新型复合材料辊用非织造布的研制及性能分析

圆园19年1月机械设计与制造

酝葬糟澡蚤灶藻则赠阅藻泽蚤早灶驭酝葬灶怎枣葬糟贼怎则藻77新型复合材料辊用非织造布的研制及性能分析222

张思盼1，，郭峥嵘1，，黄玉莲3，姚新改1，

山西太原030024；山西太原030024；（1.太原理工大学机械工程学院，2.精密加工山西省重点实验室，.

3.太原理工大学轻纺工程学院，山西太原030600）

摘要：以聚酰胺66纤维和丙烯酸酯乳液粘合剂为主体原料，加入辅剂，通过机械成网法和喷洒粘合法，研制出具有良

好吸油性能的辊用非织造布并对其性能进行分析。通过新设备对成网工艺进行改进并通过多次试验确定合适的工作液配比；对不同温度下的非织造布进行了拉伸强度及硬度测试，并采用热重分析法和差式扫描量热法对其进行热稳定性分析。分析结果表明拉伸强度随着温度升高降低，硬度基本不变，热稳定性在250益之前基本不发生变化，符合冷轧加工对新型复合材料辊的工况要求，为新型复合材料辊的投入使用提供实验基础。热重分析；差式扫描量热关键词：辊用非织造布；力学性能；中图分类号：TH16

文献标识码：A

文章编号：员园园员-3997（圆园19）01-0077-03

PreparationandPerformanceAnalysisofNon-WovenFabric

forNewCompositeRoller

（1CollegeofMechanicalEngineering，TaiyuanUniversityofTechnology，ShanxiTaiyuan030024，China；

3.SchoolofTextileEngineering，TaiyuanUniversityofTechnology，ShanxiTaiyuan030600，China）

粤遭泽贼则葬糟贼：Usingpolyamidefiber66andacrylicemulsionadhesiveasmainrawmaterial，andmixingwithadditivesthroughmechanical-laidandspraying-bondedmethod，anon-wovenfabricofrollerwasprepared，whichhasgoodoilabsorbency，thenanalyzedtheperformance.Throughthenewequipmentimprovedthelayingprocess，andaftermanytrails，theappropriateratiooftheworkingfluidwasdetermined；Thenon-wovenfabric’stensilestrengthandhardnessatdifferenttemperatureswastested，thethermalstabilitythroughTGAandDSCwasanalyzed.Theresultsshowthatthetensilestrengthreducedandthehardnessalmosthasnochanges，thethermalstabilityalmosthasnochangesbefore250益.Thenewcompositerollerfullymeettherequirementsofworkingconditionofcold-rolling.Andprovidingtheexperimentalbasisfortheapplicationofthenewcompositeroller.

KeyWords：Non-WovenFabricofRoller；MechanicalProperties；TGA；DSC

2.PrecisionMachiningKeyLaboratoryofShanxiProvince，ShanxiTaiyuan030024，China；

222

ZHANGSi-pan1，，GUOZheng-rong1，，HUANGYu-lian3，YAOXin-gai1，

1引言

在之前的研究基础上，改进成网工艺并对研制过程中的难点工作液的配比进行确定，研制出第二代辊用非织造布。前期有关新型复合材料辊的性能研究主要是常温情况下，根据新型复合材料辊主要用于冷轧生产线上，轧制中的变形及摩擦会使板材升温[3]的工作环境要求，从工作原理出发研究其性能要求并通过实验对研制出的辊用非织造布进行测试分析，这对所研制的辊用非织造布是否可以制作新型复合材料辊和投入使用有很大意义。

新型复合材料辊是由非织造布为主体材料的辊套和钢制辊芯

组成，其多孔结构的可压缩变形性特点，与冷轧生产线上大量使用除油效果和较长的使用寿命[1]，的橡胶辊相比有更好的挤干、可以提目前国内的复合材料辊主要依靠高冷轧生产效率和提高产品质量。

进口，为此提出对新型复合材料辊用非织造布的研制。前期已经成拉伸强度功研制出了第一代辊用非织造布，并对其孔隙率、吸油性、等进行了测试，结果表明该非织造布已经达到了新型复合材料辊性能的一些基本要求[2]，由于成网设备的不完善，纤网的均匀度较差，

2新型复合材料辊的工作原理及性能要求

新型复合材料辊主要是应用于冷轧生产线上挤干钢材表面

来稿日期：2018-07-04

基金项目：山西省自然科学基金项目（2013011024-3）

（1991-）特种加工及机械产品的数字化设计；作者简介：张思盼，，男，陕西西安人，硕士研究生，主要研究方向：（1962-）结构设计与特种加工方面研究姚新改，，女，山西永济人，硕士研究生，副教授，主要研究方向：

78张思盼等：新型复合材料辊用非织造布的研制及性能分析

梳理纤维成网取样测试性能工作液配比喷洒工作液第1期

干燥箱烘干如图1所示。板材残余的轧制油，其工作过程的原理分三步进行，与辊子开始接触时，由于新型复合材料辊的疏松开式表面，溶液渗进辊子里，使得辊子与板材表面紧密接触起到一个类似水坝的作用；板材运行到辊隙中心处时，辊子的疏松度被压缩接近于零，这板材离开辊子时，样可使辊子在旋转过程中产生密封作用；压缩作用下降，辊子空隙被打开，材料放松，对板材表面残余的油液进行吸从工作原理中可收。通过以上过程，实现对板材表面残余油液清除。自身结构方以得出，新型复合材料辊具有两方面的的性能要求：面的多孔性、吸油性、摩擦性及作为轧制辊必须具有的拉伸强度、处理非织造布纤网加固主体原料为丙烯脂乳液粘合剂的工作液配制。工作液成分：增塑剂、偶联剂、防老剂自交联丙烯酸脂乳液粘合剂、去离子水、等[6]。经过多次实验后确定粘合剂与去离子水为0.47：1时。如图图2研制非织造布的工艺流程

Fig.2ProcessfortheDevelopmentofNon-WovenRoller

硬度要求；根据工作环境要求必须具有良好的热稳定性。

液体

运动方向

#1-“#3

减水轻坝压”力

-材料放松

#2

-有吸多余液体

-材料吸收压紧一封闭作用

3辊Fig.1用非The织Working图1新造布Principle型复合材料的研of辊the的工New作原Composite理

Roller

3.1非织造布的制作流程

制

非织造布的加工过程主要包括原料选取、成网、加固以及后整理四个部分[4]。原料选取主要包括纤维原料和粘合剂的选取；从成本、可加工性和纤网的性能要求三方面出发选择了美国杜邦公司生产的聚酰胺66纤维；从非织造布的强度、耐热性、弹性等出发选择由青岛金森达化工有限公司生产的自交联丙烯酸脂乳液粘合剂。成网指把杂乱的未经处理的纤维原料梳理成纤网的过A程，型纤数网是字式小非织样造梳布棉加机工对过纤程维中进行最重梳要的理，保半证了制品纤，通网均匀过DSCa-01-

构。加固指把成形的纤网中所持松散纤维通过相关工艺方度法和加结固的过程，赋予纤网机械性能和外观。后整理主要是为了改善产品性能、结构和手感等，通过整理转化为最终产品。

3.2实验仪器

实验仪器，

如表1所示。表1实验所用的仪器设备

Tab.1InstrumentalEquipmentUsedintheExperiment

名称

型号数字式小样梳棉机DSCa-01-A

平板硫化机XLB电子天平JM-A干燥箱101-1冲片机

CPJ-25

3.3辊用非织造布研制过程

研制的工艺流程，

如图2所示。确定纤网每平方米的重量。根据复合材料辊的硬度、孔隙率、密度等要求，确定为300g/m2。梳理纤维成网。根据梳理机规格选取每次喂入50g原料，梳理后的纤网为50次左右的纵向和横向并和，梳理后的单层纤网根据叉铺网的方式折叠，减小最终产品纵向、

向300g/m2的要求通过交横拉伸强度差异[5]。

工3所示作液。并将折放入叠干好燥的箱纤中进行网放入烘模具中干，温，度如图1004益所示，持续。时间喷洒配5min比好。将的

烘干好的纤网在一定的压力及温度下通过平板硫化机进行纤网加固，持续10min。将加固好的非织造布进行处理后取样测试。

Fig.3Well-proportioned图3配比好的工Working作液

FluidFig.4图The4放4新型复合材料辊Fiber入模具中的Web的性in纤能the网

分析

Mold

4.1.14.1新硬型度分析

复合材料辊用非织造布的力学性能分析

表2不同温度下的试样硬度值Tab.2atTheDifferentHardnessTemperatures

oftheSample

10025益671652140益时编号

益时硬时硬度硬度值度值/HA值/HA68674665656/HA

69666736667686869676667

10025益编号

140益时益时硬时硬度硬度值度值/HA667值/HA/HA67668679106867686865平均值68706866.16967.268.2将加工好的非织造布通过冲片机进行取样，试验分为三组，每组包含十个试样，将每组试样分别在25益，100益，140益温度下的干燥箱中加热180min。其中100益为复合材料辊的最大工作温

No.1Jan.2019

机械设计与制造79

A度，140益为研制非织造布时的温度，每个试样通过XHS型邵氏所示硬度。绘计制进行硬度硬曲度线测试，如图，测三次5所示，。取平均值通过图5后可以，实验看结果，出：随着如表温度2的升高，硬度值跟着升高。在测硬度值的过程中由于操作误差及读数误差，对十组数据取平均值后填入表2。在三组温度下随着温68.2HA度的，升低高，每组的硬度值有1HA的70于新型复合材料辊的最大使用硬增度加76HA，在。

140益达到2569100140益益益

686766650

1

2

3

4

组5

号

6

7

8

9

10

Fig.5Curve图5of三Hardness种温度下的at硬4.1.2拉伸强度分析

Three度之曲Temperatures

线

将加工好的非织造布进行取样，试验分为三组，每组包含三

个试样，将每组试样分别在25益，100益，140益温度下的干燥箱中加热180min。其中，100益为复合材料辊的最大工作温度，140益为研制非织造布时的温度。

将加热后的试样通过CRS-JTM1000型拉力试验机进行拉伸强度测试结果，如图6所示。将测试后的结果，如表3所示。通过对比表3数据，在三种温度下，随着温度的升高拉伸强度减小，在100益时，其拉伸强度取平均值后为37117.3kPa；拉伸强度完全可以满足使用要求。

Fig.6图Tensile6试样拉表3不同温度Test伸实验下的Specimen

图拉伸强度

Tab.3TensileStrengthatDifferentTemperatures

10025益益拉拉伸编号

伸强度强度值值/kPa/kPa4151414.2140益新拉伸型强度复合值材料/kPa4029236297238487.7平均值辊用非织造布39386356133765233355136521的热稳定性分析

3635337117.336788.0根据新型复合材料辊在使用过程中的温度要求，必须对其进行热稳定性分析，热稳定性主要包括物理结构的耐温性和化学结构耐分解性两方面。热重分析的主要用途是衡量材料在升温过程中化学结4.2.1构的通热稳过重定性TG-209-F3分析

，差式扫描量热分析对试样的耐热性进行分析[7]。

型热重分析仪进行分析可获得试样的热

重（TG）曲线，实验过程主要技术数据如下：称重解析度0.1滋g，最

大试样量2000mg，温度范围为（100~900）益，测量气氛为惰性、氧化、静态、真空等，升降温速率范围（0~100）K/min。本次试验试样用量2mg，以空气为载体，实验升温速率为10k/min，热终解温度为360益，根据测试结果绘制TG曲线，如图7所示。由图7可知，曲线主要由一个单步过程和一个平台组成，每个单步过程表示试样经历了一个伴有质量变化的过程，平台表示其质量基本不发生变化，试样本身比较稳定。在246益之前，其试样质量分数处于基本不变的过程，说明试样在250益之前随着温度的升高其化学结构是稳定的；246益之后开始发生失重，360益是试样质量减小到88%，损失102的主要是试样添加的小分子助剂的挥发。

10096246益

94929088

100

150

200Temp·（250

益）

300

350

400

Fig.7TG图7Curve非织造of布Non-Woven的TG曲线

4.2.2差示扫描量热分析

Fabric

通过Q2000差式扫描量热仪进行分析可获得试样的DSC

曲线，实验过程的主要技术数据如下：试样用量4.40000mg，实验升温速率10.00益/min，热终解温度根据新型复合材料辊的工作温度确定为200益，根据测试结果绘制DSC曲线，

如图8所示。432

10-120

40

60

80

Temp100·（120益）

140160180

200

由图8可知Fig.8，试DSC图8样在（Curve非织造40.7~46.8of布的Non-WovenDSC曲线

）益时有一Fabric

个吸热峰，峰值温度为43.70益，这与试样中所含的水分的挥发有关；从（46.8~200）益，不再出现峰值，表明在200益之前并不会发生玻璃化转变以及析晶5反结论

应。因此，在200益以前其物理结构的耐热性完全满足要求。

（1）对不同温度下的非织造布进行硬度测试，结果表明其硬

度随着温度的升高而升高，升高值很小，低于最大使用值，满足要

求。

（下转第83页）

No.1Jan.2019

化为：

杉山山山山山山山山山山山山山山删

机械设计与制造

令y=lnRa，c0=lnk，x1=ln（0.9-q），x2=lnf，x3=lnap，则模型可y1

煽衫

衫衫衫衫2衫衫衫衫衫衫衫衫n衫闪

杉山

山山山山山山山山山山山山山删

83验数据进行了分析，通过数学方法得到了三个修整工艺参数对面齿轮齿面粗糙度影响的预测模型，并进行了工艺参数优化试验。

［1］FLLitvin，YZhang，JCWang.DesignandGeometryofFace-GearDrives

y1x12x22x［J］.JournalofMechanicalDesign，1992，114（4）：2-7.

=（4）［2］王志，刘锐.面齿轮传动国内研究进展［J］刘建炜，.机械设计与制造，…1………

2012（3）：219-221.

y1x1nx2nx（WangZhi，LiuJian-wei，LiuRui.Researchprogressoffacegeardrive

inthedomestic［J］.MachineryDesign&Manufacture，2012（3）：219-221.）

采用最小二乘法对实验数据进行多远线性回归分析，可解

［3］FLLitvin，JCWang，RBBossler.ApplicationofFace-gearDrivesin

得系数如下：HelicopterTransmissions［J］.ASMEJournalofMechanicalDesign，1994

（24）：672-676.c0=0.06，c1=-0.1706，c2=0.2431，c3=0.0697

［4］王延忠，侯良威，兰州.渐开线碟形砂轮磨削面齿轮数控加工研究［J］.

因此粗糙度与三个修整工艺参数的指数关系模型为：

航空动力学报，2015，30（8）：2033-2041.

-0.17060.24310.0697

（WangYan-zhong，HouLiang-wei，LanZhou.ResearchonprocessingRa越1.0561（0.9-q）·f·ap（5）

methodofgrindingfacegearwithinvolutediscwheel［J］.Journalof

表示回归模型拟合程度的统计量为：r2=0.9636，F=96.9508，AerospacePower，2015，30（8）：2033-2041.）

［J］刘常青.关于面齿轮磨削加工机床的研究.机械设计与制造，与F对应的概率p<0.00001，线性回归模型成立，能够较好地预测［5］赵宁，

2007（10）：151-152.

面齿轮齿面粗糙度的值。根据齿面粗糙度预测模型进行修整工艺（ZhaoNing，LiuChang-qing.Researchongrindingmachinetoolofface

gear［J］.MachineryDesign&Manufacture，2007（10）：151-152.）参数优化试验。要求面齿轮齿面粗糙度低于0.8滋m。由于切点线

LanZhou，HouLiang-wei.Aprecisiongenerating

速度比q和单次修整切深ap在渐开线各处不同且难以调整，因［6］WangYan-zhong，

grindingmethodforfacegearusingCBNwheel［J］.InternationalJournal

此以易于控制的滚轮进给速度f为目标参数进行求取。通过修整ofAdvancedManufacturingTechnology，2015，79（9）：1839-1848.

LanZhou，HouLiang-wei.Anefficienthoningmethod时的砂轮外径与渐开线参数计算出渐开线各点的切点线速度比［7］WangYan-zhong，

forfacegearwithtoothprofilemodification［J］.InternationalJournalof

q和单次修整切深ap，并由式（5）计算出进给速度f，调整数控程

AdvancedManufacturingTechnology，DOI：10.1007/s00170-016-9447-x.

牛涛.一种渐开线廓型砂轮数控修整算法［J］王素粉，.机床与序使f均匀变化。据此进行修整试验及面齿轮磨削试验，得到的［8］任小中，

液压，2009，37（10）：12-13.

齿面各处的粗糙度均在0.8滋m以下。

（RenXiao-zhong，WangSu-fen.NiuTao.Analgorithmforthenumericalcontrolofinvoluteprofilegrindingwheel［J］.MachineTool&Hydraulics，2009，37（10）：12-13.）

（1）分析了面齿轮磨削加工原理和面齿轮磨削砂轮的修整［9］ShihAJ.Anexperimentalinvestigationofrotarydiamondtruingand

dressingofvitreousbondwheelsforceramicgrinding［J］.International方法，均能在多轴数控机床上得到实现。（2）对砂轮修整工艺参数进

JournalofMachineTools&Manufacture，2000，40（12）：1755-1774.

行了试验研究，得到了切点线速度比，滚轮进给速度和单次修整切［10］王延忠，钟扬，侯良威.面齿轮磨削碟形砂轮修整精度控制方法研究

［J］.组合机床与自动化加工技术，2016（2）：91-94.深对面齿轮齿面粗糙度的影响规律，齿面粗糙度随切点线速度比的

（WangYan-zhong，ZhongYang，HouLiang-wei.Precisioncontrolmethod

增大而增大，随滚轮进给速度的增大而增大，随滚轮单次修整切深

ofdressingprocessofface-geargrindingwheel［J］.ModularMachineTool

的增大而增大；并获得了粗糙度在面齿轮齿面的分布规律。（3）对试&AutomaticManufacturingTechnique，2016（2）：91-94.）

1x11x21x31煽衫衫

衫

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杉山

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c0着0c1着1

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煽衫

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杉山山山山山山山山山山删

参考文献

煽衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫闪

6结论

（上接第79页）

（2）对不同温度下的非织造布进行拉伸强度测试，结果表明随着温度升高拉伸强度降低，在最高工作温度时的拉伸强度值满足要求，完全可以正常使用。

（3）通过热重分析法对试样进行分析，结果表明试样质量分数在最高工作温度以前基本不会发生变化，说明其化学结构在这一温度段稳定。

（4）通过差示扫描量热分析对试样进行分析，结果表明试样的耐热性在最高工作温度以前耐热性良好。

通过以上分析，表明所研制的非织造布各项性能在工作温度时满足要求，为新型复合材料辊投入使用提供了实验基础。

wovenfabricfornew-typecompositeroller［J］.MachineryDesign&

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