摘 要：本发明提供一种高强度钢丝绳绳芯，包括一中心丝、一次外层丝和一外层丝。所述中心丝为钢丝束，所述钢丝束由6?18根细钢丝束集而成；所述次外层丝螺旋包捻所述中心丝，所述次外层丝包括4?12根第一改性剑麻丝；所述外层丝螺旋包捻所述次外层丝，所述外层丝包括第一组合丝和第二改性剑麻丝，所述第二改性剑麻丝设置在相邻第一组合丝的间隙；所述第一组合丝包括一第二钢丝和若干超高分子量聚乙烯丝，所述超高分子量聚乙烯丝螺旋包捻住所述第二钢丝。其中，所述第一改性剑麻丝和所述第二改性剑麻丝均为氧化石墨烯?聚乙烯亚胺改性剑麻丝。采用多层复合结构，从整体提升钢丝绳绳芯的强度，具有高抗拉性和支撑性。
技术要点
1.一种高强度钢丝绳绳芯，包括一中心丝、一次外层丝和一外层丝，其特征在于：所述中心丝为钢丝束，所述钢丝束由6?18根细钢丝束集而成；所述次外层丝螺旋包捻所述中心丝，所述次外层丝包括4?12根第一改性剑麻丝；所述外层丝螺旋包捻所述次外层丝，所述外层丝包括第一组合丝和第二改性剑麻丝，所述第二改性剑麻丝设置在相邻第一组合丝的间隙；所述第一组合丝包括一第二钢丝和若干超高分子量聚乙烯丝，所述超高分子量聚乙烯丝螺旋包捻住所述第二钢丝；
其中，所述第一改性剑麻丝和所述第二改性剑麻丝均为氧化石墨烯?聚乙烯亚胺改性剑麻丝。
2.根据权利要求1所述的高强度钢丝绳绳芯，其特征在于：所述氧化石墨烯?聚乙烯亚胺改性剑麻丝由若干氧化石墨烯?聚乙烯亚胺改性剑麻纤维纺织而成，所述氧化石墨烯?聚乙烯亚胺改性剑麻纤维的改性步骤包括碱处理、聚乙烯亚胺处理和氧化石墨烯组装步骤。
3.根据权利要求2所述的高强度钢丝绳绳芯，其特征在于：所述碱处理步骤为将一定量的剑麻纤维放入3％的氢氧化钠溶液中浸泡3?4h，再将所述剑麻纤维取出并用纯水洗涤至中性，70?75℃烘干得到预处理剑麻纤维。
4.根据权利要求3所述的高强度钢丝绳绳芯，其特征在于：所述聚乙烯亚胺处理步骤为将所述预处理剑麻纤维放置在4wt％的聚乙烯亚胺水溶液中浸泡2h，然后取出所述预处理剑麻纤维并用纯水洗涤4?5遍，80℃烘干得到第二预处理剑麻纤维。
5.根据权利要求4所述的高强度钢丝绳绳芯，其特征在于，所述氧化石墨烯组装步骤包括：(1)将所述第二预处理剑麻纤维浸泡在3wt％的聚乙烯亚胺水溶液中1.5h，然后将所述第二预处理剑麻纤维取出并用纯水洗涤4?5遍；(2)将氧化石墨烯溶于去离子水中配置成 5％的氧化石墨烯溶液，将(1)中的第二预处理剑麻纤维浸泡在所述氧化石墨烯溶液中2h，过滤掉氧化石墨烯溶液后用纯水冲洗第二预处理剑麻纤维4?5遍；(3)将(2)步骤中的第二预处理剑麻纤维80℃烘干至恒重得到所述氧化石墨烯?聚乙烯亚胺改性剑麻纤维。
6.根据权利要求1所述的高强度钢丝绳绳芯，其特征在于：所述第二改性剑麻丝的直径为所述第一改性剑麻丝直径的0.5?3倍。
7.根据权利要求1所述的高强度钢丝绳绳芯，其特征在于：所述第二钢丝的直径为所述细钢丝直径的2?7倍，所述第二钢丝和所述细钢丝均进行磷化涂层处理。
8.根据权利要求1所述的高强度钢丝绳绳芯，其特征在于：所述外层丝外设有一聚乙烯编织保护层。
9.一种高强度钢丝绳绳芯的制备方法，用于制备上述权利要求1～8任意一项所述的高强度钢丝绳绳芯，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将所述细钢丝和所述第二钢丝进行磷化涂层处理，将若干根细钢丝束集成所述中心丝；
步骤2、分别将所述氧化石墨烯?聚乙烯亚胺改性剑麻纤维捻制成不同直径的第一改性剑麻丝和第二改性剑麻丝，同时将所述第一改性剑麻丝和所述第二改性剑麻丝浸油处理；
步骤3、将所述第一改性剑麻丝螺旋包捻住所述中心丝得到次外层丝，包捻过程中边捻合边淋油脂；
步骤4、取一个第二钢丝和若干超高分子量聚乙烯丝，通过捻股机将所述超高分子量聚乙烯丝螺旋包捻住所述第二钢丝得到所述组合丝；
步骤5、取若干所述组合丝和若干第二改性剑麻丝并按间隔排布，通过捻股机将其螺旋包捻在所述次外层丝外部得到所述外层丝；
步骤6：取聚乙烯长丝作为经线，聚乙烯纯纺短纤纱作为纬线，将聚乙烯长丝和聚乙烯纯纺短纤纱缠绕编织并热压复合在所述外层丝外部，得到所述聚乙烯编织保护层。
技术领域
本发明涉及钢丝绳绳芯技术领域，具体涉及一种高强度钢丝绳绳芯及其制备方法。
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，其中，钢丝绳绳芯是保证钢丝绳质量的关键一环。
钢丝绳应用在工程处时绳芯在径向起到支撑作用和减少股间压力的效果，对于保持钢丝绳稳定的物理结构起主要作用。同时，钢丝绳绳芯还应具有良好的含油能力，以便释放油脂到钢丝之间进行润滑，降低钢丝之间的摩擦作用力。剑麻属于硬质纤维，具有油量高，润滑效果好等优点，因此剑麻绳芯成为电梯钢丝绳中常用的绳芯，但采用单纯的剑麻制造的绳芯抗拉能力和支撑能力较弱，明显低于合成纤维制成的绳芯。通过优化绳芯的结构和对剑麻纤维的改性，提高整个绳芯的强度性能，同时又保持较好的含油性，可以有效提高钢丝绳绳芯的综合使用性能，进而提高钢丝绳的使用安全性。
发明内容
本发明目的在于提供一种高强度钢丝绳绳芯及其制备方法，有效提高绳芯的整体强度，提高抗拉伸性能和柔韧性能，储油效果好，其制备方法简单易实现。
本发明提供了一种高强度钢丝绳绳芯，包括一中心丝、一次外层丝和一外层丝，所述中心丝为钢丝束，所述钢丝束由6?18根细钢丝束集而成；所述次外层丝螺旋包捻所述中心丝，所述次外层丝包括4?12根第一改性剑麻丝。所述外层丝螺旋包捻所述次外层丝，所述外层丝包括第一组合丝和第二改性剑麻丝，所述第二改性剑麻丝设置在相邻第一组合丝的间隙。所述第一组合丝包括一第二钢丝和若干超高分子量聚乙烯丝，所述超高分子量聚乙烯丝螺旋包捻住所述第二钢丝；其中，所述第一改性剑麻丝和所述第二改性剑麻丝均为氧化石墨烯?聚乙烯亚胺改性剑麻丝。
优选的，所述氧化石墨烯?聚乙烯亚胺改性剑麻丝由若干氧化石墨烯?聚乙烯亚胺改性剑麻纤维纺织而成，所述氧化石墨烯?聚乙烯亚胺改性剑麻纤维的改性步骤包括碱处理、聚乙烯亚胺处理和氧化石墨烯组装步骤。
进一步优选的，所述碱处理步骤为将一定量的剑麻纤维放入3％的氢氧化钠溶液中浸泡3?4h，再将所述剑麻纤维取出并用纯水洗涤至中性，70?75℃烘干得到预处理剑麻纤维。
进一步优选的，所述聚乙烯亚胺处理步骤为将所述预处理剑麻纤维放置在4wt％的聚乙烯亚胺水溶液中浸泡2h，然后取出所述预处理剑麻纤维并用纯水洗涤4?5遍，80℃烘干得到第二预处理剑麻纤维。
进一步优选的，所述氧化石墨烯组装步骤包括(1)将所述第二预处理剑麻纤维浸泡在3wt％的聚乙烯亚胺水溶液中1 .5h，然后将所述第二预处理剑麻纤维取出并用纯水洗涤4?5遍；(2)将氧化石墨烯溶于去离子水中配置成5％的氧化石墨烯溶液，将(1)中的第二预处理剑麻纤维浸泡在所述氧化石墨烯溶液中2h，过滤掉氧化石墨烯溶液后用纯水冲洗第二预处理剑麻纤维4?5遍；(3)将(2)步骤中的第二预处理剑麻纤维80℃烘干至恒重得到所述氧化石墨烯?聚乙烯亚胺改性剑麻纤维。
优选的，所述第二改性剑麻丝的直径为所述第一改性剑麻丝直径的0.5?3倍。
优选的，所述第二钢丝的直径为所述细钢丝直径的2?7倍，所述第二钢丝和所述细钢丝均进行磷化涂层处理。
优选的，所述外层丝外设有一聚乙烯编织保护层。
本发明还提供了高强度钢丝绳绳芯的制备方法，用于制备上述高强度钢丝绳绳芯，包括以下步骤：
步骤1、将所述细钢丝和所述第二钢丝进行磷化涂层处理，将若干根细钢丝束集成所述中心丝；
步骤2、分别将所述氧化石墨烯?聚乙烯亚胺改性剑麻纤维捻制成不同直径的第一改性剑麻丝和第二改性剑麻丝，同时将所述第一改性剑麻丝和所述第二改性剑麻丝浸油处理；
步骤3、将所述第一改性剑麻丝螺旋包捻住所述中心丝得到次外层丝，包捻过程中边捻合边淋油脂；
步骤4、取一个第二钢丝和若干超高分子量聚乙烯丝，通过捻股机将所述超高分子量聚乙烯丝螺旋包捻住所述第二钢丝得到所述组合丝；
步骤5、取若干所述组合丝和若干第二改性剑麻丝并按间隔排布，通过捻股机将其螺旋包捻在所述次外层丝外部得到所述外层丝；
步骤6：取聚乙烯长丝作为经线，聚乙烯纯纺短纤纱作为纬线，将聚乙烯长丝和聚乙烯纯纺短纤纱缠绕编织并热压复合在所述外层丝外部，得到所述聚乙烯编织保护层。
本发明具有如下有益效果：本发明通过设置中心丝、次外层丝和外层丝，采用多层复合结构，从整体提升钢丝绳绳芯的强度，具有高抗拉性和支撑性。中心丝以多根细钢丝束集而成，可以给钢丝绳绳芯提供良好的支撑性和强度；次外层丝采用改性剑麻丝组成，剑麻纤维质地坚韧，耐磨、耐盐碱、耐腐蚀、自身弹性比较大且拉力也很强，同时储油能力好，将其应用与钢丝绳绳芯内部既可以增加其柔韧性又可以有效保持绳芯内部油脂充盈度。利用氧化石墨烯和聚乙烯亚胺对剑麻纤维进行改性，使剑麻纤维外表面形成三维的由氢键作用力构成的氧化石墨烯薄膜，可以极大提高剑麻纤维的拉伸模量，处理过后的剑麻纤维表面平整，毛刺少，可以有效稳定剑麻丝的直径。外层丝采用改性剑麻丝和组合丝间隔设置，组合丝采用第二钢丝和超高分子量聚乙烯丝，进一步提高钢丝绳绳芯的强度，第二钢丝的支撑效果可以有效保护绳芯的内部结构，平衡外部压力。相邻组合丝之间设置改性剑麻丝，合成纤维和天然纤维组合使用既保证了抗拉性又提高绳芯的储油能力，对绳芯外的钢丝绳绳股具有良好的润滑效果。
本发明还提供了所述高强度钢丝绳绳芯的制备方法，该绳芯的制备过程简单易实施，设备要求低，适用性强，生产出的钢丝绳绳芯性能优越，发展前景广阔。
附图说明
图1是本发明的一种高强度钢丝绳绳芯的结构示意图。
图1
图中：1?中心丝，2?次外层丝，3?外层丝，4?第二改性剑麻丝，5?聚乙烯编织保护层，201?第一改性剑麻丝，301?第二钢丝，302?超高分子量聚乙烯丝。
图2是本发明不同处理方式剑麻纤维的拉伸模量测试对比图。
图2
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
如图1所示，本实施例提供一种高强度钢丝绳绳芯，包括一中心丝1、一次外层丝2和一外层丝3，所述中心丝1为钢丝束，所述钢丝束由6?18根细钢丝束集而成；所述次外层丝 2螺旋包捻所述中心丝1，所述次外层丝2包括4?12根第一改性剑麻丝201。所述外层丝3螺旋包捻所述次外层丝2，所述外层丝3包括第一组合丝和第二改性剑麻丝4，所述第二改性剑麻丝4设置在相邻第一组合丝的间隙。所述第一组合丝包括一第二钢丝301和若干超高分子量聚乙烯丝302，所述超高分子量聚乙烯丝302螺旋包捻住所述第二钢丝301。所述第二改性剑麻丝4的直径为所述第一改性剑麻丝201直径的0 .5?3倍。所述第二钢丝301的直径为所述细钢丝直径的2?7倍，所述第二钢丝301和所述细钢丝均进行磷化涂层处理。所述外层丝3外设有一聚乙烯编织保护层5。
其中，所述第一改性剑麻丝和所述第二改性剑麻丝均为氧化石墨烯?聚乙烯亚胺改性剑麻丝。
所述氧化石墨烯?聚乙烯亚胺改性剑麻丝由若干氧化石墨烯?聚乙烯亚胺改性剑麻纤维纺织而成，所述氧化石墨烯?聚乙烯亚胺改性剑麻纤维的改性步骤包括碱处理、聚乙烯亚胺处理和氧化石墨烯组装步骤。剑麻纤维表面含有大量的轻基，经碱处理后会呈现一定的负电性，再经阳离子聚电解质聚乙烯亚胺处理后，纤维表面就变为正电性，然后经过带负电性的氧化石墨烯处理，就能将氧化石墨烯包覆在剑麻纤维表面。氧化石墨烯包覆在剑麻纤维表面后，氧化石墨烯、聚乙烯亚胺以及剑麻纤维表面轻基这三者相互之间还存在着一定的氢键作用，从而在剑麻纤维表面形成?层三维的由氢键作用力构成的氧化石墨烯薄膜，由此提高剑麻纤维的力学性能。
所述碱处理步骤为将一定量的剑麻纤维放入3％的氢氧化钠溶液中浸泡3?4h，再将所述剑麻纤维取出并用纯水洗涤至中性，70?75℃烘干得到预处理剑麻纤维。碱处理可以去除纤维表面的一部分木质素，半纤维素，果胶等物质，使得纤维表面部分纤维素微纤维活动空间增加，在氢键力作用下排布结晶，从而提高了剑麻纤维的拉伸模量。
所述聚乙烯亚胺处理步骤为将所述预处理剑麻纤维放置在4wt％的聚乙烯亚胺水溶液中浸泡2h，然后取出所述预处理剑麻纤维并用纯水洗涤4?5遍，80℃烘干得到第二预处理剑麻纤维。聚乙烯亚胺分子中含有?NH能够与纤维表面的轻基构成氢键，并且聚乙烯亚胺分子之间也可以构成氢键，这样可以纤维表面形成一层由氢键构成的薄膜，进一步使剑麻纤维拉伸模量得以提高。
所述氧化石墨烯组装步骤包括(1)将所述第二预处理剑麻纤维浸泡在3wt％的聚乙烯亚胺水溶液中1 .5h，然后将所述第二预处理剑麻纤维取出并用纯水洗涤4?5遍；(2)将氧化石墨烯溶于去离子水中配置成5％的氧化石墨烯溶液，将(1)中的第二预处理剑麻纤维浸泡在所述氧化石墨烯溶液中2h，过滤掉氧化石墨烯溶液后用纯水冲洗第二预处理剑麻纤维4?5遍；(3)将(2)步骤中的第二预处理剑麻纤维80℃烘干至恒重得到所述氧化石墨烯?聚乙烯亚胺改性剑麻纤维。由于氧化石墨烯内部也含有大量的羟基，且氧化石墨烯可以与聚乙烯亚胺分子形成更多的氢键，大大增强剑麻纤维表面的膜的氢键密度。氧化石墨烯与聚乙烯亚胺复配使用可以有效提升剑麻纤维表面薄膜的坚固度，从而提高剑麻纤维的拉伸模量，将改性后剑麻纤维制成预定直径的剑麻纤维丝应用于钢丝绳绳芯中，既可以提高绳芯的高拉伸性又可以兼顾较好的储油润滑性。
需要说明的是，上述氧化石墨烯组装步骤中(1)和(2)步骤可以循环2?3次，也就是说，将第二预处理剑麻纤维经过(1)?(2)?(3)步骤制得氧化石墨烯?聚乙烯亚胺改性剑麻纤维。也可以将第二预处理剑麻纤维经过(1)?(2)?(1)?(2)?(3)步骤制得氧化石墨烯?聚乙烯亚胺改性剑麻纤维；也可以将第二预处理剑麻纤维经过(1)?(2)?(1)?(2)?(1)?(2)?(3)步骤制得氧化石墨烯?聚乙烯亚胺改性剑麻纤维。通过重复(1)和(2)步骤可以在剑麻纤维上形成多层薄膜，增大膜的厚度，提高改性剑麻纤维的受力程度。
本发明还提供了高强度钢丝绳绳芯的制备方法，用于制备上述高强度钢丝绳绳芯，包括以下步骤：
步骤1、将所述细钢丝和所述第二钢丝进行磷化涂层处理，将若干根细钢丝束集成所述中心丝；
步骤2、分别将所述氧化石墨烯?聚乙烯亚胺改性剑麻纤维捻制成不同直径的第一改性剑麻丝和第二改性剑麻丝，同时将所述第一改性剑麻丝和所述第二改性剑麻丝浸油处理；
步骤3、将所述第一改性剑麻丝螺旋包捻住所述中心丝得到次外层丝，包捻过程中边捻合边淋油脂；
步骤4、取一个第二钢丝和若干超高分子量聚乙烯丝，通过捻股机将所述超高分子量聚乙烯丝螺旋包捻住所述第二钢丝得到所述组合丝；
步骤5、取若干所述组合丝和若干第二改性剑麻丝并按间隔排布，通过捻股机将其螺旋包捻在所述次外层丝外部得到所述外层丝；
步骤6、取聚乙烯长丝作为经线，聚乙烯纯纺短纤纱作为纬线，将聚乙烯长丝和聚乙烯纯纺短纤纱缠绕编织并热压复合在所述外层丝外部，得到所述聚乙烯编织保护层。
实施例2
本实施例提供一种氧化石墨烯?聚乙烯亚胺改性剑麻纤维，制备步骤如下：
1.碱处理：取一定量的剑麻纤维放入3％的氢氧化钠溶液中浸泡3h，再将所述剑麻纤维取出并用纯水洗涤至中性，75℃烘干得到预处理剑麻纤维；
2.聚乙烯亚胺处理：将上述预处理剑麻纤维放置在4wt％的聚乙烯亚胺水溶液中浸泡2h，然后取出所述预处理剑麻纤维并用纯水洗涤4遍，80℃烘干至恒重得到第二预处理剑麻纤维；
3.氧化石墨烯组装：(1)将所述第二预处理剑麻纤维浸泡在3wt％的聚乙烯亚胺水溶液中1 .5h，然后将所述第二预处理剑麻纤维取出并用纯水洗涤5遍；(2)将氧化石墨烯溶于去离子水中配置成5％的氧化石墨烯溶液，将(1)中的第二预处理剑麻纤维浸泡在所述氧化石墨烯溶液中2h，过滤掉氧化石墨烯溶液后用纯水冲洗第二预处理剑麻纤维5遍；(3)将 (2)步骤中的第二预处理剑麻纤维80℃烘干至恒重得到所述氧化石墨烯?聚乙烯亚胺改性剑麻纤维。
对比例1
本对比例提供一种剑麻纤维，该剑麻纤维与实施例2相比仅采用3％的氢氧化钠溶液中浸泡3h，再将所述剑麻纤维取出并用纯水洗涤至中性，75℃烘干得到。
对比例2
本对比例提供一种剑麻纤维，所述剑麻纤维与实施例2相比采用碱处理和聚乙烯亚胺处理后得到。
将实施例2、对比例1、对比例2和未经任何处理的剑麻纤维进行拉伸性能测试，按照GB?T14337?2088对单根纤维进行拉伸强度测试，从每组纤维中挑选三十根粗细适中，表面光滑，尺寸均一的纤维来进行拉伸测试，并对最终结果计算平均值，选定的测试速率为 2mm/min，跨距为20mm。测试结果如图2所示。可以看出，氧化石墨?聚乙烯亚胺处理的剑麻纤维拉伸模量最高，其次是聚乙烯亚胺处理的剑麻纤维，接着是碱处理的剑麻纤维，未处理的剑麻纤维拉伸模量最低。碱处理可以提高剑麻纤维的拉伸模量，原因是碱处理可以去除纤维表面的一部分木质素、半纤维素和果胶等物质，使得纤维表面部分纤维素微纤维活动空间增加，在氢键力作用下排布结晶，从而提高了剑麻纤维的拉伸模量。而聚乙烯亚胺处理后聚乙烯亚胺分子中含有?NH能够与纤维表面的轻基构成氢键，进一步提高拉伸模量。氧化石墨?聚乙烯亚胺处理则利用氧化石墨烯中大量羟基进一步构建更多的氢键，提高剑麻纤维表面薄膜强度，极大提高剑麻纤维的强度。
本发明通过设置包含有中心丝、次外层丝和外层丝复合结构的绳芯，中心丝采用钢丝结构，既提高绳芯的支撑力又可以提高绳芯的抗拉能力，其次外层丝采用改性剑麻丝，该改性剑麻丝由氧化石墨烯?聚乙烯亚胺改性剑麻纤维组成，通过对剑麻纤维进行碱处理、聚乙烯亚胺处理和氧化石墨烯组装，在剑麻纤维表面形成薄膜，极大提高了剑麻纤维的拉伸模量，提高改性剑麻丝的强度，进而提高绳芯的整体的强度，同时剑麻纤维含油效果突出，可以保证钢丝绳绳芯的储油性能，有利于提高对钢丝绳股绳的润滑性。本发明还提出了制备该高强度钢丝绳绳芯的方法，该方法简单易操作，适用性强。
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。
摘自国家发明专利，发明人：杨岳民，伍乐乐，林柱英，申请号：202310295754.3申请日：2023-03-24
