一种耐高温抗老化钢丝绳及其制备方法与流程

1.本发明涉及钢丝绳技术领域，具体涉及一种耐高温抗老化钢丝绳及其制备方法。


背景技术：

2.钢丝绳是将力学性能和几何尺寸符合要求的钢丝按照一定的规则捻制在一起的螺旋状钢丝束，由钢丝、绳芯及润滑脂组成。钢丝绳的强度高、自重轻、工作平稳、不易骤然整根折断，工作可靠，在日常生活中具有广泛的应用。由于钢丝绳的独特性能，迄今为止钢丝绳在冶金、矿上、石油天然气钻采、机械、化工、航空航天等领域都是必不可少的材料或部件，因此，钢丝绳的质量也被多个行业所关注。
3.目前随着钢丝绳的用途越来越多样化，对钢丝绳各方面的特性要求也越来越高。针对一些特定工作场合，使用的钢丝绳也有不同的要求，丝绳的应用环境非常广泛，特别的一些钢丝绳的使用环境温度较高，如工业生产环境，沙漠等部分超高温地区。这就要求钢丝绳的耐高温性能良好，防止钢丝绳断裂。特别的，在高温环境条件下钢丝绳的应用主要存在以下问题：钢丝绳表面受高温影响，容易产生形变，从而导致钢丝绳断裂。然而，温度升高还会对钢丝绳的外保护层也起到老化的影响，配合紫外线对钢丝绳外保护层的老化效果更加严重，导致钢丝绳的耐磨性降低，并且随着外保护层老化内部结构裸露容易被腐蚀发生断裂。因此，设计一种对高温环境具有良好适用性的钢丝绳可以有效提高钢丝绳的使用寿命和使用范围。


技术实现要素：

4.本发明目的在于提供一种耐高温抗老化钢丝绳及其制备方法，所述钢丝绳针对在高温，紫外线强烈的恶劣环境进行优化，使其可以更加适应环境，延长钢丝绳老化时间，提升钢丝绳的使用寿命。
5.对此本发明提供了一种耐高温抗老化钢丝绳，包括一组合绳芯以及一外层股，所述外层股螺旋包捻所述组合绳芯，所述外层股外设置有一阻水层，所述阻水层外设置有一相变层，所述相变层外设置有一碳纤维层，所述碳纤维层外设置有一耐老化橡胶保护层。所述相变层包括若干加强筋和若干固相相变储热条，所述固相相变储热条的组分及其质量分数为：高密度聚乙烯20％～30％，线型低密度聚乙烯15％～20％，石蜡30％～35％，硅藻土3％～5％，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物10％～15％，偶联剂1％～3％，氧化铝2％～4％。
6.优选的，所述耐老化橡胶保护层的组分及其质量分数为：乙烯-丙烯酸酯橡胶10％～15％，丙烯酸酯橡胶30％～35％，顺丁橡胶28％～32％，天然橡胶10％～15％，硫化剂0.5％～1％，促进剂1％～3％，防老剂2％～4％，改性纳米水滑石3％～8％，炭黑4％～9％，硬脂酸1％～5％。
7.进一步优选的，所述改性纳米水滑石的制备方法为：采用紫外吸收剂取代水滑石层间阴离子的方式对水滑石改性，所述紫外吸收剂为2，3-二羟基萘-6-磺酸钠dnsa,所述水
滑石为镁铝水滑石mgal-no
3-ldhs，通过将2，3-二羟基萘-6-磺酸钠阴离子插入水滑石mgal-no
3-ldhs层间制得所述改性纳米水滑石mgal-dnsa-ldhs。
8.进一步优选的，所述硫化剂为六亚甲基二胺氨基甲酸盐，所述促进剂为vulcofac act 55。
9.进一步优选的，所述防老剂为n-异丙基-n'-苯基对苯二胺。
10.优选的，所述组合绳芯包括一钢丝和若干芳纶纤维丝，所述芳纶纤维丝螺旋包捻所述钢丝。
11.优选的，所述外层股由若干根锰系磷化涂层钢丝组成。
12.优选的，所述阻水层由3～6层阻水纱包捻而成。
13.本发明还提供了一种耐高温抗老化钢丝绳的制备方法，制备步骤如下：
14.步骤1、固相相变储热条制备：按配方量准备各原料，将石蜡加热融化成液态石蜡备用，往密炼机中加入高密度聚乙烯、线型低密度聚乙烯、硅藻土、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物和氧化铝，升温至130～140℃熔融共混10min；将液态石蜡加入密炼机继续共混5min；加入偶联剂共混15～20min后通过挤出机注射、冷却得到固定样式的固相相变储热条。
15.步骤2、耐老化橡胶保护层材料制备：
16.(1)生胶塑炼预混：按比例称取天然橡胶和顺丁橡胶，使用开放式炼胶机塑炼天然橡胶，塑炼温度70～75℃，将辊距调至最小后对天然橡胶薄通成片，薄通8次后调节辊距至常规出片大小，加入顺丁橡胶打三角包10次后出片、冷却得到预混生胶。
17.(2)一段混炼：将配方量的乙烯-丙烯酸酯橡胶和丙烯酸酯橡胶投入到密炼机，密炼温度40℃，密炼5min后加入防老剂，硬脂酸，密炼温度提升至85℃密炼5min，保持温度不变继续加入预混生胶，改性纳米水滑石以及炭黑，混炼20min得到一段混炼胶。
18.(3)冷却：将一段混炼胶取出并冷却至室温。
19.(4)二段混炼：将冷却后的一段混炼胶重新加入密炼机，投入促进剂和硫化剂，密炼机转子转速控制为20转/分钟，搅拌5min后排出二段混炼胶，排胶温度为80℃。
20.(5)开炼：将二段混炼胶置入开炼机，薄通并打6次三角包后出片得到预备胶。
21.步骤3、绳芯制备：将芳纶纤维长丝加捻形成芳纶纤维长丝纱，将若干芳纶纤维长丝纱加捻形成预定直径的芳纶纤维丝；以一根钢丝为芯，把若干芳纶纤维丝螺旋包捻住所述钢丝，合拢口处进行淋油处理，得到绳芯。
22.步骤4、合绳：取若干预定直径的锰系磷化涂层钢丝作为外层股，螺旋包捻住所述绳芯，通过分线盘排列好，经过预变形器装置再通过合拢口压紧，经过变形器消除股应力，进行预拉伸减少钢丝绳使用伸长量得到半成品钢丝绳。
23.步骤5、绳股外层制备：将所述半成品钢丝绳外包捻3～6层阻水纱并压紧得到阻水层；在阻水层外装配有若干间隔预定距离的加强筋，在加强筋之间放置固相相变储热条得到相变层；将碳纤维丝编织成具有一定厚度的碳纤维布，通过热压的方式固定在相变层外部使碳纤维布与加强筋形成紧密连接，从而得到碳纤维层；将所述预备胶涂覆在碳纤维层外，加压定型后冷却即可得到成品钢丝绳。
24.本发明具有如下有益效果：本发明通过对钢丝绳设置相变层和耐老化橡胶保护层，提高了钢丝绳对于高温条件，紫外线强等恶劣环境的适应性，防止钢丝绳在高温环境下
软化，容易形变，从而导致钢丝绳的力学性能大大下降，带来安全隐患。相变层内设置有若干固相相变储热条，相变储热的实质是依靠相变过程中的相变潜热来控制能量的吸收和释放,以此实现热能存储和温度调控的目的，固相相变主要依赖固-固相变来实现储热。固-固相变储热具有相变体积变化小、无相分离、使用寿命长、没有泄漏、腐蚀性小等有点，本发明以聚乙烯为主要支撑材料，使储热条具有一定的强度匹配钢丝绳，同时随着温度变化，储热条可以储存或释放热能，降低温度变化对钢丝绳的影响。在钢丝绳最外层还设置了耐老化橡胶保护层，起到了对钢丝绳内部结构的保护作用，有效保护内部钢丝不受腐蚀。延长钢丝绳的使用寿命。本发明还提供了一种耐高温抗老化钢丝绳的制备方法，该方法操作简单，适合于规模化工业生产，有利于产业化。
附图说明
25.图1是本发明的一种耐高温抗老化钢丝绳的结构示意图
26.图中：1-组合绳芯；2-外层股；3-阻水层；4-相变层；5-碳纤维层；6-耐老化橡胶保护层；201-芳纶纤维长丝纱；401-加强筋；401-固相相变储热条。
具体实施方式
27.下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.本实施例提供了一种耐高温抗老化钢丝绳，包括一组合绳芯以及一外层股，所述外层股螺旋包捻所述组合绳芯，所述外层股外设置有一阻水层，所述阻水层外设置有一相变层，所述相变层外设置有一碳纤维层，所述碳纤维层外设置有一耐老化橡胶保护层。所述相变层包括若干加强筋和若干固相相变储热条，所述固相相变储热条的组分及其质量分数为：高密度聚乙烯20％～30％，线型低密度聚乙烯15％～20％，石蜡30％～35％，硅藻土3％～5％，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物10％～15％，偶联剂1％～3％，氧化铝2％～4％。
29.石蜡是最常用的相变储能材料，具有相变潜热高、化学稳定性好、无相分离、无腐蚀及价格低等特点。高密度聚乙烯相变潜热为178.6kj/kg且导热性能良好，同时具有优良的力学性能，可以作为支撑材料以制备复合相变材料，线型低密度聚乙烯具有良好的柔韧性，可以改善高密度聚乙烯材料的弯曲性能。苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(sbs)具有极强的吸油能力和良好的封装性，其聚丁二烯嵌段与石蜡有结构上的相似，聚乙烯和sbs作为支撑材料和封装材料对石蜡具有很高的包覆能力。
30.进一步的，所述耐老化橡胶保护层的组分及其质量分数为：乙烯-丙烯酸酯橡胶10％～15％，丙烯酸酯橡胶30％～35％，顺丁橡胶28％～32％，天然橡胶10％～15％，硫化剂0.5％～1％，促进剂1％～3％，防老剂2％～4％，改性纳米水滑石3％～8％，炭黑4％～9％，硬脂酸1％～5％。为了保护钢丝绳内部绳芯和绳股结构的稳定性以及内部钢丝不被腐蚀，钢丝绳外部通常会设置有保护层，常见的为橡胶保护层。橡胶保护层不仅可以稳定钢丝绳内部结构，保护内部钢丝不受腐蚀，还可以增强钢丝绳整体的耐磨性，对钢丝绳具有重要的保护作用。然而日常环境氧、臭氧、光照等会对橡胶老化产生一定影响，特别是能量较高的紫外线，紫外线会引起橡胶分子链的断裂和交联，长时间光照会引起橡胶层出现网状裂
纹，导致橡胶保护层失效。本发明对橡胶保护层的组分进行了优化，丙烯酸酯橡胶是一类具有优异耐热、耐臭氧、耐气候老化及耐油等性能的特种橡胶，但其硫化胶存在力学强度低、压缩永久变形较大和加工性不好等缺点，乙烯丙烯酸酯橡胶的主链结构与丙烯酸酯橡胶有相似之处，又因其含有软段，在拉伸性能和耐油性能等方面具有良好的均衡性，共混后可融合二者的优点。适当加入顺丁橡胶与天然橡胶组合体，顺丁橡胶与天然橡胶并用，可以改善橡胶的磨耗量，增强耐磨效果。
31.所述改性纳米水滑石的制备方法为：采用紫外吸收剂取代水滑石层间阴离子的方式对水滑石改性，所述紫外吸收剂为2，3-二羟基萘-6-磺酸钠dnsa,所述水滑石为镁铝水滑石mgal-no
3-ldhs，通过将2，3-二羟基萘-6-磺酸钠阴离子插入水滑石mgal-no
3-ldhs层间制得所述改性纳米水滑石mgal-dnsa-ldhs。水滑石又称阴离子黏土，适当加入水滑石有利于提高橡胶的耐磨性，由于水滑石的纳米级二维层板纵向有序排列形成三维晶体结构，层板内原子间为共价键，层间为弱的相互作用，使其展现出多种可调变性。通过插层的方式在水滑石层间插入满足要求的客体，可以获得功能性层状纳米材料。2，3-二羟基萘-6-磺酸钠dnsa是一种有机紫外吸收剂，具有优良的紫外吸收性能，然而热稳定性差，光、热耐受性不高，本发明将dnsa插入水滑石层间，形成有机/无机复合的高稳定性超分子插层紫外吸收剂，使分散在橡胶相的水滑石具有吸收紫外线的功能，降低紫外线对橡胶保护层的伤害。
32.所述硫化剂为六亚甲基二胺氨基甲酸盐，所述促进剂为vulcofac act 55。所述防老剂为n-异丙基-n'-苯基对苯二胺。
33.所述组合绳芯包括一钢丝和若干芳纶纤维丝，所述芳纶纤维丝螺旋包捻所述钢丝。
34.所述外层股由若干根锰系磷化涂层钢丝组成。
35.所述阻水层由3～6层阻水纱包捻而成。
36.本实施例还提供了一种耐高温抗老化钢丝绳的制备方法，制备步骤如下：
37.步骤1、固相相变储热条制备：按配方量准备各原料，将石蜡加热融化成液态石蜡备用，往密炼机中加入高密度聚乙烯、线型低密度聚乙烯、硅藻土、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物和氧化铝，升温至130～140℃熔融共混10min；将液态石蜡加入密炼机继续共混5min；加入偶联剂共混15～20min后通过挤出机注射、冷却得到固定样式的固相相变储热条。
38.步骤2、耐老化橡胶保护层材料制备：
39.(1)生胶塑炼预混：按比例称取天然橡胶和顺丁橡胶，使用开放式炼胶机塑炼天然橡胶，塑炼温度70～75℃，将辊距调至最小后对天然橡胶薄通成片，薄通8次后调节辊距至常规出片大小，加入顺丁橡胶打三角包10次后出片、冷却得到预混生胶。
40.(2)一段混炼：将配方量的乙烯-丙烯酸酯橡胶和丙烯酸酯橡胶投入到密炼机，密炼温度40℃，密炼5min后加入防老剂和硬脂酸，密炼温度提升至85℃密炼5min，保持温度不变继续加入预混生胶，改性纳米水滑石以及炭黑，混炼20min得到一段混炼胶。
41.(3)冷却：将一段混炼胶取出并冷却至室温。
42.(4)二段混炼：将冷却后的一段混炼胶重新加入密炼机，投入促进剂和硫化剂，密炼机转子转速控制为20转/分钟，搅拌5min后排出二段混炼胶，排胶温度为80℃。
43.(5)开炼：将二段混炼胶置入开炼机，薄通并打6次三角包后出片得到预备胶。
44.步骤3、绳芯制备：将芳纶纤维长丝加捻形成芳纶纤维长丝纱，将若干芳纶纤维长丝纱加捻形成预定直径的芳纶纤维丝；以一根钢丝为芯，把若干芳纶纤维丝螺旋包捻住所述钢丝，合拢口处进行淋油处理，得到绳芯。
45.步骤4、合绳：取若干预定直径的锰系磷化涂层钢丝作为外层股，螺旋包捻住所述绳芯，通过分线盘排列好，经过预变形器装置再通过合拢口压紧，经过变形器消除股应力，进行预拉伸减少钢丝绳使用伸长量得到半成品钢丝绳。
46.步骤5、绳股外层制备：将所述半成品钢丝绳外包捻3～6层阻水纱并压紧得到阻水层；在阻水层外装配若干间隔预定距离的加强筋，在加强筋之间放置固相相变储热条得到相变层；将碳纤维丝编织成具有一定厚度的碳纤维布，通过热压的方式固定在相变层外部使碳纤维布与加强筋形成紧密连接，从而得到碳纤维层；将所述预备胶涂覆在碳纤维层外，加压定型后冷却即可得到成品钢丝绳。
47.实施例1
48.本实施例提供一种耐高温抗老化钢丝绳，制备步骤如下：
49.步骤1、固相相变储热条制备：按配方量准备各原料，将35％石蜡加热融化成液态石蜡备用，往密炼机中加入20％高密度聚乙烯、20％线型低密度聚乙烯、5％硅藻土、15％苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物和3％氧化铝，升温至130～140℃熔融共混10min；将液态石蜡加入密炼机继续共混5min；加入2％偶联剂共混15min后通过挤出机注射、冷却得到固定样式的固相相变储热条。
50.步骤2、耐老化橡胶保护层材料制备：
51.(1)生胶塑炼预混：按比例称取13％天然橡胶和28％顺丁橡胶，使用开放式炼胶机塑炼天然橡胶，塑炼温度70℃，将辊距调至最小后对天然橡胶薄通成片，薄通8次后调节辊距至常规出片大小，加入顺丁橡胶打三角包10次后出片、冷却得到预混生胶。
52.(2)一段混炼：将10％乙烯-丙烯酸酯橡胶和35％丙烯酸酯橡胶投入到密炼机，密炼温度40℃，密炼5min后加入2％防老剂和2％硬脂酸，密炼温度提升至85℃密炼5min，保持温度不变继续加入预混生胶，3％改性纳米水滑石以及5％炭黑，混炼20min得到一段混炼胶。
53.(3)冷却：将一段混炼胶取出并冷却至室温。
54.(4)二段混炼：将冷却后的一段混炼胶重新加入密炼机，投入1％促进剂和1％硫化剂，密炼机转子转速控制为20转/分钟，搅拌5min后排出二段混炼胶，排胶温度为80℃。
55.(5)开炼：将二段混炼胶置入开炼机，薄通并打6次三角包后出片得到预备胶。
56.步骤3、绳芯制备：将芳纶纤维长丝加捻形成芳纶纤维长丝纱，将若干芳纶纤维长丝纱加捻形成预定直径的芳纶纤维丝；以一根钢丝为芯，把若干芳纶纤维丝螺旋包捻住所述钢丝，合拢口处进行淋油处理，得到绳芯。
57.步骤4、合绳：取若干预定直径的锰系磷化涂层钢丝作为外层股，螺旋包捻住所述绳芯，通过分线盘排列好，经过预变形器装置再通过合拢口压紧，经过变形器消除股应力，进行预拉伸减少钢丝绳使用伸长量得到半成品钢丝绳。
58.步骤5、绳股外层制备：将所述半成品钢丝绳外包捻4层阻水纱并压紧得到阻水层；在阻水层外装配有若干间隔预定距离的加强筋，在加强筋之间放置固相相变储热条得到相变层；将碳纤维丝编织成具有一定厚度的碳纤维布，通过热压的方式固定在相变层外部使
碳纤维布与加强筋形成紧密连接，从而得到碳纤维层；将所述预备胶涂覆在碳纤维层外，加压定型后冷却即可得到成品钢丝绳。
59.实施例2
60.本实施例提供一种耐高温抗老化钢丝绳，制备步骤相较实施例1，其区别在于，步骤1中固相相变储热条制备采用的各组分及对应配方量为：33％石蜡，25％高密度聚乙烯、19％线型低密度聚乙烯、5％硅藻土、13％苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、3％氧化铝和2％偶联剂。步骤2中耐老化橡胶保护层材料制备采用的各组分及对应配方量为：12％天然橡胶、30％顺丁橡胶、12％乙烯-丙烯酸酯橡胶、32％丙烯酸酯橡胶、2％防老剂、2％硬脂酸、3％改性纳米水滑石、5％炭黑、1％促进剂以及1％硫化剂。
61.除上述组分的对应质量份数有区别外，其余制备步骤相同。
62.实施例3
63.本实施例提供一种耐高温抗老化钢丝绳，制备步骤相较实施例1，其区别在于，步骤1中固相相变储热条制备采用的各组分及对应配方量为：33％石蜡，28％高密度聚乙烯、16％线型低密度聚乙烯、5％硅藻土、13％苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、3％氧化铝和2％偶联剂。步骤2中耐老化橡胶保护层材料制备采用的各组分及对应配方量为：12％天然橡胶、28％顺丁橡胶、15％乙烯-丙烯酸酯橡胶、30％丙烯酸酯橡胶、2％防老剂、2％硬脂酸、5％改性纳米水滑石、4％炭黑、1％促进剂以及1％硫化剂。
64.除上述组分的对应质量份数有区别外，其余制备步骤相同。
65.实施例4
66.本实施例提供一种耐高温抗老化钢丝绳，制备步骤相较实施例1，其区别在于，步骤1中固相相变储热条制备采用的各组分及对应配方量为：31％石蜡，30％高密度聚乙烯、15％线型低密度聚乙烯、5％硅藻土、14％苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、3％氧化铝和2％偶联剂。步骤2中耐老化橡胶保护层材料制备采用的各组分及对应配方量为：12％天然橡胶、28％顺丁橡胶、12％乙烯-丙烯酸酯橡胶、30％丙烯酸酯橡胶、2％防老剂、2％硬脂酸、8％改性纳米水滑石、4％炭黑、1％促进剂以及1％硫化剂。
67.除上述组分的对应质量份数有区别外，其余制备步骤相同。
68.对比例1
69.本对比例提供一种钢丝绳，制备步骤相较实施例1，其区别在于，减少步骤1中的固相相变储热条制备，步骤5中绳股外层制备时相变层的制备，其余制备步骤相同。
70.对比例2
71.本对比例提供一种钢丝绳，制备步骤相较实施例1，其区别在于，步骤2中耐老化橡胶保护层材料制备时减少添加改性纳米水滑石这一组分，其余制备步骤不变。
72.对比例3
73.本对比例提供一种钢丝绳，制备步骤相较实施例1，其区别在于，步骤1中的固相相变储热条制备时减少添加苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物，其余制备步骤不变。
74.针对上述实施例1～4和对比例2、3所制得的固相相变储热条进行性能测试，测试结果如下表1。
75.表1为固相相变储热条性能测试数据表
[0076][0077]
由表1数据可以看出使用高密度聚乙烯搭配线型低密度聚乙烯作为支撑材料，可以使储热条具有良好的力学性能，聚乙烯交联后对石蜡具有良好的包覆性能，使得石蜡发生相变也不会渗漏出来。由对比例3的数据可以看出苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物在封装石蜡中起到与聚乙烯配合的作用，可以降低石蜡的泄露，稳定储热条的整体结构。
[0078]
针对上述实施例1～4和对比例1～3的钢丝绳进行性能测试，测试结果如表2.
[0079]
表2为实施例1～4和对比例1～3的钢丝绳测试数据表
[0080][0081]
表2测试结果可以得出，本发明制得的钢丝绳具有高强度级的破断拉力，可进行高负荷工作，在钢丝绳外部保护层具有一定的紫外吸收性能，可以延长橡胶老化时间，防止橡胶产生裂纹，从而导致橡胶保护层失效，钢丝绳内部被腐蚀。在钢丝绳内部设置了固相相变储热条，其内部石蜡发生相变时不会改变储热条的形态，石蜡液化吸收热量可以在一定程度上调节钢丝绳的内部温度，避免因急剧升温导致钢丝力学性能下降，增强钢丝绳的耐温能力。
[0082]
上结合实施例对本发明进行了详细说明，另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合变更，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，根据本发明各个技术特征进行的其他变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。