工藝參數(shù)對聚丙烯單絲經(jīng)編疝氣修補網(wǎng)片三維成型性能的影響*

江南大學(xué)教育部針織技術(shù)工程研究中心，江蘇 無錫214122

疝氣發(fā)生在人體異常的組織或器官里，是一種由于其位置錯移而引起疼痛的疾病。疝氣主要的治療方法有藥物治療以及腹腔鏡修補和無張力縫補手術(shù)，最適合的疝氣治療方法是利用疝氣修補網(wǎng)片(以下簡稱補片)進行無張力縫補手術(shù)?，F(xiàn)在我國補片大多依賴進口，價格昂貴。研發(fā)出經(jīng)濟實惠、性能優(yōu)良的補片不僅可以為我國帶來社會經(jīng)濟效益，還可以打破國外壟斷，提高我國的疝氣治療水平，因此補片的開發(fā)及應(yīng)用具有巨大的空間[1]。

目前，國內(nèi)外對于補片的研究多集中于力學(xué)性能和臨床應(yīng)用性能，如邵洪等[2-6]研究了補片的工藝參數(shù)對其力學(xué)性能的影響，但還沒有研究涉及補片的三維成型性能。補片的成型性能與其臨床應(yīng)用性能密切相關(guān)，它會影響手術(shù)的成功與否，在運輸和手術(shù)過程中補片會受到不定期的壓力，具有適當(dāng)?shù)暮穸纫跃S持其三維結(jié)構(gòu)狀態(tài)對受損部分強有力的支撐是非常重要的。本文選用直徑為120和160 μm的聚丙烯單絲作為補片的原料，設(shè)計了2種組織結(jié)構(gòu)，并通過調(diào)整上機織造的牽拉密度對2D補片的厚度進行調(diào)節(jié)，通過熱定型將2D補片壓成3D補片。測試試樣的基本性能和力學(xué)性能，比較各補片的成型度，探討影響補片成型性能的因素，以期為后續(xù)研制優(yōu)良的補片提供理論參考，提高其生產(chǎn)設(shè)計水平。

1 試驗部分

1.1 試樣制備參數(shù)

本文選用聚丙烯單絲為原料，設(shè)計了2種組織結(jié)構(gòu)，即雙梳開口經(jīng)緞組織(組織A為超輕質(zhì)補片、組織B為輕質(zhì)補片、組織C為中等補片)以及雙梳經(jīng)平經(jīng)絨組織(組織D為厚質(zhì)補片)，圖1為2種組織結(jié)構(gòu)的CAD模擬圖。

(a) 雙梳開口經(jīng)緞組織

(b) 雙梳經(jīng)平經(jīng)絨組織

每種補片設(shè)置不同牽拉密度，選用機號為E28的KS4EL型經(jīng)編機。4種組織試樣的基本工藝參數(shù)見表1。

表1 試樣的組織結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)

2D補片編織完成后，按照22.0 cm×15.0 cm矩形大小，每種補片各裁剪30塊用于熱定型，其中3塊備用。設(shè)置3個變量：加壓溫度、加壓壓強和加壓時間，每組試驗的熱定型工藝參數(shù)見表2。本試驗選用JCHYD型液壓機，圖2為3D熱定型模具及定型后的補片。熱定型后，每種補片選擇10塊進行性能測試。

表2 熱定型工藝參數(shù)設(shè)計

1.2 試驗方法

1.2.1 補片成型度測試

用直尺分別測試4種聚丙烯單絲經(jīng)編補片的長、寬、高及最大弧度角，并進行比較。觀察并比較同等光源下4種3D補片的投影。本試驗每種補片均選取成型度最好的一塊進行比較。

1.2.2 補片基本性能測試

所有試樣都在恒溫恒濕環(huán)境下調(diào)濕24 h后進行測試，測試條件為：溫度20 ℃±2 ℃、濕度65%±2%。

(a) 上模具

(b) 下模具

(c) 定型后的補片

補片厚度測試參考GB/T 3280—1997，采用 YG141D型織物厚度儀，對4種2D和3D補片試樣進行厚度測試。試樣規(guī)格為10.0 cm×10.0 cm，壓腳面積約為50 mm2，附加壓力為10 cN/cm2， 加壓時間為10 s。每個3D補片測量5個不同的位置，結(jié)果取平均值。

補片面密度測量參考ISO 3801：1997，使用JA2003型電子天平，試樣的質(zhì)量測試精確到0.001 g，每種補片測試5次，結(jié)果取平均值。

補片的橫密為織物橫向1.0 cm內(nèi)的縱行數(shù)，縱密為織物縱向1.0 cm內(nèi)的橫列數(shù)，可以直接用織物顯微鏡和直尺進行目測測量。

補片孔隙大小測量參照ISO 3801：1977，采用VHX-5000型超深三維數(shù)字顯微鏡，調(diào)整觀測倍率為100倍，選擇軟件中的拼接功能，在X、Y方向上各拍攝3張，完成3 mm×3 mm的面積拼接，測量其孔徑大小。

1.2.3 拉伸斷裂強力測試

參照GB/T 3923.1—1997，采用YG026D型電子織物強力機，對4種2D補片試樣進行拉伸斷裂強力測試。每種2D補片沿經(jīng)向和緯向裁剪成寬5.0 cm、長25.0 cm的長方形試樣各5條，設(shè)置強力機的隔距為100 mm，拉伸速度為100 mm/min，預(yù)加張力為2 N。每種試樣橫向、縱向各測試5次，測試結(jié)果取平均值。

2 測試結(jié)果及分析

熱定型后，目測觀察補片的成型性、邊緣光潔度、成型曲度等，得出結(jié)論：4種補片在加壓溫度120 ℃、加壓壓強150 MPa、加壓時間30 s的條件下，所得的聚丙烯單絲經(jīng)編補片的成型弧度最好，邊緣較光滑。后續(xù)分析皆選用此設(shè)定條件下壓制的3D補片。

2.1 成型效果對比

對比4種聚丙烯單絲補片，圖2為4種補片的成型圖，表3為4種補片的投影尺寸。

(a) 超輕質(zhì)3D補片

(b) 輕質(zhì)3D補片

(c) 中等3D補片

(d) 厚質(zhì)3D補片

表3 4種3D補片的投影尺寸 (單位：cm)

補片的高度在一定程度上代表了弧度的成型性，高度越大弧度成型性越好。由表3可知，中等補片的成型性最優(yōu)，超輕質(zhì)補片的長度與模具尺寸最為接近，中等補片的寬度最為接近模具尺寸。綜上，在與熱定型模具尺寸的匹配度上，中等補片的匹配度最好，且成型最優(yōu)。由于4種補片都是在同一個模具中壓制的，理論上應(yīng)該與模具的尺寸一致，但不同的組織結(jié)構(gòu)和牽拉密度均會對補片的成型度產(chǎn)生影響。

2.2 影響補片成型性能的因素

A、B、C、D分別代表超輕質(zhì)、輕質(zhì)、中等、厚質(zhì)補片，字母后帶數(shù)字1代表2D補片，2代表經(jīng)熱定型后的3D補片。圖3為4種補片的孔隙照片，各項測試指標具體數(shù)值見表4及表5。

(a) 超輕質(zhì)2D補片(A1)

(b) 超輕質(zhì)3D補片(A2)

(c) 輕質(zhì)2D補片(B1)

(d) 輕質(zhì)3D補片(B2)

(g) 厚質(zhì)2D補片(D1)

(h) 厚質(zhì)3D補片(D2)

表5 3D補片基本性能測試結(jié)果

2.2.1 單絲直經(jīng)

單絲直徑與拉伸斷裂強力和補片的成型性能密切相關(guān)。對比試樣A2和C2可以發(fā)現(xiàn)，選用的聚丙烯單絲直徑不同，3D補片的拉伸斷裂強力也不同。單絲直徑較大時，3D補片的高度較大，與熱壓成型的模具尺寸更為接近，在同等作用力情況下，補片形變更小，即成型性能更好。其他參數(shù)不變時，聚丙烯單絲的直徑越大，單絲的強度越高，其強度利用率越大；同等條件下，3D補片的孔隙隨聚丙烯單絲直徑的增加而減小，在補片發(fā)生形變時，紗線可滑移空間減小，補片的成型性能好。

對比試樣A1、 B1、 C1、 A2、 B2、 C2可以發(fā)現(xiàn)，加壓熱定型后，3D試樣網(wǎng)孔受到影響，影響的主要因素是纖維直經(jīng)和織物結(jié)構(gòu)。相同結(jié)構(gòu)時所用的纖維越粗，孔隙越小，加壓熱定型后結(jié)構(gòu)的收縮程度大于被壓后結(jié)構(gòu)的舒展程度，此時試樣的成型性能更好。

2.2.2 組織結(jié)構(gòu)

組織結(jié)構(gòu)對3D補片成型性能有一定的影響。對比試樣B2和D2可以發(fā)現(xiàn)，原料相同、牽拉密度相近的條件下，雙梳經(jīng)平經(jīng)絨組織試樣的高度大于雙梳開口經(jīng)緞組織試樣，更接近熱壓成型的模具尺寸，其加熱定型后的結(jié)構(gòu)收縮程度大于舒展程度，3D補片的成型性更好。

在試樣D2中，由于平均延展線較大且同一線圈上串套了2根聚丙烯單絲，增大了結(jié)構(gòu)的強力。此外，與雙梳開口經(jīng)緞組織試樣相比，雙梳經(jīng)平經(jīng)絨組織試樣的厚度、面密度和拉伸斷裂強力均更大，補片孔隙尺寸更小，紗線不易滑移，試樣不容易發(fā)生形變，其成型性能較為優(yōu)良。

2.2.3 牽拉密度

試樣編織時的牽拉密度與補片的成型性能密切相關(guān)。對比試樣B2和C2可知，同等條件下，牽拉密度越大，試樣高度越接近熱定型模具尺寸，即試樣的成型性能更好。

對比試樣B1和C1可以發(fā)現(xiàn)，同一種組織結(jié)構(gòu)的補片厚度隨著牽拉密度的增大而增大；同等條件下，機上的牽引力越小，牽拉密度越大，縱密越大，單位面積中的單絲就越多，孔隙越小，紗線不易滑移，試樣不容易發(fā)生形變，拉伸斷裂強力更大，其成型性能也更好。

此外，分析試樣A1、B1、C1、D1可知，試樣面密度與纖維直經(jīng)、組織結(jié)構(gòu)、牽拉密度都有關(guān)。同等條件下纖維直經(jīng)越大，面密度越大；組織結(jié)構(gòu)相近時，縱密越大，面密度越大，試樣的成型性能越好。

3 結(jié)論

以聚丙烯單絲為原料研究經(jīng)編補片的設(shè)計與性能，探討補片的成型性能與原料、組織結(jié)構(gòu)及牽拉密度的關(guān)系，得到如下結(jié)論：

(1) 聚丙烯單絲的直徑與補片的拉伸斷裂強力及成型性能密切相關(guān)。

(2) 組織結(jié)構(gòu)對補片的成型性能有一定的影響。同等條件下，雙梳經(jīng)平經(jīng)絨組織補片較雙梳開口經(jīng)緞組織補片加熱定型后的收縮程度大于被壓后結(jié)構(gòu)的舒展程度，雙梳經(jīng)平經(jīng)絨組織3D補片的高度更大，與模具尺寸更為接近，成型性能更好。

(3) 編織時的牽拉密度與補片的成型性能密切相關(guān)。同等條件下，試樣的厚度隨牽拉密度的增大而增大，此時面密度增大，試樣拉伸斷裂強力增大，孔隙變小，紗線不易滑移，試樣高度更接近熱定型模具尺寸，試樣的成型性能較好。