徐海燕，張 艷

（泉州師范學(xué)院，福建 泉州362000）

高性能纖維具有高強(qiáng)、高模、抗熱、輕質(zhì)等特點(diǎn)［1］，這些優(yōu)良的性能使其成為復(fù)合材料中重要的增強(qiáng)纖維，目前應(yīng)用較廣泛的高性能纖維有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、高強(qiáng)高模聚乙烯纖維［2］等.由于針織結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的性能，如彈性及懸垂性能佳、易形成復(fù)雜形狀、能量吸收高、近凈成形性［3］等，近年來針織結(jié)構(gòu)在先進(jìn)復(fù)合材料方面的應(yīng)用不斷增多［4］.目前，對于高性能纖維針織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的研究主要集中于其最終復(fù)合材料的性能，而對于其在生產(chǎn)針織預(yù)型件過程中的紗線的可編織性方面的研究卻不多，但是紗線的可編織性直接影響到最終復(fù)合材料的性能.隨著針織結(jié)構(gòu)高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用，其在針織過程中比服用紗線更難編織等問題越來越突出，因此，對于高性能紗線可編織性的基礎(chǔ)研究顯得尤為重要.

1 紗線可編織性的定義

1967年Knapton J J F在研究羊毛紗線的緯編織物時提出，可編織性是在設(shè)定織物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)下，利用記錄織物中單位長度上的疵點(diǎn)來表征的.可編織性在英語中有2種表示：Knitting Performance和Knittability，現(xiàn)在多用后者［5］.后者被定義為在給定的線圈長度上紗線編織成針織物的難易程度.這個表述不是一個準(zhǔn)確界定的術(shù)語或可測量的參數(shù).

1975年P(guān)ietikainen I認(rèn)為影響紗線可編織性的因素可以分為3組：第一組為紗線從紗筒到紗線喂入口的影響，包括以何種方式引紗、何種裝置引紗以及紗線變量；第二組為針織過程的影響，包括紗線變量、機(jī)械性能、編織參數(shù)和織物參數(shù)；第三組為隱藏紗疵的影響，其中不包括影響針織過程的紗疵［6］.

一般認(rèn)為，可編織性是紗線在針織過程中的性能，以及編織的難易性即紗線能否順利編織成針織面料.1978年Nigam J K指出，可編織性也被認(rèn)為是與針織機(jī)械和紗線性能相關(guān)的組合函數(shù)，其中與織物中針織線圈的長度有最顯著的關(guān)系［7］.

2007年Dhurai B等認(rèn)為，可編織性實(shí)際上是通過測試針織機(jī)械的效率得到的，同時可編織性好說明在針織過程中有較低的非計(jì)劃停機(jī)時間以及織物的疵點(diǎn)率較低.如若每100碼中織物的疵點(diǎn)較少，則說明紗線較容易編織［8］.

2008年Kretzschmar S D等認(rèn)為，可編織性是影響針織機(jī)的停機(jī)率、針織物的質(zhì)量和生產(chǎn)費(fèi)用的一個因素［9］.

紗線的可編織性是所有性能中最難以表征的性能，這種性能不能被直接測出［10］.因此，對于可編織性的定義，目前還未形成統(tǒng)一的概念.另外，目前關(guān)于紗線可編織性的闡述，主要還是一種定性的表達(dá)，仍然沒有一個嚴(yán)格的、準(zhǔn)確界定的術(shù)語或可測量的參數(shù).

2 紗線可編織性的表征

2.1 利用觀察法進(jìn)行表征

紗線的可編織性可通過觀察和記錄織物表觀疵點(diǎn)（包括針織過程中的紗線斷頭、紗線起毛、織物破洞或者線圈歪斜等）的數(shù)量來表征［4，8，11－12］，或者通過觀察針織過程中織機(jī)的停機(jī)率、針織元件的損傷程度來表征.然而前者主要是針對可以順利編織的普通紗線進(jìn)行表征.由于高性能紗線在針織過程中往往存在編織困難和大量毛絲、斷頭等問題［13］，對于紗線損傷的程度很難用斷頭率這樣的指標(biāo)來考核（有些紗線雖然沒斷，但是其強(qiáng)力已經(jīng)大大降低，其可編織性同樣很差）.同時，通過觀察織物表觀疵點(diǎn)（如紗線起毛等）［14］和針織元件的損傷程度這些指標(biāo)對可編織性進(jìn)行表征，僅僅能給出定性的比較，不夠準(zhǔn)確.

2.2 利用針織物的物理性能進(jìn)行表征

Nigam J K利用紗線可編織的最小和最大線圈長度之間的編織范圍來衡量可編織性，當(dāng)小于最小線圈長度時，織物會發(fā)生脫圈；當(dāng)大于最大線圈長度時，織物會產(chǎn)生孔洞.若可編織的線圈長度的范圍越寬，則表明針織時可選擇的參數(shù)范圍越寬，可編織性越好［7］.

Dhurai B等通過在FAK試驗(yàn)機(jī)上測試不同的輸入張力下紗線編織的實(shí)際線圈長度，以及在輸入張力和機(jī)速一定的情況下編織最大緊度的織物來間接地反映紗線的可編織性，即用所編織針織物的尺寸來間接地反映紗線的可編織性［8］.Savci S等也認(rèn)為紗線可編織性與可獲得的最緊密織物的結(jié)構(gòu)相關(guān)，因?yàn)獒樋棛C(jī)械受到特種紗線原料和針織設(shè)計(jì)的限制，使得可編織的針織物密度受到限制［4］.

用可編織的針織物的實(shí)際線圈長度的范圍或可編織的最緊密織物的密度對可編織性進(jìn)行表征，是一種定量的方法.但用此方法表征高性能纖維的可編織性的前提是必須先編織出高性能纖維針織物，而高性能纖維難以編織，因而表征存在一定的問題.

2.3 利用針織過程中紗線所受的張力進(jìn)行表征

1967年Knapton J J F在研究羊毛的可編織性時將可編織性與紗線彎曲成線圈所做的功聯(lián)系在一起，他把針織機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)編織時做的總功T分成3類：紗線彎曲成線圈所做的功Ty，針筒空轉(zhuǎn)所做的功Tn，為針筒克服固有的摩擦阻力所做的功Tr［5，15］，可用公式（1）表示.

同時，Knapton J J F給出了Ty的預(yù)測值，用數(shù)學(xué)公式表達(dá)為［16－17］：

其中，d為織針在編織點(diǎn)低于沉降片的深度；r2為針筒的半徑；μ為織針與織針三角表面的摩擦系數(shù)；∑Pf（x）為紗線的張力垂直作用于織針的力之和；p為針間距；θ為織針三角的傾斜角.

從公式（2）得出：Ty∝∑Pf（x）.因此用設(shè)備測得的功實(shí)際上是紗線在成圈過程中紗線所受力的總和的體現(xiàn)，紗線所受的力的總和越大，在一定程度上編織越困難.所以，Ty可以在一定程度上來表征紗線的可編織性.

1968年Knapton J J F對羊毛的可編織性做了進(jìn)一步研究［15］，研究中發(fā)現(xiàn)，在編織羊毛時，當(dāng)輸入張力Tl的值小于20g時，μm與Ty呈線性關(guān)系，記為（其中μ 為舊線圈與針桿的摩擦系數(shù)），并m把Ck定義為可編織性因素，Ck的值因紗線種類的不同而大不相同.這個新的可編織因素可用于判斷不同紗線的物理機(jī)械性能對可編織性的影響，對可編織性進(jìn)行表征，但是這方面的內(nèi)容未被進(jìn)一步證實(shí).同時對方程（2）進(jìn)行改進(jìn)，考慮退繞在針桿上的舊線圈對織針進(jìn)行編織時的影響，從而得到了以下的方程：

其中，Pk為舊線圈對紗線的作用力.

從公式（3）可得出以下關(guān)系：

公式（4）進(jìn)一步完善了彎紗成圈過程中紗線受力情況與Ty的關(guān)系.但是，高性能纖維斷裂是由于突然受到張力峰值而發(fā)生斷裂，而在這種研究過程中只是對紗線總體所受的力進(jìn)行研究，所以對高性能纖維可編織性的表征不夠準(zhǔn)確.

Nigam J K研究了合成變形紗緯編過程中的可編織性，利用紗線在針織時能達(dá)到的最大輸入張力（下機(jī)張力和線圈長度為定值）和最大下機(jī)張力（輸入張力和線圈長度為定值）來判斷可編織性［7］.不同的紗線在一定的張力下編織時會產(chǎn)生孔洞，從而就得出一個極限張力，低于此張力，織物可以順利編織，從而每種織物都有一個最大的輸入張力和下機(jī)張力.最大輸入張力和最大下機(jī)張力兩者之和越大，紗線的可編織性越好.可編織性與最大輸入張力和最大下機(jī)張力的關(guān)系式為：

其中，Kp用于表征可編織性；ti是最大輸入張力；td是最大下機(jī)張力.這種表征方法也未能對編織過程中紗線的波動進(jìn)行研究，對于高性能纖維的可編織性表征不夠準(zhǔn)確.

Koo Y S通過模擬緯編編織條件來模擬紗線在織針上的張力變化，如圖1所示［18］.他通過改變不同的條件來觀察張力的變化，從而得出針織機(jī)機(jī)號、紗線喂入角度等是影響紗線張力的因素，但是他未研究利用張力對可編織性進(jìn)行表征的問題.

圖1 模擬緯編編織條件下測試紗線張力的示意圖

Liu S等選取影響纖維可編織性的因素之一的彎曲性能作為研究的基礎(chǔ)，通過觀察紗線在整個編織過程中的彎曲半徑來研究紗線的可編織性［19］.紗線由于自身的性能特點(diǎn)，在受力時發(fā)生彎曲；同時由于針織過程的特點(diǎn)，使得在一個針織循環(huán)內(nèi)紗線的曲率半徑不斷發(fā)生變化.Liu S等利用圖像處理和多項(xiàng)式最小二乘法模擬將一個緯編針織循環(huán)過程中線圈的曲率半徑變化模擬出來.在一個針織循環(huán)內(nèi)，將模擬的線圈曲率半徑作為縱坐標(biāo)，織針高度作為橫坐標(biāo)，得出相應(yīng)的圖像.通過利用碳纖維和高強(qiáng)高模聚乙烯2種原材料進(jìn)行緯編針織和模擬，發(fā)現(xiàn)碳纖維的曲率半徑的波動范圍大，而且有回調(diào)的過程；而實(shí)際編織過程中碳纖維的編織比高強(qiáng)高模聚乙烯的編織要困難.這樣通過整個緯編編織過程研究紗線的可編織性，可編織性只是一種定性的表征，不夠準(zhǔn)確.

高性能纖維在編織過程中由于達(dá)到某一突然張力峰值而使紗線發(fā)生斷裂或使針織元件受到損傷，從而使其發(fā)生編織困難，因此利用紗線在編織過程中受到的力來表征可編織性有一定的價值.但是在針織編織過程中紗線的張力是不斷變化的，因此對這方面的研究存在一定的困難.也有學(xué)者通過模擬實(shí)際針織過程中紗線的受力來研究其可編織性，但是這方面的研究往往忽略了舊線圈對織針的影響，從而降低了準(zhǔn)確性.因此，目前利用紗線在編織過程中受到的力來表征可編織性不夠準(zhǔn)確.

2.4 利用針織過程中纖維的損傷情況進(jìn)行表征

Hu H等對玻璃纖維在緯編過程中的損傷程度進(jìn)行研究，通過測試編織前后紗線的強(qiáng)力，得到紗線在編織過程中的強(qiáng)力損失，用于定量估計(jì)玻璃纖維損傷程度［14］.玻璃纖維的損傷程度被定義為：

其中，DBF是纖維的損傷率；T0和T1為編織前、后紗線的強(qiáng)力.雖然這種表征方法有一定的準(zhǔn)確性，但是比較麻煩，同時難免在測試編織后的紗線的強(qiáng)力時由于從針織結(jié)構(gòu)中拆出紗線而使實(shí)際測得的強(qiáng)力值偏低.

劉曉明等通過模擬紗線在經(jīng)編過程受到拉伸力、彎曲力和摩擦力的作用，利用聲發(fā)技術(shù)測試?yán)w維的損傷情況［20－21］，從而模擬測試了玻璃纖維在編織過程中的損傷情況及機(jī)理，給出了另一種研究紗線可編織性的方法，同時為改善紗線的可編織性提供了依據(jù).

對于普通紗線來說，在編織過程中幾乎沒有什么損傷.而對于高性能紗線，研究表明，針織后紗線的機(jī)械性能有很大程度的下降［22－23］，因而此方法較為適合于高性能紗線可編織性的表征.但是此方法較為麻煩，需要編織好一定數(shù)量的織物試樣.目前，可以借助模擬針織過程的試驗(yàn)來測試?yán)w維的損傷，從而克服這方面的弱點(diǎn).

2.5 利用紗線基本性能進(jìn)行表征

Sasaki T等于1975年提出了用于預(yù)測紗線可編織性的方法［24］.他們認(rèn)為緯編針織過程中編織紗線的張力是對可編織性影響最大的因素，從而找出了7個與之相關(guān)的因素：①抗退繞張力；②紗線間摩擦力；③紗線與織針的摩擦力；④紗線的彎矩；⑤強(qiáng)力和伸長；⑥紗線的彈性模量；⑦紗線的條干均勻性.由于對因素①－④的測試沒有權(quán)威的方法，Sasaki T等通過與實(shí)際針織過程相似的模擬，自制了準(zhǔn)確性和重復(fù)性高且測試簡單的裝置對紗線進(jìn)行測試，并通過觀察不同紗線在編織過程中的停機(jī)次數(shù)和織物表面的破洞等，將織物的可編織性能分為好、中、差3種.將上述測試的紗線的7種性能與實(shí)際編織性能進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)若是紗線實(shí)際編織性能被評為差，那么測得的此紗線中的抗退繞張力、紗線間摩擦力、紗線與織針的摩擦力、紗線的彎矩這4種性能中的一種或幾種的值偏高，因此可以推斷出紗線的這4種性能與可編織性能的關(guān)系非常密切，因而可以通過這4種性能來表征紗線的可編織性.為了能夠更簡便地表征紗線的可編織性能，Sasaki T等把測試紗線各性能的裝置綜合成一種裝置，用于表征紗線的可編織性（如圖2所示），把對這4種主性能的測試轉(zhuǎn)化為對綜合張力的測試.結(jié)果顯示，該裝置測得的綜合張力值與可編織性是匹配的，即張力值越小，紗線的可編織性越好，反之越差.但是，Cooke W D等在Sasaki T等的研究基礎(chǔ)上對精梳棉紗的捻度對其可編織性的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過實(shí)際編織發(fā)現(xiàn)，精梳棉紗的可編織性與紗線的加捻關(guān)系不大；同時還發(fā)現(xiàn)，精梳棉紗的可編織性與紗線的條干均勻度的關(guān)系最密切，與紗線與金屬的摩擦性能相關(guān)，與紗線的拉伸強(qiáng)力、斷裂強(qiáng)力無關(guān)［12］.因此，Sasaki T等設(shè)計(jì)的檢測紗線可編織性的裝置并不適合于所有的紗線［12］.

圖2 預(yù)測紗線可編織性的測試裝置

Nigam J K等在研究紗線順利針織時的最大輸入張力和最大下機(jī)張力的基礎(chǔ)上，設(shè)定輸入張力為常數(shù)，利用簡單的摩擦裝置，測得：①經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)桿的輸出張力；②經(jīng)過針鉤的輸出張力；③靜載荷和動載荷下當(dāng)紗線伸長率為4%時的載荷，即初始模量；④紗線可編織的最大和最小線圈長度之間的范圍［7］.因而可編織性可通過下式進(jìn)行預(yù)測和表征：

其中，T0為輸出張力；Ti為輸入張力；mi為伸長4%時的初始模量；lmax為可編織的最大線圈長度；lmin為可編織的最小線圈長度；a、b、c和d為常數(shù).通過對同類紗線的大量試驗(yàn)，可以得到系數(shù)a、b、c和d，從而在針織之前即可對紗線的可編織性進(jìn)行預(yù)測和表征.

Lau K W等通過高性能紗線（玻璃、碳纖維構(gòu)成）與服用紗線（棉、腈綸纖維構(gòu)成）的拉伸性能、摩擦性能以及紗線構(gòu)成線圈的拉伸性能（包括紗線的拉伸和彎曲性能，如圖3所示）的比較來研究高性能纖維的可編織性［11］.他們把線圈效率定義為線圈的強(qiáng)力與紗線的強(qiáng)力之比，研究中發(fā)現(xiàn)服用紗線的線圈效率接近于1，而玻璃纖維的線圈效率比普通紗線的低很多，因此可以認(rèn)為線圈效率越大，可編織性越好.他們還發(fā)現(xiàn)碳纖維與玻璃纖維的摩擦系數(shù)都比服用紗線的高，所以編織比較困難，從而得出線圈效率、纖維的摩擦系數(shù)等參數(shù)是決定紗線的可編織性的重要因素，可以利用它們對可編織性進(jìn)行表征.

圖3 線圈拉伸性能的測試

Peterson J等設(shè)計(jì)了一種測試剛性紗線可編織性的裝置，此裝置是基于剛性紗線的摩擦性能和彎曲性能而設(shè)計(jì)的，是影響可編織性的重要因素，通過在拉伸試驗(yàn)機(jī)上模擬雙針床編織來實(shí)現(xiàn)，如圖4所示［25］.圖4中給出靜止的預(yù)張力F0，可以測出靜摩擦系數(shù)；同時通過另一端紗線下降、上升時測得的張力來確定動摩擦系數(shù)；另外可以確定出摩擦系數(shù)達(dá)到何值時纖維發(fā)生斷裂，從而在編織前有一個預(yù)測；且針的配置可以根據(jù)實(shí)際的編織情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，非常方便.但是F0未固定時對測試結(jié)果有消極影響.Peterson J等還通過線圈張力測試（圖3）測得的拉伸力來反映紗線的彎曲剛度.但是他們沒有得出摩擦系數(shù)和彎曲剛度與可編織性的關(guān)系，沒有得到可編織性定量的表征.

圖4 測試摩擦性能的試驗(yàn)臺

劉曉明等利用自制的模擬測試儀對玻璃纖維進(jìn)行可編織性預(yù)測（如圖5所示），此設(shè)備是模擬紗線在編織過程中同時受到拉伸、彎曲、摩擦作用而設(shè)計(jì)的［20，26］.紗線的一端固定于起始點(diǎn)處，從固定在摩擦部分上的織針針鉤內(nèi)穿過，經(jīng)無摩擦滑輪過渡后，于另一端懸掛上重物以提供紗線張力.測試時電機(jī)帶動摩擦部分往復(fù)運(yùn)動，以模擬編織過程中織針上下運(yùn)動對紗線的磨損.通過測試紗線的磨斷次數(shù)以及摩擦一定次數(shù)后的強(qiáng)力損傷情況來表征紗線可編織性的好壞.經(jīng)試驗(yàn)得出，影響紗線可編織性的因素主要有纖維直徑、紗線內(nèi)纖維結(jié)構(gòu)、纖維表面性能以及纖維裂紋尺寸等.根據(jù)試驗(yàn)測試比較發(fā)現(xiàn)，纖維強(qiáng)度高、纖維直徑細(xì)、浸潤劑合理、紗線捻度較大并且達(dá)到一定線密度的玻璃纖維紗線具有較好的可編織性.但是他們并未給出儀器預(yù)測的玻璃纖維的可編織性與其在實(shí)際針織過程中測得的可編織性的比較情況，未能驗(yàn)證此儀器預(yù)測的真實(shí)性.

圖5 紗線摩擦儀構(gòu)造示意圖

D?nmez S等試圖在針織前來預(yù)測紗線的可編織性，首先他們選用30種不同的紗線進(jìn)行針織，通過記錄針織過程中織機(jī)的停頓次數(shù)、紗線斷裂次數(shù)、織物中孔洞的形成等來判斷紗線的可編織性［10］.用圖表和統(tǒng)計(jì)分析方法對試驗(yàn)測得的紗線的基本性能參數(shù)（如紗線的條干均勻度、紗線的斷裂強(qiáng)度等）進(jìn)行分析，然后利用多元回歸分析來預(yù)測紗線與紗線、紗線與織針的摩擦力值，發(fā)現(xiàn)得出的這2個值與Sasaki T等發(fā)明的裝置測試的值很接近.因此，以這2個預(yù)測值為基礎(chǔ)，再加上與針織設(shè)備相關(guān)的一些因素，利用二元邏輯回歸分析得出的邏輯回歸方程可預(yù)測織物的可編織性.但是這種預(yù)測受到紗線種類的局限，不適合于預(yù)測所有的紗線的可編織性.

利用儀器模擬針織過程來測試紗線性能和直接測試紗線的基本性能，是通過不同的方法來表征紗線的可編織性，這些表征方法千差萬別.這些表征方法可以作為可編織性的一種預(yù)測方法，而且這種方法簡單易行.但是目前這些方法還存在一些缺陷：①模擬試驗(yàn)往往不能完全模擬出紗線編織時的真實(shí)受力情況；②由于紗線性能影響因素的不確定性，究竟應(yīng)采用哪些性能對紗線的可編織性進(jìn)行表征以達(dá)到預(yù)測的準(zhǔn)確性，難以確定；③利用測得的紗線性能對可編織性進(jìn)行準(zhǔn)確表征的方法尚不明確；④由于對于不同的紗線，其影響因素是不同的［10，26－27］，尚不能建立對所有的紗線或具有某種特性的一類紗線如高性能紗線適用的表征體系.因此雖然利用紗線的性能對可編織性進(jìn)行表征是目前為止較為可行的一種方法，但是要準(zhǔn)確表征可編織性，仍然任重而道遠(yuǎn).

3 結(jié) 語

（1）對于可編織性的定義，到目前為止主要還是一種定性的表達(dá)，仍然沒有一個嚴(yán)格的、準(zhǔn)確界定的術(shù)語或可測量的參數(shù).

（2）對于可編織性的表征仍然是一個難題，目前的研究主要集中于利用高性能纖維的損傷情況和利用模擬測試或直接測試的紗線性能進(jìn)行表征，但是表征方法都不夠明確、清晰.

（3）目前研究的可編織性都是針對緯編針織物，但是經(jīng)編和緯編針織物在針織過程上有很大的不同，紗線可編織性在這兩種針織中是否可以通用值得進(jìn)一步研究.同時大部分研究以服用纖維居多，高性能纖維的可編織性能方面的研究有待于進(jìn)一步加強(qiáng).（本文受泉州師范學(xué)院校級自選項(xiàng)目基金（2012KJ17）支持）.

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