一种高负荷阻燃钢丝绳及其制备方法
阅读说明：本技术 一种高负荷阻燃钢丝绳及其制备方法 (High-load flame-retardant steel wire rope and preparation method thereof ) 是由 林柱英 吴海峰 王勇军 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种高负荷阻燃钢丝绳,包括一复合绳芯与绳股,其特征在于,所述复合绳芯包括七组组合丝,其中六组所述组合丝螺旋包捻住另一组所述组合丝,所述组合丝包括一超高分子量聚乙烯纤维丝和若干芳纶纤维丝,所述芳纶纤维丝螺旋包捻住所述超高分子量聚乙烯纤维丝,所述绳股包括一次外层股和一外层股,所述次外层股包捻住所述混合绳芯,所述外层股包捻住所述次外层股,所述外层股外设置一层阻燃层,所述阻燃层的原料及其质量分数为：三元乙丙橡胶50％～60％,丙烯腈接枝三元乙丙橡胶5％～10％,氯丁橡胶10％～17％,硬脂酸1％～2％,促进剂1％～2％,硫化剂2％～3％,防老剂1％～2％,阻燃润滑剂3％～5％以及阻燃剂8％～13％。所述钢丝绳具有高负荷能力,耐热稳定性好以及阻燃性能强,适用于高温易燃场合。(The invention provides a high-load flame-retardant steel wire rope which comprises a composite rope core and rope strands and is characterized in that the composite rope core comprises seven groups of combined yarns, wherein six groups of combined yarns spirally wrap and twist another group of combined yarns, the combined yarns comprise an ultrahigh molecular weight polyethylene fiber yarn and a plurality of aramid fiber yarns, the aramid fiber yarns spirally wrap and twist the ultrahigh molecular weight polyethylene fiber yarns, the rope strands comprise a primary outer layer strand and a secondary outer layer strand, the secondary outer layer strand wraps and twists the mixed rope core, the secondary outer layer strand wraps and twists the secondary outer layer strand, a flame-retardant layer is arranged outside the outer layer strand, and the flame-retardant layer comprises the following raw materials in parts by mass: 50-60% of ethylene propylene diene monomer, 5-10% of acrylonitrile grafted ethylene propylene diene monomer, 10-17% of chloroprene rubber, 1-2% of stearic acid, 1-2% of accelerator, 2-3% of vulcanizing agent, 1-2% of anti-aging agent, 3-5% of flame retardant lubricant and 8-13% of flame retardant. The steel wire rope has high load capacity, good heat-resistant stability and strong flame retardant property, and is suitable for high-temperature inflammable occasions.)
技术领域
本发明涉及钢丝绳技术领域，具体涉及一种高负荷阻燃钢丝绳。
背景技术
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。
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，如某些消防设施使用的钢丝绳，冶金采矿等高温易燃易爆环境中所使用的钢丝绳，需要具有一定的阻燃性能。因为钢丝绳内部的润滑油脂是易燃物，接触到明火会迅速燃烧，钢丝在高温下金相组织发生相变，抗拉强度和韧性急剧下降。特别的，当钢丝绳的绳芯采用天然纤维或合成纤维时，钢丝绳在高温易燃环境中发生燃烧的可能性进一步增加。钢丝绳绳芯是钢丝绳的重要组成结构之一，可以起到支撑作用和减少股间压力效果，保持钢丝绳稳定的物理结构，并且绳芯通常储存了大量的润滑油脂，以达到钢丝绳内部润滑作用。所以钢丝绳内部绳芯发生燃烧会导致钢丝绳整体结构发生变化，若是此时钢丝绳正好处于工作状态，极易发生骤然断裂的恶劣情况，甚至发生更严重的安全事故。所以，针对一些高温易燃场合，设计一种高负荷阻燃性能好的钢丝绳是非常有必要的，既可以提高工作效率又可以提升施工的安全性。
发明内容
本发明目的在于提供一种高负荷阻燃钢丝绳及其制备方法，既可以提高工作效率，又可以降低钢丝绳在高温易燃工作条件下内部发生燃烧导致安全事故的风险。
一种高负荷阻燃钢丝绳，包括一复合绳芯与绳股，其特征在于，所述复合绳芯包括七组组合丝，其中六组所述组合丝螺旋包捻住另一组所述组合丝，所述组合丝包括一超高分子量聚乙烯纤维丝和若干芳纶纤维丝，所述芳纶纤维丝螺旋包捻住所述超高分子量聚乙烯纤维丝，所述绳股包括一次外层股和一外层股，所述次外层股包捻住所述混合绳芯，所述外层股包捻住所述次外层股，所述外层股外设置一层阻燃层，所述阻燃层的原料及其质量分数为：三元乙丙橡胶50％～60％，丙烯腈接枝三元乙丙橡胶5％～10％，氯丁橡胶10％～17％，硬脂酸1％～2％，促进剂1％～2％，硫化剂2％～3％，防老剂1％～2％，阻燃润滑剂3％～5％以及阻燃剂8％～13％。
进一步优选的，所述阻燃层的原料及其质量分数为：三元乙丙橡胶51％，丙烯腈接枝三元乙丙橡胶10％，氯丁橡胶17％，硬脂酸2％，促进剂2％，硫化剂3％，防老剂2％，阻燃润滑剂3％以及阻燃剂10％。
优选的，所述混合绳芯与所述次外层股之间设置一尼龙纤维层，所述尼龙纤维层添加有溴化苯乙烯聚合物。
优选的，所述次外层股以左交互捻方式包捻住所述复合绳芯，所述外层股以右交互捻方式包捻住所述次外层股，所述外层股与所述次外层股均采用磷化涂层钢丝，所述次外层股结构为1×3，所述外层股结构为1×7。
优选的，所述阻燃层外部设置一耐磨合成树脂层。
优选的，所述促进剂为二正丁基二硫化氨基甲酸锌、乙撑硫脲、二硫化四甲基秋兰姆的一种或多种。进一步优选的，促进剂采用乙撑硫脲和二硫化四甲基秋兰姆配合使用。
优选的，所述硫化剂为硫磺。
优选的，所述阻燃剂为三聚氰胺氰尿酸盐，三芳基磷酸酯FR-506以及微米氢氧化铝的两种或多种。进一步优选的，阻燃剂采用三聚氰胺氰尿酸盐和微米氢氧化铝组合使用。
优选的，所述阻燃润滑剂为MB-202，氰尿酸三聚氰胺络盐的一种。
一种高负荷阻燃钢丝绳的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、纤维丝制备：将芳纶纤维通过机器纺成芳纶纤维纱，再将芳纶纤维纱纺成芳纶纤维丝，将超高分子量聚乙烯纤维通过机器纺成超高分子量聚乙烯纤维纱，再将所述超高分子量聚乙烯纤维纱纺成超高分子量聚乙烯纤维丝；
步骤2、绳芯制备：将若干根芳纶纤维丝螺旋包捻住一根超高分子量聚乙烯纤维丝得到一组组合丝，以同样方式制备其余六组组合丝，以其中一组组合丝为中心，将其余六组组合丝以螺旋方式围绕中心组合丝进行包捻得到所述混合绳芯，包捻过程中边捻合边淋油脂；
步骤3、尼龙纤维层制备：将溴化苯乙烯聚合物与尼龙熔融混合均匀，用机器纺织成尼龙纤维丝，用机器把若干尼龙纤维丝紧密包裹在所述混合绳芯外部并压实；
步骤4、股制备：取3根钢丝以1×3方式捻成股A，取7根钢丝以1×7方式捻成股B；
步骤5、合绳：使用机器将股A以右捻方式包捻住所述复合绳芯形成次外层股，将股B以左捻方式包捻住所述次外层股得到外层股，捻合完毕后用机器压实，以机器刷涂的方式在外层股刷涂一层阻燃层，阻燃层室温冷却后以浸泡抽涂的方式在表面涂覆上一层耐磨合成树脂，得到所述钢丝绳；其中，阻燃层的制备方法如下；
其中，阻燃层的制备方法如下：
(1)根据上述质量份数称取原料，备用；
(2)将三元乙丙橡胶和丙烯腈接枝三元乙丙橡胶加入到密炼机中，温度设置为90～100℃，塑炼5min后加入硬脂酸，继续密炼10min得到第一混合胶；
(3)将氯丁橡胶加入所述第一混合胶中，密炼10min后加入促进剂、硫化剂，将温度设置为110～120℃，密炼5min，加入阻燃润滑剂和阻燃剂，继续密炼15min后排胶，冷却停放12h后再次投入密炼机，加入防老剂在80℃下混炼10min后排胶。
优选的，所述步骤3与步骤4之间还包括如下步骤3.1：
步骤3.1：将两种直径的若干钢丝进行磷化处理，得到磷化涂层钢丝，其中外层股钢丝直径是次外层股钢丝直径的2～3倍。
本发明具有如下有益效果：本发明以特定结构将芳纶和超高分子量聚乙烯纤维两种材料结合起来制得钢丝绳的复合绳芯，其高分子材料绳芯可以进一步提升钢丝绳的负荷能力，兼具良好的抗拉能力和韧性。在钢丝绳绳股外设置一层阻燃层，可以对钢丝绳内部结构起到保护作用，避免高温易燃条件下绳芯发生明火燃烧，绳内结构发生变化出现崩断现象。
超高分子量聚乙烯纤维具有超强的的耐磨性，自润滑性，高强度和高模量，采用该纤维来作为钢丝绳的绳芯主要原料，可以极大地增强钢丝绳的负荷承受能力，拥有良好的挠曲寿命。但是超高分子量聚乙烯纤维的耐温性能稍弱，而芳纶纤维同样具有高强度和高模量，不仅重量轻而且耐温效果优越，有持久的热稳定性和骄人的阻燃性。因此在绳芯结构中添加芳纶纤维丝作为组合丝的外层，可以在保有绳芯高强度的同时还增强绳芯的耐热性，优化了以往绳芯易燃的缺点。
为了进一步提升钢丝绳的阻燃性能，在绳股外还设置了一层以橡胶为主要原料的阻燃层。三元乙丙橡胶主链由化学稳定的饱和烃组成，只在侧链中含有不饱和双键，故而耐臭氧、耐热、耐老化性强。三元乙丙橡胶还具有低密度高填充性，能吸收大量的填料而对特性影响不大，因此以该橡胶作为主体成本低廉实用性强。然而，三元乙丙橡胶的自粘性、互粘性和阻燃性能较差，氯丁橡胶的加入可以弥补这一缺点，因为氯丁橡胶耐酸碱，耐油、耐热，又有难燃性，高粘接强度，可室温固化的特点。丙烯腈接枝三元乙丙橡胶作为三元乙丙橡胶和氯丁橡胶的相容剂，能改善三元乙丙橡胶和氯丁橡胶的相容性。添加阻燃剂以及阻燃润滑剂，提升橡胶混合物的高温稳定性，起到良好的润滑和阻燃作用。
附图说明
图1是本发明的一种高负荷阻燃钢丝绳的结构示意图
图中：1-钢丝绳本体；2-复合绳芯；3-尼龙纤维层；4-次外层股；5-外层股；6-阻燃层；7-耐磨合成树脂层；201-超高分子量聚乙烯纤维丝；202-芳纶纤维丝。
具体实施方式
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。
实施例1
参阅图1，本实施例提供一种高负荷阻燃钢丝绳，包括一复合绳芯2与绳股，所述复合绳芯2包括七组组合丝，其中六组所述组合丝螺旋包捻住另一组所述组合丝，所述组合丝包括一超高分子量聚乙烯纤维丝201和若干芳纶纤维丝202，所述芳纶纤维丝202螺旋包捻住所述超高分子量聚乙烯纤维丝201，所述绳股包括一次外层股4和一外层股5，所述次外层股4包捻住所述混合绳芯2，所述外层股5包捻住所述次外层股4，所述外层股5外设置一层阻燃层6，所述阻燃层6的原料及其质量分数为：
三元乙丙橡胶50％～60％，丙烯腈接枝三元乙丙橡胶5％～10％，氯丁橡胶10％～17％，硬脂酸1％～2％，促进剂1％～2％，硫化剂2％～3％，防老剂1％～2％，阻燃润滑剂3％～5％以及阻燃剂8％～13％。
进一步优选的，所述阻燃层的原料及其质量分数为：三元乙丙橡胶51％，丙烯腈接枝三元乙丙橡胶10％，氯丁橡胶17％，硬脂酸2％，促进剂2％，硫化剂3％，防老剂2％，阻燃润滑剂3％以及阻燃剂10％。
优选的，所述混合绳芯2与所述次外层股4之间设置一尼龙纤维层3，所述尼龙纤维层添加有溴化苯乙烯聚合物。尼龙纤维层可以对复合绳芯结构起到稳定作用，提升绳芯的储油效果。然而尼龙的氧指数较低，易燃烧，溴化苯乙烯聚合物热稳定性好，与尼龙可以熔融共混后可以提升尼龙的阻燃性能。
优选的，所述次外层股4以左交互捻方式包捻住所述复合绳芯2，所述外层股5以右交互捻方式包捻住所述次外层股4，所述外层股5与所述次外层4股均采用磷化涂层钢丝，所述次外层股结构为1×3，所述外层股结构为1×7。
优选的，所述阻燃层6外部设置一耐磨合成树脂层7。钢丝绳最外层设置一耐磨合成树脂层可以提高钢丝绳对外界的抗磨效果，在抗压方面也有一定的益处。
优选的，所述促进剂为二正丁基二硫化氨基甲酸锌、乙撑硫脲、二硫化四甲基秋兰姆的一种或多种。
优选的，所述硫化剂为硫磺。
优选的，所述阻燃剂为三聚氰胺氰尿酸盐，三芳基磷酸酯FR-506以及微米氢氧化铝的两种或多种。进一步优选的，阻燃剂采用三聚氰胺氰尿酸盐和微米氢氧化铝组合使用。氢氧化铝是一种填料型阻燃剂，受热可以分解，在分解过程中吸收大量的热，可以降低燃烧部位温度阻止其继续燃烧。此外，氢氧化铝受热分解形成的水以水蒸气形式存在，可以稀释周围的氧气浓度抑制燃烧。三聚氰胺氰尿酸盐是一种含氮的无卤环保型阻燃剂，具有优异的机械性能和电性能，不变色，低烟，低腐蚀性，热稳定好。
优选的，所述阻燃润滑剂为MB-202，氰尿酸三聚氰胺络盐的一种。添加适量的润滑剂可以降低绳股与阻燃层之间的内部摩擦，与阻燃剂有良好的配合性能，进一步提高阻燃作用。
实施例2
本实施例提供了一种高负荷阻燃钢丝绳的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、纤维丝制备：将芳纶纤维通过机器纺成芳纶纤维纱，再将芳纶纤维纱纺成芳纶纤维丝202，将超高分子量聚乙烯纤维通过机器纺成超高分子量聚乙烯纤维纱，再将所述超高分子量聚乙烯纤维纱纺成超高分子量聚乙烯纤维丝201；
步骤2、绳芯制备：将若干根芳纶纤维丝202螺旋包捻住一根超高分子量聚乙烯纤维201丝得到一组组合丝，以同样方式制备其余六组组合丝，以其中一组组合丝为中心，将其余六组组合丝以螺旋方式围绕中心组合丝进行包捻得到所述混合绳芯2，包捻过程中边捻合边淋油脂；
步骤3、尼龙纤维层制备：将溴化苯乙烯聚合物与尼龙熔融混合均匀，用机器纺织成尼龙纤维丝，用机器把若干尼龙纤维丝紧密包裹在所述混合绳芯外部并压实；
步骤4、股制备：取3根钢丝以1×3方式捻成股A，取7根钢丝以1×7方式捻成股B；
步骤5、合绳：使用机器将股A以右捻方式包捻住所述复合绳芯形成次外层股4，将股B以左捻方式包捻住所述次外层股得到外层股5，捻合完毕后用机器压实，以机器刷涂的方式在外层股刷涂一层阻燃层6，阻燃层室温冷却后以浸泡抽涂的方式在表面涂覆上一层耐磨合成树脂7，得到所述钢丝绳；其中，阻燃层的制备方法如下：
(1)根据上述质量份数称取原料，备用；
(2)将三元乙丙橡胶和丙烯腈接枝三元乙丙橡胶加入到密炼机中，温度设置为90～100℃，塑炼5min后加入硬脂酸，继续密炼10min得到第一混合胶；
(3)将氯丁橡胶加入所述第一混合胶中，密炼10min后加入促进剂、硫化剂，将温度设置为110～120℃，密炼5min，加入阻燃润滑剂和阻燃剂，继续密炼15min后排胶，冷却停放12h后再次投入密炼机，加入防老剂在80℃下混炼10min后排胶。
优选的，所述步骤3与步骤4之间还包括如下步骤3.1：
步骤3.1：将两种直径的若干钢丝进行磷化处理，得到磷化涂层钢丝，其中外层股钢丝直径是次外层股钢丝直径的2～3倍。外层股采用粗直径的钢丝，可以提高钢丝绳对外部的抗压抗冲击能力，还能有效提升钢丝绳的负荷承载。
实施例3
本实施例针对不同阻燃层组分的钢丝绳性能进行测试。
本实施例采用直径为20mm的高负荷阻燃钢丝绳进行测试，其中，钢丝绳的制备方法与上述实施例2制备方法一致，区别在于步骤5阻燃层原料配比发生变化。
表1是一种高负荷阻燃钢丝绳阻燃层的不同组份成分表：
例1
例2
例3
例4
例5
三元乙丙橡胶％
51
52
55
58
60
丙烯腈接枝三元乙丙橡胶％
10
10
8
7
6
氯丁橡胶％
17
15
13
15
11
硬脂酸％
2
2
2
2
2
乙撑硫脲％
1
1
1
1
1
二硫化四甲基秋兰姆％
1
1
1
1
1
硫磺％
3
3
3
3
3
防老剂％
2
1
1
1
1
MB-202％
3
3
3
3
3
三聚氰胺氰尿酸盐％
5
6
8
7
7
微米氢氧化铝％
5
6
5
2
5
对比例1
表2是一种高负荷阻燃钢丝绳的阻燃层对比例1的成分表：
例1
三元乙丙橡胶％
70
硬脂酸％
6
二硫化四甲基秋兰姆％
3
硫磺％
4
防老剂％
2
MB-202％
3
三聚氰胺氰尿酸盐％
7
微米氢氧化铝％
5
将上述例1-5以及对比例1不同阻燃层成分的钢丝绳按上述实施例2的制备方法制备完毕，每一组份的钢丝绳取10份外表无任何损伤的样品分别进行拉力测试和酒精喷灯燃烧测试，破断拉力测试结果取平均值，燃烧结果分别取平均值和最大值，测试结果如下：
例1
例2
例3
例4
例5
实施例1
钢丝绳破断拉力/KN
311
309
308
311
310
302
有焰燃烧平均值/s
1.4
1.6
1.7
1.5
1.8
2.3
有焰燃烧最大值/s
1.9
2.1
2.2
2.0
2.4
2.5
无焰燃烧平均值/s
2.0
2.1
2.1
2.0
2.5
3.3
无焰燃烧最大值/s
2.8
2.9
3.0
2.9
3.1
3.6
阻燃等级
V0
V0
V0
V0
V0
V1
测试结果可以得出，所述钢丝绳具有高强度级的破断拉力，可进行高负荷工作，在钢丝绳外部设置阻燃层可以降低钢丝绳燃烧时间，具有很好的阻燃作用，可以防止钢丝绳内部绳芯发生燃烧发生断裂。三元乙丙橡胶的阻燃效果不太理想，氯丁橡胶的加入正好可以弥补这一缺点，将氯丁橡胶与三元乙丙橡胶按一定比例互混硫化，加入丙烯腈接枝三元乙丙橡胶促进互容效果，可以相应地减少阻燃剂的添加，就能得到阻燃效果很好的阻燃橡胶。三聚氰胺氰尿酸盐与氢氧化铝组合使用，使阻燃效果有进一步提升。
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。
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