異形截面3D管狀機(jī)織物的設(shè)計(jì)與試織

王晶晶，呂麗華，王觀桔

(大連工業(yè)大學(xué)，遼寧 大連 116034)

隨著高性能纖維生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步和紡織加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，3D機(jī)織復(fù)合材料日益顯示出巨大的應(yīng)用潛力。3D機(jī)織復(fù)合材料由于其獨(dú)特的橫向特性，如剛度、強(qiáng)度、斷裂韌性和抗損傷性，已成為多向承重和沖擊應(yīng)用有吸引力的結(jié)構(gòu)材料[1]。3D管狀機(jī)織復(fù)合材料以其優(yōu)異的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越來(lái)多地應(yīng)用在航空、航天、生物醫(yī)學(xué)工程以及汽車(chē)工業(yè)等領(lǐng)域[2]。作為3D管狀機(jī)織復(fù)合材料的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)件——3D管狀織物的設(shè)計(jì)尤其重要。ZHOU等[3]在管狀針織橫編織物的基礎(chǔ)上設(shè)置不同位置段的管或以不封閉管的形式擴(kuò)展針織橫編機(jī)和各種針織橫編機(jī)的服裝織物,可以滿(mǎn)足人們對(duì)3D結(jié)構(gòu)、色彩鮮艷、外觀獨(dú)特新穎等方面的要求。陳貴翠等[4]采用脫膠及柔軟處理將桑皮纖維制成工藝?yán)w維,對(duì)丙綸(PP)采取必要的前處理工藝,然后利用2種紗線來(lái)加工局部管狀針織物。將2種纖維混紡制備針織紗線并織造針織物。針織物立體感強(qiáng),具有優(yōu)異的延伸性和懸垂性，然而，目前針織管狀的織物多用于服用領(lǐng)域，由于針織物易變形的特點(diǎn)，因此以針織物作為增強(qiáng)體的3D管狀復(fù)合材料的研究較少。裴會(huì)成等[5]介紹一種雙二步法3D管狀織物編織機(jī)，與二步法編織機(jī)相比增加了1倍編織紗的數(shù)量，編織機(jī)編織單元在空間上排列成圓筒狀并沿圓筒軸向擴(kuò)展組成編織單元的3套撥盤(pán)的結(jié)構(gòu)，但大小不隨編織層數(shù)變化而變化，實(shí)現(xiàn)了編織單元的模塊化,同時(shí)還對(duì)3D編織機(jī)編織口的位置進(jìn)行了優(yōu)化研究，推動(dòng)了編織管狀織物的發(fā)展。雖然編織管狀織物的優(yōu)點(diǎn)是制作截面尺寸較小但截面形狀變化較大，軸向尺寸較長(zhǎng)的預(yù)成型件，但是目前應(yīng)用還不普及，需要特定的織機(jī)，其性能研究不足，特別是成本較高。3D機(jī)織工藝?yán)w維基本呈正交排列[6]，相對(duì)于針織和編織管狀織物來(lái)說(shuō)，機(jī)織管狀織物的研究相對(duì)較多。朱紅等[7]針對(duì)產(chǎn)業(yè)用多邊形孔管狀結(jié)構(gòu)件的技術(shù)需求分別制作了三角形、菱形、方形和類(lèi)圓形3D孔管狀結(jié)構(gòu)件，并通過(guò)分析得出孔管狀結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系。研究結(jié)果為多排孔管類(lèi)技術(shù)紡織品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作提供了技術(shù)支持。董敬貴[8]提供了三通管狀織物的設(shè)計(jì)方法、織造的上機(jī)圖，分析了織造過(guò)程中的問(wèn)題，并提出了解決方案，完成了三通管機(jī)織預(yù)型件的結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì),在小樣織機(jī)上進(jìn)行反復(fù)試織，結(jié)果證實(shí)了該設(shè)計(jì)方法的合理性。易洪雷等[9]利用“壓扁—織造—還原”方法完成了3種管狀機(jī)織預(yù)型件的結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)，并在小樣織機(jī)上進(jìn)行試織，結(jié)果證實(shí)了該設(shè)計(jì)方法的合理性。劉佳[10]進(jìn)行了圓管機(jī)織復(fù)合材料的拉伸、壓縮和扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，并分析了其細(xì)觀結(jié)構(gòu)和損傷破壞過(guò)程。研究表明：：圓管機(jī)織復(fù)合材料拉伸、壓縮試件在接近破壞時(shí)，彎曲的經(jīng)紗會(huì)在拉伸載荷作用下由彎變直，或伸直的經(jīng)紗會(huì)在壓縮載荷作用下由直變彎，從而導(dǎo)致材料的部分基體與紗線分離而脫落；扭轉(zhuǎn)試件隨著扭轉(zhuǎn)角的不斷增大，環(huán)向緯紗會(huì)因基體與紗線的相互作用而在圓管徑向產(chǎn)生不同程度的位移，所以扭轉(zhuǎn)角的增大會(huì)在管的徑向形成褶皺。但由于圓管機(jī)織復(fù)合材料試件不具有自由邊界，所以其具有更好的整體性能和承載能力。王黎黎等[11]以經(jīng)角連鎖為織物的基本組織結(jié)構(gòu)，將 166.55 tex(1 500旦)芳綸長(zhǎng)絲織造一體成型的4層管狀織物，在相同的層數(shù)條件下，通過(guò)拉伸測(cè)試表明所制備的復(fù)合管狀材料與平紋織物卷繞成管狀的管狀復(fù)合材料相比，其力學(xué)性能明顯提高。綜上所述，3D管狀機(jī)織織物目前的制造形狀都是普通的圓管，異形管狀的織物還比較少，對(duì)于特定環(huán)境下規(guī)則的管狀織物并不是完全適用，如汽車(chē)領(lǐng)域的異形截面空心結(jié)構(gòu)件[12]，工業(yè)領(lǐng)域的異形截面鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[13]，建材機(jī)械領(lǐng)域的異形管鋼筋骨架等很多領(lǐng)域[14]，規(guī)則的管狀織物并不能滿(mǎn)足要求，因此結(jié)合3D管狀機(jī)織復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)異形截面的3D管狀機(jī)織物復(fù)合材料是非常有必要的。開(kāi)發(fā)異形3D管狀機(jī)織物對(duì)3D復(fù)合材料的發(fā)展具有很大的推動(dòng)意義，同時(shí)管狀3D織物織造技術(shù)還有待進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)。

本文探討在SGA598型小樣織機(jī)(半自動(dòng))上，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的上機(jī)工藝及織造方法，采用“壓扁—織造—還原”方法制備2種異形截面的3D管狀機(jī)織物，為異形3D管狀機(jī)織物的發(fā)展提供了思路。

1 材料與儀器

經(jīng)緯紗均為棉紗：296.2 tex。

SGA598型小樣織機(jī)，電氣系統(tǒng)采用PLC控制觸摸屏，同時(shí)存貯6個(gè)紋板，每個(gè)紋板可達(dá)1 000行，并且預(yù)留電腦插口，可以實(shí)行PC和PLC通信。

2 設(shè)計(jì)方法與試織要點(diǎn)

異形截面的3D管狀機(jī)織物的織造原理應(yīng)用正交、正交分層，角連鎖以及結(jié)合管狀織物的織造方法，進(jìn)行合理的經(jīng)向截面圖設(shè)計(jì)、上機(jī)圖設(shè)計(jì)、上機(jī)參數(shù)選擇。本文設(shè)計(jì)的2種異形截面3D管狀機(jī)織物均為緯向管，首先根據(jù)設(shè)計(jì)的截面形狀采用分區(qū)織造，根據(jù)設(shè)計(jì)圖畫(huà)出各區(qū)的經(jīng)向剖面圖，確定合理的打緯順序，并繪制相應(yīng)的組織圖，進(jìn)行上機(jī)織造。

圖1 平板—圓管連接的異形截面3D管狀機(jī)織物模擬圖

2.1 平板—圓管連接的異形截面3D管狀機(jī)織物

平板—圓管連接的異形截面3D管狀機(jī)織物模擬圖如圖1所示。將管狀部分模擬成管狀織物A2部分，將連接部分模擬為平板部分A1和A3。

2.1.1 經(jīng)向截面圖設(shè)計(jì)

平板—圓管連接的異形截面3D管狀機(jī)織物的A1、A3區(qū)的組織結(jié)構(gòu)相同，為4層角連鎖結(jié)構(gòu)，經(jīng)向截面設(shè)計(jì)圖如圖2所示，平板—圓管連接的異形3D機(jī)織物的A2區(qū)的組織結(jié)構(gòu)為雙層角連鎖結(jié)構(gòu)，其經(jīng)向截面設(shè)計(jì)圖如圖3所示。其中圖中的曲線表示經(jīng)紗，圓圈表示緯紗，圓圈里的數(shù)字表示引緯的先后，左邊數(shù)字代表綜框數(shù)量(下同)。

圖2 平板—圓管A1、A3區(qū)的經(jīng)向截面圖

圖3 平板—圓管A2區(qū)的經(jīng)向截面圖

2.1.2 組織圖設(shè)計(jì)

平板—圓管連接的異形截面3D管狀機(jī)織物組織圖如圖4、5所示，均采用順穿法上機(jī)織造。

圖4 A1、A3區(qū)組織圖

圖5 A2區(qū)組織圖

2.1.3 試織小樣

織造時(shí)，總經(jīng)根數(shù)為240根，經(jīng)紗分為4層，每層60根。筘號(hào)為30齒/(10 cm)。共使用8頁(yè)綜框，每筘8入共穿30個(gè)循環(huán)。平板—圓管連接的異形截面3D管狀機(jī)織物小樣實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 平板—圓管連接的異形截面3D管狀機(jī)織物的小樣實(shí)物圖

2.2 “工”字形平板—圓管連接的異形截面3D管狀機(jī)織物

2.2.1 經(jīng)向截面圖設(shè)計(jì)

“工”字形平板—圓管連接的異形截面3D管狀機(jī)織物模擬圖如圖7所示。

圖7 “工”字形平板—圓管連接的異形截面3D管狀機(jī)織物模擬圖

圖8 “工”字形A1、A2、A3區(qū)的經(jīng)向截面圖

“工”字形平板—圓管連接的異形截面3D管狀機(jī)織物的A1、A2、A3區(qū)的組織結(jié)構(gòu)相同，均為3層正交分層結(jié)構(gòu)，經(jīng)向截面圖設(shè)計(jì)圖如圖8所示?！肮ぁ弊中纹桨濉獔A管連接的異形3D機(jī)織物的區(qū)與區(qū)的連接處采用另一種組織4層角連鎖結(jié)構(gòu)，其經(jīng)向截面設(shè)計(jì)圖如圖9所示，其目的是為了連接處更加結(jié)實(shí)牢固。

圖9 “工”字形區(qū)與區(qū)的連接處的經(jīng)向截面圖

2.2.2 組織圖設(shè)計(jì)

“工”字形平板—圓管連接的異形截面3D管狀機(jī)織物組織圖如圖10、11所示，均采用順穿法上機(jī)織造。

圖10 “工”字形A1、A2、A3區(qū)的組織圖

圖11 “工”字形區(qū)與區(qū)連接處的組織圖

2.2.3 試織小樣

織造時(shí)，總經(jīng)根數(shù)為240根，經(jīng)紗分為4層，每層60根;筘號(hào)為30齒/(10 cm),共使用8頁(yè)綜框，每筘8入共穿30個(gè)循環(huán)，采用2根緯紗織造管的部分。區(qū)與區(qū)連接的部分不要織造過(guò)長(zhǎng)，大概1～2個(gè)循環(huán)結(jié)構(gòu)，否則會(huì)影響織物的外觀?！肮ぁ弊中纹桨濉獔A管連接的異形截面3D管狀機(jī)織物織造的小樣實(shí)物圖如圖12所示。

圖12 “工”字形平板—圓管連接的異形截面3D管狀機(jī)織物的小樣實(shí)物圖

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在普通小樣織機(jī)上設(shè)計(jì)與試織2種異形截面的3D管狀機(jī)織物得出：通過(guò)應(yīng)用正交、正交分層，角連鎖以及結(jié)合管狀織物的織造方法，在SGA598型小樣織機(jī)上，可以織造出結(jié)構(gòu)較好的異形截面的3D管狀機(jī)織物，在織造過(guò)程中，要控制好打緯的力度，盡量保持均勻，否則會(huì)影響織物的外觀形態(tài)以及力學(xué)性能。