摘要

综述了输送带用织物骨架材料和钢丝绳骨架材料的性能特点、种类及应用现状,对织物骨架材料和钢丝绳骨架材料的结构,现有骨架材料的优化设计,新型骨架材料研究,以及当前的输送带用骨架材料的发展趋势进行了阐述。

输送带及其输送系统是矿石、煤炭、粮食等各种大宗散货物料在开采、生产过程中,进行运输所需的重要装备部件。随着自动化程度的提高、矿藏更为偏僻,采用输送带输送是当前解决复杂刻工况下物料连续输送的最为安全、高效、经济的输送方式，成为推动国民重点经济领域发展的重要保障。输送带最基本的结构形式包括中间的带芯层以及上下盖胶层，其中带芯层作为输送带的骨架材料，几乎承受输送带的全部负荷,因此，骨架材料对输送带的性能至关重要。随着输送带向长距离、高带速、大运量、节能环保等方面发展输送带的骨架材料也由普通纤维和普通钢丝绳向特种纤维和高强度钢丝绳方向发展。已有多篇文献对于输送带用骨架材料进行了介绍,本文综述了输送带用骨架材料的现状及其优化设计。

1.输送带用骨架材料的现状

1.1织物骨架材料的种类及应用现状

输送带可用的纤维织物类骨架材料较多，先后有棉纤维、人造丝、维尼龙、锦纶纤维、聚酯纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等,当前使用较多的有棉纤维、锦纶纤维、聚酯纤维以及它们的混织物。

1.1.1 棉纤维

棉纤维是在合成纤维没有生产之前最早使用的输送带骨架材料，因其与输送带的覆盖层橡胶具有粘合性能好的优点而被优先作为骨架材料使用。此外,用棉纤维制成的输送带还具有柔韧性和成槽性好等优点;但棉纤维的缺点是强度低、不耐高温，易吸水导致霉变腐蚀，同时棉为天然材料,价格上涨较快,没有性价比优势。目前以棉纤维作为骨架材料的分层输送带已被淘汰，但在整芯输送带中还有部分应用，主要用于提升塑料与织物带芯的粘合强度。目前还有部分应用于棉涤混纺织物。

1.1.2 锦纶纤维

锦纶纤维的研发早于聚酯纤维，因此，也是最先应用的合成纤维，成为上世纪80年代之前的输送带用主流骨架材料，以锦纶制成的输送带具有强度高、抗冲击、成槽性好、层间粘合强度大和屈挠性能优异等优点!?1,但由于锦纶的模量低,定负荷伸长率大的特性会导致输送带产生“跑长”现象。目前，由于总体上锦纶纤维的价格高于聚酯纤维,所以其已被聚酯纤维取代，仅在少部分特种场景中进行应用,如输送距离短且要求带体弹性好,耐疲劳性能好的输送带。应用于输送带的锦纶纤维主要有2种:锦纶6和锦纶66。两种纤维的力学性能相近,但锦纶6的价格更低，性价比高，应用相对较广;而锦纶66的熔点高,耐热性能好,同时在高温下被胺解或水解的可能较小,通常应用于要求高性能、高品质的耐热输送带中。

1.1.3 聚酯纤维

聚酯纤维的强度和弹性与锦纶纤维接近，但模量比锦纶纤维高2倍，同时纤维的分子链为直链,因此,以聚酯纤维制成的输送带不易出现松弛蠕变,即“跑长”现象,在所有的合成纤维中,聚酯纤维具有强度高,价格便宜等特点，是目前综合性能最好的织物材料。但聚酯纤维的缺点是，在150℃以上的高温下易与橡胶配方中的含胺物质产生胺解反应,导致聚酯纤维出现严重降解，失去强度，从而无法正常使用。但聚酯纤维的价格仅为锦纶6的50%、为锦纶66的25 %左右,而这两种纤维的强度基本相近,因此,聚酯纤维成为了目前主流的骨架材料。

1.1.4 玻璃纤维

玻璃纤维制成的输送带，其带芯层耐热性能好、尺寸稳定性高、强度大，可短时间应用于300℃高温下不受影响。但由于玻璃纤维不耐压缩,容易导致屈挠疲劳性差,易发生断裂。美国原固特异(现为大陆公司收购)生产的Solar-Shield品牌的耐热输送带中,有部分型号采用了玻璃纤维作为骨架材料，应用于耐热输送场景之中。日本 NGF 公司开发了一种高强度的 HTS 玻璃纤维线绳,其由强度和模量更高、耐水性更好的K型玻璃纤维和U型玻璃纤维制成,可适用于部分特种输送带中。当前虽能制备超细的电子级玻璃纤维,有着极好的耐弯折性能，但由于其价格较高,因此,限制了其在输送带中的应用。1.1.5 芳纶纤维

芳纶纤维是新一代合成纤维,具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸碱腐蚀、重量轻等优良性能,其强度是钢丝的5~6倍,模量为钢丝的2~3倍,韧性是钢丝的2倍,同等强度下其重量仅为钢丝的18%左右,在性能上,由于钢丝绳容易被锈蚀导致性能下降,而芳纶纤维具有一定的化学惰性,不怕霉变,从而具有更好的强度保持率，同时其具有良好的绝缘性和抗老化性能，生命周期较长。因此,芳纶是输送带的理想骨架材料，其制备的输送带具有重量轻、强度高的性能特点,运输过程中更加节能,可替代钢丝绳芯输送带用于长距离、长寿命等物料输送应用场景中。综合考虑,应用芳纶纤维的输送带,将更加绿色，更加节能,有着更好的应用前景。

1.2 织物骨架材料的结构

纤维材料需要编织成一定的织物结构才能充分发挥材料的力学性能。在输送具有冲击性的矿石等物料工况下,80%的输送带损坏是由于骨架材料损伤而导致的，因此，除了所用的骨架材料种类外,骨架材料的编织结构对输送带同样有着十分重要的影响。输送带用织物结构通常有:平纹结构、整体织物结构和直经直纬结构等。

1.2.1 平纹结构

平纹结构是当前分层输送带的主要结构形式,在平纹编织结构中,每根经线与纬线交替与邻近纱线相互上下进行交织。其特点是经纬线的交又点最多,纱线呈波浪形,因此,经纬纱之间的排列最为紧密，有利于提高输送带的承载能力(Load Support),但采用同样经纱用量织成的平纹结构织物的断裂强度则相对较低。因此，平纹结构织物在输送带中很少使用单层，一般需要多层复合使用。

1.2.2 整体织物带芯结构

整体织物带芯结构是整芯输送带的专用带芯结构，是由经纱和纬纱多层斜行交织而成的复杂结构织物。整体编织的纬线一般为2~5层,经纱要与多层纬纱交织，因而经纱的弯曲度变大，经纱要与多层纬纱交织，因而经纱的弯曲度变大,经纱和输送带的受力方向存在一定的夹角，因而其强度利用率是最低的。如图2所示，输送带的受力方向为下,经纱的最大受力强度为T,经纱与输送带受力方向的夹角为0,那么输送带的受力Ｆ＝Ｎ＊Ｔ＊ｃｏｓ（θ）,其中,N为输送带中的纱线总根数,随着输送带的强度等级提高,强力层纱线与输送带受力方向的夹角会进一步增加，从而导致强度利用率的进一步下降。此外由于整芯输送带的特殊结构形式,如需使用强度更高的整芯带,则必然需要增加带厚度,导致输送带刚性增加,那么将会影响带的成槽性能,进而影响带的运输量。整体带芯为不分层结构，带芯内部需要填充大量 PVC来确保其阻燃性能和整体性,因此,整芯带利用经纱和纬纱之间的交织来确保其结构更为松散,便于浸渍过程中聚氯乙烯(PVC)糊的渗透。由于PVC材料有极好的阻燃性，足够的强度和耐磨性能,所以整芯带目前主要用于有阻燃需求的地下煤矿领域,同时由于其适用温度范围很窄,较冷的环境下输送带会发硬，在温度较高的情况下，PVC的强度下降较大，所以其应用也只能限制在煤矿井下这种近乎恒温的环境下使用。

1.2.3 直经直纬结构

直经直纬结构由主经线、编织经线和纬线三部分组成,主经线和纬线不交织。纬线设置在与主经线垂直方向上的下方，由拥绑经线连接固定。捆绑经线比较细，而主经线和纬线都比较粗。由于经线和纬线为伸直排列，所以带芯的强度利用率高、屈曲强度小、纵向模量高,不易蠕变、抗撕裂,具有良好的尺寸稳定性。通常在输送带中使用的直经直纬结构层数为1~2层，与多层织物结构输送带相比，层数的减少也会相应地降低输送带制备复杂度，所以直经直纬结构是输送带织物结构的一个发展方向。

在替代传统织物芯输送带的过程中，由于直经直纬的弹性模量是普通织物芯输送带的一倍以上，因而出现了与多层织物芯输送机参数不匹配的问题，因此，国外对直经直纬帆布进行了改良:使得直经直纬输送带的弹性模量与传统的多层织物芯输送带相类似。未来,这种减层、强度利用率好,输送带承载能力更强的输送带品种将会更多应用在各种恶劣工况的场合。

郝英哲等人利用有限元分析对于输送带用纤维骨架材料细观力学性能进行了研究。研究表明,相比于传统的平纹和斜纹结构，直经直纬结构应力集中问题得到较大改善，并且有更高的有效模量和模量保持率,整体性能优异,更适合作为高强度输送带骨架材料的织物结构。

2.骨架材料的优化设计

随着物料输送距离的不断提高,物料所处工况条件越加复杂,耐热、阻燃、耐冲击、抗静电、防粘附等高要求,同时输送带的提升高度更高,输送距离更长，无人值守的自动化程度提高，相对应的骨架材料的强度、寿命及耐疲劳等性能要求也相应提高。输送带的总体发展趋势是轻量化，提高节能性能;带芯层减层,提高骨架材料的强度利用率等。基于上述发展趋势,对输送带用骨架材料进行改性优化。

2.1 材料改性

普通锦纶和聚酯已在输送带中获得广泛应用,但如前所述,其各自仍具有一定的缺点，从而限制了应用范围,因此,对该材料进行改性以提高其性能,扩大其应用范围。

2.1.1 织物材料改性

锦纶材料改性主要是提高其基础模量，从而改善尺寸稳定性,避免输送带“跑长”现象的发生。中国专利CN103469601B中公开了一种超临界CO2，中张力作用下改性尼龙纤维的方法,利用了超临界CO2，流体的溶胀和携带作用,使纤维处于拉伸状态,使分子链取向度、结晶度随着表面及内部接枝的增大而增大，晶粒变大，结晶趋于完整,同时发生部分化学接枝反应，使大分子之间的交联与支化程度增加，有利于纤维强度与模量的提高。

聚酯纤维材料改性主要是采用预处理环氧树脂进行预活化，以改进纤维的粘合性能;通过特殊的纺丝工艺,提高纤维的初始模量和耐热性能,增大聚酯纤维的分子量，从而提高骨架材料的热尺寸稳定性。中国专利CN 115613348A 中公开了一种聚酯纤维织物的表面改性方法、改性聚酯纤维织物、橡胶帆布复合材料的制备方法和应用,利用碱与偶联剂共处理聚酯纤维织物表面，从而提高了其与橡胶的粘合性能。

2.1.2 钢丝绳材料改性

钢丝绳改性根据输送距离的长短而有所不同。

针对长距离物料输送场景，改性的方向是提高其拉伸强度，从而可以带动更长、更重的输送带。钢丝拉拔强度由原料钢丝直径和原料钢丝强度决定,所以选择高钢号的盘条，可以提高钢丝拉拔强度。但需注意的是，高钢号盘条拉拔过程产生脆断的概率越高，越不利于钢丝绳的耐屈挠疲劳性能,高钢号材料的选择及质量问题也将提升钢丝绳的制备成本。

针对短距离物料输送场景，改性的方向是降低模量,采用开放性结构的钢丝绳,提高钢丝绳的拉断伸长率,可大幅提高输送带的耐疲劳性能，尤其是在耐热工况下，用钢丝绳输送带替代普通织物芯输送带具有更好的耐热性能,但需要尽可能降低输送带模量，使其与采用织物芯输送带的输送机参数更为接近，从而提高耐热钢丝带的使用寿命。

2.2 骨架结构优化设计

材料改性固然可以提高骨架材料的相关性能,但其不可避免地会使材料制备工艺复杂度增加,提高成本。因此，以现有骨架材料为基础,进行骨架结构的优化设计是当前比较切实有效的方案。

2.2.1织物骨架结构优化

当前已广泛应用的聚酯(EP)帆布,其经线为聚酯纤维,纬线为锦纶,结合2种纤维材料的特点制备而成。采用锦纶纤维和聚酯纤维同时作为经纱,调整好各自的经纱长度,使其受力一致，或者采用表里结构的骨架材料，表层为锦纶纤维，内层为聚酯纤维,利用聚酯纤维模量高,不易跑长的优点,结合锦纶纤维粘合力好,不会胺解的性能特点，可生产用于特种应用工况下的输送带。

通过骨架材料编织结构的设计也可实现上述效果,中国专利 CN 209112906U中公开了一种输送带用编织骨架及输送带,骨架材料结构的设计可有效降低骨架层厚度，延长输送带的使用寿命。其公开的2种结构设计如图4所示(图示中4-覆盖胶层;5-贴胶层;6-强力层)。

芳纶纤维基于自身优点，目前已在输送带中获得初步应用，尤其是替代钢丝绳芯应用于长距离输送场景之中。但由于其模量较高，因而可以采用芳纶纤维和锦纶纤维并用，提高芳纶纤维的弯曲程度,从而提高芳纶的耐屈挠疲劳性能等。

2.2.2 钢丝绳骨架结构优化

钢丝绳芯输送带纵向排布，其抗撕裂性差,通过合理的结构设计，如在结构中加入抗撕裂增强层(可由钢网或纤维网绳构成)，即可显著提高输送带的抗撕裂性能。此外,采用高伸长的钢丝绳以直经直纬的方式编织成钢丝绳帆布，以此作为输送带的带芯层也是改善钢丝绳带抗撕裂性能的一种方式。高伸长钢丝绳可通过调整钢丝股排布方式和捻距获得，也可通过采用织物纤维作为钢丝股的中心丝的方式获得。

2.3 新型骨架材料的开发

2.3.1 超高分子量聚乙烯纤维

由于材料的自身特点，其性能难以大幅提高:因此,新型骨架材料的开发必不可少。超高分子量聚乙烯纤维(简称 UHMWPE 纤维),别名高强高模聚乙烯纤维,是分子量150万以上的无支链线性聚乙烯。它和碳纤维、芳纶合称为“世界三大高科技纤维”。比强度是同等截面钢丝的10倍以上,比模量仅次于特级碳纤维,其强度是芳纶骨架材料的1.5倍。其还具有重量轻、拉断伸长率低、抗紫外线、耐化学腐蚀等诸多优点。其价格虽高于锦纶纤维和聚酯纤维，但只有芳纶纤维的三分之一,因此，UHMWPE 纤维是当前输送带骨架材料的研发热点。UHMWPE纤维是无支链的线性结构，与输送带覆盖层粘合困难，且纤维本身耐温性不高，目前通用的橡胶硫化温度可能导致其发生熔融，失去强度。与覆盖层的粘合及耐热性是目前 UHMWPE 纤维应用于输送带中的主要难点问题,需进行系统的研发及验证。中国专利 CN107380893B中公开了一种超高分子量聚乙烯纤维织物芯/聚脲涂覆的输送带及其制备方法,采用常温聚脲涂覆的方式,避免了橡胶高温硫化对于 UHMWPE 纤维性能的影响,也是将 UHMWPE纤维应用于输送带骨架材料的一种使用方式。

2.3.2 聚酰亚胺纤维

聚酰亚胺纤维有着较好的耐热性能，可以通过改变聚酰亚胺纤维的分子结构，获得强度、模量、伸长率不同的纤维。例如,采用低模量的聚酰亚胺纤维生产的织物芯输送带与传统聚酯或浸胶骨架材料相同,但有着更好的耐热性能,可以在高耐热工况下使用。中国专利CN 109762215A中公开了一种高性能聚酰亚胺长纤维增强橡胶复合材料及其制备方法,利用物理和化学改性的方法粗化纤维表面,使其与橡胶粘合性更好,从而作为骨架材料应用于复合材料之中。

2.3.3 聚芳酯纤维

聚芳酯是一种通过酯键连接芳环而成，一般具有热致液晶特性的特种高分子，其分子结构见图5,高分子链高度取向赋予了聚芳酯纤维高耐热、高强度、高量、低吸水等优异特性。作为一种高性能纤维,聚芳酯纤维已广泛应用于航空航天、海洋用线缆绳网、橡胶增强材料等领域。其与芳纶纤维相似,都可以作为骨架材料替代钢丝绳用于输送带中，从而大幅减轻输送带自重,提升输送运力,同等情况下减少能源消耗。

2.3.4玄武岩纤维

玄武岩纤维是一种新型的材料，基本性能与玻璃纤维相近,有着更好的耐疲劳性能和较好性价比，同时粘合性能较好,可以和锦纶纤维混捻:提高其耐疲劳性能,生产成单层结构的带芯,用于高耐热的场合。中国专利CN114426404A中公开了一种连续玄武岩纤维复合橡胶输送带及其制备方法,利用改性的玄武岩纤维网布作为骨架和橡胶交替粘结而得,将其应用于橡胶输送带中从而提高输送带的耐磨性、抗拉伸性、使用寿命和安全性。

3.结论

综上所述,当前输送带的织物芯骨架材料以锦纶纤维和聚酯纤维为主;芳纶由于价格因素，目前主要应用于煤矿井下。

(1)织物骨架材料的结构方面,平纹结构仍是当前分层输送带的主要结构形式，但直经直纬结构由于其强度利用率高、屈曲强度小等优点，是输送带织物结构的一个发展方向。骨架材料的优化设计方面,材料本体改性、骨架结构优化设计以及新型骨架材料的开发是三个可行的优化设计方向。

(2)超高分子量聚乙烯纤维因其卓越的综合性能和较高的性能价格比，有望成为新一代的织物芯骨架材料。现有钢丝绳芯骨架材料比较成熟,，一种可行的性能优化方式是利用结构设计弥补其抗撕裂性差的缺点。

(3)通常认为的输送带带芯两大类别--织物带和钢丝绳带，其实这只是方便行业及客户使用而进行的一种分类方式，输送带的核心是满足客户的物料运输需求，以此为目标，可不用特别执着于带芯选择哪种分类方式(织物/钢丝绳),能够满足输送带的使用需求即可。

来源：特种橡胶制品，迈爱德编辑整理

作者：赵成哲，孟 阳

文章来源：芳纶产业圈

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