CN111868325A - 合成纤维绳 - Google Patents

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Abstract

一种合成纤维绳，包括：‑芯，该芯是捻制或编织的合成纤维股，‑聚合物层，该聚合物层覆盖芯，‑第一层，该第一层具有沿第一方向围绕聚合物层捻制的至少六条第一合成纤维股，以及‑第二层，该第二层具有沿第二方向围绕第一层捻制的至少十二条第二合成纤维股。

Description

合成纤维绳
技术领域
本发明主要涉及一种绳索构造，并且更具体地，涉及一种合成纤维绳构造。
背景技术
用于提升和牵引应用(例如绞车和起重机)的现有合成纤维绳解决方案通常使用部分或全部由高模量聚乙烯(HMPE)制成的编织绳构造。由于股交叉且进而填充因数较低、径向稳定性较差，这种构造可能固有地具有较差的性能特性，例如强度较低并且疲劳寿命较短。因为对于芳族聚酰胺材料来说，编织构造中因股交叉产生的内部磨损可能不是最佳的，而且与编织HMPE绳相比会过早失效，所以使用编织构造还倾向于将材料选择限制在HMPE、液晶聚合物(LCP)或HMPE/LCP共混物。为了克服径向刚度问题，一些编织绳设计已经将非承载中央芯(例如连续单丝聚酯束或挤出聚氨酯)用于原本中空的编织构造，以改善径向稳定性。然而，这种添加是以整体材料填充因子为代价的。
为了高纤维强度转换率和抗疲劳性，期望合成纤维绳的特殊构造。
发明内容
本发明的主要目的在于开发一种合成纤维绳，其尤其适合关键应用，例如具有高工作温度、高张力(安全系数低于3)、低弯折半径和高占空比的应用。
本发明的另一目的在于设计一种合成纤维绳，其强度显著增加、抗疲劳性提高且径向稳定性得以改善。
根据本发明的第一方面，提供了一种合成纤维绳，包括
芯，该芯是捻制或编织的合成纤维股，
聚合物层，该聚合物层覆盖芯，
第一层，该第一层具有沿第一方向围绕聚合物层捻制的至少六条第一合成纤维股，以及
第二层，该第二层具有沿第二方向围绕第一层捻制的至少十二条第二合成纤维股。
本文中的“层”在现有技术中也被称为护套、覆盖物或涂层。合成纤维绳的芯的面积可以在合成纤维绳的总净聚合物横截面积的5％至10％的范围内。在本文中，“净聚合物横截面面积”是承载材料面积或聚合物材料面积。芯可以是形状或功能与钢丝绳中的独立钢丝绳芯(也称IWRC钢丝绳)类似的捻制绳。在施加覆盖聚合物层之前，芯还可以具有编织层。
合成纤维绳的芯例如通过挤出由聚合物层覆盖。聚合物层可以被以圆形或凹槽形式或特殊轮廓挤出，并且由包括聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、PP/PE混合物、尼龙(聚酰胺)、
Figure BDA0002686860700000021
和
Figure BDA0002686860700000022
在内的各种材料制造而成。挤出聚合物层的厚度优选在0.1mm至5mm的范围内。更优选地，该厚度大于0.5mm。挤出聚合物层提高了合成纤维绳的横向刚度和弯折刚度，并且还减少了旋转。
第一层可以由围绕芯捻制的6和12条之间的股、优选6至9条股形成。第二层可以由围绕第一层捻制的12和24条之间的股、优选16至24条股形成。第二层中的股的数目根据绳直径来选择，以使高面积接触最大化并使接触压力最小化。第一层或第二层的承载面积可以在合成纤维绳的总承载横截面积的40％至60％的范围内。
捻向表示绳中的股围绕中心股的捻制方向。“S”方向或“S捻”是指外股沿左手方向围绕中心股捻制。“Z”方向或“Z捻”是指外股沿右手方向围绕中心股捻制。根据本发明，第一合成纤维股和第二合成纤维股优选沿相反方向捻制：
当第一合成纤维股沿“S”方向捻制时，第二合成纤维股沿“Z”方向捻制；当第一合成纤维股沿“Z”方向捻制时，第二合成纤维股沿“S”方向捻制。
捻系数是合股绳中股或构件的捻距与对应层的外径之比。在本文中，捻距(绞距长度)是合股绳的层中的股或构件绕一圈的轴向长度。
在本发明中，芯、第一层和第二层的捻系数在从3至15的范围内，优选在从5至8的范围内，并且更优选在从5.5至6.5的范围内。甚至更优选的是，芯的捻系数最小，并且第一层的捻系数小于第二层的捻系数。作为一个示例，芯的捻系数为5.5至6，第一层的捻系数为6.25，并且第二层的捻系数为6.5。这些捻系数的选择赋予绳中的每层接近相同的负载伸长性，确保了所有纤维几乎等同地加载。
根据本发明，第一层和/或第二层可以覆盖有保护层。保护层可以是编织层和/或挤出层。这将使得合成纤维绳易于处理。这也为合成纤维绳提供了磨损和缠绊保护。
此外，第一合成纤维股和第二合成纤维股可以被单独地覆盖有编织层或挤出层。
替代地，第一合成纤维股和第二合成纤维股不是单独地覆盖有编织层或挤出层。这样可以使空隙空间最小化并获得最佳纤维密度。这种设计的填装因子比具有单独覆盖股的设计更高。在传统的钢丝绳构造中，每个附加层比下面的层多六条股(例如1-6-12-18构造)，从而使嵌套提供最佳纤维密度。本发明的构造不遵循这种途径。消除对嵌套的需求允许外层中的股的捻距和数目独立于内层。股的数目不需要是前一层的倍数和/或六的倍数。例如，在本发明中，第二层可以包含二十条股，而第一层可以包含六条股。这转而改进了该设计的扭矩/转动响应(以及优化可能性)，特别是提高了铺垫过程中源于结构伸长的非线性响应。为此，嵌套是历史设计的负面需求，并且在本发明的构造中不是必需的。
可以用于根据本发明的合成纤维绳的合成纱包括已知的用于全合成绳的所有纱。这些纱可以包括由聚丙烯、尼龙、聚酯纤维制成的纱。优选地，使用高模量纤维的纱或共混高模量合成纤维的纱，例如，由诸如
Figure BDA0002686860700000041
或
Figure BDA0002686860700000042
的超高分子量聚乙烯(UHMwPE或UHMPE)、高分子量聚乙烯(HMwPE或HMPE)、诸如聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA，也称
Figure BDA0002686860700000043
和
Figure BDA0002686860700000044
)的芳族聚酰胺、共聚对亚苯基/3,4’-氧二亚苯基对苯二胺(也称
Figure BDA0002686860700000045
)、液晶聚合物(LCP)和聚(对亚苯基-2,6-苯并二唑)(PBO)制成的纤维的纱。高模量纤维优选具有至少2GPa的断裂强度和优选100GPa以上的拉伸模量。
合成纤维，即，合成纤维绳中使用的材料，可以以下列方式中的一种或多种方式进行组合：
i.在绳纱绞捻期间将两种材料组合(绳纱是绞捻在一起的多个扁平纱(由纱制造商提供))。
ii.在合股期间，绳纱中的一部分用由替代材料制成的相同尺寸的绳纱代替。
iii.不同材料的主纱(king yarn)可以被包含在股中。主纱是在股的中心处的绳纱。
iv.绳的层由不同材料制成。
作为一种示例性合成纤维绳，芯、第一层或第二层中的至少一个包括两种不同的高模量合成纤维。作为另一示例，芯、第一层和第二层由不同的高模量合成纤维制成。
在本发明的绳构造中，绳由股构成。股由包含合成纤维的绳纱构成。在本发明中，优选地，合成纤维单丝的直径在10μm至30μm的范围内，绳纱的直径在0.1mm至4mm的范围内，股的直径在4mm至10mm的范围内，并且绳的直径大于10mm。由纤维形成纱、由纱形成股以及由股形成绳的方法在本领域内是已知的。股本身也可以具有编制、编织、捻制、绞捻或平行构造或其组合。在本发明中，优选地，本发明中的第一合成纤维股和第二合成纤维股中的至少一个由绞捻纱制成，并且包括两层或三层或更多层绳纱。更优选地，所有的第一合成纤维股和所有的第二合成纤维股均是绞捻绳纱股。这种股由围绕主绳纱或股的内层合股的多个绳纱构成。最优选地，两层或三层捻制纱沿不同方向捻制，例如沿“SZ”、“ZS”、“SZS”或“ZSZ”方向捻制。
根据本发明的合成绳可以用于绞盘、起重机以及其它牵引和提升装置，例如废弃和回收(A&R)、转向节臂起重机、立管牵引、立管张紧器、牵引铲式起重机、锚索和深竖井提升卷筒以及摩擦缠绕应用。在这些应用中，当绳经过滑车轮和滑轮、在张力作用下卷绕到包含多层的卷筒上，或者通过牵引驱动装置由摩擦力逐渐加载时，对绳有特殊要求。本发明的设计使其能够以最小系统改造而被集成到为钢丝绳设计的这种系统上，并且减少了占空比或张力较高的内部磨损和微振磨损机制。
本发明使得合股构造的合成纤维绳能够利用各种材料的组合进行制造，并且具有低且可预测的旋转特性、高抗弯疲劳性、高强度和高径向稳定性及刚度，并且具有用于相关应用的高连续长度(例如5km或更长)。
附图说明
当结合非限制性示例和附图考虑时，参考详细描述将更好地理解本发明，其中：
图1是根据本发明第一实施例的合成纤维绳的横截面。
图2示出在相同伸长水平下，整个合成纤维绳的应力应变关系与芯和第一层的应力应变关系的对比。
图3是具有三层级/层的股构造。
图4示出根据本发明第二实施例的本发明合成纤维绳。
具体实施方式
图1是根据本第一实施例的本发明合成纤维绳的横截面。本发明的合成纤维绳10包括纤维芯12、挤出聚合物层14、第一层17和第二层19。芯是“六股”，即，围绕中心股(芯内部)闭合有六条股(芯外部)。第一层17具有沿第一方向(第一层的闭合方向)围绕挤出聚合物层14捻制的六条第一合成纤维股。第二层19具有沿第二方向(第二层的闭合方向)围绕第一层17捻制的二十条第二合成纤维股。第一合成纤维股之间的“谷”16和第二合成纤维股之间的“谷”18被最小化，并且与编织绳构造相比小得多。
挤出聚合物层14可以是管状形式，并且可以由包括聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、PP/PE混合物、尼龙、
Figure BDA0002686860700000062
和
Figure BDA0002686860700000063
在内的各种材料制造而成。
每一层的捻系数和闭合方向在下面的表1中示出。在该内容中，闭合方向“A”或“B”表示左右绞捻方向(“S”或“Z”)，并且“A”和“B”表示不同的绞捻方向。
表1绳的捻系数和闭合方向
Figure BDA0002686860700000061
图2示出在相同伸长水平下，整个合成纤维绳的应力与芯和第一层的应力的对比。整个合成纤维绳的作为应变ε(％)函数的应力σ(％断裂载荷时的应力σ)由曲线A表示，而芯和第一层的作为应变ε(％)函数的应力σ由曲线B表示。如图2所示，曲线A和曲线B在相同应变水平下呈现出相似的应力。这表明整个绳、芯、第一层以及进而绳的每一层具有类似的负载伸长性。由于捻系数的原因，所有纤维几乎被等同地加载，同时还使扭矩和旋转最小化。
这里，第一合成纤维股17和第二合成纤维股19具有两层(或层级)或三层(或层级)。如图3所示，示例性股30具有三个层级：主纱32、内层级34和外层级36。每个层级34、36中的绳纱35、37具有单一尺寸，但不需要在每个层级34、36中具有相同尺寸。股的内层级34含有全部股材料的20％和40％之间的材料，其余材料则围绕股的其它部分分布。合成纤维绳中的各层和股中的各层级的合股捻系数在表2中示出。合成纤维绳的第一层中各层级的绞捻方向在表3中示出。合成纤维绳的第二层中各层级的绞捻方向在表4中示出。
每条股可以在没有覆盖物或涂层的情况下被施加。替代地，每条股也可以具有施加有编织层或涂层/挤出的保护性覆盖物。
表2合成纤维绳中的各层和股中的各层级的合股捻系数
Figure BDA0002686860700000071
除主纱外，绳纱在所有层中的捻系数可以在15-25之间，主纱在芯内部使用6-10之间的捻系数，并且在芯外部、第一层和第二层使用8-12之间的捻系数。
表3合成纤维绳第一层中各层级的绞捻方向
Figure BDA0002686860700000072
表4合成纤维绳第二层中各层级的绞捻方向
Figure BDA0002686860700000073
如表3和表4所示的一系列绞捻方向减小了内部接触角(增加了抗内部磨损能力)，使得外部耐磨性最大化，减小了扭矩和旋转特性，并且给出了优化的强度转换。
图4示出根据本发明第二实施例的本发明合成纤维绳。本发明的合成纤维绳40包括纤维芯42、挤出聚合物层44、第一层46和第二层48。与上述第一实施例不同，在该实施例中，纤维芯42具有编织构造，并且挤出聚合物层44具有凹槽形状。第一层46和第二层48与上述第一实施例相同。
本发明的合成纤维绳具有许多特征，以便在性能上具有低且可预测的旋转特性、高抗弯疲劳性、高强度和高径向稳定性及刚度的组合进步。
应当理解的是，尽管本发明已经通过优选实施例和可选特征具体地公开，但本领域技术人员可以采用本文公开的本发明的修改和变型，并且这些修改和变型视为在本发明的范围内。
附图标记
10、40 合成纤维绳
12、42 纤维芯
14、44 挤出聚合物层
17、46 第一层
16 第一合成纤维股之间的谷
19、48 第二层
18 第二合成纤维股之间的谷
30 股
32 主纱
34 内层级
35、37 绳纱
36 外层级

Claims (15)

1.一种合成纤维绳，包括：
芯，所述芯是捻制或编织的合成纤维股，
聚合物层，所述聚合物层覆盖所述芯，
第一层，所述第一层具有沿第一方向围绕所述聚合物层捻制的至少六条第一合成纤维股，以及
第二层，所述第二层具有沿第二方向围绕所述第一层捻制的至少十二条第二合成纤维股。
2.根据权利要求1所述的合成纤维绳，
其中所述芯的面积在所述合成纤维绳的总净聚合物横截面积的5％至10％的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的合成纤维绳，
其中所述第一层或所述第二层的面积在所述合成纤维绳的总横截面积的40％至60％的范围内。
4.根据前述权利要求中任一项所述的合成纤维绳，
其中所述芯、所述第一层和所述第二层中的每一个的捻系数在从3至15的范围内，优选在从5至8的范围内，并且更优选在从5.5至6.5的范围内。
5.根据前述权利要求中任一项所述的合成纤维绳，
其中所述芯的捻系数最小，并且所述第一层的捻系数小于所述第二层的捻系数。
6.根据前述权利要求中任一项所述的合成纤维绳，
其中所述第一方向为“S”方向，并且所述第二方向为“Z”方向，或者所述第一方向为“Z”方向，并且所述第二方向为“S”方向。
7.根据前述权利要求中任一项所述的合成纤维绳，
其中所述第一层和/或所述第二层被覆盖有保护层。
8.根据权利要求7所述的合成纤维绳，
其中所述保护层是编织层和/或挤出层。
9.根据前述权利要求中任一项所述的合成纤维绳，
其中所述第一合成纤维股和所述第二合成纤维股被单独地覆盖有层。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的合成纤维绳，
其中所述第一合成纤维股和所述第二合成纤维股不是单独地覆盖有层。
11.根据前述权利要求中任一项所述的合成纤维绳，
其中所述第一合成纤维股和所述第二合成纤维股中的至少一个是纱捻制股，并且包括两层或三层或更多层绳纱。
12.根据权利要求11所述的合成纤维绳，
其中所述两层或三层捻制纱被沿不同方向捻制，例如被沿“SZ”、“ZS”、“SZS”或“ZSZ”方向捻制。
13.根据前述权利要求中任一项所述的合成纤维绳，
其中所述合成纤维绳包括从超高分子量聚乙烯(UHMwPE或UHMPE)、高分子量聚乙烯(HMwPE或HMPE)、芳族聚酰胺、液晶聚合物(LCP)和聚(对亚苯基-2,6-苯并二唑)(PBO)中选择的高模量合成纤维或共混高模量合成纤维。
14.根据前述权利要求中任一项所述的合成纤维绳，
其中所述芯、所述第一层或所述第二层中的至少一个包括两种不同的高模量合成纤维。
15.根据前述权利要求中任一项所述的合成纤维绳，
其中所述芯、所述第一层和所述第二层由不同的高模量合成纤维制成。
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