平面四軸向機織物的基本結(jié)構(gòu)分析

陳 杰 陳旭煒 李毓陵

(東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海，201620)

平面四軸向機織物是一種新結(jié)構(gòu)織物，如圖1所示。它由四組紗線，即0°緯紗、90°經(jīng)紗以及45°斜紗和－45°斜紗兩組移動經(jīng)紗組成，在交織點處成米字形結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖1 平面四軸向機織物

圖2 米字形結(jié)構(gòu)

由圖2可見，四組紗線沿四個方向均勻分布構(gòu)成整個織物，因此平面四軸向機織物比傳統(tǒng)織物和三向織物能更好地滿足各向同性的要求，并且四組紗線相互阻止各自靠攏，使得形成的織物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性比較好。由于其各向同性好，織物所受的力分布于四個軸向上，使織物能承受的負荷大大增加。前人已經(jīng)對平面四軸向機織物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、頂破性能及撕裂性能等進行了測試，證明了以上理論［1］。

國外在20世紀(jì)70年代就開始對四軸向機織物進行研究，至今已經(jīng)制造出能夠量產(chǎn)的平面四軸向機織物織機［2］，并可以生產(chǎn)多種原料的四軸向織物。而我國在這方面還處于初級研究階段，前人已經(jīng)做出了簡易的機構(gòu)能夠織造出簡單的四軸向織物，但是還沒有人對平面四軸向機織物的基本結(jié)構(gòu)進行過分析。

本文對平面四軸向機織物的基本結(jié)構(gòu)進行理論分析，為織造出多種結(jié)構(gòu)的四軸向織物提供基礎(chǔ)。

1 平面四軸向織物結(jié)構(gòu)分析

1.1 平面四軸向機織物結(jié)構(gòu)

平面四軸向機織物由四組紗線組成，要考慮四根紗線之間的交織方式，所能形成的基本組織遠多于傳統(tǒng)織物。在平面四軸向機織物組織中，一個組織循環(huán)內(nèi)，四組不同的紗線共同形成一個米字形結(jié)構(gòu)，本文將這個結(jié)構(gòu)稱為基本結(jié)構(gòu)。因為一個基本結(jié)構(gòu)是由四組紗線相互交織而成的，交織的方式不同，形成米字結(jié)構(gòu)的方式也不一樣。本文根據(jù)四根紗線之間的交織結(jié)構(gòu)來分析平面四軸向機織物的基本結(jié)構(gòu)。

由四組紗線組成的米形字結(jié)構(gòu)，如果直接分析四根紗線之間的交織比較復(fù)雜，本文將米字形結(jié)構(gòu)的形成過程分為四個階段：第一階段是一根紗線時，第二階段是有兩根紗線交織時，第三階段是有三根紗線交織時，第四階段是有四根紗線交織即米字形結(jié)構(gòu)時。先單獨考慮每個階段的交織情況，最后總結(jié)出四根紗線能夠形成的米字形結(jié)構(gòu)的種類，這樣就比較容易分析。

如果沒有米字形結(jié)構(gòu)的限制，單獨一根紗線可以放在任何方向。但是在米字形結(jié)構(gòu)中，一根紗線只能有四個方向，如圖3所示：0°緯紗、90°經(jīng)紗、±45°斜紗。由于本文以考慮在米字形結(jié)構(gòu)中四根紗線之間的交織方式為出發(fā)點，所以不管第一根紗線為0°方向的緯紗還是45°方向的斜紗，對其他紗線與這根紗線交織的情況沒有影響;同理，不管第二、第三和第四根紗線放在哪個方向，對其他紗線與其交織的情況也沒有影響。因此本文暫且定義第一根紗線為0°方向的緯紗，第二根為90°方向的經(jīng)紗，第三根為45°方向的斜紗，第四根為－45°方向的斜紗。

圖3 米字形結(jié)構(gòu)中的紗線方向

1.2 第一階段

如果只有一根紗線，沒有其他紗線與其交織，那么這根紗線只有一個狀態(tài)，如圖4所示，用(1－0)作為代碼。

1.3 第二階段

在第一階段的基礎(chǔ)上，加入第二根紗線，則第二根紗線有兩種狀態(tài)：一是放在第一根紗線之上，二是放在第一根紗線之下。如圖5所示，用(1－1)和(1－2)作為代碼。

圖4 第一階段的紗線狀態(tài)

圖5 第二階段的紗線狀態(tài)

1.4 第三階段

在第二階段的基礎(chǔ)上加入第三根紗線時，有三個位置可放，以(1－1)為例，如圖6所示。

圖6 第三階段的紗線位置

當(dāng)以(1－1)為基礎(chǔ)時，第三根紗線放在位置1處，則第三根紗線與(1－1)有四種交織狀態(tài)，如圖7所示，代碼編寫方式與第二階段類似。如：(1－1－1)表示第三根紗線在0°緯紗和90°經(jīng)紗之上;(1－1－2)表示第三根紗線在0°緯紗之上，90°經(jīng)紗之下，等等。

圖7 第三階段紗線的四種交織狀態(tài)

從圖7中可以看出，(1－1－1)、(1－1－2)和(1－1－4)的第三根紗線與另外兩根紗線不交織。在不交織的情況下，由于沒有紗線阻止其滑動，所以第三根紗線在(1－1)的基礎(chǔ)上可以隨意滑移。因此，第三根紗線處于位置1、2和3時，與(1－1)交織形成的狀態(tài)實際上是同一種狀態(tài)。所以對于交織狀態(tài)(1－1－1)、(1－1－2)和(1－1－4)來說，不論第三根紗線處在哪一個位置，每個位置中紗線的交織狀態(tài)都是一樣的，只需考慮一個位置即可。

對于(1－1－3)交織情況來說，第三根紗線只有位置1和位置3可以放，在每個位置中其與(1－1)狀態(tài)中的紗線交織關(guān)系都一樣。由于第三根紗線受到0°緯紗和90°經(jīng)紗的阻礙而不能隨意滑移，所以從表面上看每個位置的交織狀態(tài)都不相同。但是在織物組織中，第三根紗線在這兩個位置所形成的交織狀態(tài)都是一樣的。圖8為多個循環(huán)狀態(tài)，從圖中可以看到，狀態(tài)1和狀態(tài)2中的45°斜紗是同一根紗線，這根紗線在狀態(tài)1中放在位置1，而在狀態(tài)2中放在位置3。所以在織物組織中第三根紗線在位置1和位置3都是一樣的，也只需要考慮一個位置即可。

同理，當(dāng)?shù)谝桓喚€和第二根紗線以(1－2)為基礎(chǔ)時，第三根紗線與其交織，能夠形成的狀態(tài)也只有四種。所以在第三階段，三根紗線有8種交織狀態(tài)，如表1所示。

圖8 每種交織狀態(tài)時紗線的位置

表1 第三階段中紗線的交織狀態(tài)

1.5 第四階段

在第四階段中，第四根紗線在第三階段的基礎(chǔ)上，與其中的每一個狀態(tài)進行交織所形成的結(jié)構(gòu)即為本文所描述的米字形結(jié)構(gòu)。如第四根紗線在－45°方向與圖7(1－1－1)中的三根紗線的交織形式如圖9(b)所示，可以看出，第四根紗線與(1－1－1)交織形成三個交點，其中每個交點處都是兩根紗線交織，有兩種交織方式。所以第四根紗線與(1－1－1)共有23種交織方式，能形成的米字形結(jié)構(gòu)有23=8種，如圖10所示，代碼編寫方式與第三階段類似。

圖9 在第三階段基礎(chǔ)上第四根紗線的交織情況

因為第三階段中有8種不同狀態(tài)，所以第四階段中總共有64種米字形結(jié)構(gòu)，即平面四軸向織物有64種基本結(jié)構(gòu)，具體形式如表2所示。

2 基本結(jié)構(gòu)的分類

仔細觀察，發(fā)現(xiàn)64種基本結(jié)構(gòu)可分為兩大類：不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

2.1 不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)

不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)中有一根或多根紗線可以隨意滑移，即與其他紗線不交織，沒有其他紗線阻止其滑移，單獨循環(huán)應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)不能形成穩(wěn)定織物。如圖11中的(1－1－4－1)，四根紗線都可以隨意滑動，紗線之間相互不交織。(1－1－4－2)的－45°斜紗、45°斜紗和0°緯紗相互交織，90°經(jīng)紗與其他三根紗線不交織，單獨存在，可以隨意滑移。因此這一類結(jié)構(gòu)單獨應(yīng)用都不能形成穩(wěn)定織物。

圖11 不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)

分析表2中的64種基本結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)共有40種，如表2中的未加粗代碼所示。

2.2 穩(wěn)定結(jié)構(gòu)

穩(wěn)定結(jié)構(gòu)為四根紗線相互交織，紗線之間相互阻止滑動，形成一個穩(wěn)定的基本結(jié)構(gòu)，如表2中的(1－1－3－2)。單獨循環(huán)應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)可以形成穩(wěn)定織物。

分析表2中的米字形結(jié)構(gòu)，屬于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的總共有24種，如表2中的加粗代碼所示。

3 織造可行性

由于現(xiàn)有的織造裝置［1，3-5］在織造時將所有的90°經(jīng)紗按照一定順序固定在一個可移動裝置上，經(jīng)紗在水平方向進行前后運動，兩組斜紗懸掛在一個只可以進行左右運動的斜紗裝置上，所以斜紗的移動只負責(zé)實現(xiàn)±45°方向，而不能實現(xiàn)相互交織。通過前后移動90°經(jīng)紗，使其與兩組斜紗相交形成織口，最后引入0°緯紗形成基本結(jié)構(gòu)。因此利用現(xiàn)有織造裝置織造時，引緯裝置在作緯向運動時只能位于兩根斜紗的同一側(cè)，緯紗也只能在兩根斜紗的同一側(cè)，且所有的經(jīng)紗也只能在緯紗的同一側(cè)，得到的其實就是(1－2－1－3)?？梢?，現(xiàn)有織造裝置具有一定的局限性。

可行織造的結(jié)構(gòu)如表3所示。在表3中有25種屬于不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，8種屬于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。因為在不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)中，交點比較少，交織不復(fù)雜，對織造機構(gòu)的運動要求較低。文獻［1，3-6］中所應(yīng)用的大多數(shù)屬于不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。對于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，四組紗線相互交織，能夠形成很穩(wěn)定的織物組織。但是由于交織點太多，機器織造困難。雖然文獻顯示也織造出了一些穩(wěn)定結(jié)構(gòu)［6］，但是并沒有表明是否采用了自動的機器織造。

表2 64種基本結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語

平面四軸向機織物由四組紗線組成，在一個組織循環(huán)內(nèi)，四組不同的紗線共同形成一個米字形結(jié)構(gòu)，本文將此結(jié)構(gòu)稱為基本結(jié)構(gòu)。

表3 可行織造結(jié)構(gòu)

(1)平面四軸向機織物共有64種基本結(jié)構(gòu)，根據(jù)紗線的交織情況可分為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)兩大類。

(2)不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)有40種，這類結(jié)構(gòu)中至少有一組紗線是獨立的，能夠隨意滑移，不受限制，單獨循環(huán)應(yīng)用不能形成穩(wěn)定織物。

(3)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)有24種，這類結(jié)構(gòu)中四組紗線相互交織，因此每種結(jié)構(gòu)單獨循環(huán)織造就能夠形成穩(wěn)定織物。

［1］陳培偉.平面四軸向機織物的制備與力學(xué)性能研究［D］.上海：東華大學(xué)紡織學(xué)院，2013.

［2］DIMA公司.四軸向織物的生產(chǎn)和用途［J］.陳廷，譯.國際紡織導(dǎo)報，1998(3)：46-47.

［3］DINI Mamiliano.Tetraxial fabric and weaving machine for the manufacture：EP，92117143.5［P］.1992-08-10.

［4］DINI Mamiliano.Tetraxial fabric and machine for its manufacture：US，2005/0011576 A1［P］.2005-01-20.

［5］馬米利亞諾·迪尼.四軸向織物以及用于其制造的機械：中國，1555436 A［P］.2004-12-15.

［6］SHIGENOBU Iida，CHIKAJI Ohmori，TAKAO Ito，et al.Multi-axial fabric with triaxial and quartaxial portions：US，5472020［P］.1995-12-05.