秦佳瑩, 邵慧奇, 陳南梁, 蔣金華
(東華大學(xué) a.產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心, b.紡織學(xué)院, 上海 201620)
隨著空間繩系系統(tǒng)、衛(wèi)星張力索、飛艇用繩、系泊繩等航空航天用繩需求的日益增長(zhǎng),加強(qiáng)對(duì)高性能纖維編織繩性能的研究是十分必要的[1-2]。聚酰亞胺(polyimide,PI)纖維作為高性能纖維的典型代表之一,具有高強(qiáng)高模、耐輻照等優(yōu)異性能,一直是航空航天的首選材料之一[3-4]。然而PI纖維在繞紗及編織過(guò)程中表面易起毛,受損甚至斷裂,并且磨損編織元件,導(dǎo)致編織難度大,因此在編織前對(duì)PI長(zhǎng)絲的可編織性進(jìn)行探究是極為重要的。目前關(guān)于高性能紗線可編織性的表征仍然沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),比較常見(jiàn)的是通過(guò)測(cè)試紗線的基本性能以及編織過(guò)程中纖維的損傷進(jìn)行表征[5]。
編織繩的原料及編織工藝參數(shù)決定產(chǎn)品的最終性能。在各種編織工藝中,二維編織對(duì)纖維的力學(xué)損傷較小且工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、可設(shè)計(jì)性好,但織物組織結(jié)構(gòu)變化較少,主要通過(guò)改變節(jié)距、編織股數(shù)等對(duì)二維編織繩進(jìn)行設(shè)計(jì)[6]。國(guó)內(nèi)關(guān)于PI纖維可編織性的探究及針對(duì)特殊應(yīng)用環(huán)境的小直徑編織繩編織參數(shù)與力學(xué)性能的研究還較少,主要針對(duì)其他高性能纖維編織繩進(jìn)行一些探索研究。馬曉紅等[7]通過(guò)拉伸及磨損試驗(yàn)探究了碳纖維的可編織性并探索二維編織工藝。丁許等[8]研究發(fā)現(xiàn):芳綸纖維二維編織繩的拉伸斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率隨著編織角的增加分別呈上升和下降的趨勢(shì);在3種編織結(jié)構(gòu)(1×1、2×2、1×1+2×2混雜)中,2×2編織結(jié)構(gòu)的拉伸斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長(zhǎng)率最大。Flory等[9]研究發(fā)現(xiàn),超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯繩的強(qiáng)度不受張力及拉伸循環(huán)影響,最終會(huì)回復(fù)初始狀態(tài)。Msalilwa等[10]使用圖像分析技術(shù)表征編織結(jié)構(gòu)參數(shù),研究雙層管狀編織繩在拉伸載荷下的力學(xué)行為并建立真實(shí)拉伸應(yīng)力模型。目前中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所、江蘇先諾新材料有限公司申請(qǐng)了PI纖維編織繩的相關(guān)專(zhuān)利[11-12],探討了高強(qiáng)耐磨型PI纖維繩帶及其制備方法。
不論是對(duì)原料的選擇還是對(duì)編織工藝的探究,都是為了更好地滿足編織繩特定終端用途的性能要求。本文基于空間應(yīng)用的編織繩強(qiáng)力和直徑目標(biāo)設(shè)計(jì)要求,選擇3種PI長(zhǎng)絲作為原料,通過(guò)拉伸和耐磨損試驗(yàn)探究了PI長(zhǎng)絲的可編織性,在C12型高速編織機(jī)上編織13種不同工藝參數(shù)的PI編織繩并進(jìn)行對(duì)比分析,從而挑選符合編織工藝要求且力學(xué)性能良好的編織繩,同時(shí)研究了編織繩工藝參數(shù)間的相互關(guān)系、編織工藝對(duì)拉伸性能的影響并建立回歸方程,以期對(duì)PI長(zhǎng)絲的編織產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)與借鑒。
采用江蘇先諾新材料有限公司提供的3種線密度(22.2、55.5、111.1 tex)的高性能PI長(zhǎng)絲。
為了滿足空間應(yīng)用張力繩輕質(zhì)、高強(qiáng)、低延伸率的性能要求,設(shè)計(jì)編織繩直徑為1 mm,絕對(duì)誤差不超過(guò)0.1 mm,同時(shí)強(qiáng)力大于600 N,伸長(zhǎng)率越小越好。為了達(dá)到近似相同編織繩直徑,選用2種不同線密度的PI長(zhǎng)絲以不同股數(shù)組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。編織機(jī)器為東莞市冠博精密機(jī)電有限公司制造的C12型高速編織機(jī),因材料及機(jī)器的限制,不同線密度PI長(zhǎng)絲的編織數(shù)量有所不同,編織繩編織方案如表1所示。其中:B系列代表線密度55.5 tex編織繩12股編織,設(shè)計(jì)7種節(jié)距;C系列代表線密度111.1 tex編織繩6股編織,設(shè)計(jì)6種節(jié)距。最終設(shè)計(jì)制備的13種編織繩成品如圖1所示。
圖1 PI長(zhǎng)絲編織繩成品照片F(xiàn)ig.1 Photos of finished PI filament braided ropes
表1 上機(jī)編織方案Table 1 Machine braiding program
1.3.1 拉伸性能
對(duì)3種不同線密度的PI長(zhǎng)絲進(jìn)行拉伸測(cè)試,參照GB/T 19975—2005《高強(qiáng)化纖長(zhǎng)絲拉伸性能試驗(yàn)方法》,夾持間距為500 mm,拉伸速度為250 mm/min,每種規(guī)格PI長(zhǎng)絲分別測(cè)試10次,預(yù)加張力為(0.05±0.01)cN/dtex。
1.3.2 耐磨損性能
紗線二維編織的路徑通常為經(jīng)過(guò)走馬錠、穿過(guò)孔眼、繞過(guò)導(dǎo)輪及滑輪,最后卷繞在線盤(pán)上。在這一過(guò)程中,紗線不僅與編織元件接觸發(fā)生摩擦,還被拉伸和彎曲成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。PI長(zhǎng)絲在編織過(guò)程中的可編織性難以評(píng)價(jià),因?yàn)殚L(zhǎng)絲的張力會(huì)隨編織元件的運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化。但是,在編織過(guò)程中紗線承受的整體力和相互作用力可以高度簡(jiǎn)化為拉伸、彎曲以及摩擦作用的組合,如圖2所示。簡(jiǎn)化模型與實(shí)際編織工藝的差別僅在拉伸方向、彎曲角度、磨損主體和物體等參數(shù)上,對(duì)紗線二維可編織性評(píng)價(jià)沒(méi)有顯著影響。自制紗線摩擦儀構(gòu)造示意圖如圖3所示。測(cè)試前使紗線從織針(50.75G 01型德國(guó)格羅茨拉舍爾機(jī)針)穿過(guò),測(cè)試時(shí)摩擦部分往復(fù)擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)摩擦。為了模擬PI長(zhǎng)絲在實(shí)際編織時(shí)線密度、編織速度以及牽引力對(duì)紗線磨損的影響程度,選擇長(zhǎng)絲線密度、推動(dòng)連桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速以及砝碼質(zhì)量3個(gè)因素進(jìn)行研究,摩擦次數(shù)為100次,運(yùn)用L9(34)正交試驗(yàn)對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),因素水平表如表2所示。
圖2 編織簡(jiǎn)化模型與走馬錠中紗線路徑Fig.2 Braiding simplified model and yarn path in the horse spindle
圖3 自制紗線摩擦儀構(gòu)造示意圖Fig.3 Schematic diagram of the self-made yarn friction tester
表2 因素水平表Table 2 Factor level table
1.4.1 工藝參數(shù)
編織繩參數(shù)包括直徑和編織角。直徑測(cè)試:在不受明顯張力的情況下,測(cè)量編織繩自然伸直狀態(tài)下的直徑,同一個(gè)樣品測(cè)試10次,試樣上的取樣點(diǎn)至少間隔0.5 m。編織角測(cè)試:通過(guò)體式顯微鏡拍攝編織繩放大后的圖片,再用圖像處理軟件測(cè)出編織角。編織繩的直徑和編織角的測(cè)試結(jié)果如表3所示。
表3 編織繩的直徑和編織角測(cè)試結(jié)果
1.4.2 拉伸性能
測(cè)試儀器為 YG026 MB-250型多功能電子織物強(qiáng)力機(jī)(溫州方圓儀器有限公司),測(cè)試方法參照GB/T 8834—2016《纖維繩索 有關(guān)物理和機(jī)械性能的測(cè)定》,夾持間距為200 mm,拉伸速度為250 m/min。由于PI纖維拉伸過(guò)程中易打滑,在測(cè)試前將試樣兩端用牛皮紙包覆。具體方法為:制作5 cm×5 cm牛皮紙并涂上百得快干膠水,將編織繩粘在牛皮紙的中心位置,如圖4所示。
圖4 PI編織繩拉伸試樣Fig.4 The tensile sample of PI braided rope
2.1.1 拉伸性能
3種線密度PI長(zhǎng)絲的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率如表4所示,伸長(zhǎng)率與負(fù)荷關(guān)系如圖5所示。
表4 PI長(zhǎng)絲拉伸斷裂性能Table 4 Tensile breaking performance of PI filaments
圖5 3種線密度PI長(zhǎng)絲的拉伸性能Fig.5 Tensile properties of PI filaments withthree kinds of linear density
由表4可以看出,線密度為22.2和55.5 tex的PI長(zhǎng)絲的斷裂強(qiáng)度相同,而線密度為111.1 tex的PI長(zhǎng)絲的斷裂強(qiáng)度稍小。這可能是由拉伸時(shí)纖維斷裂的不同時(shí)性導(dǎo)致的,斷裂總是發(fā)生在纖維強(qiáng)力最薄弱的一節(jié),而纖維根數(shù)越多,斷裂不同時(shí)性越明顯,測(cè)得的強(qiáng)力越偏小,換算成單纖維強(qiáng)度時(shí)數(shù)值會(huì)減小。觀察圖5可以看出,隨著長(zhǎng)絲線密度的增加,拉伸曲線的斜率也在增大,即初始模量不斷增大。由此表明,PI長(zhǎng)絲的線密度越大,越不容易發(fā)生變形,即紗線的剛性越大,因而編織難度越大。
2.1.2 耐磨損性能
為了探究編織過(guò)程中不同PI長(zhǎng)絲與機(jī)件發(fā)生摩擦?xí)r編織速度和牽拉力對(duì)紗線損傷的影響程度,用自制的摩擦儀摩擦PI長(zhǎng)絲一定次數(shù)后在紗線強(qiáng)力儀上測(cè)試斷裂強(qiáng)力,以磨損前后長(zhǎng)絲的斷裂強(qiáng)力之差與磨損前長(zhǎng)絲的斷裂強(qiáng)力百分比值(即強(qiáng)力損失率)來(lái)表征紗線的損傷情況。正交試驗(yàn)方案和極差分析以及方差分析結(jié)果如表5和表6所示。
表5 正交試驗(yàn)方案和極差分析Table 5 Orthogonal experiment scheme and range analysis
表6 正交試驗(yàn)方差分析表Table 6 Orthogonal test analysis of variance table
表5中極差R可反映對(duì)應(yīng)因子對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的程度,R值越大則影響程度越大,反之影響越小。通過(guò)比較極差R可知,工藝參數(shù)對(duì)紗線磨損的影響程度大小排序?yàn)殚L(zhǎng)絲線密度>砝碼質(zhì)量>電機(jī)轉(zhuǎn)速,即長(zhǎng)絲線密度>牽引力>編織速度。由表6可知,在本試驗(yàn)范圍內(nèi),3種因素對(duì)斷裂強(qiáng)力損傷率并沒(méi)有顯著性影響,相對(duì)而言,長(zhǎng)絲線密度的影響程度最大,其次是砝碼質(zhì)量,電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響程度最小,這與上述極差分析結(jié)果一致。
由表5還可知,PI長(zhǎng)絲在上機(jī)編織時(shí),線密度為111.1 tex的PI長(zhǎng)絲表面磨損程度相對(duì)22.2和55.5 tex的PI長(zhǎng)絲要小得多,也就是說(shuō)在其他條件不變的的情況下,線密度為111.1 tex的PI長(zhǎng)絲的強(qiáng)度利用率更高。而電機(jī)轉(zhuǎn)速即編織速度的改變對(duì)長(zhǎng)絲的磨損幾乎沒(méi)有影響,砝碼質(zhì)量即牽伸力對(duì)長(zhǎng)絲的磨損也有一定影響。牽伸力越小則長(zhǎng)絲的磨損程度越小。但在實(shí)際編織時(shí)牽伸力過(guò)小會(huì)引起編織物表面不夠緊密、均勻,影響最終成品質(zhì)量,因此牽伸力的大小要考慮編織實(shí)際情況,并非越小越好。
2.2.1 節(jié)距對(duì)直徑、編織角的影響
B、C兩種系列的PI編織繩在不同節(jié)距下的直徑與編織角的擬合曲線如圖6所示。
圖6 編織繩B、C系列的直徑、編織角測(cè)量結(jié)果Fig.6 The measurement results of the diameter and braid angle of braided rope B and C series
從圖1和圖6可以看出,同一種線密度長(zhǎng)絲的編織繩,隨著編織節(jié)距的增大,直徑和編織角逐漸減小,編織的緊密程度越來(lái)越低。這是因?yàn)榫幙椆?jié)距越大,纖維與繩索軸向偏離的角度越小,繩索在相同長(zhǎng)度內(nèi)的交織點(diǎn)越少、股紗越長(zhǎng),直徑和編織角就越小。從編織實(shí)際效果來(lái)看,編織繩B6、B7、C4、C5、C6的結(jié)構(gòu)比較松散,編織效果較差;B1和C3的區(qū)別為編織結(jié)構(gòu),B1為2×2編織結(jié)構(gòu),C3為1×1編織結(jié)構(gòu),可以看出2×2編織結(jié)構(gòu)的編織繩在相同編織節(jié)距下比1×1編織的直徑要小。在本試驗(yàn)范圍內(nèi),若要編織緊密、均勻的編織繩,使用12股線密度為55.5 tex的PI長(zhǎng)絲編織時(shí),編織節(jié)距應(yīng)控制在16 mm以?xún)?nèi),使用6股線密度為111.1 tex的PI長(zhǎng)絲編織時(shí),編織節(jié)距控制在7 mm以?xún)?nèi)。因此,符合本文直徑編織要求的編織繩為B3、C1、C2。
2.2.2 直徑-節(jié)距、編織角-節(jié)距擬合方程
采用Origin軟件對(duì)編織繩直徑、編織角與節(jié)距進(jìn)行擬合,擬合回歸方程如表7和表8所示。通過(guò)擬合回歸方程得到直徑、編織角與節(jié)距的關(guān)系。其中,R2表示總離差平方和中可以由回歸平方和解釋的比例,R2介于0和1之間,越接近1,擬合效果越好,一般認(rèn)為超過(guò)0.8的模型擬合優(yōu)度比較高。
表7 編織繩B、C系列直徑與編織節(jié)距擬合回歸方程
表8 編織繩B、C系列編織角與編織節(jié)距擬合回歸方程
2.3.1 編織節(jié)距對(duì)編織繩斷裂強(qiáng)力的影響
編織節(jié)距對(duì)B、C系列PI編織繩斷裂強(qiáng)力的影響如圖7所示。
圖7 編織繩B、C系列斷裂強(qiáng)力測(cè)試結(jié)果Fig.7 Test results of breaking strength of braided rope B and C series
從圖7可以看出,同種線密度的PI編織繩,隨著編織節(jié)距的增加,斷裂強(qiáng)力不斷增加,但增加程度逐漸減小,當(dāng)編織節(jié)距增加到一定值時(shí),曲線趨于平緩。這是因?yàn)榫幙椆?jié)距增大使得編織角減小,從而分散到編織繩軸向的抗拉強(qiáng)力增大,編織繩的強(qiáng)力也增大。對(duì)比編織繩B和C系列,當(dāng)節(jié)距相同時(shí),C系列斷裂強(qiáng)力大于B系列,表示1×1編織結(jié)構(gòu)的編織繩的強(qiáng)度大于2×2編織結(jié)構(gòu),原因可能是相同長(zhǎng)度內(nèi)1×1編織結(jié)構(gòu)的交織點(diǎn)更少,因而束纖維的強(qiáng)度利用率更高。以上方案中,編織繩C2的斷裂強(qiáng)力為1 226 N,在直徑為0.9~1.1 mm的編織繩中強(qiáng)力最高。
2.3.2 編織節(jié)距對(duì)編織繩斷裂伸長(zhǎng)率的影響
編織節(jié)距對(duì)B、C系列PI編織繩斷裂伸長(zhǎng)率的影響如圖8所示。
圖8 編織繩B、C系列斷裂伸長(zhǎng)率測(cè)試結(jié)果Fig.8 Test results of breaking elongation of braided rope B and C series
從圖8可以看出,隨著編織節(jié)距的增大,編織繩的斷裂伸長(zhǎng)率逐漸減小,斷裂伸長(zhǎng)率與編織節(jié)距呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,并趨于一定值。這是因?yàn)榫幙椑K的伸長(zhǎng)是股紗中單絲的伸長(zhǎng)以及纖維自身大分子滑移產(chǎn)生的伸長(zhǎng)的總和,隨著編織節(jié)距的增大,編織繩的緊密程度降低,相同長(zhǎng)度的編織繩包含的股紗長(zhǎng)度較短,在受力拉伸時(shí),伸長(zhǎng)率逐漸減小,最終趨于一定值。在相同編織節(jié)距下,編織繩C系列的斷裂伸長(zhǎng)率明顯小于編織繩B系列的斷裂伸長(zhǎng)率。以上方案中,編織繩C2的斷裂伸長(zhǎng)率為5.73%,在直徑為0.9~1.1 mm的編織繩中斷裂伸長(zhǎng)率最小。
2.3.3 斷裂強(qiáng)力-節(jié)距、斷裂伸長(zhǎng)率-節(jié)距擬合方程
采用Origin軟件進(jìn)行不同線密度PI編織繩斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)率與編織節(jié)距的擬合,擬合回歸方程如表9和表10所示。
表9 編織繩B、C系列斷裂強(qiáng)力與編織節(jié)距擬合回歸方程
表10 編織繩B、C系列斷裂伸長(zhǎng)率與編織節(jié)距擬合回歸方程
(1)長(zhǎng)絲線密度越大則其剛度越大且越不易編織。耐磨損試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),111.1 tex的PI長(zhǎng)絲在編織過(guò)程中的表面磨損最小,在保證正常編織前提下,牽伸力不宜過(guò)大,編織速度對(duì)長(zhǎng)絲性能幾乎沒(méi)影響。
(2)隨著編織節(jié)距的增加,長(zhǎng)絲排列的緊密程度下降,編織繩直徑和編織角逐漸減小,最終趨于一定值;對(duì)直徑-節(jié)距、編織角-節(jié)距進(jìn)行線性函數(shù)擬合,擬合程度超過(guò)0.9。
(3)當(dāng)編織節(jié)距增加時(shí),斷裂強(qiáng)力增加,斷裂伸長(zhǎng)率減小,當(dāng)編織節(jié)距增大到一定值時(shí),斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率趨于一定值,對(duì)拉伸性能與編織節(jié)距進(jìn)行指數(shù)型函數(shù)擬合,擬合程度超過(guò)0.9。同種編織節(jié)距下,對(duì)比B和C系列編織繩,C系列的斷裂強(qiáng)力更大,斷裂伸長(zhǎng)率更小,力學(xué)性能更好。
(4)綜合直徑為0.9~1.1 mm的編織繩,當(dāng)PI長(zhǎng)絲線密度為111.1 tex和編織節(jié)距為5 mm時(shí),編織繩強(qiáng)力為1 226 N,斷裂伸長(zhǎng)率為5.73%,編織繩結(jié)構(gòu)緊密且力學(xué)性能最優(yōu)。