黃錦波， 祝成炎， 張紅霞， 洪興華，周志芳

(浙江理工大學(xué) 先進紡織材料與制備技術(shù)教育部重點實驗室， 浙江 杭州 310018)

近些年隨著高性能纖維材料的研究與開發(fā)，碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維等已被廣泛應(yīng)用于航天、汽車、機械等復(fù)合材料領(lǐng)域[1-3]。但通過機織、緯編、經(jīng)編等多種生產(chǎn)工藝織造的二維增強織物，僅在二維方向具有很好的力學(xué)性能。通過疊層辦法一定程度上能解決三維復(fù)合材料的需求，但其仍存在力學(xué)性能不強，易分層等應(yīng)用問題[4-5]。三維織物即在織造成型后本身就具有一定厚度的編織物[6]。目前研究較為成熟的三維織物可以分為3大類：三維機織織物、三維編織織物、三維正交鋪紗織物。采用三維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料相對二維具有整體性能穩(wěn)定、抗沖擊性能優(yōu)越和力學(xué)性能好等優(yōu)點，應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸增大[7-8]?，F(xiàn)有三維機織織物成型方法有很多，大體可以分為層層接結(jié)角聯(lián)鎖織物、貫穿接結(jié)角聯(lián)鎖織物、三維正交織物。此類型三維織物在設(shè)計上很大程度依賴于緯紗屈曲同多組經(jīng)線交織成型。在織造設(shè)計過程中結(jié)構(gòu)較為固定，且需要在專業(yè)織機上生產(chǎn)。其原因是三維織物織造采用多組經(jīng)線必然造成織機的總經(jīng)根數(shù)遠大于二維織物的織造，極易造成生產(chǎn)過程中經(jīng)線之間的摩擦以及經(jīng)紗與鋼筘之間的摩擦，阻礙織造的順利進行[9-11]。

本文提供一種三維間隔機織物織造方法，通過對傳統(tǒng)劍桿織機進行二梭口或多梭口改造和上機工藝設(shè)計，可以實現(xiàn)縱向經(jīng)線交織高度調(diào)節(jié)，開發(fā)出有效控制縱向經(jīng)線交織的三維間隔織物。并通過對三維間隔機織物建模，分析三維間隔織物最佳成型效果的紗線線密度與抗彎剛度的關(guān)系。

1 三維間隔織物和織機設(shè)計

1.1 三維間隔織物結(jié)構(gòu)設(shè)計

多數(shù)的機織物是平面二維結(jié)構(gòu)，包含經(jīng)紗和緯紗2組紗線相互交織形成。三維機織物即在3個正交平面上都存在一個或者多個紗線系統(tǒng)，這些紗線系統(tǒng)可以對織物在各個方向的性能進行增強[12]。本文中三維間隔機織物成型設(shè)計有2組地經(jīng)和1組縱向經(jīng)線。在平面上為地經(jīng)和緯紗交織，在縱向平面為縱向經(jīng)線和緯紗交織。其實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三維間隔織物結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Three-dimensional spacer fabric structure diagram

其結(jié)構(gòu)類似于夾心平層結(jié)構(gòu)。織物的表層和中間層并非均勻組織結(jié)構(gòu)，上表層和下表層均由1組緯紗和2組經(jīng)紗交織，結(jié)構(gòu)較為緊密。中間層則為縱向經(jīng)線。縱向經(jīng)線在2層來回交織。該設(shè)計結(jié)構(gòu)同樣能夠?qū)崿F(xiàn)多層織造原理，在允許范圍內(nèi)可以實現(xiàn)三梭口或更多層狀三維間隔織物的成型。

1.2 織機結(jié)構(gòu)的調(diào)整

劍桿織機主要包含卷取機構(gòu)、開口機構(gòu)、引緯機構(gòu)、織邊機構(gòu)、打緯機構(gòu)、送經(jīng)機構(gòu)6大部件[13]。改造設(shè)計思路是縱向經(jīng)線在交織過程中反復(fù)與地經(jīng)垂直交織形成?；谠撛硖岢龅母脑旌罂棛C結(jié)構(gòu)如圖2所示。該結(jié)構(gòu)包含二組地經(jīng)1和2和一組縱向經(jīng)線4。3組經(jīng)線分別按上、中、下排列通過3組停經(jīng)裝置?？v向經(jīng)線居于上下地經(jīng)中間位置。通過綜框調(diào)節(jié)，實現(xiàn)雙開口織造，在生產(chǎn)過程中各組經(jīng)線張力需要獨立控制。

1—地經(jīng)；2—地經(jīng)；3—固定后梁；4—縱向經(jīng)線；5—停經(jīng)裝置；6—綜框；7—鋼筘；8—壓輥；9—卷布輥。圖2 織機改造后結(jié)構(gòu)簡要示意圖Fig.2 Brief schematic diagram of loom structure after transformation

改造后織機在織造過程中，上、下地經(jīng)單獨開口，縱向經(jīng)線在上下地經(jīng)之間交織，當織機開口時，縱向經(jīng)線上開口角度與上地經(jīng)開口上部一致，下開口角度與下部地經(jīng)下開口一致。在實際生產(chǎn)中，為減少經(jīng)線之間的摩擦及毛羽糾纏造成的影響，經(jīng)軸可以按照上中下排列，各自穿過相應(yīng)停經(jīng)架。3組經(jīng)線盡量少交叉在一起。

2 三維間隔織物的織造工藝

2.1 三維間隔織物的綜框及穿綜設(shè)計

三維間隔織物含有3組或以上經(jīng)線，而綜框數(shù)量以及綜框所含有綜絲數(shù)量一般比較固定。如果增加過多綜框數(shù)量的話，則開口清晰度很難控制。工業(yè)生產(chǎn)中多以12頁綜框為宜。如果在單綜絲中穿2根或多根經(jīng)紗，則極易造成單紗間毛羽的摩擦及鉸結(jié)。為減少單綜上經(jīng)紗太多造成摩擦斷頭等因素以及滿足經(jīng)紗數(shù)量穿綜需求，改造后織機在每片綜框前后設(shè)立2組綜絲。其綜框結(jié)構(gòu)如圖3所示,A和B分別為單綜框上的2組綜絲。在經(jīng)紗數(shù)量較多的情況下能滿足雙倍綜絲的穿經(jīng)需求。在穿綜設(shè)計上可以將A、B綜同時穿，也可以采用單綜穿法。相較傳統(tǒng)織機，該設(shè)計的優(yōu)勢是可以滿足最大穿綜經(jīng)紗數(shù)量的2倍。

圖3 改造后織機綜框綜絲示意圖Fig.3 Schematic diagram of heddle wire of loom heald frame of transformation

綜框的選擇既要滿足經(jīng)紗的穿綜需求，又要盡量避免綜框過多造成開口控制不清。為便于織物上經(jīng)和下經(jīng)開口清晰，采用分區(qū)穿綜的方法。該方法的優(yōu)勢在于各部分開口位置都是相鄰的綜框。在生產(chǎn)中由于縱向經(jīng)線要與織機上開口或下開口平齊，所以其相對開口較大，可以選用靠近鋼筘的4頁綜。可以減少綜框的運動動程。所以織機設(shè)計以前4片為縱向經(jīng)線綜框，后8片為地經(jīng)綜框，分別4片上地、4片下地。穿綜上要盡量控制均勻穿綜。

三維間隔織物的穿綜圖如圖4所示，圖中橫坐標為織機綜框編號，縱坐標為穿綜排列順序?？棛C從開口前部往后依次為1到12。因為在綜框設(shè)計上每頁綜框分A、B 2組綜絲，因此，橫坐標為2組1～12。穿綜圖中橫坐標前1～12位為綜絲組A，后1～12為每片綜框另一組綜絲B。由于縱經(jīng)、上地經(jīng)和下地經(jīng)單獨開口，因此采用分區(qū)穿綜方法。圖中所示17～24為縱向經(jīng)線穿綜，8～16為下地經(jīng)線穿綜，1～8為上地經(jīng)線穿綜。黑點則為對應(yīng)分區(qū)經(jīng)線穿綜規(guī)律。為盡量使每頁綜框受力均勻，穿經(jīng)過程采用了各個分區(qū)間接穿法。在實際操作中，假設(shè)縱向經(jīng)線為1 600根，依據(jù)此穿法則地經(jīng)能穿綜3 600根。

圖4 織機穿綜圖Fig.4 Thread harness of looms

2.2 組織結(jié)構(gòu)設(shè)計

三維間隔機織物組織設(shè)計應(yīng)將地組織與縱向經(jīng)線組織區(qū)分開來。為使縱向經(jīng)線交織緊密，地組織多采用平紋組織。這是因為相同密度情況下平紋組織相對其他斜紋、緞紋等組織，織物結(jié)構(gòu)更為緊密，紗線不易滑移，三維間隔機織物成型較好?？v向經(jīng)線與地經(jīng)交織根據(jù)開口形式有2種相交形式，如圖5所示。圖5(a)中，縱向經(jīng)線平均分2組，均勻與上下地經(jīng)相交。通過鋼筘打緯形成立體織物；圖5(b)中，縱向經(jīng)線則以此與上地或下地相交，通過鋼筘打緯形成立體織物。在織造設(shè)計中，可以通過控制縱向經(jīng)線開口次數(shù)來控制三維織物縱向經(jīng)線數(shù)量。

圖5 縱向經(jīng)線與地經(jīng)相交形式Fig.5 Comparison of longitudinal meridians with terrestrial meridians

縱向經(jīng)線在與上、下地經(jīng)交織過程中，假設(shè)地組織為2/2交替組織，則可以得出提綜排列情況如圖6所示。圖中順序1、2表示為綜框往復(fù)2次運動規(guī)律。其中↑指該經(jīng)線所在綜框上提，縱向經(jīng)線分2組上下往復(fù)交替，此時縱向經(jīng)線與織物交織結(jié)構(gòu)類似于“V”型結(jié)構(gòu)，織物整體立體感較好。

圖6 縱經(jīng)交叉開口綜框運動規(guī)律Fig.6 Motion law of heald frame with longitudinal cross opening

織造設(shè)定時也可縱經(jīng)全部同上或同下，其綜框運動規(guī)律則如圖7所示。

圖7 縱經(jīng)同向開口綜框運動規(guī)律Fig.7 Motion law of synchronal opening heald frame with longitudinal warp

當三維間隔織物在特殊工藝使用中，需要在三維織物間填充其他高強纖維或材料時可以通過調(diào)整縱向經(jīng)線提綜形式來實現(xiàn)，其綜框運動規(guī)律如圖8所示。當縱經(jīng)綜框運動到2、3位置時，此時縱向經(jīng)線與上地交織后不再下沉與下地緯線相交。此時織物緯向會留有一條空檔。圖中用“-”表示該綜框停止運轉(zhuǎn)。三維間隔織物中間可以預(yù)留空白空間。

圖8 縱經(jīng)停止開口綜框運動規(guī)律Fig.8 Motion law of heald frame with stop opening by longitudinal warp

2.3 三維織物縱向高度模型預(yù)測與驗算

三維間隔機織物的中空夾層結(jié)構(gòu)受紗線的性質(zhì)和織造工藝影響，為確保三維織物的成型效果，縱向高度h需要考慮在內(nèi)，同時縱向經(jīng)線數(shù)量與紗線抗彎剛度直接影響著三維間隔織物的成型效果。圖9示出三維間隔織物縱向扭矩示意圖。此時間隔長度即h。假定三維間隔織物幅寬為w，經(jīng)線線密度為T1，緯線線密度為T2，縱向經(jīng)線密度為T3，縱向經(jīng)紗數(shù)為n，上、下地經(jīng)總根數(shù)也為n，織造過程中地組織按照平紋交織，其緯密為X，那么其縱向紗線上下交織次數(shù)則為Y=nX。假設(shè)縱經(jīng)線的抗彎剛度是Z，紗線抗彎剛度指紗線在彎曲變形時阻止或抵抗紗線本身形狀發(fā)生改變的能力[14]，那么可以計算得到間隔紗線的整體抗彎曲力F。

圖9 三維間隔織物縱向扭矩示意圖Fig.9 Schematic diagram of longitudinal torque of three-dimensional spacer fabric

F=nXZL

(1)

式中：F指間隔織物發(fā)生變形需要的質(zhì)量，g；X為緯密,根/cm；Z為抗彎剛度，g.cm2；L為織物的長度,m。假設(shè)三維織物的一個面為支撐點，那么另一面的質(zhì)量力矩為

F1=(nLT1+wXLT2)×10-3

(2)

式中：F1為單側(cè)面經(jīng)線和緯線質(zhì)量之和，g；w為織物幅寬，m；T1和T2分別指經(jīng)線線密度和緯線線密度，tex。

(3)

式中,F2為交織縱向經(jīng)線質(zhì)量，其縱向紗線因重力產(chǎn)生的力矩取其長度一半的位置為平均值。

由F=F1+F2,可得縱向經(jīng)線高度。式(4)為三維間隔織物成型效果最佳的臨界高度。

(4)

為驗證機織三維間隔織物高度模型，假定生產(chǎn)實踐中經(jīng)線、緯線、縱向經(jīng)線選用同種28 tex純棉紗，總經(jīng)根數(shù)n為1 600，緯密X為24根/cm，紗線的抗彎剛度Z為2.4×10-3g·cm2[14]，織造幅寬w為140 cm,代入式(4)中可得最大間隔高度h≈0.17 m。

由上可知，在織造三維間隔織物設(shè)備工藝調(diào)整過程中，可以依據(jù)所選用紗線材料屬性，測算三維間隔織物的縱向臨界高度，為設(shè)備開口間距提供合適的參考依據(jù)。

3 結(jié)束語

本文提出一種機織三維間隔織物具體實現(xiàn)方案以及生產(chǎn)工藝方法，在設(shè)備改進上提出了雙梭口結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及綜框采用單綜雙組綜絲方案滿足多組經(jīng)紗的穿綜需求。該思路織造的三維間隔織物與市場上三維正交織物采用緯紗屈曲成型技術(shù)有較大區(qū)別，該織造方案是采用1組經(jīng)紗在2組地經(jīng)交聯(lián)成型。通過縱向經(jīng)線的送經(jīng)量可以實現(xiàn)三維織物的縱高調(diào)整。通過該方案在實踐生產(chǎn)過程中可以進一步采用三梭口或四梭口完成多組間隔織物的角聯(lián)成型。

在生產(chǎn)過程中縱向經(jīng)紗的抗彎剛度和線密度會直接影響三維織物的成型效果，因此在織造三維間隔織物過程中要考慮縱向紗線的抗彎剛度和紗線密度。通過模型計算分析織物臨界高度，可以精準計算得到三維間隔織物最大間隔高度，便于設(shè)備的改進以及工藝調(diào)整。