蔣高明 顧璐英

針對國內(nèi)外多軸向技術(shù)蓬勃發(fā)展的現(xiàn)象,通過對多軸向經(jīng)編織物生產(chǎn)設(shè)備、織物結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用等方面進(jìn)行調(diào)查研究,闡述了多軸向經(jīng)編技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀,提出了今后發(fā)展和壯大我國多軸向經(jīng)編業(yè)的各項策略。

For the booming phenomenon of the multi-axial technology at home and abroad, some investigation was done on the production equipment of multi-axial warp-knitted fabrics, the fabric structure and its application. Based on these, the application and development status was stated, and the strategy concerning the development and growth of China' s multi-axial warp-knitted industry was also pointed out.

多軸向經(jīng)編技術(shù)是一種新型、高效的預(yù)定向編織技術(shù),在國外已得到廣泛推廣和應(yīng)用,在國內(nèi)正處于起步階段,其進(jìn)一步發(fā)展是業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的焦點。目前,多軸向經(jīng)編技術(shù)的相關(guān)產(chǎn)品正逐漸滲透于國民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè),表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?擁有廣闊的市場前景。

1多軸向經(jīng)編織物生產(chǎn)設(shè)備

經(jīng)編設(shè)備的技術(shù)水平、質(zhì)量和制造成本與經(jīng)編工業(yè)的發(fā)展息息相關(guān)。自1981年世界上第一臺Copcentra多軸向經(jīng)編機在Liba(利巴)問世以來,先進(jìn)的工業(yè)國家對它的生產(chǎn)和加工技術(shù)等開展廣泛研究,并取得了一定的成果。德國Karl Mayer(卡爾?邁耶)公司和Liba公司作為世界上先進(jìn)的經(jīng)編機械生產(chǎn)商,其在多軸向經(jīng)編機領(lǐng)域的研究處于世界前列。早前,Karl Mayer公司曾推出RS2DS型拉舍爾多軸向襯緯經(jīng)編機,該機器在編織多軸向織物時, 織得的布面清晰,但因鋪線最多只能 4 層, 而且機器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,機速只有400 r/min,生產(chǎn)效率低,現(xiàn)已淘汰。隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展,多軸向經(jīng)編機不斷推陳出新,現(xiàn)今常用的多軸向經(jīng)編機主要有Karl Mayer公司的Malimo Multiaxial系列和Liba公司的Copcentra MAX 3 CNC系列,兩公司的機器在生產(chǎn)和設(shè)計方面各有千秋。

1.1Karl Mayer公司Malimo Multiaxial型

Karl Mayer的Malimo Multiaxial型設(shè)備技術(shù)含量高,導(dǎo)紗梳櫛穩(wěn)定性的提高以及襯緯紗架的合理設(shè)計,使得機器的速度可達(dá) 1 400 r/min,相應(yīng)的產(chǎn)量達(dá)到 240 m/h。

成圈系統(tǒng)(圖 1)采用ST導(dǎo)紗片(針),有利于拉緊布面,也利于梳理和分開襯經(jīng)紗,防止編織時刺傷纖維層。編織點的巧妙設(shè)計使得機器在對玻璃纖維進(jìn)行生產(chǎn)時磨損少,結(jié)構(gòu)堅固,適合襯入較厚的紗層。

該機的襯緯系統(tǒng)由伺服電機獨立傳動,進(jìn)行襯緯紗之間的相互連接同時形成所需要的軌跡,襯緯紗的角度可在 -45°到 +45°之間變化,標(biāo)準(zhǔn)配置是 6 層,±45°/0°/90°,一層短切氈(機后),一層非織造布(機前)。積極式的襯緯方式,使得布邊損耗較傳統(tǒng)機器(尤其是高速機器)少。

同時,該機在生產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品時,使用了帶有單紗張力補償裝置的特殊筒子架,緯紗引入織物時保證紗線平行而幾乎無損傷,張力較均勻。隨著技術(shù)的進(jìn)一步提高,該機的產(chǎn)品范圍進(jìn)一步擴大,可以生產(chǎn)各種工藝底布,用于風(fēng)輪葉片、車船部件、高壓容器和運動裝備等。

為了加快玻璃纖維復(fù)合材料市場的不斷發(fā)展以及滿足企業(yè)對馬里莫經(jīng)編機的大量需求,Karl Mayer推出了Multiaxial系列的新一代多軸向經(jīng)編機Malitronic。該機設(shè)計新穎、合理,生產(chǎn)效率、操作性能和織物品質(zhì)達(dá)到前所未有的水平,深受各國青睞。

1.2Liba公司Copcentra MAX 3 CNC型

Liba公司的Copcentra MAX 3 CNC型機器的所有功能均為電腦控制;織針機件以外的所有運動均由伺服電機驅(qū)動;織物的各種變化,尤其是鋪層角度的調(diào)整,均由中央電腦控制。在鋪緯方式方面,兩公司的機器略有不同。Liba機器的鋪緯是由鋪緯滑軌運動、傳輸鏈運動、鋪緯小車運動三 者的合成(圖 2),只需改變?nèi)叩乃俣染湍鼙容^方便地改變鋪緯角度。而Karl Mayer機器是通過傳輸鏈運動和鋪緯小車運動的合成來形成所需的角度,在角度變換時還需對導(dǎo)軌進(jìn)行機械操作,比較費時。

此外,Liba機器每一紗層的運動完全可以通過程序設(shè)計在 -20°到 +20°之間變化,這與Karl Mayer的 -45°到 +45°相比有所改進(jìn),機器的標(biāo)準(zhǔn)傳送架可以生產(chǎn) 2 個 45°襯緯和 1 個 90°襯緯,也可按需要進(jìn)行長度延伸,延伸后的傳送架最多可襯入 7 層襯緯紗、1 層襯經(jīng)紗、1 層纖維網(wǎng)。

同時,Liba機器還采用了其獨特的移動復(fù)合針系統(tǒng)(圖3),使得復(fù)合針除了在垂直方向上下運動外,還在水平方向(即織物喂入方向)運動,從而減小了編織過程中織針的負(fù)荷,減少了織針與紗線的摩擦,減少了穿刺造成孔洞的可能性,在很大程度上提高了織物的生產(chǎn)效率,改善了織物的質(zhì)量。

據(jù)報道,Liba公司已成功推出了用于碳纖維產(chǎn)品生產(chǎn)的Copcentra MAX 5 CNC Carbon機型。由于碳纖維在織造過程中易產(chǎn)生具有導(dǎo)電性的碳粉,會導(dǎo)致機器及生產(chǎn)環(huán)境中的帶電設(shè)備爆炸等危險情況發(fā)生,因此該類多軸向經(jīng)編機帶有特殊的密封裝置。在生產(chǎn)過程中,碳纖維增強紗線的鋪緯角度可以在 -45°、90°、+45°、0°等角度之間變化,鋪緯層數(shù)和原料規(guī)格也可以自由選擇,織物品種較豐富。

1.3國內(nèi)多軸向經(jīng)編機

多軸向經(jīng)編機的生產(chǎn)技術(shù)在國內(nèi)起步較晚,1996年由原天津紡織工學(xué)院與武進(jìn)紡織機械廠協(xié)作,研制成功國內(nèi)第一臺圓型多軸向經(jīng)編機,類似于Karl Mayer的RS2DS型經(jīng)編機,由于速度太低,未能得到推廣。2008年,常州潤源經(jīng)編機械有限公司成功研發(fā)了第一臺國產(chǎn)智能化控制的 RCD – 1型多軸向經(jīng)編機,該設(shè)備集電腦控制的多軸向鋪緯技術(shù)、多連桿式可移動(織針坯布隨動)成圈技術(shù)、織物恒張力收卷技術(shù)、多速電子送經(jīng)技術(shù)等于一體。最高機速可達(dá) 1 000 r/min,其鋪緯方式與Liba機器相似,鋪緯角度變化范圍為 -20°到 +20°,已接近國外先進(jìn)鋪緯水平。它的誕生極大地推動了我國對多軸向生產(chǎn)設(shè)備的研發(fā),同時也為多軸向經(jīng)編織物的生產(chǎn)和研究提供了先進(jìn)的手段。然而,鑒于我國基礎(chǔ)工業(yè)相對落后,機械加工能力普遍不高,仍需大量進(jìn)口國外先進(jìn)的經(jīng)編設(shè)備。

2多軸向經(jīng)編織物結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

2.1多軸向經(jīng)編織物結(jié)構(gòu)

多軸向經(jīng)編(Multi – axial Warp – Knitted,簡稱為MWK)織物是可以在 0°、90°和θ方向(θ在-20°～+20° 之間變化)襯入襯經(jīng)、襯緯和軸向增強紗線,最多可達(dá) 8 層(7 層緯紗、1 層經(jīng)紗),再加纖網(wǎng),然后通過經(jīng)編組織(編鏈、經(jīng)平、編鏈+經(jīng)平)將多層紗線綁縛在一起而形成的一種多層織物。圖 4 為一種典型的四軸向經(jīng)編織物結(jié)構(gòu)圖,從圖 4 可以看出,4 組襯紗的襯入次序和方向依次為:90°/0°/-30°/+30°,綁縛組織采用經(jīng)平組織。

在多軸向經(jīng)編織物的形成過程中,用于編織的紗線在成圈機構(gòu)的作用下,穿過整個織物,在厚度方向?qū)⑺蓄A(yù)先鋪設(shè)好的承載紗精確地束縛在一起(圖 5)?？椢锟v向、橫向、斜向的穩(wěn)定性和強度可分別由襯經(jīng)紗、襯緯紗和在-20°到 +20°之間可變角度的軸向紗提供。

2.2多軸向經(jīng)編織物應(yīng)用

由于增強紗線在多軸向經(jīng)編織物中是以一定角度平行、伸直、無卷曲地襯入,而不像機織物中經(jīng)緯紗相互交織而呈波浪狀,從而能夠充分發(fā)揮增強紗線的力學(xué)性能。實踐證明,多軸向經(jīng)編織物特有的結(jié)構(gòu)特點賦予其諸多優(yōu)勢,如織物的抗拉強力高、彈性模量高、懸垂性好、可設(shè)計性強、抗撕裂性能好、原料的適應(yīng)性好、生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高等。近年來,多軸向經(jīng)編織物常作為復(fù)合材料的增強材料,廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、航空航天、船艇制造、建筑工程等許多領(lǐng)域。

2.2.1風(fēng)力發(fā)電

多軸向經(jīng)編增強材料因其獨特的性能越來越多地被用于制造風(fēng)力發(fā)電葉片(圖 6)。通常,在葉片蒙皮設(shè)計時,可根據(jù)受力的不同來選擇織物結(jié)構(gòu)(單軸向、雙軸向、多軸向)。多軸向織物主要是用在葉片根部,利用 40 多層織物的合理鋪設(shè)來承受由扭矩產(chǎn)生的剪切力。在Karl Mayer機號為9F(針/25mm)的Multiaxial型機器上生產(chǎn)的一種三軸向織物,襯紗均采用 3 000 dtex玻璃纖維紗,襯入順序為 +45°/ -45°/0°,成圈紗采用 76 dtex/24f的高強滌綸紗,并通過經(jīng)平組織將它們綁縛起來。隨后可將該織物與新型的復(fù)合成型工藝,如RTM、VARTM等工藝結(jié)合起來制成高性能多軸向經(jīng)編復(fù)合材料,用于風(fēng)力發(fā)電葉片的生產(chǎn)。目前,風(fēng)力發(fā)電葉片正朝著大型化、輕量化、高性能、低成本方向發(fā)展,世界上發(fā)達(dá)國家制造的葉片長度已達(dá)到 60 多米,加長型的風(fēng)力發(fā)電葉片需要高強、高模、輕質(zhì)型的材料,而多軸向經(jīng)編織物正是迎合了這一需求,且能完全符合大型葉片對蒙皮材料的各項性能要求,因此具有很大的發(fā)展前景。

2.2.2航空航天

航空航天工業(yè)是纖維增強復(fù)合材料最新進(jìn)入的領(lǐng)域,也一直是多軸向經(jīng)編織物重要的應(yīng)用領(lǐng)域。早在1992年,碳纖維多軸向經(jīng)編增強材料就已成功運用于空客A320上,與以往使用的金屬材料相比較,使用這種纖維復(fù)合材料能使機身重量減輕約 20%。另外,利用該增強復(fù)合材料還可以將具有不同形狀的構(gòu)件組合在一起,預(yù)制成有限的幾個外形復(fù)雜的組合構(gòu)件,在空客A320上只需要組裝 96 個這樣的組合構(gòu)件,而同樣的鋁制結(jié)構(gòu)則需要 2 072 個。

2.2.3船艇制造

用于船艇制造的多軸向經(jīng)編織物通常以玻璃纖維、碳纖維、芳綸等為原料,同時結(jié)合新型的成型和復(fù)合技術(shù),這樣形成的產(chǎn)品除了可減少紗線的使用量以及減輕船體重量外,還可以減少合成樹脂的用量、縮短浸漬時間等。Karl Mayer Malimo(卡爾邁耶馬利莫)公司曾聯(lián)合德累斯頓大學(xué)和開姆尼茨Saxon紡織研究所采用玻璃纖維多軸向經(jīng)編織物作為骨架材料,開發(fā)了一艘尺寸為 4 090 mm × 730 mm × 320 mm、船體厚度只有 2 ～ 3 mm、重量僅為 27 kg的輕質(zhì)高強的玻璃鋼船?？梢哉f,用玻璃纖維多軸向經(jīng)編織物生產(chǎn)的船只與其它材質(zhì)船只相比具有更多優(yōu)點,它質(zhì)量輕、船速快、節(jié)油、抗碰撞和抗風(fēng)浪性能好,耐腐蝕以及抗老化性好。用強度相同的多軸向經(jīng)編織物替代機織物生產(chǎn)游艇,可節(jié)省 30% 的玻璃纖維,使游艇生產(chǎn)者獲得相當(dāng)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。多軸向經(jīng)編織物在船艇制造上的大量應(yīng)用,無疑給多軸向經(jīng)編增強材料的生產(chǎn)企業(yè)帶來了無限的商機。

2.2.4建筑工程

近年來,多軸向經(jīng)編織物正越來越多地用在增強混凝土上,用于重建和修復(fù)建筑物。在馬利莫7F機器上可以生產(chǎn)這種增強織物,常用的是四軸向織物,在其縱向(0°)、橫向(90°)和斜向(±45°)都有增強紗線。增強的具體方法是在混凝土立柱的整個長度方向上包覆一層該多軸向經(jīng)編增強織物,這樣可以恢復(fù)其穩(wěn)定性,同時還能夠抵御扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和彎曲應(yīng)力,如圖 7 所示。

2.2.5其他應(yīng)用

近年來,多軸向經(jīng)編增強材料還大量應(yīng)用于交通運輸中的火車機車殼體、車用夾芯板;軍用工程中的防彈服、防彈頭盔;體育運動器材中的滑雪板、沖浪板等。

3多軸向經(jīng)編技術(shù)發(fā)展策略

多軸向經(jīng)編技術(shù)在產(chǎn)業(yè)用紡織品領(lǐng)域是一個相對較新的發(fā)展方向,目前正處于急速上升階段,具有良好的發(fā)展前景。然而,我國的多軸向經(jīng)編技術(shù)尚處于起步階段,為了盡快趕上或接近世界先進(jìn)水平,需要采取一系列發(fā)展策略。

(1)制定合理規(guī)劃

我國多軸向經(jīng)編技術(shù)基礎(chǔ)相對薄弱,發(fā)展該技術(shù)是一項長期而艱巨的任務(wù),需要科研機構(gòu)和企業(yè)統(tǒng)籌兼顧,制定合理的發(fā)展規(guī)劃,切忌急于求成,盲目隨從。近年來,隨著航空航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展,對各種新型增強材料的需求日益增多,碳纖維低密度、高強度、高模量、耐高溫的性能特點使其成為制造航空航天器材的理想材料之一。為此,我國應(yīng)從實際情況出發(fā),制定相應(yīng)的政策措施,不斷加強對碳纖維多軸向經(jīng)編增強復(fù)合材料的研究,進(jìn)一步推動我國多軸向經(jīng)編技術(shù)在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用。

(2)引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備

積極引進(jìn)國外先進(jìn)的多軸向設(shè)備;消化、吸收國外一流的機械設(shè)計和制造技術(shù);加強研發(fā)投入,生產(chǎn)出具有高附加值、高技術(shù)含量多軸向生產(chǎn)設(shè)備。由于目前國產(chǎn)的多軸向經(jīng)編機大都只適用于滌綸、玻璃纖維的生產(chǎn),用于碳纖維產(chǎn)品生產(chǎn)的多軸向經(jīng)編機在國內(nèi)幾乎是空白。因此,國內(nèi)的各科研機構(gòu)和企業(yè)應(yīng)加強合作,不斷消化和吸收國外先進(jìn)的碳纖維多軸向生產(chǎn)設(shè)備的各項技術(shù),研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的碳纖維多軸向經(jīng)編機,從而不斷提升我國多軸向經(jīng)編裝備的整體水平。

(3)加強技術(shù)交流

多軸向經(jīng)編技術(shù)在國外已比較成熟,應(yīng)用領(lǐng)域也比較廣泛,而在國內(nèi)才剛剛開始,因此國內(nèi)的專業(yè)人士應(yīng)積極參加國內(nèi)外各種展會和技術(shù)交流會,收集更多的信息,力求運用最新、最佳的技術(shù)手段來發(fā)展和壯大我國的多軸向經(jīng)編業(yè)。

(4)培養(yǎng)優(yōu)秀人才

多軸向經(jīng)編技術(shù)融合了紡織、材料、力學(xué)等多門學(xué)科知識,因此高等院校應(yīng)有計劃地培養(yǎng)出具有多學(xué)科技能的交叉型、復(fù)合型人才,為我國多軸向經(jīng)編技術(shù)的發(fā)展注入新的活力。

4結(jié)語

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,各領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅芤蟮牟粩嗵岣?多軸向技術(shù)正逐漸成為滿足紡織復(fù)合材料質(zhì)量輕、強度高、效益好的一種新型的制造技術(shù),表現(xiàn)出無限的發(fā)展?jié)摿?。目?在我國這一技術(shù)還不成熟,但是我們堅信,在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的浪潮下,在經(jīng)編業(yè)內(nèi)人士的共同努力下,我國多軸向經(jīng)編技術(shù)必將朝著更科學(xué)、更經(jīng)濟(jì)、更實用的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 王玉柱,邱冠雄,施鴻才. 經(jīng)編織物進(jìn)人復(fù)合材料基布領(lǐng)域[J]. 產(chǎn)業(yè)用紡織品,1992,10(1):11 – 13.

[2] 蔣高明. 現(xiàn)代經(jīng)編工藝與設(shè)備(1版)[M]. 北京:中國紡織出版社,2004:433.

[3] 董韻,李煒. 經(jīng)編多軸向織物[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料,2006(1):56 – 57.

[4] 魏光群,蔣高明. 多軸向經(jīng)編機鋪緯運動對緯紗張力的影響[J]. 紡織科技進(jìn)展,2008(3):19 – 20.

[5] 蔣高明. 多軸向經(jīng)編復(fù)合材料的開發(fā)應(yīng)用[J]. 上海紡織科技,1996(3):37 – 38.

[6] 周榮星,陳明珍. 經(jīng)編多軸向技術(shù)及其在復(fù)合材料中的應(yīng)用[J]. 武漢紡織工學(xué)院學(xué)報,1999,12(3):83 – 84.

[7] 呂青,胡紅,王文祖. 新型產(chǎn)業(yè)用針織結(jié)構(gòu)的特點及其應(yīng)用[J]. 產(chǎn)業(yè)用紡織品,2006(6):40 – 41.