还包括0.5-20％/重量份数的上述纤维的弹性体。
优选地，上述帘线处理组分的弹性体胶乳是从下述胶乳中选定的至少一种：a.氢化丁腈橡胶胶乳；b.丁腈橡胶胶乳；c.羧基氢化丁腈橡胶胶乳；d.羧基丁腈橡胶胶乳；e.乙烯基吡啶/丁苯橡胶胶乳；f.羧基乙烯基吡啶/丁苯橡胶胶乳；g.丁苯橡胶胶乳；h.氯磺化聚乙烯橡胶胶乳；i.乙烯α-烯烃橡胶胶乳。
优选地，所述方法还包括将上述经过处理的帘线暴露于一种条件下的步骤，上述条件足以使上述帘线处理组分中的水分含量按重量计占上述经过处理的帘线重量小于50％，以便形成一种经过加工处理的帘线。
优选地，上述条件包括一个温度和暴露于上述温度下的时间，并且使上述水分含量按重量计小于30％。
优选地，使水分含量达到按重量计在1-25％范围内的水平。
优选地，上述帘线处理组分涂布到上述碳纤维上，以使在上述碳纤维上的粘着水平达到在最终干基纤维重量的5.5-30％范围内。
优选地，所述方法还包括将包括橡胶织物粘合剂的罩面层涂布到上述经过处理的帘线上。
优选地，所述方法还包括选择上述碳纤维纱线的步骤，以便具有单丝总数是在1000-24000范围内；和选定上述帘线以便具有单丝总数是在5000-24000范围内。
优选地，上述皮带还包括一种沿着皮带背面和皮带有齿表面的至少其中之一设置的织物覆盖元件。
附图说明
本发明的另一些特点和优点在看了附图及其说明后，将变得显而易见，其中：
图1是横截面部分切去的局部纵向剖视图，示出按照本发明所述的皮带具有埋置的帘线和皮带齿；
图2是用来表征本发明一种情况的试验结构示意图；和
图3是用来表征本发明另一种情况的电动机带动的发动机试验结构的示意图。
具体实施方式
参见图1，图1一般示出本发明的皮带10，所述皮带10取一种有齿的动力传送带的形式。皮带10包括一个主体12，所述主体12由任何合适的经过硫化的弹性体组成形成，皮带10具有皮带齿14，所述皮带齿14由主体12形成并以齿距P间隔开。皮带的齿和/或相对的背面任选地用一种耐磨织物16覆盖，如图1所示和如该技术中已知的，上述耐磨织物16分别沿着皮带齿的圆周表面和/或沿着皮带背面的圆周表面设置。皮带背面织物及其使用的一些非限制性例子在德国专利No.DE 10029470C2中举例说明，其内容包括在本文中作为参考文献。在这个图示的实施例中，螺旋式卷绕的帘线的抗拉体18埋在皮带主体12中。
为了在皮带主体弹性体组成中利用，可以应用任何合适的和/或常规弹性体类型，其中包括可铸造的弹性体和不可铸造的弹性体二者及还有热塑性弹性体。作为不可铸造的弹性体，有利的是可以应用HNBR、CR、丁腈橡胶(“NBR”)、丁苯橡胶(“SBR”)、烷基化氯磺化聚乙烯(“ACSM”)、氯甲代氧丙环、丁二烯橡胶(“BR”)、天然橡胶(“NR“)和乙烯α-烯烃弹性体如三聚乙丙橡胶(“EPDM”)和乙丙共聚物(“EPM”)、或者上述物质其中任何两种或多种的组合。
作为适合用作按照本发明所述皮带的皮带主体弹性体的可铸造弹性体，作为非限制性例子可以提到尿烷类、尿烷/尿素类和尿素类。对于可铸造的弹性体，主体用一种液态皮带材料铸成，上述液态皮带材料当硫化时具有动力传送带所需的必要物理特性。例如，材料可以具有如由Westhoff申请的美国专利No.4,838,843、由Patterson等人申请的美国专利No.5,112,282、其中之一，或者由WU等人申请的WIPO专利公报No.96/02584(1996年2月1日)中所公开的性能。
可以利用常规弹性体组成添加剂(其中包括填料类、硫化剂类、活化剂类、加速剂类、防焦剂类、稳定剂类、抗氧化剂类、抗臭氧剂类和增塑剂类)与弹性体成分本身结合，以便形成动力传送带主体部分，总之按常规应用于这个目的。本发明的皮带可以如图1和2所示是有齿的，但也可以取一种V形皮带或者一种多V形肋式皮带，上述皮带可以用已知的粘带技术制造，任何数的皮带该技术的技术人员都很容易理解。在美国专利Nos.3,138,962；3,200,180；4,330,287；和4,332,576中公开了动力传送带的一些例子，其中包括有齿的或同步皮带、V形皮带、和多V形肋式皮带。在美国专利Nos.3,200,180；3,772,929和4,066,732中公开了用于生产这类皮带的方法的一些例子。尤其是在下列美国专利：由Case申请的2,507,852；由Geist等人申请的3,250,653；和由Skura申请的3,078,206中介绍了另一些用于形成有齿皮带的方法，上述每种方法的内容都包括在本文中作为参考文献。这些专利参考文献仅是各种类型动力传送带及其现有技术水平形成技术的例子。
供在皮带主体部分中应用的弹性体组成可以任选地包括如该技术中众所周知利用这些常规材料的纤维，如间芳族聚酰胺、对芳族聚酰胺、聚酯、聚酰胺、棉花、人造丝和玻璃、及上述材料中任两种或两种以上的组合。纤维可以制成原纤维或者浆化，如在可能用于规定纤维类型的技术中众所周知的，以便增加它们的表面积，或者它们可以切断或取一定长短纤维的形式。纤维可以是具有长度是在约0.1-约10mm范围内，并可以随意用一种胶粘剂处理组分进行处理，以便增加它们与弹性体的粘合力。合适的纤维含量范围随特定的皮带主体弹性体类型、纤维类型和预定的应用而变，但在本发明的实际操作中可以应用按重量计高达最终硫化的弹性体组成50％的任何含量范围。可供选择地，合适的纤维含量范围可以是在约0.5-约20phr(每100份橡胶中的份数)；或者约0.9-约10.0phr；或者约1-约5phr范围内。
在皮带的外层中可以随意地形成许多横向取向的槽20。尽管不是必要的，但槽20减轻了皮带的重量，并且在某些应用中或者在某些情况下，尤其是其中利用一种可铸造的材料来形成皮带主体时，可以增加皮带挠性。
由皮带主体所形成的间隔开的齿14可以具有任何所希望的横截面形状，如梯形、曲线形、或者截短的曲线形。曲线式齿形状的一些例子在由Miller申请的美国专利No.3,756,091、由Cathey等人申请的美国专利No.4,515,577和由Westhoff申请的美国专利No.4,605,389中出现。
因为优选的耐磨织物16设置在皮带背面和皮带齿的周边表面的其中一个或二者处用于增加齿的剪断强度，尤其是在可铸造的皮带结构中用于减少当进入链轮槽中时皮带齿的粘着性，所以可以应用任何合适的或常规的材料，其中包括卷曲的尼龙、棉花、大麻、黄麻、芳族聚酰胺、聚酯、和玻璃纤维。可以应用一层以上织物。如果希望的话，织物可以斜切，以便各股与皮带前进方向形成一个角度。织物可以具有任何所希望的结构，如一种常规的包括经线和纬线成任何所希望的角度的编织法、或者可以包括纬纱帘线或一种针织或编织的结构或类似物。
在这个图示的实施例中，取一种帘线形式的抗拉体18以并排间隔开的方式成螺旋形跨过皮带的宽度盘旋。在本发明的非限制性实施例中，帘线可以占据皮带宽度的约75-约95％，而优选的是占据皮带宽度的约80-约92％。
包括抗拉体的帘线包括多个扭绞式和/或成束的纱线，至少其中之一包括任何合适类型的碳纤维纱。在本文和整个公开内容中，术语“纤维”和“长丝”可以互换式使用，以便表示一种具有小横截面直径比如4-7μm和长度至少约为它直径1000倍的材料，但一般具有非常大或甚至无限的长度；并且上述纤维形成纱线的基本要素。术语“纱线”在本文和整个公开内容中用来表示至少两根，但一般对于碳纤维纱，表示1000或1000根以上的纤维，上述纤维铺放和/或扭绞和/或用别的办法成束在一起成一连续的绞股线，以便形成一根帘线的一个组分。术语“帘线”在整个这个分开内容中用来表示一股或多股纱线的产品，上述一股或多股纱线可以加捻，如该技术中已知的，并且此处两股或多股纱线可以另外铺放和/或成束和/或加捻在一起。
供在本发明一个实施例实际操作中使用的示例性碳纤维已在例如上述美国专利No.5,807,194中公开，在本发明的实施例实际操作可以应用的碳纤维类型、结构和表示方法方面，上述专利的内容包括在本文中作为参考文献。碳纤维一般通过碳化另一种纤维如聚丙烯腈纤维制成，其中在碳化过程中纤维的直径显著减小。由一根或多根碳纤维所形成的纱线可以具有例如单位长度的质量为约66tex(特)-约1650tex，和单丝总数(亦即每根纱线的单根碳纤维数)为约1000-约24000。供按照本发明用的碳纤维具有抗张模量是在约50GPa(千兆帕)-约350GPa范围内；优选的是在约100GPa-约300GPa范围内；而最优选的是在约150GPa-约275GPa范围内，如按照ASTM D4018所测定的。在本发明的一些实施例中，单根碳纤维的横截面直径是在约4-约7μm范围内，在动力传送带中所用的帘线的单丝总数可以是在约5000-约24000范围内。在另一些实施例中，帘线的单丝总数可以是在约9000-约15000范围内。如该技术中众所周知的，碳纱和由其形成的帘线可以用其中所包含的纤维数表征，而不是用旦或者分特表征。利用数字和字母“K”的命名来表示纱线中的碳纤维数。因此，在一“3K”碳纤维纱中，“K”是“1000纤维”的省略表示，而“3”的乘数。因此“3K”碳纱标志有3000纤维或单丝的纱。另外在帘线的命名方面，例如在一种“3K-5”碳纤维纱中，“5”表示5个“3K”纱线加捻和/或用别的方法成束在一起，以便因此形成具有单丝总数为15000的纱。在本发明的一些实施例中，碳纤维帘线包括适合于规定应用的任何纱线的组合，其中包括但不限于：6K-1；3K-3；6K-2；12K-1；3K-4；3K-5；6K-3和6K-4。
适合于在实施本发明时使用的碳纤维的非限制性例子在市场上可购买Toray制造的商品名称为TORAYCA-T400HB6K40D和TORAYCA-T700GC 12K41E；而类似材料也可以以前通过BP AmocoChemicals Co，目前通过Cytec Carbon Fibers LLC购买，商品名称为T-650/35 6K 309NT和T 650/35 12K 309NT。
纤维制造者通常用一种胶料涂装纤维，上述胶料一般是当把纤维加工或纱线或者绕到线轴上时防止断裂和/或在帘线处理情况下便于润湿纤维和由其形成的纱线。在某些情况下，胶料因此可以具有一种化学结构，所述化学结构适合于涂布到纱线和/或单丝上的帘线处理溶液，用于将经过处理的帘线加入动力传送带中，并因此可以例如是一种水基或溶剂基环氧溶液。在整个本公开内容中，都用术语“胶料”来表示一般是涂布到一种纱线和/或纱单丝上的薄膜，其含量范围为0.2-2.0％干重，亦即基于经过干燥的重量，那样处理纱线或单丝，亦即胶料已涂布于其上的经过干燥的纱线或单丝，以便起如上所述的作用。
按照本发明的一个实施例，将一种RFL组成，亦即还包括一种间苯二酚-甲醛反应产物的弹性体胶乳组成作为一种帘线处理溶液涂布到至少一部分纱线和/或其中一个或多个碳单丝上。在整个本发明公开内容中，利用术语“帘线处理溶液”来表示一种材料，所述材料涂布到一根纱线和/或纱线单丝(它可以或者可以不包括胶料)上并至少位于一部分纱线和/或纱线单丝表面上和一个或多个空隙的至少一部分内，上述空隙在这些单丝和帘线的纱线之间形成，上述帘线通过成束和/或加捻和/或这种帘线经过处理的纱线其它组合或结构形成；并以大于那样处理过的帘线最终重量2.0％的含量范围涂布到这些纱线和/或纱线单丝上。
作为RFL成分，任何合适的材料都可以应用。在RFL溶液中的间苯二酚-甲醛树脂份额优选的是占干基重量的约2-约40％，同时胶乳的份额占约60-约98％。优选的是，间苯二酚-甲酚树脂份额占干基重量5-30％，而胶乳份额占干基重量70-95％。现已发现，在本发明的实施例中，这个比例可供充分浸入各种碳纤维单丝中用，以便减少其磨损和断裂，而同时保持完成常规应用的加捻和成缆操作所必需的足够挠性，并对于本文所述的本发明具体实施例，在下面更详细加以说明。然而，不考虑所用的间苯二酚-甲醛树脂和胶乳的具体份额或者所达到的粘着水平，现已发现，在本发明的实际操作中，帘线处理溶液的固体含量范围应引导并保持在一点处，其中RFL溶液在处理过程中保持十分稳定。
RFL溶液中的胶乳成分可以是任何合适的类型，其中包括HNBR、NBR、羧基HNBR、羧基NBR、乙烯基吡啶/丁苯橡胶(“VP/SBR”)、羧基VP/SBR、SBR、氯磺化聚乙烯(“CSM”)、乙烯α-烯烃型弹性体如乙-丙二烯三元共聚物(“EPDM”)和乙丙共聚物(“EPM”)、或者上述成分其中两种或多种的组合。在一个优选实施例中，胶乳成分是一种羧基HNBR类型，并可以包括按重量计比其它弹性体类型少量至高达相等的量或比例或者多于其它的弹性体类型，上述其它弹性体类型包括乙烯α-烯烃型弹性体如EPDM或EPM。乙烯α-烯烃弹性体可以单独使用或其任何两种或多种组合使用，以便改善最终皮带的低温操作性能，如低温挠性。
按照本发明的一个实施例，将适量的帘线处理溶液涂布到纱线上足以涂装至少一部分纱线表面和涂布在至少一部分其各单根纤维之间所形成的间隙内。在本发明的一些实施例中，帘线处理溶液粘着水平达到干重占那种经过处理的帘线最终重量在约5.5％-约30％范围内；优选的是在约7％-约25％范围内；和更优选的是在约7.5％-约24％范围内。
在本发明的一个实施例中，将包括至少一根碳纤维的无捻(亦即未加捻)的碳纤维纱线或纱束浸入含有RFL帘线处理溶液的浸渍槽中；将这种经过浸渍的纤维纱线干燥；此后将纱或纱束加捻到一适当的结构，用于所用的具体帘线类型，和利用如上所述的任何常规或合适的方法，将经过这样涂装的帘线加到皮带结构中，上述经过这样涂装的帘线可以任选地包括一种另外的涂布到帘线表面上的合适帘线胶粘剂罩面层。在本文和整个这个公开内容中，利用术语“罩面层”来表示一种涂布到帘线表面上，但一般不残留在其各个纱线和/或纤维之间的间隙内的材料；一般含量范围是在干重占那样经过处理的帘线最终重量的约1％-约10％的范围内，这样起到有助于经过处理的帘线粘合到周围皮带材料上的作用。
在本发明的一种非限制性实施例中，在实施帘线处理步骤时，帘线处理溶液能在纱线内渗透，并渗透到在纱线的各个纤维和纤维本身之间所形成的间隙内，以便在帘线处理溶液涂布到纱线和/或纱线中一根或多根纤维之后，覆盖尽可能多的纱线的单丝，其中包括在纱线芯处的那些单丝。任何合适的方法都可以使RFL在帘线中的帘线处理溶液粘着量达到最大，但在本发明的实际操作中不一定应用。然而，在一个实施例中，上述涂装过程此外包括通过展开它们包括的单丝打开碳纱的步骤，所述步骤最晚在浸渍步骤期间进行，以便每根纤维在浸渍步骤能够进行时有一增加的面积。这种纱线的打开或展开可以由任何合适的操作形成。
按照本发明的一个实施例，令人惊奇地发现，若通过控制一个或多个变量选定RFL帘线处理溶液的弹性模量，可以对具体的动力传送带结构进行优化，以便产生一种皮带，所述皮带当在48小时后于100℃下进行高温皮带增长分析中测量时，阻止减少的永久皮带增长，如下面进一步说明的。
按照本发明一个实施例所述的RFL帘线处理溶液的模量选择可以用许多方法实现，上述方法包括：调节帘线加工条件，其中包括帘线暴露的温度和/或在处理过程中经过帘线处理溶液浸渍的纱线暴露时间(以后称之为“加工条件”)；加比较少量的填料如炭黑到用于在碳纤维中浸渍的RFL帘线处理溶液中；控制RFL中的甲醛∶间苯二酚的重量比；控制RFL中的间苯二酚甲醛树酯∶胶乳的重量比；加少量常规抗氧化剂的水分散体到帘线处理溶液中，选定用于RFL的胶乳类型，和加结块的异氰酸盐到RFL中。
现已令人惊奇地发现，按照本发明的一个实施例，通过将用作按照本发明所述的碳纤维的帘线处理溶液的RFL组成的弹性模量控制到一个最佳水平，得到皮带增长显著减少。此外目前可以认为，在使永久皮带增长减至最少方面，对具有一拉伸模量的碳纤维来说，最佳的RFL弹性模量是在一特定水平处。尽管不打算与任何特定的理论结合，但目前可以认为，对任何类型的动力传送带抗拉体来说，有一最佳的帘线处理溶液弹性模量，上述弹性模量导致那种结构的最小永久皮带增长值。
此外，现已发现，经过处理的帘线加工条件，亦即在涂布RFL溶液之后帘线暴露的高温和暴露时间的至少其中之一可以控制，同时对帘线的水分含量、它的刚挺度和最终的皮带抗皮带增长能力有相当大的影响，如下面所提供的一些例子和伴随的说明所述。例如在暴露温度或时间方面目前认为对规定的RFL组成和/或帘线类型来说太低，而同时经过处理的帘线残留(亦即加工后)水分含量不一定影响RFL组成的弹性模量，保持在帘线束内的过量水分可以防止RFL完全或均匀地覆盖或结合到抗拉体、它的纱线、纤维和间隙上。这又可以认为降低了RFL在改善皮带的耐皮带增长性时的效率。相反，在对一具体的RFL组成和/或帘线类型暴露温度或时间太高方面，可以认为产生不希望有的低水分含量和/或RFL组成的胶乳部分变质和相应地造成高的帘线刚挺度，因而使RFL帘线处理组分的有效弹性模量增加到不希望有的高水平，在所述高水平处产生脆性及其上述有关的问题。
实施例1
为了说明本发明的效果，形成若干有齿的皮带，每个有齿的皮带都具有一19mm的顶部宽度和97个齿(齿距为9.525mm)和测量长度为932.925mm，并包括由两根碳纤维纱线形成的基本上相同的HNBR皮带主体部分和一个抗拉体，每个碳纤维纱都具有拉伸模量为250GPa，单位长度的质量为396tex和单丝总数约为6000，购自日本的Toray，商标名称为TORAYCA-T400HB 6K 40D。各皮带在具体的RFL帘线处理组分和/或涂布到抗拉帘线上的RFL帘线处理溶液的加工条件(包括干燥温度和/或暴露时间)，如下面表2中所述。在表2中所述的每个下面例子和对照例中，无论是如上所述或如表2所述的进一步修改，都应用表1中所描述的共用羧基HNBR基耐高温RFL溶液，(以后称之为“X-HNBR RFL组成”)
表1
X-HNBR RFL组成
  材料   重量份数   重量百分数(湿基)
  去离子水   88   21.03
  氨水(20.5％，水溶液)   4   0.96
  间苯二酚，甲醛树脂(75.0％，水溶液)<sup>1</sup>   10   2.39
  羧基HNBR胶乳(40％固体)<sup>2</sup>   286   68.35
  甲醛(37.0％溶液)   3.2   0.77
1由Indspec Chemical提供的PENACOLITE树脂R-2170
2由Nippon Zeon提供的ZETPOL B
为了形成表1中所描述的HNBR RFL，加氨水到水中并搅拌至混合完全。然后，加间苯二酚/甲醛树脂到这样形成的溶液中并混合至树脂完全溶解。按需要补加氨水调节产生的树脂混合物至最终pH为至少9.0。然后将这种树脂混合物加到羧基HNBR胶乳中并混合至混合完全。那时，在搅拌下加甲醛到溶液中并将最终溶液充分混合。然后使混合物老化至少两小时，并按需要用氨水调节溶液的pH至最终pH为9.0。在用作帘线处理溶液之前进一步老化16小时。
除了表1中所列的成分之外，在表2中所列的具体例子和对照例中所用的X-HNBR RFL还包括湿重为4.3％(按重量计18份)的由Heveatex生产的含45％固体HEVEAMUL M-111b蜡分散体，湿重为6.50％(按重量计27.2份)的41％尿素水溶液，和湿重为2％(按重量计8.4份)的抗氧化剂，上述抗氧化剂由Goodyear Chemical Co.生产，商品名为AQUANOX 29。这三种成分亦即蜡、尿素和抗氧化剂在按照本发明所述的RFL溶液中不需要，但可以任选地用作过程助剂和/或在抗氧化剂情况下，用来改变不涉及本发明范围的性能。
对例4和6及对照例5其中的每一个，在组成于这一步骤老化16小时之后，将表2所示的相应量炭黑在混合下加到X-HNBR RFL中。在表2中所指出的地方，下面说明中所用的炭黑类型是购自J.C.GaddCo.的35％固体分散体，商品名为BLACK SHIELD No.4。然而，在本发明的实际操作中，当用炭黑来增加RFL溶液的弹性模量时，任何常规的或者合适的增强类型都可以应用，并且它可以在任何RFL制造的常规步骤下，比如在加入胶乳的情况下加到溶液中。
为了测定用作表2中所描述的皮带中帘线处理溶液的X-HNBRRFL组成的弹性模量，使相应组成的薄膜样品经受动态力学分析。除了表1中所列的成分之外，每个X-HNBR组成都包括上述抗氧化剂的2％湿基重量组成。
在包括所附权利要求书的整个本发明公开内容，当应用到RFL组成或帘线处理组分时，都用术语“弹性模量”来表示有关组成处于其基本上是干燥状态按照下面所述的操作手续得到的弹性模量。这与这种组成以其最终形式在抗拉帘线的间隙之上、间隙周围和间隙内的弹性模量是有区别的，其中胶乳或其它来源中的任何残留水分如果不在各加工步骤中基本上排除的话，则可能导致降低组成的有效弹性模量；或者经过处理的帘线暴露到过高温度下延长的时间可能导致组成品质恶化，尤其是对于应用耐低热的胶乳的那些组成比如VP/SBR更是如此。
在这种分析中得到弹性模量值的RFL组成中，既不用尿素也不用蜡分散体，上述尿素和蜡分散体在每个帘线处理溶液中都应用。这种修改可以认为不影响相应RFL组成的最终弹性模量。尤其是，在每种情况下都使用相同的弹性体胶乳；在RFL组成中甲醛与间苯二酚的重量比在每种情况下都是1.274；和溶液中的胶乳与间苯二酚/甲醛树脂的重量比在每种情况下都是13.17。
薄膜通过将玻璃样品收集板浸入装有相应RFL溶液的容器中制备，以便在每种情况下都得到一种具有厚度为0.05mm和测量长度为22.7mm的薄膜样品。在形成用于这种分析的相应RFL溶液时，采用如上所述生产X-HNBR RFL组成的制造步骤。尽管与用作如表2中所示的帘线处理溶液时RFL组成暴露于高温下相比，试验样本在仅有50℃的暴露温度下进行干燥用于这种分析，但可以认为，在每种情况下试验样品仍然基本上是干燥的。这是由于尽管完全或基本上干燥经过处理的帘线比较重而复杂的结构内的RFL组成需要较高温度，但在样品切片所代表的较小、平而不复杂的形式中完全干燥这些组成需要较低的温度。
因此，可以理解，本文对这些RFL组成试样所报告的有效弹性模量范围与用作如表2中所反映的有齿动力传送带的结构中帘线处理溶液的相同配方的RFL组成所显示的弹性模量一致，然而只要选定对一规定的经过处理的帘线的加工条件(包括干燥温度和暴露时间)，以便得到在不产生过高帘线刚挺度的情况下基本上干燥RFL组成，如上所述和下面更详细说明的。
应用一种RSA试验设备来分析经过硫化的RFL试样，上述RSA试验设备设定在1.6Hz和0.1％形变处，并以正交二向拉伸方式装配。在扫过约-70℃-约170℃的温度范围时测定弹性模量。下面在表2中的相关标题下论述在20℃下和在100℃下所取的温度读数结果。
对于表2中所示的每种皮带，作为一种帘线处理溶液，将单独的X-HNBR或者当按照表2所述改性成包括加少量炭黑到RFL组成时，如下涂布到上述碳纤维纱线上。在第一步中，将未加捻的纱线浸入一个装有合适的X-HNBR RFL或者炭黑改性的X-HNBR RFL溶液的桶中。尽管可以用任何方法来将帘线处理溶液涂布到按照本发明所述的帘线上，但对这些示例来说，在这个浸渍步骤期间将碳纤维纱线的长丝散开以便增加纤维的暴露面积并因此增加涂布于其上的RFL帘线处理溶液量。这种散布是利用使纱线绕两上销钉通过，每个销钉测量直径为1mm，上述两个销钉相互分开34mm，和浸渍在RFL处理溶液中及垂直于纱线的路线放置，因此在纱线中产生打开和其单丝散开的趋势，以便占据大部分与销钉接触的路线。同时在含RFL组成的浸渍桶中将纱线上的张力控制到40-50克。此后使纱线在从桶中取出时通过一直径为0.81mm的钢模，以便除去过多的处理液和增加帘线处理液的渗透作用。然后使纱线通过两个烘炉。每个烘炉测得长度为3米，和纱线在每个烘炉中的停留时间是4.5秒钟。第一个烘炉内的平均炉温是145.8℃。在第二个烘炉内的平均炉温如下面表中所示为大约231.5℃、267.0℃和302.5℃。不过不打算受任何具体的理论或实践限制，可以认为，将经过处理的帘线暴露于一较低的第一高温和较高的第二高温下足够的按下面所示的实例所述的暴露时间，提供了一种有效的用于干燥帘线的方法，亦即消除了RFL组成的胶乳部分中相当大量的残留水份，并且还造成至少一部分RFL组成的间苯二酚-甲醛树脂部分与至少一部分RFL组成的胶乳部分和碳帘线本身部分反应，因而促进帘线处理溶液粘合到帘线上。
尽管应用两个烘炉来加工经过处理的帘线用于下面所述例子的目的，但应该很容易理解，这些操作可以在一次操作中完成，上述一次操作也可以在一个烘炉或等效设备中进行。RFL的粘着量，亦即在经过涂装的纱线从第二烘炉中出来时，涂布到纱线上或纱线内的帘线处理溶液的量，在表2所描述的每种情况下，都是在纱线的最终干重的20.45和21.0％之间。对于这个和所有其它实施例场合，都是在帘线处理溶液涂布和加工，和将经过处理和加工的纱线暴露于105℃的气氛下16小时之后，测量10米长度纱线的重量增加量来确定帘线处理溶液粘着水平。
在从干燥炉中出来时，利用Taber V-5型刚挺度试验器测定样品经过一次涂装的纱线的刚挺度，因为可以认为，经过涂装的帘线的刚挺度与帘线处理溶液的弹性模量有关。对于在这个实施例中所用的和按照这种方法分析的每种类型经过涂装的纱线来说，应用10个测量单位的平衡来产生帘线刚挺度的相对量度。得到数值的一些结果在表2中报告。
这种经过处理和加工的帘线的水分含量，亦即主要是由RFL组成的胶乳部分所构成的残留水分，此外通过测量10米段经过处理和加工的纱线在其暴露于105℃气氛下16小时之后的重量损失来确定，和此外结果列于表2中。
对于每个实例和对照例，将两根经过这样处理的纱线利用一METUMAT型加捻机(购自Mammingen Co.)在张力下以每米80捻的速率捻在一起。上述加捻机设定在30％制动处和使用600包装导出张力，帘线结构是6K-2，亦即两股6000单丝的TORAYCA-T400HB40D 6K纱线捻在一起以便形成一根帘线。
然后将一种罩面层涂布到每根帘线上，以便增加各帘线和周围皮带构成件之间的粘合作用，上述罩面层包括30％的固体组成，所述固体组成购自Henkel，商品名为Chemical 2410，使它变成含8.2％固体的二甲苯溶液。为了那样做，将加捻的帘线在1kg的张力下解绕，并浸入含上述第二处理液的桶中，和然后在90℃下以每分钟18米的速率通过测量长度为8米的烘炉。在干燥之后，将帘线第二次暴露于这些相同的步骤下，这种罩面层在经过处理的帘线的粘着水平上小于经过处理的纱线干重的5％。
对表2中所示的每个实例和对照例制成两个如上所述的皮带和作如下分析，并提供在24和48小时后试验时各个皮带所得到的结果。为了确定如上面在表2中所报告的永久皮带长度增长，将每个皮带都绕一装备30牵引，上述装备30包括6个滑轮32，40，36，38，34和42，如图3的示意图所示。传动滑轮32和滑轮40各具有19个链轮槽用于与齿距为9.525的皮带齿啮合。滑轮36具有20个链轮槽用于与齿轮为9.525的皮带齿啮合，滑轮34，38是平的，亦即没有齿的皮带轮，每个测量直径为50mm，张紧轮42是平的和测得直径为70mm。试验设备由一个室组成，所述室包括一个试验装备，并在整个试验中都保持室内温度在100℃下。皮带在没有载荷下，以6200RPM(转/分)加在传动滑轮32处朝反时针方向在装备上操作，和在滑轮42处施加200N的安装张力，和在24小时后试验对单根皮带测量皮带长度的增加(亦即皮带增长)部分，然后再在48小时后试验，测量在每个周期结束时皮带原始长度的增加百分率。对于本公开内容场合和整个公开内容，这个试验将称之为“高温皮带增长分析”。
表2
  对照例1   例2   例3   例4   例5   例6
 加到X-HNBRRFL组成中的炭黑量(重量％，湿的)   0.0   0.0   0.0   4.0   8.0   4.0
 RFL薄膜在20℃下的弹性模量(达因/cm<sup>2</sup>)   5.7×10<sup>7</sup>   5.7×10<sup>7</sup>   5.7×10<sup>7</sup>   1.0×10<sup>8</sup>   8.2×10<sup>8</sup>   1.0×10<sup>8</sup>
 RFL薄膜在100℃下的弹性模量(达因/cm<sup>2</sup>)   2.2×10<sup>7</sup>   2.2×10<sup>7</sup>   2.2×10<sup>7</sup>   3.5×10<sup>7</sup>   1.6×10<sup>7</sup>   35×10<sup>7</sup>
 平均炉温，区1(℃)   145.8   145.8   145.8   145.8   145.8   145.8
 平均炉温，区2(℃)   231.5   267.0   302.5   231.5   231.5   267.0
 帘线水分含量(H<sub>2</sub>O％)   7.1％   6.4％   3.3％   15.5％   12.4％   2.4％
 帘线刚挺度(平均)(10单位平衡   56.4   58.0   -   73.6   82.4   86.0
 24小时后的皮带增长(％)   0.1210.093   0.0710.093   0.1040.082   0.0550.104   0.0980.087   0.0930.082
 48小时后的皮带增长(％)   0.1320.115   0.0710.093   0.0980.109   0.0440.082   0.1310.093   0.0870.099
在帘线处理过程期间改变帘线的第二级干燥温度同时对同一帘线处理RFL溶液保持在那个温度下的暴露时间固定不变的影响可以从表2中所报告的对照例1与例2和3的结果看出。这些结果表明，在如上所述的约267℃的第二区炉温下，当从皮带原始长度测量时24小时和48小时二者的皮带长度增加都小于0.1％(例2)，而在较低的(对照例1)和较高的(例3)第二区炉温下，在24小时和48小时二者读数在一种或多种情况下，都发生皮带长度增加大于0.1％。因此，可以看出，在帘线处理加工期间，暴露一规定暴露时间的高温和RFL溶液组成影响包括帘线的皮带的最终性能。而且，可以看出，对这种特定组成的规定的暴露时间来说，有一最佳温度范围，对上述组成来说，包括这种帘线的皮带产生最小的永久皮带长度增加。
尽管不打算限于任何特定的理论，但可以认为，对在这一级下这个暴露时间，太低的暴露温度比如对照例1的约230℃，可以认为能使一部分RFL的胶乳成分保留液体，和/或造成胶乳成分的硫化度太低，同时造成RFL模量比干燥的薄膜样品所报告的模量低。上述较低的RFL模量由相应的对比如对照例1和例2所报告的水分含量支持，并产生它们相应的皮带增长。在这一级和对这个暴露时间来说，太高的温度，比如对照例3的约300℃，可以认为从经过处理的帘线中消除较大量的水分，但到达产生很高帘线刚挺度的一点，如下面所述。此外目前可以认为，与对干燥的薄膜样品的硫化度相比，过高的温度和/或暴露时间也可能影响至少一部分RFL的胶乳成分的较高硫化度，上述较高的硫化度足以使经过处理的帘线内和周围RFL组成的有效弹性模量增加到同样令人不满意的水平，如在它的报告的皮带增长结果中所反应的。而且暴露于过度或长期的高温下可能使RFL变质，尤其是包括具有较低耐热性的橡胶胶乳的那些成分来说更是如此。在无论哪种情况下，都产生不可接受的永久皮带长度增加的水平。
而且这种现象在对例4和6所报告的结果中是显而易见的，上述例4和6仅是在经过处理的帘线暴露的温度不同。尽管两种皮带都显示极好的抗皮带增长性，但例6的皮带仅含2.4％残留水分和伴随着其刚挺度比例4所报告的刚挺度增加，上述例6的皮带显示比例4稍差的抗皮带增长性。因此，可以认为，过高的帘线刚挺度和伴随的低残留水分含量可能妨碍或阻止合适的帘线处理范围，但如上所述，比较刚挺的帘线实际上比包括显示较低刚挺度的帘线的皮带产生大为改善的抗皮带增长性。
在RFL具有太低模量的情况下，可以认为皮带增长是由于增加了由各个碳纤维单丝所经历的磨耗和磨损，它们不被低模量的RFL材料充分地保护，并因此导致增加了抗拉体的强度。
在RFL具有太高模量的情况下，可以认为，碳纤维纱线的各单丝由于它们在涂装有刚挺的RFL帘线处理溶液之后加捻期间纱线弯曲的结果而损坏。此外可以认为，这种极高模量的RFL材的最终帘线刚挺度防止碳纤维纱的单丝在它们的加捻结构中有效和/或充分地包装在一起，这样导致在皮带复合结构中产生比较大量的空隙空间。因此，当在载荷下驱动皮带时，这种空隙空间受压缩和皮带显示增长，亦即当测量时从它的原始长度的百分数增加。相反，当在第二级处暴露于这个暴露时间和这些特定状态的最佳温度下，比如例2的约267℃下时，可以认为，达到了有利地减少了水分含量和/或产生最佳RFL弹性模量的硫化度，而同时皮带显示最小的永久皮带增长结果。
正如改变帘线处理溶液中胶乳的硫化度和/或残留水分(并因此帘线的刚挺度)的情况那样，加炭黑在RFL组成中具有增加材料弹性模量的效果。在恒定不变的加工温度和暴露时间下加少量炭黑到RFL组成中的效果可以在表2中对照例1与例4和5所报告的弹性模量和皮带增长结果看出。这些结果表明，当不加炭黑到XHNBR-RFL组成(对照例1)中时，在24小时和48小时后试验，出现永久皮带增长超过0.1％。同样，当将按湿重计8％的炭黑加到XHNBR RFL组成(例5)中时，48小时后试验含相当高弹性模量的帘线处理溶液的皮带，在一种情况下出现永久皮带增长超过0.1％。加按湿重计4％炭黑到XHNBR RFL组成中产生一个组成弹性模量是在前面的对照例或各非对照例(例4)之间，和尽管所表示的永久皮带长度在24小时后一种情况下增加超过0.1％，但在48小时后试验时产生皮带增长不大于0.1％。关于例4所报告的皮带增长结果，可以看出，皮带增长水平实际上从24小时读数减少到48小时后所取的读数。尽管一般是皮带增长随试验时间增加而增加，但也可能是，在某些情况下，皮带可能比如由于一种或多种弹性体皮带成分的溶胀和/或由于测量误差而显示某种收缩。因此，可以看出，加炭黑到RFL帘线处理溶液中影响帘线处理溶液的弹性模量，并因而影响包括用这种帘线处理溶液处理过的帘线的皮带最终性能。而且，可以看出，对RFL帘线处理溶液有一最佳炭黑含量范围，对上述炭黑含量范围，加入这种经过处理的帘线的皮带产生最小的永久皮带长度增加。
尤其是，对一规定的加工条件组(亦即高温和暴露时间)，当加太少或太多的炭黑到X-HNBR RFL组成中时，产生一种不可接受的永久皮带增长水平，在上述两种情况下，可以认为这是由于不希望有的RFL帘线处理溶液弹性模量和与其有关的伴随的问题，如上所述。相反，当比如通过加合适量的炭黑到X-HNBR RFL组成中达到最佳RFL弹性模量(亦即例4和4phr)时，可以看出，产生一种最小的永久皮带增长的水平，尤其是如在48小时高温皮带增长试验结果中所报告的。因此，在表1中所列的特定成分如X-HNBR RFL组成和有关例子所用的加工条件方面，如果按照本发明利用炭黑来达到所希望的弹性模量，则应用的量为RFL溶液湿重的约0.5-约10％；更优选的是占湿重的约2-约7％；和最优选的是占湿基重量的约3-约5％。
由于可以改变许多因素其中包括弹性体胶乳类型来影响RFL组成的弹性模量，所以专业技术人员应该理解，上面所提供的加到上述X-HNBR RFL组成中的优选炭黑量的范围对于其它组成和/或其它经过处理的帘线加工条件不一定有效或足够。因此，当用来增加一般按照本发明所述的RFL组成的弹性模量时，炭黑量高达占组成湿重的25％可以是有效的。当应用时这些量优选的是占湿重的约1％-约20％，而最优选的是占RFL组成湿重的约3-约15％。
利用从这种分析所得的结果和按照上面表2中所报告的例2，4和6的结果，可以认为，RFL帘线处理溶液在暴露于加工条件下之后的弹性模量，足以在不严重影响如上所述帘线的刚挺度情况下，消除RFL中相当大量的水，或者任何其它操作足以如此足够而充分地干燥帘线处理溶液，以使它的弹性模量在20℃下优选的是在约1.0×107达因/cm2(1.0×106Nm-2)-约5.0×108达因/cm2(5.0×107Nm-2)范围内；更优选的是在约3.0×107达因/cm2(3.0×106Nm-2)-约3.8×108达因/cm2(3.8×107Nm-2)范围内；更优选的是在约3.5×107达因/cm2(3.5×106Nm-2)-约3.5×108达因/cm2(3.5×107Nm-2)范围内；和最优选的是在约7.0×107达因/cm2(7.0×106Nm-2)-约3.0×108达因/cm2(3.0×107Nm-2)范围内。在100℃下，RFL帘线处理溶液的弹性模量优选的是在约5.0×106达因/cm2(5.0×105Nm-2)-约4.0×108达因/cm2(4.0×107Nm-2)范围内；更优选的是在约1.0×107达因/cm2(1.0×105Nm-2)-约2.5×108达因/cm2(2.5×107Nm-2)范围内；更优选的是在约1.8×107达因/cm2(1.8×106Nm-2)-约2.7×108达因/cm2(2.7×107Nm-2)范围内；和最优选的是在约2.5×107达因/cm2(2.5×106Nm-2)-约1.0×108达因/cm2(1.0×107Nm-2)范围内。
如上所述，任何用于使RFL溶液的弹性模量达到本文发现有效的范围内的方法都可以完全同等地应用于本发明的实际操作。例如现已发现，增加RFL的甲醛∶间苯二酚的重量比具有增加RFL模量的效果。例如，对于在表1中所列的作为X-HNBR RFL组成的组成，可以确定甲醛∶间苯二酚的重量比为约0.75-约2.0；而更优选的是约1.0-约1.75；和最优选的是约1.1-约1.4，以便产生一种其弹簧模量是在上述有效范围内的干燥组成。此外，如上所述，可以加一种结块的异氰酸盐组成到RFL溶液中，以便增加它的模量。因此例如，将一种结块的异氰酸盐以50％固体含量加到表1中所述作为X-HNBR RFL组成的成分中，以便增加最终干燥的组成的弹性模量，上述结块的异氰酸盐购自EMS公司，商品名为GRILBOND IL-6。供在表1所述组成中用的合适的50％固体材料量可以是每100份弹性体重量中占0-25份(“phr”)；更优选的是约2-约15phr；和最优选的是约5-约10phr，因此加到RFL溶液中的结块异氰酸盐的量优选的是占RFL组成干重的约4.6-约9.3％。
此外，干态RFL组成的弹性模量可以通过控制RFL溶液中弹性体胶乳成分与间苯二酚/甲醛树脂(“RF树脂”)成分的重量比来增加。因此例如在上述表1中的成分方面，胶乳与RF树脂的重量比为13.17，但可以是约5-约20；更优选的是约7.5-约17；和最优选的是约10-约15。而且，RFL组成的胶乳成分可以全部或一部分用一种第二弹性体胶乳代替，或者用任何两种或多种弹性体胶乳的组合代替，以便达到最终干燥的RFL弹性模量。下面在实施例II中提供表明按照这个特定实施例效果的一些例子。
专业技术人员很容易理解，任何用于控制RFL帘线处理溶液的弹性模量的技术都可以这样按照本发明应用，和对一规定的RFL组成可以将两种或多种上述非限制性技术结合，以便达到如上所述的有效RFL弹性模量水平。因此例如，如下面实施例II所指出的，用于使RFL组成的弹性模量纳入有效范围内的有效炭黑量可以随RFL溶液中所应用的弹性体胶乳的具体类型而变。如例如下面实施例II中所提供的结果所示，当用一种非羧基HNBR弹性体胶乳代替在一RFL组成中所用的羧基HNBR，而其它方面基本上与表1中所示的相同时，现已发现，按照上述操作，在20℃和100℃二者下最终组成的弹性模量比由利用羧基HNBR作为它的弹性体成分的组成所显示的弹性模量高。
实施例II
可以预料，应用如上所述的碳纤维抗拉帘线构件和应用一种显示弹性模量是在如上所述有效范围内的RFL组成作为帘线处理溶液的有齿动力传送带，当在48小时后在100℃高温皮带增长分析下测量时，将显示减少的不大于原始皮带长度0.1％的皮带增长，而应用一种显示弹性模量超出上述有效范围的RFL组成处理的碳纤维抗拉帘线的这种皮带将显示皮带增长当按照那种技术测量时大于0.1％。为了说明这点，制备碳纤维抗拉帘线，所述碳纤维抬拉帘线基本上如上面实施例1所述，但如下面所述改性，并作为它的碳纤维帘线处理溶液包括在表3中所示但如下面所述改性的RFL组成，用于加入基本上如上面实施例1所述的有齿动力传送带中。
为了说明弹性体胶乳类型、帘线拉伸模量和加工条件对RFL组成弹性模量和/或样品皮带所显示的最终皮带增长的影响，制备额外的RFL组成，上述额外的RFL组成基本上如上面对表1的X-HNBR RFL组成所述制备，但应用另一种弹性体胶乳类型或者两种弹性体胶乳类型的组合来代替羧基HNBR胶乳。在每种情况下，对RFL组成确定甲醛∶间苯二酚之比值为1.274，和胶乳∶间苯二酚-甲醛树脂的比值为13.17。
在一种RFL组成中，用一种按重量计285.86份的非羧基HNBR胶乳代替，上述胶乳购自Nippon Zeon产品，商品名为ZETPOL，以后在本公开内容中称之为“HNBR RFL组成，上述非羧基HNBR胶乳还仅包括按重量计52份去离子水代替按重量计88份如表1所示的RFL组成。尽管对这个特定的例子只用按重量计52份水，但在某些情况下要能优选的是，利用额外的水例如来改善溶液稳定性和存放寿命，以便最终RFL溶液组成湿基重量百分数所代表的固体含量范围一般是约25-35；更优选的是约27-35，而最优选的是约30-33。
对于下一个例子，一种第一组合，在本公开内容范围内以后称之为“XHNBR-VP/SBR RFL组成”，利用一种按重量计143份在表1所列的RFL配方中使用的含40％固体的羧基HNBR胶乳和140份含41％固体的VP/SBR胶乳的组合，作为RFL组成的弹性体胶乳部分，上述VP/SBR胶乳购自Omnova Solutions产品，商品名为GENTICFS118。
对于下一个例子，以后在本公开内容中称之为“XHNBR/EPOMRFL组成”，利用一种组合作为RFL组成的弹性体胶乳部分，上述组合由按重量计142.93份上面的表1中所述的RFL组成中的含40％固体羧基HNBR胶乳和115.20份50％固体的EPOM胶乳，上述胶乳购自Lord Corporation产品，商品名为CHEMLOK或E0 872(目前是EP 872)，上述组成应用52份重量的去离子水代替如表1所示的88份重量，和此外只用1份重量的氨水、8份重量的间苯二酚甲醛树脂和2.5份重量的甲醛。这种相应成分量的差别是由于相对于其它示例性RFL组成具有较高的固体含量，并最终具有更大的不稳定性。然而组成基本上是按照有关表1中所述RFL组成的说明制备。
除了上述成分之外，在表3所概括的具体实施例中所用的每种组成都供用作每种报告的情况中的帘线处理溶液用，上述每种组成还包括作为任选成分的湿重为4.3％(按重量计18份)的含45％固体HEVEAMUL M-111b蜡分散体(由Heveatex生产)，和湿重为6.50％(按重量计27.2份)的41％尿素水溶液。在表3中指出利用抗氧化剂的地方，应用按湿基重量2％(按重量计8.4份)抗氧化剂，所述抗氧化剂购自Goodyear Chemical Co.，商品名为AQUANOX 29。在指出利用炭黑的地方，应用上述实施例1中相同的类型和相对比例。对于包括VP/SBR的那些组成，所用的VP/SBR是一种含41％固体类型，它购自Goodyear Chemical，商品名为VP106S。
下面表3中提供皮带增长数据用的每种组成涂布到按照上面实施例I提供的说明所述的碳纤维纱线上，除了象下面所述的范围和除了下面所述的范围之外。然而这些组成随着改变如表3所示的炭黑和抗氧化剂含量范围或过程温度或暴露时间而改变，以便说明RFL组成弹性模量对所观察的皮带增长度的影响。
除了上面在实施例I中所用的特定碳纤维类型(以后在本公开内容内称之为“T400”)之外，如下面表中所指出的，还利用一种第二碳纤维类型，所述第二碳纤维类型购自Toray，商品名为TORAYCA-T700 GC 12K 41E，它具有拉伸模量为230GPa，每单位长度的质量为800Tex，和单丝总数为12000(以后在本公开内容中称之为“T700”)。
在每种情况下，T400和T700纱线都在从装在相应RFL组成的浸没桶或浸涂桶中出来时通过一个测量直径为1.1mm的模具，然后在表3所示的温度下通过第一干燥炉并以每分钟30米的速率测量5米长度，和然后在上述温度下通过第二硫化炉并以每分钟30米的速率测量5米。T400纱线如上实施例1所述进一步进行加工，但T700纱线在拉力约为50g下以每分钟80转的速率单独而不成对地加捻，和最终的帘线用CHMOSIL 2410作为如实施例I所述的罩面层进行处理。对EPDM RFL组成，例11和12应用每米60转加捻。对T700帘线保持100g的拉力用于将其浸没穿过装有RFL帘线处理溶液的浸渍桶。
为了测定弹性模量，在RFL组成试样中既不利用蜡分散剂、抗氧化剂，也不用尿素，如在对表3中所述的皮带样本在RFL组成帘线处理溶液中所用的，弹性模量测量从试样中取出，和结果在表3中报告。另外，这被认为对各种形式组成的弹性模量没有影响，除了如实施例1中关于帘线处理加工条件所述之外。试样按照上面实施例I中所述的操作手续制备，用于在一温度范围内和按照如上所述的操作手续测定在每种情况下的弹性模量，结果记录在下面表3中。
对于下面所述的其中某些例子和对照例还确定了各单根经过涂装的纱线在它们从RFL浸渍桶和加工炉中出来时的刚挺度，并且将此处得到的结果在下面表3中示出。然而，对应用T700帘线的那些例子和对照例，Taber V-5刚挺度试验器应用500测量单位的平衡，因为这种帘线比T400帘线大的质量必需利用较大的平衡，以便得到有意义的相对结果。在每种情况下都按照上述实施例1的操作手续测定经过加工的帘线样本的水分含量和帘线处理溶液的粘着水平。
按照上述实施例1的操作手续得到皮带增长结果，不过结果是在100小时后试验得到而不是在48小时后试验得到。这种测量可以认为比48小时值更精确。一般，现已发现，在合适的加工条件，亦即通过100小时后试验，如本文所述干燥经过处理的帘线的情况下，皮带增长的速率是恒定的。相反，对于不合适加工的帘线，比如不充分和/或不均匀地干燥，或者具有不足的RFL粘着，则皮带增长一般不稳定并持续很高。而且，除了上述很稀少的情况之外，在100小时之后试验显示皮带增长小于0.1％的皮带在仅48小时后试验同样显示皮带增长小于0.1％。
表3
例7 例8 例9 例10  例11  例12
碳纤维类型 T400 T700 T700 T700  T700  T700
RFL帘线处 HNBRRFL HNBRRFL HNBR/VPSBR HNBR/EPOM  EPDMRFL  EPDMRFL
  理溶液  RFL  RFL
  加入炭黑(phr)  0.0  0.0  4.0  0.0  0.0  0.0
  加入抗氧化剂(phr)  0.0  0.0  2.0  0.0  0.0  0.0
  在20℃下的弹性模量(达因/cm<sup>2</sup>)  3.9×10<sup>8</sup>  3.9×10<sup>8</sup>  2.0×10<sup>8</sup>  2.3×10<sup>8</sup>  3.8×10<sup>7</sup>  3.8×10<sup>7</sup>
  在100℃下的弹性模量(达因/cm<sup>2</sup>)  2.3×10<sup>8</sup>  2.3×10<sup>8</sup>  7.6×10<sup>7</sup>  6.9×10<sup>7</sup>  1.95×10<sup>7</sup>  1.95×10<sup>7</sup>
  区1的平均炉温(℃)和暴露时间(s)  145.8℃，4.5秒  145.8℃，6.0秒  145.8℃，6.0秒  145.8℃，6.0秒  145.8℃，6.0秒  120℃，12.0秒
  区2的平均炉温(℃)和暴露时间(s)  267.0℃，4.5秒  249.3℃，6.0秒  249.3℃，6.0秒  249.3℃，6.0秒  286.5℃，6.0秒  225℃，12.0秒
  帘线处理溶液粘着水平(干重％)  21.0  16.5  17.2  16.9  12.7  11.8
  帘线残留水分含量(％)  6.0  25.3  16.9  8.3  17.7  -
  帘线刚挺度  74.2  16.8  13.1  -  6.3  9.8
  在100小时处的皮带增长  0.082  0.082  0.057  0.087  0.055  0.037
＊在加炭黑和抗氧化剂之前由组成得到的HNBR/VPSBR RFL组成所报告的弹性模量值。RFL帘线处理溶液的实际弹性模量预料比表3中所报告的值高，正如在表2中对有和没有炭黑和抗氧化剂的HNBR-RFL所提供的数据所提议的。
与表2中对XHNBR RFL组成所报告的弹性模量结果相比，表3中对HNBR RFL组成所报告的结果表明，用非羧基HNBR代替别的基本上相同的组成中的羧基HNBR，具有引人注目地增加最终RFL组成弹性模量的效果。然而值得注意的是，尽管这种增加的弹性模量还可以预料到与比如表2中的例2相比产生朝皮带增长方向增加的趋势，但包括较高弹性模量帘线处理溶液的例7同样显示低的皮带增长。目前可以认为，与例2所得到的稍高对应值相比，这是由于低残留水分和伴随较高帘线刚挺度引起的，如对例7所报告的。因此，尽管对RFL组成所报告的弹性模量值是确定抗皮带增长性的一个因素，但可以认为，在水分减少(和因此刚挺度增加)减少到导致减少永久增长的某一点的情况下，经过加工的帘线的水分含量和相关的帘线刚挺度同样与这种测定有关。例8示出利用与例7所用相同的HNBR RFL组成，但作为涂布到比较更粗大而复杂的T700帘线上并因此包括改变的帘线加工参数，亦即稍低的加工温度和稍长的暴露时间。另外，好使对这种相对较高模量的RFL组成，在100小时后试验也得到极好的皮带增长结果。值得注意的是，尽管似乎是水分含量比较高，也得到极好的皮带增长值。可以认为，这种更粗大的帘线结构可以比较细的T400帘线容纳更多的残留水分含量而对抗皮带增长性没有严重的影响。
将表3中对两种XHNBR-VP/SBR RFL组成所报告的弹性模量结果与表2中对XHNBR RFL组成所得到的那些结果进行比较，可以看出，在别的组成基本上相同时用VP/SBR胶乳代替按重量计50％的羧基HNBR胶乳，同样具有增加最终组成弹性模量的结果，但达不到用HNBR代替整体XHNBR所显示的程度。然而尽管帘线处理溶液的较高弹性模量涉及比如上面表2中例2所报告的弹性模量，但在100小时后试验时例10的样品皮带显示极好的抗皮带增长性。这也认为可为由于对这例子所报告的较低的残留水分含量和伴随较高的帘线刚挺度值。
在RFL组成涂布于帘线的纱线和/或它的单丝方面，因此现已发现，消除尽可能大量的水对在延长使用情况下减少皮带的增长趋势是有利的。一般，因此优选的是，在完成经过处理的帘线的各加工步骤时，按照本文所用和上述操作手续测定的残留水分含量少于按重量计的50％。在本发明的另一个实施例中，残留的水份含量低于按重量计约30％，而在还有另一个实施例中，残留水分含量按重量计是在约1-约25％范围内。
与表2中对XHNBR RFL组成所得到的结果相比，表3中对XHNBR/EPDM RFL组成所报告的结果表明，用EPDM胶乳代替表1中所示的XHNBR RFL组成里所用的按重量计50％的羧基HNBR胶乳，同样具有增加最终组成弹性模量的效果，但也达不到用HNBR代替整体XHNBR所显示的程度。另外，在这些基于EPDM的例11和12中得到极好的皮带增长值。最值得注意的是，对例12来说，包括较低的帘线处理温度和较长的暴露时间其中显示出至今为止所观察到的最低皮带增长值。这样我们就可以假定在帘线处理过程中相对地逐渐消除RFL组成中的水可以进一步改善抗皮带增长性。
尽管上面实施例I中提供的一些具体例子利用单一碳纤维类型，但在本发明的范围内任何其它碳纤维类型同样可以用。例如，在本实施例中所包括的购自Toray的T700碳纤维类型同样提供了按照本发明所述的积极结果。该技术的技术人员很容易理解，因为这种特定的材料具有比上述实施例所用的纤维更高的单丝总数和有利的是只用单种纱线来形成应用这种类型的皮带用的抗拉体，及因为纱线本身比实施例中所用的纱线大，所以在纱线处理过程各步骤中经过浸渍的纱线从帘线处理桶出来时的最佳暴露温度与上述T400纱线的那些不同，以便对包括这种帘线的皮带达到最少的皮带增长。这种改变在该技术的专业人员内是众所周知的，和属于本发明的范围内，并且比如在用于应用上面表3中的T700帘线的那些试验样品的第二区炉温中反映出来。
实施例III
为了进一步说明抗拉体模量对永久皮带长度随恒定的RFL硫化的弹性模量不同而改变的影响，形成4根有齿的皮带，如上关于表1和2的实施例I中所述。在每种情况下，都是利用HNBR皮带主体部分，并利用按照对表1中例4的说明所述的RFL帘线处理溶液作为用于按照上述实施例1中帘线处理步骤所述的所有皮带的处理溶液。同样利用如上所述的CHEMOSIL 2410(Henkel的产品)的罩面层。
两个皮带1，上述皮带作为它们的抗拉体包括由T400纱线形成的6K-2帘线，具有拉伸模量为250GPa，每单位长度的质量为396tex和单位总数为12000，而同时两个对照皮带2各皮带作为它们的抗拉体包括由碳纤维形成的6K-2帘线，上述碳纤维购自Toray，商品名为Toray M40B 6K 50B，并具有拉伸模量为392GPa，每单位长度的质量为364tex和单丝总数为12000。在两种情况下用于帘线的纱线都用与上述表2和3中各例和对照例相同的方式加捻。
为了测定皮带长度增加，使皮带1和对照皮带2二者都经受相同的上述皮带长度改变试验，亦即在100℃下但扩大了试验时间进行的高温皮带增长分析。在100小时后进行试验时，两个皮带1各皮带都显示皮带增长小于0.15％，而两个对照皮带2各皮带都显示从它的原始长度增加大于0.175％。值得注意的是，由两个皮带1各皮带在200小时标记处所显示的皮带增长水平比在100小时后进行试验时它们的性能下降，而对照例皮带2在200小时标记处皮带显示皮带增长大于0.2％。即使在300小时后进行试验时，皮带1中无论哪个皮带都未显示出皮带增长大于0.15％。因此，证明了抗拉体模量对包括这种抗拉帘线的有齿皮带所显示的皮带增长程度的影响。
除了由按照本发明的一个或多个实施例所述制造的动力传送带所显示的在抗皮带增长性方面的显著改善之外，包括用碳纤维形成的抗拉体并具有如本文所提供的加工经过干燥的弹性模量的帘线处理溶液的这些皮带而且还显示总体极好的性能特点，其中包括但不限于高负载能力和抗弯曲疲劳性及抗拉强度保持力，大部分超过预定用于高负载应用的有齿皮带中常规用的增强材料，比如芳酰胺和玻璃纤维的性能。
例如，按照本发明一个实施例和另外按照本文对图1所提供的说明所述制造的增强有齿动力传送带的碳纤维现已发现在发动机运转试验时显示大于500小时，其中在试验时的皮带装载是每个齿每毫米皮带宽度稍大于8N，在有效拉力为2500N下以4000rpm(转/分)工作。这是大于对照皮带所显示的达到损坏的寿命3倍，上述对照皮带包括相同直径但用另一种材料亦即玻璃形成的抗拉体。按照本发明一个实施例所述的这种碳纤维增强式有齿的皮带而且显示大于66％的保持拉伸强度；比这种玻璃增强式皮带大几乎40％的保持拉伸强度；在800小时后进行上述高温皮带增长分析。
实施例4
现已发现，按照本发明一个或多个实施例所述制造的正时皮带当用来驱动内燃机尤其是汽车内燃机中一个凸轮轴时，在一个或多个性能领域提供相当大的改善。尤其是，现已发现这些皮带在发动机工作的情况下显著减少不希望有的汽车发动机凸轮轴相对于有关曲轴的角振动。在本文中所谓术语“角振动”意思是指凸轮轴的旋转振动，亦即轴绕其纵向轴线的振动；上述角振动可以例如由凸轮轴所显示的任何或全部扭转振动引起，所述扭转振动由沿着它的长度施加捻力产生，或是由凸轮轴本身的自由主体旋转引起，或是由循环或周期性的角速度通过施加的驱动力矩的不均匀或不恒定的性质叠加在平均凸轮轴速度上引起。而且，在一规定的发动机的某些曲轴速度下，这种凸轮轴角振动的较大振幅一般是由于在这些速度下激发一个或多个驱动系统共振频率产生。
为了进一步说明本发明在提供一种方法用于大大减少一凸轮轴驱动式内燃机中不希望有的凸轮轴相对于曲轴的角振动的影响和情况，制造两根上述与实施例I有关的皮带，每根皮带都具有基本上相同的纤维加载式HNBR皮带主体部分，但它们各自的抗拉体不同。硫化的纤维加载式HNBR主体部分在100％延伸率的平均模量为12.5MPa(平均结果是，由于硫化的橡胶其中存在基本上是随机取向的纤维而轻微各向异性，逆着和对着橡胶压延方向的结果)。皮带3作为它的抗拉体包括T700碳纤维帘线，所述T700碳纤维帘线购自Toray，如上关于实施例II所述的HNBR RFL碳处理溶液组成涂布于上述T700碳纤维帘线上。帘线处理溶液基本上如上关于实施例I所述涂布，但用在应用处理之后的120℃第一暴露温度和230℃的第二暴露温度。对照皮带4样本作为它的抗拉体包括一个基本上与皮带相同的直径，亦即7微米的帘线，但在这种情况下，它是由玻璃形成，并具有一22tex×3×18结构，和具有一弹性模量为92GPa。将一种合适的处理溶液涂布到用于对照皮带4的帘线上，上述处理溶液如由Nippon GlassFiber供应，牌号为IO22。
为了说明按照本发明一个方向所述的皮带在减少汽车内燃机中凸轮轴相对于曲轴的相对角振动时的作用，使皮带3和对照皮带绕一4缸整体式喷油器电动机带动发动机试验装备50行进，上述试验装备50在图3中示意示出，它包括一个44齿的凸轮轴52，一个19齿的水泵滑轮54，一个22齿的曲轴56，一个空转轮58，和一个72毫米直径的张紧轮60，其中每个上部零部件其特征在于齿距为9.525mm。上述装备用试验皮带在120℃的环境温度下操作，上述试验皮带驱动凸轮轴和由曲轴驱动，最大有效张力为4500N，和在一30mm滑轮处加一载荷为150N/mm。发动机可用的功率为115-150hp(马力)。在试验中所用的具体发动机的正常运转速度是在2700-3000rpm范围内，同时临界速度是在4000-5000rpm范围内，和记录凸轮轴相对于曲轴的角振动用于那些振动与点火脉冲有关的发动机级-在本试验中所用的具体4缸发动机情况下，是在第二和第四级中。结果在表4中提供，其中垂直轴线代表凸轮轴的峰值振动度数，而水平轴线代表曲轴每分钟的转数。在表4中，两根曲线表示与皮带3和对照皮带4第二点火级结果有关的较高振动水平，而两根曲线表示与皮带3和对照皮带4第四点火级结果有关的较低峰值振动曲线。
表4
Figure C20038010638200351
相关技术的技术人员很容易理解降低凸轮轴相对于曲轴的角振动水平和使峰值相对角振动水平移动到高于或低于发动机正常运转速度，及其任何主临界速度亦即发生共振的任何速度的需要性。从表4所示的结果可以看出，与对照皮带4相比，在4000-5000rpm的临界范围内，皮带3样本提供用于第二点火级的整个凸轮轴相对于曲轴的角振动惊人的减少，及用于第四点火级的峰值相对角振动偏离正常发动机工作范围。
因此，通过提供一种耐久的低增长正时皮带，所述皮带包括一个硫化的不同铸造的弹性体主体部分和由一根帘线形成的抗拉体，上述帘线包括至少一根由按照本发明一个实施例所述的碳纤维形成的纱线，提供了一种方法用于减少内燃机中凸轮轴相对于曲轴的振动，在上述内燃机中凸轮轴由有齿的皮带驱动。
尽管本发明已经详细说明用于举例说明的目的，但应该理解，这种详细说明只用于那个目的，在不脱离本发明的精神或范围的情况下该技术的技术人员可以进行各种改变，不过它可以受权利要求书限制。本文所公开的发明可以合适地在没有本文未具体公开的任何元件下实际操作。

Claims (13)

1.一种用于减少内燃机中凸轮轴相对于曲轴角向振动的方法，其中凸轮轴由一种有齿的皮带驱动，上述有齿的皮带包括一个硫化的弹性体主体部分和一个抗拉体，所述抗拉体由一种螺旋式卷绕的埋置于皮带中的帘线形成；一种帘线处理组分包括一种弹性体胶乳，所述弹性体胶乳涂装上述帘线的其中至少一部分，其特征在于，上述方法包括以下步骤：
a.对上述帘线选定至少一种包括碳纤维的纱线；
b.将一种间苯二酚-甲醛反应产物加入上述帘线处理组分中；
c.将上述帘线处理组分在20℃温度下的弹性模量选定在1.0×107达因/cm2-5.0×108达因/cm2范围内，在100℃温度下的弹性模量选定在5.0×106达因/cm2-4.0×108达因/cm2范围内；
d.将上述帘线处理组分涂布到帘线上以便形成一种经过处理的帘线；
e.将经过处理的帘线施加到一种未硫化的弹性体组分中以便形成一种组件；
f.将组件硫化以形成上述有齿的皮带；以及
g.将所述有齿的皮带安装到所述内燃机上，其中所述凸轮轴由所述有齿的皮带驱动，从而减少所述凸轮轴相对于所述曲轴的角向振动。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将帘线的弹性模量选定在100-300Gpa范围内的步骤。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将帘线的弹性模量选定在150-275Gpa范围内的步骤。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，其中经过硫化的弹性体皮带主体部分包括从下列弹性体中选定的至少一种弹性体：
a.氢化丁腈橡胶弹性体；
b.氯丁橡胶；
c.丁腈橡胶；
d.丁苯橡胶；
e.烷基化氯磺化聚乙烯；
f.氯甲代氧丙环；
g.丁二烯橡胶；
h.聚异戊二烯；和
i.乙烯α-烯烃弹性体。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，上述弹性体皮带主体部分还包括0.5-20％/重量份数的上述纤维的弹性体。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，上述帘线处理组分的弹性体胶乳是从下述胶乳中选定的至少一种：
a.氢化丁腈橡胶胶乳；
b.丁腈橡胶胶乳；
c.羧基氢化丁腈橡胶胶乳；
d.羧基丁腈橡胶胶乳；
e.乙烯基吡啶/丁苯橡胶胶乳；
f.羧基乙烯基吡啶/丁苯橡胶胶乳；
g.丁苯橡胶胶乳；
h.氯磺化聚乙烯橡胶胶乳；
i.乙烯α-烯烃橡胶胶乳。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将上述经过处理的帘线暴露于一种条件下的步骤，上述条件足以使上述帘线处理组分中的水分含量按重量计占上述经过处理的帘线重量小于50％，以便形成一种经过加工处理的帘线。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，上述条件包括一个温度和暴露于上述温度下的时间，并且使上述水分含量按重量计小于30％。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，使水分含量达到按重量计在1-25％范围内的水平。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，上述帘线处理组分涂布到上述碳纤维上，以使在上述碳纤维上的粘着水平达到在最终干基纤维重量的5.5-30％范围内。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将包括橡胶织物粘合剂的罩面层涂布到上述经过处理的帘线上。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括选择上述碳纤维纱线的步骤，以便具有单丝总数是在1000-24000范围内；和选定上述帘线以便具有单丝总数是在5000-24000范围内。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，上述皮带还包括一种沿着皮带背面和皮带有齿表面的至少其中之一设置的织物覆盖元件。
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