CN107641968A - 一种混合绳索 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合绳索，包括芯元件以及包围在芯元件外侧的金属线股；芯元件是由高模量碳纤维束和玻璃纤维束浸渍环氧基树脂涂层后加捻而成，在芯元件的横向截面中碳纤维占比为55％～66％；金属股线由金属丝合股加捻后以1000～1500转/米包围在芯元件外侧；芯元件的截面面积是混合绳索截面面积的34％～42％。本发明提供的混合绳索自身重量小于现有混合绳索的重量，提升了其负载能力，并且成本低、具有耐高温、绝缘性好、耐摩擦耐切割的优点。

Description

一种混合绳索

技术领域

本发明涉及土木工程领域，尤其涉及用于预应力结构部分或悬挂结构部分中的混合绳索。

背景技术

普通的金属线缆索通常的特征在于金属芯，该金属芯是由螺旋加捻的钢丝或钢丝股线包围，具有长度较长时过重的缺点。

目前，已经出现了混合绳索的技术方案，混合绳索是将加捻在一起的金属线股与天然的或合成的纤维芯包围在一起，混合绳索相对与全钢绳索的优点是较低的重量和较高的性能，例如拉伸和弯曲疲劳；混合绳索相对于全合成绳索，其优点是具有较高的抗磨、抗压、和抗拉伸性，同时具有合适的韧性和优良的冲击强度。

混合绳索的优点特别在用于悬挂使用较大长度绳索的情况下有效，例如采矿、起重机和升降机中的牵引绳索或提升绳索、用于深海设备的架空绳索、或者在海洋商业捕鱼用途和海上锚泊中使用。但是在这些用途中，绳索自身的重量已经占据它的负载承载能力和绞车负载能力的较大部分，有效负载相应地有限。

发明内容

为了解决上述混合绳索存在的问题，本发明公开一种成本低、安全性高、单位重量轻、负载能力高的混合绳索。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种混合绳索，包括芯元件以及包围在芯元件外侧的金属线股；芯元件由高模量碳纤维束和玻璃纤维束浸渍环氧基树脂涂层后加捻而成在芯元件的横向截面中碳纤维占比为55％～66％；金属股线由金属丝合股加捻后以1000～1500转/米包围在芯元件外侧；芯元件的截面面积是混合绳索截面面积的34％～42％。

在上述技术方案中，高模量碳纤维是一种力学性能优异的材料，具有重量轻、耐腐性高、非磁性、热传导率高、膨胀系数低、拉伸强度高等优点，高模量碳纤维的单位截面积抗拉强度大于2GPa，模量大于50GPa，但高模量碳纤维成本高；玻璃纤维直径在数微米及二十微米之间，比重介于2.4～2.7g/cm3，拉伸强度可达7g/d,导热系数0.03千卡/米·度，有良好的耐热性、耐湿性、不燃性、耐化学腐蚀性、抗霉、抗蛀、电绝缘性，玻璃纤维的成本低；将高模量碳纤维与玻璃纤维的结合起来，在保证了混合绳索拉伸强度、抗疲劳性、断裂负载等参数的前提下，不会使混合绳索的成本过高，并且芯元件浸渍环氧基树脂涂层在提高摩擦力、提高耐磨性的同时，还提高了耐腐蚀性，减少芯元件与金属线股之间的滑动；本发明提供的混合绳索自身重量在0.8～1.2kg/m，远远小于现有混合绳索的重量，从而提升其负载能力。

进一步地，高模量碳纤维束由碳纤维单丝在第一方向上以100～150转/米加捻而成，玻璃纤维束由玻璃纤维单丝在与第一方向相反的第二方向上以250～300转/米加捻而成，形成有效合股为±150转/米；

或，芯元件是由高模量碳纤维束和玻璃纤维束合股后浸渍环氧基树脂涂层后以100～200转/米的方式加捻而成。

进一步地，高模量碳纤维和玻璃纤维均经丙酮超声及粗化预处理后浸渍0.5～2mm环氧基树脂涂层，高模量碳纤维和玻璃纤维经丙酮超声及粗化预处理后，断裂伸长率为降低了6％～12％、拉伸强度提高了10％～18％、单位质量降低了8％～15％。

进一步地，环氧基树脂涂层由以下质量分数的成分组成：树脂组分100份，固化剂组分12～19份，树脂组分包括在树脂组分内所占重量比为26～38wt％的含缩水甘油基的烯类单体、18～27wt％甲基丙烯酸酯类、23～35wt％的酚醛环氧基树脂、10～20％环氧活性稀释剂、0～5％增韧剂、5～10％无机填料，固化剂组分包括在固化剂组分内所占重量比为45％～60％酯环胺、0～20％固化促进剂、30％～40％白刚玉粉。该组分的环氧基树脂涂层在提高耐磨性的同时，还提高了防腐性、附着力、耐湿热侵蚀、耐候性、耐水性、耐久性等性能。

进一步地，金属丝上涂覆有锌铝合金涂层，锌铝合金涂层由以下质量分数的成分组成：铝：27％～34％，镁：0.5％～2％，硅：0.01％～0.014％，镧和/或铈：0.03％～0.08％，钽:0.08％～0.26％,余量为锌。该锌铝合金涂层中加入了镧和/或铈、钽等微量元素，通过对合金涂层结构的联合作用及影响进一步提高了混合绳索的力学性能，硅、铝和镁等元素的加入提供了更好的抗腐蚀性。

上述任一种技术方案中的混合绳索的用途，是用于建筑结构中承受张力的构件，形成用于预应力缆索的一部分或悬挂系统缆索的一部分。

本发明还公开一种混合绳索的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备芯元件：将高模量碳纤维束和玻璃纤维束浸渍环氧基树脂涂层后加捻形成芯元件，并使碳纤维截面面积占芯元件横向截面面积的55％～66％；

(2)制备金属线股：取金属丝合股形成金属线股后以1000～1500转/米的方式包围在芯元件周围形成混合绳索，芯元件的截面面积是混合绳索截面面积的34％～42％。

进一步地，在步骤(1)中，高模量碳纤维和玻璃纤维均经丙酮超声及粗化预处理后浸渍0.5～2mm环氧基树脂涂层；

和/或，在步骤(2)中，在金属丝上喷涂锌铝合金涂层后进行加捻合股。

上述方法中制备的混合绳索具有耐高温、绝缘性好、耐摩擦耐切割的优点，并且成本低、安全性高、单位重量轻、负载能力高。本发明的绳索更轻、结实，因此适合用作架空绳索，例如用于架空索道或“架空缆车”。与普通的空中绳索相比，应用本发明的绳索获得更大的缆索跨距，另外下垂更小。本发明的绳索还能够用作提升或拖拉绳索，用于牵引绞车或采矿。本发明的混合绳索明显增加了负载承载能力或有效负荷。

附图说明

图1为本发明第一实施例的结构示意图；

图2为本发明第二实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，混合绳索101包括芯元件以及8束编织在芯元件外侧的金属线股120、121、122、123、124、125、126、127、128；芯元件由1束高模量碳纤维束111和2束玻璃纤维束112、113浸渍环氧基树脂涂层后加捻而成；每束高模量碳纤维束包括12K根碳纤维单丝，直径约为9μm，碳纤维单丝在第一方向上以100转/米加捻，每束玻璃纤维束包括10K根玻璃纤维单丝，直径约为5μm，玻璃纤维丝在与第一方向相反的第二方向上以250转/米加捻而成，在芯元件的横向截面中碳纤维占比约为66％；每束金属股线包括5k根316L的金属丝，直径约为12μm，金属丝在Z反向上以100转/米的方式彼此绞合，随后在S方向上以1000转/米的方式缠绕在芯元件周围，芯元件的截面面积是混合绳索截面面积的34％。

优选地，高模量碳纤维和玻璃纤维均经丙酮超声及粗化预处理后浸渍0.5～2mm环氧基树脂涂层。

高模量碳纤维为聚对苯二甲酰对苯二胺、聚丙烯腈、芳香族共聚酯和芳香族聚甲亚胺中的一种或多种。金属丝由高碳钢制成，其含碳量为0.6％～1.0％。

金属股线外侧还可以围绕护套，护套包括塑性体、热塑性材料、编织物覆盖层和/或弹性体。

实施例2

与实施例1不同的是，混合绳索201包括芯元件210以及金属线股220，如图2所述，芯元件210由2束高模量碳纤维束和2束玻璃纤维束混合均匀后浸渍环氧基树脂涂层后加捻而成，芯元件外侧缠绕有6束金属线股221、222、223、224、225、226，每束高模量碳纤维束包括48K根碳纤维单丝，直径约为7μm，每束玻璃纤维束包括16K根玻璃纤维单丝，直径约为11μm，在芯元件的横向截面中碳纤维占比约为55％，高模量碳纤维单丝和玻璃纤维单丝混合均匀合股后以100～200转/米加捻；每束金属股线包括10k根316L的金属丝，直径约为14μm，金属丝在Z反向上以175转/米的方式彼此绞合，随后在S方向上以1200转/米的方式缠绕在芯元件周围，芯元件的截面面积是混合绳索截面面积的42％。

实施例3

与实施例1不同的是，芯元件由1束高模量碳纤维束和1束玻璃纤维束分别浸渍环氧基树脂涂层后合股加捻后再次加捻而成，芯元件外侧缠绕有2束金属线股，每束高模量碳纤维束包括40K根碳纤维单丝，直径约为7μm，碳纤维单丝在第一方向上以150转/米加捻，每束玻璃纤维束包括28K根玻璃纤维单丝，直径约为7μm，玻璃纤维丝在与第一方向相反的第二方向上以300转/米加捻而成，在芯元件的横向截面中碳纤维占比约为59％；每束金属股线包括15k根316L的金属丝，直径约为13μm，金属丝在Z反向上以250转/米的方式彼此绞合，随后在S方向上以1500转/米的方式缠绕在芯元件周围，芯元件的截面面积是混合绳索截面面积的40％。

实施例1～3中的混合绳索性能参数表如下：

实施例	线性重量(kg/m)	断裂负载BL(吨)	弹性模量(GPa)
				实施例1	0.8	75	80
实施例2	1.2	60	75
				实施例3	1.0	69	86

实施例4

在实施例1～3的基础上，环氧基树脂涂层1由以下质量分数的成分组成：树脂组分100份，固化剂组分12份，树脂组分包括在树脂组分内所占重量比为26wt％的含缩水甘油基的烯类单体、27wt％甲基丙烯酸酯类、23wt％的酚醛环氧基树脂、20％环氧活性稀释剂、10％无机填料，固化剂组分包括在固化剂组分内所占重量比为45％酯环胺、20％固化促进剂、30％白刚玉粉。

实施例5

在实施例1～3的基础上，环氧基树脂涂层2由以下质量分数的成分组成：树脂组分100份，固化剂组分19份，树脂组分包括在树脂组分内所占重量比为38wt％的含缩水甘油基的烯类单体、18wt％甲基丙烯酸酯类、35wt％的酚醛环氧基树脂、10％环氧活性稀释剂、5％增韧剂、5％无机填料，固化剂组分包括在固化剂组分内所占重量比为60％酯环胺、40％白刚玉粉。

实施例6

在实施例1的基础上，环氧基树脂涂层3由以下质量分数的成分组成：树脂组分100份，固化剂组分15份，树脂组分包括在树脂组分内所占重量比为32wt％的含缩水甘油基的烯类单体、23wt％甲基丙烯酸酯类、29wt％的酚醛环氧基树脂、15％环氧活性稀释剂、3％增韧剂、8％无机填料，固化剂组分包括在固化剂组分内所占重量比为52％酯环胺、10％固化促进剂、35％白刚玉粉。

实施例4～6中的混合绳索在高湿热环境下，其耐蚀性较实施例1～3中的混合绳索的时间增加3～5倍，实施例4～5中的混合绳索的耐磨性较实施例1～3提升了2～3倍。

实施例7

在实施例1～3的基础上，金属丝上涂覆有锌铝合金涂层1，锌铝合金涂层1由以下质量分数的成分组成：铝：27％，镁：2％，硅：0.01％，镧和/或铈：0.08％，钽:0.08％,余量为锌。

实施例8

在实施例1～3的基础上，金属丝上涂覆有锌铝合金涂层2，锌铝合金涂层2由以下质量分数的成分组成：铝：34％，镁：0.5％，硅：0.014％，镧和/或铈：0.03％，钽:0.26％,余量为锌。

实施例9

在实施例1～3的基础上，金属丝上涂覆有锌铝合金涂层3，锌铝合金涂层3由以下质量分数的成分组成：铝：30％，镁：1.2％，硅：0.012％，镧和/或铈：0.06％，钽:0.17％,余量为锌。

实施例7-9中的混合绳索相比于实施例1-3平均增加的抗拉强度如下表所示：

实施例1～9中提供的混合绳索用于建筑结构中承受张力的构件，形成用于预应力缆索的一部分或悬挂系统缆索的一部分。

实施例10

一种混合绳索的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备芯元件：将高模量碳纤维束和玻璃纤维束浸渍环氧基树脂涂层后加捻形成芯元件，并使碳纤维截面面积占芯元件横向截面面积的55％～66％；

(2)制备金属线股：取金属丝合股形成金属线股后以1000～1500转/米的方式包围在芯元件周围形成混合绳索，芯元件的截面面积是混合绳索截面面积的34％～42％。

优选地，在步骤(1)中，高模量碳纤维和玻璃纤维均经丙酮超声及粗化预处理后浸渍0.5～2mm环氧基树脂涂层；

和/或，在步骤(2)中，在金属丝上喷涂锌铝合金涂层后进行加捻合股。

以上所述实施方式仅表达了本发明的多种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种混合绳索，其特征在于，包括芯元件以及包围在芯元件外侧的金属线股；芯元件是由高模量碳纤维束和玻璃纤维束浸渍环氧基树脂涂层后加捻而成，在芯元件的横向截面中碳纤维占比为55％～66％；金属股线由金属丝合股加捻后以1000～1500转/米包围在芯元件外侧；芯元件的截面面积是混合绳索截面面积的34％～42％。

2.根据权利要求1所述的混合绳索，其特征在于，高模量碳纤维束由碳纤维单丝在第一方向上以100～150转/米加捻而成，玻璃纤维束由玻璃纤维单丝在与第一方向相反的第二方向上以250～300转/米加捻而成，形成有效合股为±150转/米；

或，芯元件是由高模量碳纤维束和玻璃纤维束合股后浸渍环氧基树脂涂层后以100～200转/米的方式加捻而成。

3.根据权利要求1所述的混合绳索，其特征在于，高模量碳纤维束有1～2束，每束高模量碳纤维束包括12k～48k根碳纤维单丝；玻璃纤维束有1～2束，每束玻璃纤维束包括10k～28k根玻璃纤维单丝；金属股线有2～8束，每束金属股线包括5K～15k根金属丝，加捻或编织在芯元件外侧。

4.根据权利要求1所述的混合绳索，其特征在于，高模量碳纤维和玻璃纤维均经丙酮超声及粗化预处理后浸渍0.5～2mm环氧基树脂涂层。

5.根据权利要求4所述的混合绳索，其特征在于，环氧基树脂涂层由以下质量分数的成分组成：树脂组分100份，固化剂组分12～19份，树脂组分包括在树脂组分内所占重量比为26～38wt％的含缩水甘油基的烯类单体、18～27wt％甲基丙烯酸酯类、23～35wt％的酚醛环氧基树脂、10～20％环氧活性稀释剂、0～5％增韧剂、5～10％无机填料，固化剂组分包括在固化剂组分内所占重量比为45％～60％酯环胺、0～20％固化促进剂、30％～40％白刚玉粉。

6.根据权利要求1所述的混合绳索，其特征在于，金属丝由高碳钢制成，其含碳量为0.6％～1.0％。

7.根据权利要求1所述的混合绳索，其特征在于，金属丝上涂覆有锌铝合金涂层，锌铝合金涂层由以下质量分数的成分组成：铝：27％～34％，镁：0.5％～2％，硅：0.01％～0.014％，镧和/或铈：0.03％～0.08％，钽:0.08％～0.26％,余量为锌。

8.权利要求1～7任一项所述的混合绳索的用途，其特征在于，用于建筑结构中承受张力的构件，形成用于预应力缆索的一部分或悬挂系统缆索的一部分。

9.一种混合绳索的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)制备芯元件：将高模量碳纤维束和玻璃纤维束浸渍环氧基树脂涂层后加捻形成芯元件，并使碳纤维截面面积占芯元件横向截面面积的55％～66％；

(2)制备金属线股：取金属丝合股形成金属线股后以1000～1500转/米的方式包围在芯元件周围形成混合绳索，芯元件的截面面积是混合绳索截面面积的34％～42％。

10.根据权利要求9所述的混合绳索的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，高模量碳纤维和玻璃纤维均经丙酮超声及粗化预处理后浸渍0.5～2mm环氧基树脂涂层；

和/或，在步骤(2)中，在金属丝上喷涂锌铝合金涂层后进行加捻合股。