CN103225153B - 金属纤维股线的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了金属纤维股线的制备方法，单股金属纤维股线的制备包括初始复合线材制备、减径拉拔至中间复合线材、对中间复合线材进行加捻、定型拉拔至成品复合线材、电化学分离等步骤。本发明还公开了一种多股金属纤维股线的制备方法，包括初始复合线材制备、减径拉拔至成品复合线材、对成品复合线材进行初捻、对完成初捻的成品复合线材进行反方向的复捻、电化学分离等步骤。本发明的工艺过程简单、生产效率高，制得的金属纤维股线不仅股线间的松紧度较紧，而且能够避免经常存在的松股、断股、折叠、交叉和破损等缺陷。

Description

金属纤维股线的制备方法

技术领域

本发明属于金属加工领域，尤其涉及一种高品质的单股或多股的金属纤维股线的制备方法。

背景技术

金属纤维的生产技术在现有技术中已众所周知，可以利用例如US3379000所描述的集束拉拔法获得金属纤维。金属纤维也可以例如通过拉拔直到最终直径也称为最终拉拔来获得。

随着人们对金属纤维认识的深入，由金属纤维发展而来的金属纤维股线也受到越来越广泛的关注，其应用领域也逐渐拓宽。以不锈钢金属纤维股线为例，其耐高温特性明显，瞬间耐高温可达1000℃，而长时间耐高温可达500℃且其本身的特性不会改质，不锈钢金属纤维股线因此也成为耐高温产品及防火产品市场上目前所发现的最佳材料；也可以把不锈钢纤维股线与其它纤维混合织布，使其能够应用于防静电、导电纺织品等技术领域。而另外一种铁铬铝金属纤维股线由于其在导电和耐高温（长时间承受1000℃）上的特性，可广泛应用于柔性低压电加热、表面燃烧器等技术领域。此外，金属纤维股线也是复印机和传真机中的导电刷所不可或缺的原材料。

正因为金属纤维股线所具有的上述优良特性及广泛用途，使得金属纤维股线的加工制备也变得颇为重要。目前，金属纤维股线的加工方法基本上是在通过各种加工方法获得成品金属纤维的基础上，再对金属纤维进行加捻，从而获得金属纤维股线。但所获得的金属纤维股线经常出现松股、断股、交叉、折叠和破损等缺陷。此外，现有的加工方法很难加工出股线间松紧度较紧的金属纤维股线，这使得金属纤维股线的应用受到了一定的限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种生产效率高、工艺过程简单、稳定、容易操作且产品综合性能优良的制备单股金属纤维股线和多股金属纤维股线的方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种单股金属纤维股线的制备方法，包括以下步骤：

（1）复合线材制备：准备金属线材，将所述金属线材嵌入基体材料中并捆绑成束，封装后制得初始复合线材；

（2）减径拉拔：采用线束拉拔法拉拔初始复合线材，得到某一线径的中间复合线材（设中间复合线材的线径为D₀）；

（3）加捻：采用常规加捻设备对上述中间复合线材进行加捻；

（4）定型拉拔：用聚晶模具对已加捻的中间复合线材进行多次拉拔，得到所要求线径的成品复合线材（设成品复合线材的线径为D₁）；每次拉拔的线材的横截面积变形量为1%～10%；

（5）电化学分离：采用电化学分离方法对所述成品复合线材进行分离，从而制得单股金属纤维股线。

在采用线束拉拔法对初始复合线材进行拉拔减径的过程中，当金属复合线材直接减径至成品复合线径D₁（即成品复合线材的直径）时，成品复合线材基体材料中所包覆的金属纤维直径便能满足成品金属纤维股线所要求的直径，电化学分离后便能获得股线间松紧度较松的金属纤维股线。但为了获得性能更为稳定、应用更为广泛的股线间松紧度较紧的单股金属纤维股线，上述方法在成品复合线径D₁之前选择一个中间复合线径D₀（即中间复合线材的直径），将所述的初始复合线材拉拔至D₀得到中间复合线材，并对其进行加捻后；再通过聚晶模具对已加捻的中间复合线材进行多次拉拔得到成品复合线材；电化学分离步骤后，便能够得到松紧度较紧的单股金属纤维股线。发明人通过先对线径为D₀的中间复合线材进行加捻，随后的定型拉拔不仅能起到消除加捻时所产生的应力的作用，而且这种小变形的拉拔，即每次拉拔的线材的横截面积变形量为1%～10%；也起到了很好的定型作用；通过以上工艺及参数的调整和控制，可简单、高效的实现股线间较紧的松紧度，且不易出现松股、断股、交叉、折叠和破损等缺陷金属纤维股线。如果根据现有的方法直接对成品复合线材进行加捻，则还需要采取一定的措施消除其加捻产生的应力，这不仅效果欠佳，而且成本上也不够经济。

因此在上述情形下，控制好中间复合线径D₀到成品复合线径D₁间的变形量就显得比较重要。如果我们用Δε表示为复合线径从D₀到D₁时上述复合线材横截面积的变形量，则Δε的数值可以控制在5%～30%之间，其计算式为：

$\mathrm{\Δ\ϵ}\frac{S_0-S_1}{S_0}\×100\%$

其中S₁为成品复合线径D₁所对应的成品复合线材的横截面积，S₀为中间复合线径D₀所对应的中间复合线材的横截面积。而用于控制减径程度的另一参数成品复合线径D₁的大小则取决于金属纤维股线成品中对金属纤维线径的具体要求和每股金属纤维束中所包覆的金属纤维的根数，实践中对金属纤维股线产品所包含的金属纤维的线径一般要求控制在1.5～100μm，每股金属纤维束中所包覆的金属纤维的根数一般要求控制在1～10000根。

由上述变形量的控制范围（5%～30%）可知，单股金属纤维股线制备中的定型拉拔为小变形的拉拔，即每次拉拔的线材的横截面积变形量为1%～10%，这样更有利于单股金属纤维股线中纤维的定型。定型拉拔过程中所使用的模具数量一般也取决于其所要求的变形量，结合加工成本及加工效率等因素，在本发明的定型拉拔过程中优选使用的模具（例如聚晶模具）数量为3～10个。

用上述方法制备得到的单股金属纤维股线的捻数，可通过以下方法计算得到。按上述步骤（1）制备一根初始复合线材，用线束拉拔法将所述初始复合线材的线径减径至D₀时对其进行加捻，加捻的捻数设为t，再通过3～10个模具对已加捻的线径为D₀的中间复合线材常规拉拔至D₁，此时的捻数变为t′，经上述步骤（5）的电化学分离后便可得到捻数为t′的松紧度较紧的单股金属纤维股线，所述捻数t′的计算式为：

$t^{\′}=\frac{D_1^2}{D_0^2}\×t.$

当采用单根复合线材进行制备的情况下，得到的是上述只包含单股金属纤维束的金属纤维股线，由于同一根复合线材是由相同材质的金属线材加工而成，因此单股金属纤维股线中金属纤维的材质是单一的。当采用多根复合线材进行制备的情况下，得到的是包含多股金属纤维束的金属纤维股线，由于制备多股金属纤维股线的各根复合线材之间，其金属线材的材质可以有所变化，因此多股金属纤维股线中有可能包含有不同材质的金属纤维束。

本发明还提出的一种多股金属纤维股线的制备方法，包括以下步骤：

（1）复合线材制备：准备金属线材，将所述金属线材捆绑成束并嵌入基体材料，封装后制得初始复合线材；

（2）减径拉拔：采用线束拉拔法拉拔初始复合线材，得到线径为D₂的成品复合线材；

（3）初捻：采用常规加捻设备对上述成品复合线材进行加捻；

（4）复捻：采用常规加捻设备对上述完成初捻的成品复合线材进行反方向的合股加捻；

（5）电化学分离：采用电化学分离方法对所述成品复合线材进行分离，从而制得多股金属纤维股线；

所述初捻的捻数t与复捻的捻数t₁满足以下关系：

t/t₁=(105～115)%。

现有多股金属纤维股线的制备往往只进行一次加捻，制得的金属纤维股线其松紧度较松，为了获得性能更为稳定、应用更为广泛的股线间松紧度较紧的多股金属纤维股线，上述方法先分别对拉拔得到的每根成品复合线材（线径为D₂）进行初次加捻（加捻的方向应当相同），再根据产品要求选择若干根已完成初次加捻的复合线材进行相反方向的合股加捻（即复捻），经过电化学分离步骤以后便能够得到松紧度较紧的多股金属纤维股线。由于多股金属纤维股线的制备过程中是先对单股进行加捻，随后再进行合股加捻，这既起到了消除单股加捻产生的应力的作用，也完成了合股工序，同时股与股之间的紧密度也较好。而如果依据一般方法直接对多根复合线材进行一次合捻，则合股后仍然要采取一定措施消除其合捻所产生的应力。

用上述方法制备得到的多股金属纤维股线的捻数，可通过以下方法计算得到：先按上述步骤（1）制备两根以上的初始复合线材，用线束拉拔法将每一根初始复合线材的线径减径至成品复合线径D₂，分别对各根成品复合线材进行初次加捻，加捻的捻数设为t₀；再采用常规的加捻设备对完成初次加捻的成品复合线材进行反方向的合股加捻（股数根据产品的需要确定），合股加捻的捻数设为t₁，经上述步骤（5）的电化学分离后便可得到捻数为t₁且松紧度较紧的多股金属纤维股线。发明人通过无数次的实验，反复尝试发现上述初捻的捻数t₀与复捻的捻数t₁的大小关系满足：t₀/t₁=(105～115)%，才能在结本发明工艺的基础上有效实现松紧度较紧的，且不易出现松股、断股、交叉、折叠和破损等缺陷多股金属纤维股线。

上述单股或多股金属纤维股线的制备方法中用到的“基体材料”是为了进行线束拉拔过程而施加在各个金属线材上的材料。该基体材料可以是铜、铁、铜合金或铁合金。在线束拉拔期间，将金属线材嵌入基体材料之后，再对其捆绑成束，并用封装材料进行封装。“封装材料”被定义为在其上已涂覆有基体材料的金属线材束上包覆的材料。这种封装材料可以是铝、铁、铝合金、铁合金或者其他类似金属。这种嵌入基体材料中的被封装的金属线材束被称作“复合线材”。

上述单股或多股金属纤维股线的制备过程中，捻数的范围控制在1～500捻，优选10～200捻。此处“捻数”定义为一米内出现的捻的个数。

上述单股或多股金属纤维股线的制备方法步骤（5）中所述的电化学分离方法是采用连续阴阳交替电解法，使用的电化学溶液体系为硫酸溶液，硫酸溶液的浓度为0.5～2.5mol/L；在电解分离过程中，电解电压采用0.2～4V的恒压控制，根据基体和封装材料的不同，可以将复合线材的分离速度控制在0.8～2.5m/min。

按现有的方法，在减径拉拔后便进入分离阶段，待分离获得金属纤维束后再直接对金属纤维束进行加捻。与现有技术相比，上述本发明的两种方法这样不仅提高了金属纤维股线的加工效率，而且避免了经常存在的松股、断股、折叠、交叉和破损等缺陷。由于本发明的方法是对线束拉拔后的金属复合线材进行加捻（而不是对金属纤维直接进行加捻），然后再采用电化学分离的方法进行分离，这样不仅使金属纤维股线的综合性能获得很大提高，也使加工的效率获得大大提高。由于是对复合线材进行加捻，因此本发明金属纤维股线的股数范围比对金属纤维直接加捻更容易控制（可以是1～5000股，优选10～2000股）；由于是对复合线材进行加捻，因此金属纤维股线的捻向比对金属纤维直接加捻更容易控制，可以是左捻（Z捻），也可以是右捻（S捻）；由于是对复合线材进行加捻，因此金属纤维股线的捻数范围比对金属纤维直接加捻也更容易控制（可以是1～500捻，优选10～200捻）。

此外，本发明针对单股和多股金属纤维股线在加工制备上的不同特点，对于单股金属纤维股线采用形成中间复合线材和对中间复合线材加捻后结合聚晶模具进行多次小变型量的拉拔；以及多股金属纤维股线采用对复合线材进行初捻和复捻后结合反方向的合股加捻，既操作简便又可较好的消除加捻时产生的应力，从而得到松紧度较普通金属纤维股线更紧、捻度均匀且不打扭的金属纤维股线，这种松紧度较紧的金属纤维股线不仅使其后续的加工变得越来越简便，而且也扩大了金属纤维股线的应用领域。经过长期的用户的检验，采用本发明技术所制得的不锈钢纤维股线已经在打印机的静电刷部件、汽车座椅发热线等方面得到广泛使用，产品质量得到了市场的认可。

附图说明

图1为实施例1制得的单股金属纤维股线的显微照片；

图2为实施例2制得的多股金属纤维股线的显微照片。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

实施例1：

一种单股金属纤维股线，是通过以下方法制备得到：

（1）复合线材制备：选取直径为0.8mm的金属线材，该金属线材的组分（以wt.%表示）为C：0.007%、Cr：18.19%、Cu：0.35%、Si：0.74%、Mn：1.28%、S：0.001%、P：0.025%、Ni：9.81%、Mo：0.43%、N：0.020%、余量为铁；通过电解将所述金属线材涂覆一层厚度为8μm的铜（基体材料），将涂覆基体材料后的90根金属线材捆扎成束并封装在铁套（封装材料）内，得到初始复合线材；

（2）减径拉拔：采用线束拉拔法拉拔初始复合线材，当复合线材的线径达到0.239mm时停止拉拔，得到中间复合线材；

（3）加捻：采用内收线式双捻机对上述中间复合线材进行加捻，捻向为左捻，捻数为125捻；

（4）定型拉拔：用5个聚晶模具对已加捻的中间复合线材再进行拉拔，得到线径为0.214mm的成品复合线材，所述的5个聚晶模具的尺寸分别为0.232mm、0.226mm、0.221mm、0.217mm和0.214mm；

（5）电化学分离：采用电化学分离方法对上述成品复合线材进行分离，采用硫酸溶液作为电化学溶液体系，硫酸溶液的浓度为1.0mol/L；在电解分离过程中，电解电压采用恒压控制，电压控制在3V，分离的速度控制为1.0m/min。

通过以上五个步骤便可制得单股金属纤维股线，单股的金属纤维数为90根，每根纤维直径为14μm，捻向为左捻，捻数为100捻。对其进行力学性能检测，其单根纤维的抗拉强度可以达到33.5CN，延伸率达到1.84%；整体金属纤维股线的抗拉强度可以达到35.4N，延伸率达到1.47%。这种金属纤维股线的表面状况如图1所示，从图1可以看出金属纤维股线呈典型的空间螺旋结构，股与股之间结合良好，无明显的松股、断股、交叉、折叠和破损等缺陷。

实施例2：

一种多股金属纤维股线，是通过以下方法制备得到：

（1）复合线材制备：选取直径为0.5mm的金属线材，该金属线材的组分（以wt.%表示）为C：0.022%、Cr：20.36%、Al：5.95%、Cu：0.058%、Si：0.20%、Mn：0.16%、S：0.017%、P：0.015%、Re：0.029%、余量为铁；通过电解将所述金属线材涂覆一层厚度为2μm的铜（基体材料），将涂覆基体材料后的275根金属线材捆扎成束并封装在铁套（封装材料）内，得到初始复合线材；

（2）减径拉拔：采用线束拉拔法拉拔上述初始复合线材，得到线径为0.30mm的成品复合线材；

（3）初捻：选取6根成品复合线材，采用内收线式双捻机分别对这6根成品复合线材进行加捻，每根复合线材的捻向均为左捻，捻数为110捻；

（4）复捻：再采用内收线式双捻机对上述完成初捻的6根成品复合线材进行合股加捻，捻向为右捻，捻数为100捻；

（5）电化学分离：采用电化学分离方法对上述合股加捻后的复合线材进行分离，采用硫酸溶液作为电化学溶液体系，硫酸溶液的浓度为1.0mol/L；在电解分离过程中，电解电压采用恒压控制，电压控制在3.5V；分离的速度控制在0.8m/min。

通过以上五个步骤，便可制得股数为6股、单股纤维为275根、每根纤维直径为12μm的多股金属纤维股线，该多股金属纤维股线的捻向为右捻，捻数为100捻。对其进行力学性能检测，其单根纤维的抗拉强度可以达到21.5CN，延伸率达到1.74%；整体金属纤维股线的抗拉强度可以达到271.5N，延伸率达到1.87%。这种金属纤维股线的表面状况如图2所示，从图2可以看出金属纤维股线呈典型的空间螺旋结构，股与股之间结合良好，无明显的松股、断股、交叉、折叠和破损等缺陷。

本领域技术人员可以根据本发明作出替换、变形，只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种单股金属纤维股线的制备方法，包括以下步骤：

(1)复合线材制备：准备金属线材，将所述金属线材嵌入基体材料，封装后制得初始复合线材；

(2)减径拉拔：采用线束拉拔法拉拔初始复合线材，得到中间复合线材；

(3)加捻：对上述中间复合线材进行加捻；

(4)定型拉拔：采用聚晶模具对已加捻的中间复合线材进行多次拉拔直到得到所要求线径的成品复合线材，每次拉拔的线材的横截面积变形量为1％～10％；

(5)电化学分离：采用电化学分离方法对所述成品复合线材进行分离，从而制得单股金属纤维股线。

2.根据权利要求1所述的单股金属纤维股线的制备方法，其特征在于所述中间复合线材到成品复合线材的横截面积变形量为5％～30％。

3.根据权利要求2所述的单股金属纤维股线的制备方法，其特征在于所述定型拉拔过程中使用的模具数量为3～10个。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的单股金属纤维股线的制备方法，其特征在于所述加捻步骤中捻数范围控制在10～200捻。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的单股金属纤维股线的制备方法，其特征在于所述电化学分离方法是采用连续阴阳交替电解法，使用的电化学溶液体系为硫酸溶液，硫酸溶液的浓度为0.5～2.5mol/L，电解电压采用0.2～4V的恒压控制，分离的速度控制在0.8～2.5m/min。

6.根据权利要求1～3中任一项所述的单股金属纤维股线的制备方法，其特征在于所述基体材料是铜、铁、铜合金或铁合金。

7.一种多股金属纤维股线的制备方法，包括以下步骤：

(1)复合线材制备：准备金属线材，将所述金属线材嵌入基体材料，封装后制得初始复合线材；

(2)减径拉拔：采用线束拉拔法拉拔初始复合线材，得到所要求线径的成品复合线材；

(3)初捻：对上述成品复合线材进行初次加捻；

(4)复捻：对上述完成初捻的成品复合线材进行反方向的合股加捻；

(5)电化学分离：采用电化学分离方法对所述成品复合线材进行分离，从而制得多股金属纤维股线；

所述初捻的捻数t与复捻的捻数t₁满足以下关系：

t/t₁＝(105～115)％；

上述方法先分别对拉拔得到的每根成品复合线材进行初次加捻，再根据产品要求选择若干根已完成初次加捻的复合线材进行相反方向的合股加捻，即复捻；经过电化学分离步骤后得到多股金属纤维股线。

8.根据权利要求7所述的多股金属纤维股线的制备方法，其特征在于所述初捻、复捻的捻数范围均应控制在10～200捻。

9.根据权利要求7或8所述的多股金属纤维股线的制备方法，其特征在于所述电化学分离方法是采用连续阴阳交替电解法，使用的电化学溶液体系为硫酸溶液，硫酸溶液的浓度为0.5～2.5mol/L，电解电压采用0.2～4V的恒压控制，分离的速度控制在0.8～2.5m/min。