CN108893819A - 一种包芯纱结构的复合纤维及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种包芯纱结构的复合纤维及其制备方法与应用。所述制备方法包括如下步骤：首先以无捻的尼龙6纤维、尼龙66纤维、涤纶纤维和聚丙烯腈纤维中的一种为内芯纤维材料；然后以一种以上的植物纤维组成外层纤维材料；再用外层纤维材料包覆内芯纤维材料，形成包芯纱；最后将2‑4股包芯纱进行互绕打捻，得到所述包芯纱结构的复合纤维。该复合纤维除了可用来制造船舶轴密封用静环外，还可用来制造其他种类润滑密封部件，其应用范围广，制造简单，原材料成本低，因此具有良好的市场前景和广阔的应用领域。

Description

一种包芯纱结构的复合纤维及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于纤维材料领域，具体涉及一种包芯纱结构的复合纤维及其制备方法与应用。
背景技术
静环是船舶轴密封装置中最易磨损、工作环境最恶劣、性能要求最高的部分，该材料需要具有高机械强度、适度的吸水性、低吸水膨胀率、优秀的耐摩擦磨损性能、适当的硬度和良好的机加工性能。静环的生产主要采用连续长纤维浸渍树脂，以缠绕编织、热压等工艺成型，纤维是静环材料中的主体组成之一，因此选用何种成分、何种结构的纤维，是决定静环材料性能优劣的关键因素。基于静环性能的特点，生产该产品需选取具有力学性能好(拉伸强度＞70MPa)、吸水性能适中(吸水率＞10％)、摩擦性能好(对45号钢摩擦系数＜0.1)、熔点高(＞200℃)等优点纤维材料。而在现有的静环产品中，没有连续的、有序排列的长纤维或复合纤维作为材料主体，因此，其产品多表现为力学性能差、摩擦受热后易变形、耐摩擦磨损性能低等缺点，无法满足大型船只轴密封系统的使用要求。
包芯纱一般以强力和弹力都较好的合成纤维丝为芯丝，外包棉、毛、粘胶纤维等短纤维一起加捻而纺制成的纱。包芯纱兼有长丝芯纱和外包短纤维的优良性能。比较常见的包芯纱有涤棉包芯纱，它以涤纶长丝为芯纱，外包棉纤维。还有氨纶包芯纱，它是以氨纶长丝为芯纱，外包其他纤维制成的纱线。目前包芯纱已发展到许多种类型，归纳起来有：短纤维与短纤维包芯纱、化纤长丝与短纤维包芯纱、化纤长丝与化纤长丝包芯纱三大类。目前使用较多的包芯纱一般是以化纤长丝为芯纱，外包各种短纤维而形成的一种独特结构的包芯纱。它的芯纱常用的化纤长丝有涤纶长丝、锦纶长丝、氨纶长丝等。外包短纤维有棉、涤棉、涤纶、锦纶、腈纶及毛纤维等。目前国内没有用于船舶轴密封静环材料的生产的纤维材料。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种包芯纱结构的复合纤维的制备方法。
本发明使用了较为常见原料，如纤维素纤维、棉纤维、黄麻纤维、剑麻纤维等植物纤维，一系列均具备优秀的吸水性能、良好的耐磨损性能及较好的强度纤维材料，如尼龙6、尼龙66、涤纶和聚丙烯腈纤维等均有强度高、耐摩擦磨损、硬度好等优点的连续长纤维材料，并且，本发明进一步将多种纤维相结合加工成包芯纱结构复合纤维。使用该复合纤维材料所制备的船舶轴密封材料，具有力学性能好、耐摩擦磨损、热稳定性好并具有适当吸水性等优点，其性能明显优于没有该纤维参与的静环材料，填补了相关领域研究的空白。
本发明的另一目的在于提供由上述制备方法得到的包芯纱结构的复合纤维。
本发明的再一目的在于提供所述一种包芯纱结构的复合纤维的应用。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种包芯纱结构的复合纤维的制备方法，包括如下步骤：
首先以无捻的尼龙6纤维、尼龙66纤维、涤纶纤维和聚丙烯腈纤维中的一种为内芯纤维材料；然后以一种以上的植物纤维，组成外层纤维材料；再用外层纤维材料包覆内芯纤维材料，形成包芯纱；最后将2-4股包芯纱进行互绕打捻，得到所述包芯纱结构的复合纤维。
本发明中，内芯纤维材料为化学合成纤维，具有耐磨性好，强度高，吸水膨胀率低等优点；外层纤维材料是纯天然纤维素纤维，具有优秀的吸水性能，但其耐磨性较差，强度不足，吸水膨胀率较高，因此使用纯天然纤维素纤维制成的产品具有较多缺点；本发明中将内芯纤维和外层纤维混用，能够弥补两类纤维性能上的不足，获得性能优秀的复合纤维。
进一步的，所述内芯纤维材料的细度为120d-600d。
进一步的，所述包芯纱结构的复合纤维的细度为900d-1800d。
进一步的，所述外层纤维材料质量占包芯纱结构的复合纤维重量的50％-95％。
进一步的，所述植物纤维包括纤维素纤维、棉纤维、黄麻纤维和剑麻纤维。
进一步的，组成内芯纤维材料的纤维是连续长纤维；组成外层纤维材料的植物纤维是短纤维。
进一步的，所述打捻的捻度为0.3-1.5捻/厘米。
本发明还提供了由上述制备方法得到的一种包芯纱结构的复合纤维。
上述包芯纱结构的复合纤维可应用于生产船舶艉轴密封用静环材料，或其他种类润滑密封部件。
船舶轴密封系统是船舶上工作环境最恶劣、最复杂的部位，系统中主要的部件为静环和动环，一般情况下静环为高分子复合材料，动环为金属材料，其中静环材料性能的优劣直接影响到密封系统的密封性、稳定性和可靠性。根据性能需要，静环材料需具备优良的耐摩擦磨损性能、优秀的机械性能、适当的硬度、适当的吸水性能及低吸水膨胀率。将本发明所述的包芯纱结构复合纤维用于静环材料的生产，可有效提高静环材料的耐摩擦磨损性能、机械强度，改善硬度、耐高温性能，提高静环材料的可靠性和机加工性能。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
本发明提供的包芯纱结构的复合纤维是以连续长纤维增强的方式制备而得到的，能有效解决单独使用化学合成纤维和单独使用纯天然纤维素纤维的缺点，具有强度好(拉伸强度＞70MPa)、摩擦性能好(对45号钢摩擦系数＜0.1)、吸水性好(＞10％)及吸水膨胀率低(＜1％)等特点，完全满足静环材料的性能要求。
采用本发明制备的包芯纱结构的复合纤维来生产船舶艉轴密封用静环材料，可以增强静环材料的耐摩擦磨损性能，即摩擦系数≤0.27、磨损量≤5.5mm，运行100小时；提高机械性能，即抗冲击强度(IZOD)≥40kJ/m2；提高硬度，即洛式硬度≥53M；改善吸水性能，即吸水率≥6％；减小吸水膨胀率，即吸水膨胀率≤1％。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例中使用的黄麻纤维、棉纤维、剑麻纤维、纤维素纤维等作为包芯纱外层材料的植物纤维均为短纤维。
实施例1
(1)以120d芳纶纤维长丝为内芯纤维材料，黄麻纤维与棉纤维混纺(质量比2:1)为外层纤维材料，内芯纤维材料与外层纤维材料质量比为1:3，以摩擦纺工艺制备成细度650d的包芯纱。其中，纺纱速度250m/min、尘笼转速2400r/min、第二牵伸装置分梳辊转速5000r/min。将所得包芯纱三股打捻得到包芯纱结构的复合纤维，捻度为1.5捻/厘米。
(2)将步骤(1)所制备的包芯纱结构的复合纤维，浸渍酚醛树脂乙醇溶液(其中酚醛树脂质量浓度为20％)后烘干得到浸胶纤维；将酚醛树脂50kg、白云石粉30kg、乙醇40L配制成混合胶液，然后将所得浸胶纤维浸入该混合胶液后进行湿法缠绕成型，填充模具后将模具扣合，80℃下烘干后，160℃热压成型，脱模、机加工后得到静环产品。
实施例2
(1)以240d涤纶纤维长丝为内芯纤维材料，剑麻纤维与棉纤维混纺(质量比1:1)为外层纤维材料，内芯纤维材料与外层纤维材料质量比为1:8，以摩擦纺工艺制备成细度1100d的包芯纱。其中，纺纱速度200m/min、尘笼转速2300r/min、第二牵伸装置分梳辊转速5500r/min。将所得包芯纱三股打捻得到包芯纱结构的复合纤维，捻度为1.0捻/厘米。
(2)将步骤(1)所制备的得到包芯纱结构的复合纤维，浸渍酚醛树脂乙醇溶液(其中酚醛树脂质量浓度为20％)后烘干得到浸胶纤维；将酚醛树脂50kg、白云石粉30kg、乙醇40L配制成混合胶液，然后将所得浸胶纤维浸入该混合胶液后进行湿法缠绕成型，填充模具后将模具扣合，80℃下烘干后，160℃热压成型，脱模、机加工后得到静环产品。
实施例3
(1)以240d尼龙66纤维长丝为内芯纤维材料，纤维素纤维与黄麻维混纺(质量比2:1)为外层纤维材料，内芯纤维材料与外层纤维材料质量比为1:11，以摩擦纺工艺制备成细度1200d的包芯纱。其中，纺纱速度150m/min、尘笼转速2000r/min、第二牵伸装置分梳辊转速5500r/min。将所得包芯纱三股打捻得到包芯纱结构的复合纤维，捻度为0.8捻/厘米。
(2)将步骤(1)所制备的包芯纱结构的复合纤维，浸渍酚醛树脂乙醇溶液(其中酚醛树脂质量浓度为20％)后烘干得到浸胶纤维；将酚醛树脂50kg、白云石粉30kg、乙醇40L配制成混合胶液，然后将所得浸胶纤维浸入该混合胶液后进行湿法缠绕成型，填充模具后将模具扣合，80℃下烘干后，160℃热压成型，脱模、机加工后得到静环产品。
实施例4
将酚醛树脂树脂50kg、白云石粉30kg、乙醇40L配制成混合胶液，将所得胶液填充模具后80℃下烘干，将模具扣合后，160℃热压成型，脱模、机加工后得到静环产品。
表1为实施例1-4所得静环产品的性能测试实验结果
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
抗冲击强度(IZOD，kJ/m2) 45 42 41 21
硬度(洛氏) 54 53 53 70
摩擦系数(对45#钢) 0.14 0.13 0.10 0.21
磨耗量(运行100小时) 5.5 5.2 5.1 40.5
吸水率(％) 7 8 8 1
吸水膨胀率(％) 0.8 0.9 0.9 0.08
注：
冲击强度(IZOD)测试方法：GB/T1843-2008《塑料悬臂梁冲击性能的测定》
洛氏硬度测试方法：GB/T3398.2-2008《塑料硬度测定第2部分：洛氏硬度》
摩擦系数测试方法：GB/T3960-1983《塑料滑动摩擦磨损试验方法》
磨损量(运行100小时)测试方法：GB/T3960-1983《塑料滑动摩擦磨损试验方法》
吸水率测试方法：GB/T1034-2008《塑料吸水率的测定》
吸水膨胀率(从完全干燥到完全饱和)测试方法：制备25mm×25mm×25mm样块三块，完全干燥后，在20℃下测量三个方向原始厚度尺寸，然后浸没在去离子水中，48小时候测量其厚度尺寸，与原始厚度比较得到吸水膨胀率。
根据试验结果：实施例1-3所得产品对比实施例4中没有本发明所述包芯纱结构的复合纤维参与的静环产品，抗冲击强度提高109％，硬度下降22.9％，摩擦系数降低33％，磨耗量降低86.4％，吸水率提高600％；吸水膨胀率提高为原产品的10倍。
由此可以看出，本发明提供的包芯纱结构的复合纤维中的长纤维可有效提高静环材料的机械性能，外层纤维对产品的摩擦性能与机械性能都有显著提高。因此，本发明所述包芯纱结构的复合纤维能够有效提高原有静环产品的各项性能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种包芯纱结构的复合纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
首先以无捻的尼龙6纤维、尼龙66纤维、涤纶纤维和聚丙烯腈纤维中的一种为内芯纤维材料；然后以一种以上的植物纤维组成外层纤维材料；再用外层纤维材料包覆内芯纤维材料，形成包芯纱；最后将2-4股包芯纱进行互绕打捻，得到所述包芯纱结构的复合纤维。
2.根据权利要求1所述的一种包芯纱结构的复合纤维的制备方法，其特征在于，所述内芯纤维材料的细度为120d-600d。
3.根据权利要求1所述的一种包芯纱结构的复合纤维的制备方法，其特征在于，所述包芯纱结构复合纤维的细度为900d-1800d。
4.根据权利要求1所述的一种包芯纱结构的复合纤维的制备方法，其特征在于，所述外层纤维材料质量占包芯纱结构复合纤维重量的50％-95％。
5.根据权利要求1所述的一种包芯纱结构的复合纤维的制备方法，其特征在于，所述打捻的捻度为0.3-1.5捻/厘米。
6.根据权利要求1至4任一项所述的一种包芯纱结构的复合纤维的制备方法，其特征在于，所述植物纤维包括纤维素纤维、棉纤维、黄麻纤维和剑麻纤维。
7.根据权利要求1至4任一项所述的一种包芯纱结构的复合纤维的制备方法，其特征在于，组成内芯纤维材料的纤维是连续长纤维；组成外层纤维材料的植物纤维是短纤维。
8.一种包芯纱结构的复合纤维，其特征在于，其由权利要求1至7任一项所述的一种包芯纱结构的复合纤维的制备方法制得。
9.权利要求8所述的包芯纱结构的复合纤维在制备船舶艉轴密封用静环材料或润滑密封部件中的应用。
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