一种轻量化刚性自润滑复合绳索及其制备方法
技术领域
本发明涉及绳索领域，具体的说是一种轻量化刚性自润滑复合绳索及其制备方法。
背景技术
目前钢丝绳的使用涵盖各个领域——吊桥、起重等，钢丝绳的特点也非常明显，除了基本的强度之外，钢丝绳具备相当的硬度，耐高温，耐一定的腐蚀，是导体。但与化纤类绳索比较，钢丝绳的缺点是材料密度大，质量高，不易操作。但化纤绳索具备柔软、轻便、高强、易打结的优点。因此在很多应用领域，化纤绳索已经逐步替代钢丝绳索。
尽管在一些领域，化纤绳索已经完全替代钢丝绳，尤其是高性能纤维绳索的轻质、高强、耐腐蚀性能，更是替代钢丝绳产品的主要原因。但在起重、多层卷绕工况下，对绳索的刚度要求高，同时要求轻量化，具备高的强度重量比，化纤绳索比钢丝绳索优势明显。但化纤类绳索由于本身的柔软性、横向易变形，造成在绞车卷绕、重叠使用时的挤压变形、绳索移位等问题，容易引发事故；同时化纤绳索耐磨性与抗划擦能力差，在使用中一旦受到外力切割极易造成纤维绳断裂而酿成事故。化纤绳索要替代钢丝绳仍需解决绳索硬度低、绳索表面摩擦力大，截面不圆等问题。
发明内容
为解决上述存在的技术问题，本发明提供了一种轻量化刚性自润滑复合绳索及其制备方法，绳索截面为圆形，强度重量比高，在起重吊装、钻井勘探领域能够完全替代钢丝绳。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种轻量化刚性自润滑复合绳索，包含有绳芯、包裹层和包塑层，所述绳芯由超高分子量聚乙烯纤维绳纱螺旋交织而成的具有圆形横截面的多层螺旋结构，层与层之间螺旋反向设置，每一层平行绳纱外部设置复合整理涂层，所述绳芯横截面上复合整理液中成分占10-30%，所述绳芯外部设置包裹层，所述包裹层外部设置包塑层。
所述包裹层设置为由芳香族聚酰胺纤维编织而成的护套。
所述绳芯内每层平行绳纱外部的复合整理涂层的整理液主要由功能性聚氨酯或聚丙烯酸酯水性涂层胶组成，与水的重量配比为2:1～4:1，还包括按溶液重量比例1.3%-2%的增稠剂、0.5%-1.5%的消泡剂。
所述包塑层由PE熔融经拉挤成型，在绳索表面形成1-3mm厚的聚乙烯包覆层。
一种轻量化刚性自润滑复合绳索的制备方法，通过如下步骤实现：
1）绳索设计：按照绳索规格，设计包塑层的厚度，计算绳索截面积，按照绳纱面积占70-90%，计算绳纱根数与细度；
2）制备绳纱：将若干根超高分子量聚乙烯纤维复丝通过环捻加捻，捻度为10～20捻/m；
3）螺旋交织：按照绳索直径设计绳芯层数，使用扭绳机将每层纱线螺旋排列，螺距依据出绳速度与扭速而定，相邻的层数之间扭向相反；
4）涂层：使用制备好的功能性聚氨酯或聚丙烯酸酯水性涂层胶对绳芯的每层纱线之间进行复合整理涂层，通过模口挤胶，在绳芯的外层进行涂层液的加热烘干，附胶率大于40%。
5）编织隔热护套：由芳香族聚酰胺纱线交织编织成绳索护套，形成包裹层；
6）制作包塑绳索：将绳索喂入包塑机经圆形模口进行包塑、拉挤、固化、成型，在绳索外部形成包塑层。
本发明阐述的轻量化刚性自润滑复合绳索，通过对于绳芯的结构设计保证了绳索截面为圆形，螺旋交织而成的绳芯强力利用率高于编织而成的绳芯；绳芯纤维绳纱的复合涂层整理以及包裹层的护套设置，保证了绳索的刚度同时降低了绳索的重量，实现了同等强度下绳索每米质量为钢丝绳每米质量的1/7，成本低，安全环保；绳索包塑层的设计保证了绳索表面的自润滑，降低绳索表面摩擦力，保护绳索承重部分被其他物质侵入，延长绳索的使用寿命，在卷绕盘上卷绕整齐，不产生挤压变形的问题；综上，该绳索具有质量轻、刚性大、截面圆、自润滑等特点，彻底实现了利用纤维绳索替代钢丝绳实现其功能，降低了绳索的操作强度和工业能耗，适合大规模推广应用。
附图说明
图1为本发明截面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述：
如图1所示，一种轻量化刚性自润滑复合绳索，包含有绳芯1、包裹层2和包塑层3，所述绳芯1由超高分子量聚乙烯纤维绳纱螺旋交织而成的具有圆形横截面的多层螺旋结构，层与层之间螺旋反向设置，保证扭矩平衡，每一层平行绳纱外部设置复合整理涂层，所述绳芯1横截面上复合整理液中成分占10-30%，所述绳芯1外部设置包裹层2，所述包裹层2外部设置包塑层3。
作为优选的方式，本实施例中，所述包裹层2设置为由芳香族聚酰胺纤维编织而成的护套，使绳索具备耐高温和隔热性能，能够适应在高温工况下，起到保护内芯的作用。
作为优选的方式，本实施例中，所述绳芯1内每层平行绳纱外部的复合整理涂层的整理液主要由功能性聚氨酯或聚丙烯酸酯水性涂层胶组成，与水的重量配比为2:1～4:1，还包括按溶液重量比例1.3%-2%的增稠剂、0.5%-1.5%的消泡剂，保证在绳芯1的圆形横截面中，树脂部分所占面积为10%～30%。
作为优选的方式，本实施例中，所述包塑层3由PE熔融经拉挤成型，在绳索表面形成1-3mm厚的聚乙烯包覆层。通过此包塑层3提高绳索截面圆度，增强绳索的自润滑性，增强绳索刚度，便于卷绕使用。
本发明一种轻量化刚性自润滑复合绳索的制备方法，通过如下步骤实现：
1）绳索设计：按照绳索规格，设计包塑层的厚度，计算绳索截面积，按照绳纱面积占70-90%，（复合整理液内的成分）树脂面积占10-30%，计算绳纱根数与细度；
2）制备绳纱：将若干根超高分子量聚乙烯纤维复丝通过环捻加捻，捻度为10～20捻/m；
3）螺旋交织：按照绳索直径设计绳芯1层数，使用扭绳机将每层纱线螺旋排列，螺距依据出绳速度与扭速而定，相邻的层数之间扭向相反；
4）涂层：使用制备好的功能性聚氨酯或聚丙烯酸酯水性涂层胶对绳芯1的每层纱线之间进行复合整理涂层，通过模口挤胶，在绳芯1的外层进行涂层液的加热烘干，附胶率大于40%；
5）编织隔热护套：由芳香族聚酰胺纱线交织编织成绳索护套，形成包裹层2；
6）制作包塑绳索：将绳索喂入包塑机经圆形模口进行包塑、拉挤、固化、成型，在绳索外部形成包塑层3。
实施例1
制作一款断裂强力为180kN，直径为24mm轻量化刚性自润滑复合绳索，通过如下步骤实现：
1）绳索设计：绳索直径为24mm，包塑层为2mm，则包塑前绳索直径为20mm，芳香族编织护套为2mm，绳芯的直径为16mm。按照HMPE纱线占比80%计算，纱线的直径和为12.8mm，设计纱线根数为30根；
2）制备绳纱：将20合1500D超高分子量聚乙烯纤维复丝加15捻/m，一半正向，一半反向；
3）制备绳芯：将30根绳纱由内层到外层按照3+6+9+12的结构在扭绳机上进行穿纱，第一层3根绳纱按正向旋转，第二层6根绳纱按反向旋转，第三层9根绳纱按正向旋转，第四层12根绳纱按反向旋转，出绳速度为1m/min，扭绳机转速为30r/min，绳芯螺距为30mm；
4）涂层：配置4：1的聚氨酯树脂涂层整理液，加入增稠剂添加1.5%、消泡剂添加0.5%，对每一层绳纱进行涂层整理，通过模口挤胶，在绳芯1的外层进行涂层液的加热烘干，附胶率大于40%；
5）编织隔热护套：由64股2合1500D芳香族聚酰胺纤维纱线交织编织成绳索护套，纱线捻度为120捻/m，捻向为32股正向，32股反向，编织角为30°，牵引速度为30cm/min，编织转速为5r/min，绳索节距为60mm，绳索直径为20mm；
6）制作包塑绳索：将绳索喂入包塑机经圆形模口进行包塑、拉挤、固化、成型，拉挤速度0.5-2m/min，模口型号为23.5，最终绳索断裂强力为18.3吨。
实施例2
制作一款断裂强力为198kN，直径为20mm轻量化刚性自润滑复合绳索，通过如下步骤实现：
1）绳索设计：绳索直径为20mm，包塑层为1mm，则包塑前绳索直径为18mm，芳香族编织护套为1mm，绳芯的直径为16mm。按照HMPE纱线占比70%计算，纱线的直径和为13.3mm，设计纱线根数为36根；
2）制备绳纱：将20合1500D超高分子量纤维复丝加10捻/m；
3）制备绳芯：将36根绳纱由内层到外层按照3+6+12+15的结构在扭绳机上进行穿纱，第一层3根绳纱按正向旋转，第二层6根绳纱按反向旋转，第三层12根绳纱按正向旋转，第四层15根绳纱按反向旋转，出绳速度为0.5m/min，扭绳机转速为20r/min，绳芯螺距为24mm；
4）涂层：配置2：1的聚氨酯树脂涂层液，加入增稠剂添加2%、消泡剂添加1.5%，对每一层绳纱进行涂层整理，通过模口挤胶，在绳芯1的外层进行涂层液的加热烘干，附胶率大于40%；
5）编织隔热护套：由64股1合1500D芳香族聚酰胺纤维纱线交织编织成绳索护套，纱线捻度为150捻/m，捻向为32股正向，32股反向，编织角为45°，牵引速度为30cm/min，编织转速为5r/min，绳索节距为80mm，绳索直径为18mm；
6）制作包塑绳索：将绳索喂入包塑机经圆形模口进行包塑、拉挤、固化、成型，拉挤速度0.5-2m/min，模口型号为19.5，最终绳索断裂强力为20吨。
实施例3
制作一款断裂强力为33kN，直径为10mm轻量化刚性自润滑复合绳索，通过如下步骤实现：
1）绳索设计：绳索直径为10mm，包塑层为1mm，则包塑前绳索直径为8mm，芳香族编织护套为1mm，绳芯的直径为6mm。按照HMPE纱线占比90%计算，纱线的直径和为5.8mm，设计纱线根数为11根；
2）制备绳纱：将10合1500D超高分子量纤维复丝加20捻/m；
3）制备绳芯：将11根绳纱由内层到外层按照3+8的结构在扭绳机上进行穿纱，第一层3根绳纱按正向旋转，第二层8根绳纱按反向旋转，出绳速度为0.2m/min，扭绳机转速为20r/min，绳芯螺距为40mm。
4）涂层：配置3：1的聚氨酯树脂涂层液，增稠剂添加1.3%，消泡剂添加1%，对第一层与第二层进行涂层整理，通过模口挤胶，在绳芯1的外层进行涂层液的加热烘干，附胶率大于40%；
5）编织隔热护套：由64股1合1500D芳香族聚酰胺纤维纱线交织编织成绳索护套，纱线捻度为150捻/m，捻向为32股正向，32股反向，编织角为45°，牵引速度为20cm/min，编织转速为5r/min，绳索节距为40mm，绳索直径为8mm；
6）制作包塑绳索：将绳索喂入包塑机经圆形模口进行包塑、拉挤、固化、成型，拉挤速度0.5-2m/min，模口型号为9.8，最终绳索断裂强力为3.3吨。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
