用于经增强的橡胶产品的碳帘线和产品的制作方法
【专利说明】用于经増强的橡胶产品的碳帘线和产品
[0001] 发明背景
[0002] 发明领域
[0003] 本发明一般地涉及用于经增强的弹性体复合产品，例如动力传动带的经处理的碳 纤维抗拉帘线（tensile cord)，更特别地涉及用于碳帘线的大气压等离子体聚合处理。
[0004] 现有技术的说明
[0005] 碳纤维抗拉帘线显示出对增强经受动态应力的挠性橡胶产品例如动力传动带、软 管和轮胎的潜力。目前使用间苯二酚-甲醛-胶乳（"RFL"）粘合剂处理，以促进橡胶对碳 纤维的粘结。已知与化学粘结相比，机械互锁是纤维与RFL之间的主要相互作用。经如此 处理的碳帘线的T-块粘合（T-block adhesion)测试显示出纤维与RFL之间的分离。碳纤 维与RFL之间的粘合需要改进，以消除在目前的碳带系统内带齿从帘线脱层的故障模式。
[0006] 已经研宄了环氧底漆和/或浆料（size)，以改进RFL对碳纤维表面的粘合。然 而，环氧底漆没有消除在纤维表面层处的脱层，因为在环氧化物与纤维表面之间缺少化学 粘结。目前，RFL在碳纤维束内的机械互锁保持作为允许在橡胶带中使用碳纤维帘线的主 要技术。
[0007] 以前尝试使用等离子体以供表面清洁和供涂布或活化帘线是已知的，但已经发现 对本文描述的动态橡胶应用来说不是满意的。
[0008] 发明概述
[0009] 本发明涉及提供碳纤维与弹性体之间改进的粘合的体系和方法，以供在碳纤维增 强的产品例如动力传动带、软管或轮胎中改进性能。处理从制造商处收到的碳纱。这种碳 纤维通常在其上经过上衆（sizing)。
[0010] 在碳纤维上进行大气压等离子体聚合（"APP")。使用空气作为电离气体。APP所 使用的前体是丙烯酸、甲基丙烯酸2-羟乙酯、N-(异丁氧基甲基）丙烯酰胺和N-羟乙基丙 烯酰胺。利用不同的APP处理构造，以测定在大气压等离子体中连续改性碳纤维的最佳方 式。采用通过喷雾器的不同加料速率供应前体蒸气。为了检验APP对碳纤维和对纤维与弹 性体基体之间的界面相互作用的影响，进行碳纤维的表面和本体性能表征，其中包括动态 接触角、ζ电势、BET表面积、XPS、单纤维抗拉强度测量，并通过在模型复合材料上的单纤 维破碎测试和单纤维拉拔测试，表征碳纤维对RFL弹性体基体和对PU弹性体的粘合行为的 微机械特性。
[0011] 在碳纤维上的APP聚合允许增加纤维表面的官能度，从而增加纤维对PU或 RFL(或其他相容的互锁材料）的化学粘结。碳纤维与弹性体基体之间的粘合行为的微机械 特性显示出显著的改进。在破碎测试中，对于RFL基体来说，采用最长的处理时间，粘合性 增加约60%。采用PU基体，在单纤维拉拔测试中的粘合性增加约114%。这使带齿与帘线 表面之间的故障模式改进，这预期会改进带的寿命。
[0012] 前面相当宽泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便可更好地理解随后本发明 的详细说明。下文将描述形成本发明权利要求主题的本发明的另外的特征和优点。本领域 技术人员应当理解，作为改性或设计实施本发明相同目的的其他结构的基础，可容易地实 现所公开的概念和具体实施方案。本领域技术人员还应当意识到，这种等价的构造没有脱 离所附权利要求书中列出的本发明的范围。当结合附图考虑时，根据下述说明，将更好地 理解就其组织性和操作方法来说据信属于本发明特性的新颖特征，连同进一步的目的和优 点。然而，应当清楚地理解，仅为了阐述和说明的目的提供每一附图，且不打算作为对本发 明的限制的定义。
【附图说明】
[0013] 引入本发明并形成说明书一部分的附图阐述了本发明的实施方案，且与说明书一 起，起到解释本发明原理的作用，在附图中相似的数字表示相似的部件。在附图中：
[0014] 图1是根据本发明一个实施方案构造的多V形肋带的一部分的局部片段透视图；
[0015] 图2是根据本发明一个实施方案构造的V形带的一部分的局部片段透视图；
[0016] 图3是根据本发明一个实施方案构造的同步带的一部分的局部片段透视图；
[0017] 图4是根据本发明一个实施方案构造的软管的一部分的局部片段透视图；
[0018] 图5是代表用于碳纤维的APP处理的第一装置的示意图；
[0019] 图6是代表用于碳纤维的APP处理的第二装置的示意图；
[0020] 图7是代表纤维拉拔粘合测试的示意图；和
[0021] 图8是代表纤维嵌入装置的示意图。
[0022] 详细说明
[0023] 本发明涉及在动力传动带、软管、轮胎或其他经增强的橡胶产品中使用的经处理 的碳纤维抗拉帘线和所得产品。抗拉帘线包含碳纤维，该碳纤维用在等离子体辅助的化学 气相沉积法中在大气压沉积并聚合的适宜聚合物层涂布。适宜聚合物层是与目标基体相容 的聚合物层，帘线将增强该基体。例如，对于橡胶带来说，涂层应当与带主体的橡胶组合物 或者围绕帘线的粘合胶相容。在橡胶带中，常常使用间苯二酚-甲醛-胶乳（"RFL"）帘线 处理作为直接围绕纤维的基体。对于橡胶和聚氨酯（"PU"）带配混物来说，合适的前体或 单体是具有较低分子量和双键的那些，它们含有在等离子体中能够容易聚合和/或交联的 羧基、羟基、酯、酰亚胺、羰基或酰胺官能团，且可通过与基体形成化学粘结而形成可提供对 粘合性起主要贡献的聚合物。实例包括丙烯酸、甲基丙烯酸2-羟乙酯、N-异丁氧基甲基丙 烯酰胺和N-羟乙基丙烯酰胺，或者一般地，官能丙烯酸酯类、甲基丙烯酸酯类或苯乙烯衍 生物。
[0024] 以下描述了在碳纤维上各种相容前体的大气压等离子体聚合（APP)的一些实例， 以供用作聚氨酯和橡胶动力传送带料的增强物，其中包括有和无喷雾器的测试方法和APP 装置方法。
[0025] 在由三个碳纤维制造商处获得的未上浆和经上浆的PAN基碳纤维上进行APP。本 文中的A型是指T700GC-91，一种获自日本东京的Toray Industries的未上浆的纤维。本文 的B型是指获自Toho Tenax的经上浆的纤维，据信为环氧型浆料。本文的C型是指AS4D， 一种获自美国康涅狄格州斯坦福的Hexcel Corporation的未上衆的碳纤维。
[0026] 研宄了不同的APP方案，以测定在大气压等离子体内连续碳纤维处理的最佳方 法。可通过使用余辉（远程方式）等离子体，来实现这种构造。通过将气溶胶前体直接注射 到余辉等离子体区内，可采用最小的前体分子碎片来引发受控的、自由基诱导的聚合反应。 可利用此来将高度复杂的化学官能团直接化学接枝到各种基底上，以形成前体性能在其中 得以保持的"软聚合的（soft-polymerised)"等离子体涂层。因此，这种构造使得能在基底 表面吸附大的分子碎片。采用两种不同的APP处理构造（参见图5和6)，是在大气压等离 子体内连续改性碳纤维。各构造使用一些基本的运行条件，并在各构造内研宄某些参数变 量。
[0027] 第一 APP装詈构诰的方法与结果:
[002