李曉英， 蔣高明， 馬丕波， 聶小林

(1. 江南大學(xué) 教育部針織技術(shù)工程研究中心, 江蘇 無錫 214122;2. 廣東工業(yè)大學(xué) 藝術(shù)設(shè)計學(xué)院, 廣東 廣州 510090)

三維橫編間隔織物的編織工藝及其性能

李曉英1,2， 蔣高明1， 馬丕波1， 聶小林1

(1. 江南大學(xué) 教育部針織技術(shù)工程研究中心, 江蘇 無錫 214122;2. 廣東工業(yè)大學(xué) 藝術(shù)設(shè)計學(xué)院, 廣東 廣州 510090)

為開發(fā)適合不同應(yīng)用領(lǐng)域的曲面復(fù)合材料，采用新型三維曲面間隔結(jié)構(gòu)，在電腦橫機上用芳綸紗編織了帶有雙層羅紋連接中間層的橫編間隔織物，探討了編織步驟和編織工藝。在此基礎(chǔ)上通過在間隔織物緯向的2個表層襯入芳綸增強紗，改進(jìn)了織物的力學(xué)性能。通過調(diào)整編織程序，開發(fā)出不同曲率的間隔織物。在英斯特朗電子萬能材料試驗機上測試有增強紗和無增強紗織物的橫、縱向拉伸性能，比較分析這2種織物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。結(jié)果表明，在其他條件相同時，有增強紗的三維橫編間隔織物橫向、縱向拉伸應(yīng)力增加明顯，變形較少，織物尺寸穩(wěn)定。

三維間隔織物； 電腦橫機； 編織工藝； 芳綸紗

三維橫編間隔針織增強結(jié)構(gòu)是近年來出現(xiàn)的一種新型結(jié)構(gòu)，可通過紗線或織物層將上下2片獨立的織物層連接在一起而構(gòu)成。在外形上間隔織物的獨特之處就是具有較好的厚度，從而具有優(yōu)良的性能，如結(jié)構(gòu)整體性好，硬度高，質(zhì)量輕，層與層之間連接更加穩(wěn)定牢固。其間隔層有較高的耐沖擊、耐熱及隔音等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、儲罐、船舶、橋梁、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[1]。三維橫編間隔織物分為紗線連接與織物連接2種[2-4]。織物連接由于擺脫了針床間距對織物厚度的限制，具有更大的應(yīng)用潛力和發(fā)展價值。目前，對于機織[5-6]、經(jīng)編[7-9]間隔織物的研究較多，橫編間隔織物的研究很少；對于間隔織物多采用高模量高摩擦因數(shù)的無機纖維編織(如玻璃纖維)[5-6]，有機纖維編織較少；對平面間隔織物開發(fā)較多[7,10-12]，對曲面間隔織物開發(fā)較少[1，13]。

本文從工藝技術(shù)的角度，應(yīng)用芳綸紗線，通過編織實例，開發(fā)新型織物連接間隔結(jié)構(gòu)、編織平面間隔織物及不同曲率的曲面間隔織物，為提升織物的力學(xué)性能，改進(jìn)編織程序在織物表層緯向襯入增強紗；通過對2種結(jié)構(gòu)(有增強紗和無增強紗)的織物樣塊進(jìn)行拉力測試，對比2種結(jié)構(gòu)織物的拉伸性能測試結(jié)果，為下一步曲面三維間隔織物增強體復(fù)合材料的研究奠定基礎(chǔ)，以滿足更高要求的工業(yè)生產(chǎn)需要。

1 試驗部分

1.1 材 料

試驗所用的是440 dtex/100 f芳綸(熔點為480～570 ℃)3根合股紗，由江蘇無錫儀征化纖股份有限公司提供。

1.2 試驗設(shè)備

試驗采用STOLL電腦橫機CMS350，機號為3.5.2。鉤針號為4，織針密度為7，織針數(shù)量為349，可編織E3.5針～E7針的效果,有3個編織系統(tǒng)，其中2個系統(tǒng)編織，1個系統(tǒng)翻針，生產(chǎn)效率高。穩(wěn)定的喂紗系統(tǒng)和先進(jìn)的成圈技術(shù)，明顯地降低了廢紗率，同時也減少了機器的維修次數(shù)和相應(yīng)投入。快速的編織速度縮短了織物編織時間，機頭動程運行更優(yōu)化，機頭回轉(zhuǎn)次數(shù)也更少。電腦橫機特有的沉降片，在局部立體編織時代替牽拉輥進(jìn)行輔助牽拉，為間隔層編織順利進(jìn)行提供了設(shè)備保證。

作為復(fù)合材料增強體的針織物編織不宜選擇機號太大的橫機，因過于細(xì)密的線圈由于孔隙不足使基體無法充分滲入，導(dǎo)致基體對織物的浸潤性和界面黏結(jié)性不足。

1.3 編織工藝

1.3.1 橫編三維間隔織物

三維橫編間隔織物的2個表層和連接層都是混合紗線編織。由于芳綸纖維極易打結(jié)、起毛，因此適當(dāng)延長紗線從紗筒到導(dǎo)紗器的距離，便于理順紗線。在STOLL橫機上，紗線從紗筒到編織區(qū)域需要經(jīng)過很長的走紗路徑，紗線和機器之間接觸點較多，會產(chǎn)生較大的摩擦力，使得紗線到達(dá)導(dǎo)紗器進(jìn)入編織區(qū)域的輸入張力很大，因此，不用積極送紗器，可有效減少摩擦力，保證編織順利進(jìn)行；適當(dāng)調(diào)小下拉力，尤其在編織區(qū)域不大的情況下。圖1示出簡化后紗線的走紗路徑。圖2示出三維間隔結(jié)構(gòu)的形成過程。圖3示出編織步驟。

步驟1，在前后針床分別編織平針組織R1、R2，達(dá)到要求高度H，此時到達(dá)S1、S2點。

步驟2，在前后針床1隔1選針輪流編織L1、L2，達(dá)到要求長度的二分之一。

步驟3，在P點編織羅紋組織將前后針床編織的中間層連接。

步驟4，在前后針床1隔1選針輪流編織L3、L4，回到S1、S2點。

在已有的研究中，織物連接三維橫編間隔織物中間層的連接方法是單層羅紋連接(P處)[2-4]，經(jīng)過試織發(fā)現(xiàn)，由于間隔層為雙層，而單層羅紋處很容易折彎，破壞間隔的空間結(jié)構(gòu)，不能滿足要求。于是對此處進(jìn)行改進(jìn)，變成雙層羅紋編織，效果很好，整個間隔層厚度均勻、堅實。

1.3.2 襯緯型三維橫編間隔織物

作為復(fù)合材料增強體的三維間隔織物的改進(jìn)，襯緯型三維橫編間隔織物可有效提升織物在緯度方向的力學(xué)性能。圖4示出在緯度方向襯入增強紗前后的織物圖片?？梢钥吹剑鰪娂喛稍?個表層襯入，也可在間隔層襯入。如果增強紗換成碳纖維或銅絲等具有導(dǎo)電性能的纖維，間隔織物可用作傳感器網(wǎng)絡(luò)[13]。當(dāng)增強紗為其他高功能纖維時，此間隔織物可作為高功能面料使用，應(yīng)用范圍更廣。圖5示出只在表層襯入紗線的編織方法。

步驟1：在前后針床輪流編織平針組織。

步驟2：在前后針床織入浮線，為了避免浮線過長，可選擇一定間隔在織針上做集圈，見圖5(b)。步驟1、步驟2交替，達(dá)到要求高度。圖5步驟3、4、5同圖3步驟2、3、4。

1.3.3 曲面三維間隔織物

開發(fā)具有不同曲率的三維間隔織物，以滿足對曲率要求更高的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，并為下一步曲面三維間隔增強復(fù)合材料的制備打下基礎(chǔ)。圖6示出曲面三維間隔織物的編織。它由平面三維間隔織物而來，通過調(diào)整編織程序，使2個表面層的編織長度不同。為保持下拉重梳拉力的相對平衡，如果H1的長度小于H2，那么L1、L3的長度就要大于L2、L4。

1.4 織物拉伸性能測試方法

1.4.1 試樣制備

織物采用芳綸編織，尺寸均為120 mm×50 mm樣片(0°曲率)。有增強紗和無增強紗的2種結(jié)構(gòu)分別從橫、縱2個方向拉伸，相同試樣測試3次，取平均值。圖7示出試驗前先對試樣夾持端進(jìn)行樹脂浸潤處理。因為夾持鉗口過大的夾持力容易使夾持處的芳綸首先斷裂；間隔織物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，拉伸儀器的夾持鉗口不能保證每根紗線受力均勻，拉伸時會有部分紗線發(fā)生滑移，導(dǎo)致試驗結(jié)果不能正確反映織物的性能。而織物兩端經(jīng)樹脂固化后，有效地解決上述問題。酚醛樹脂與固化劑質(zhì)量比為100∶1.5。

1.4.2 拉伸性能測試

試驗在英斯特朗3385H電子萬能非金屬材料試驗機上進(jìn)行，如圖8所示。通過夾持鉗夾具固定試樣兩端，分別從橫、縱2個方向施加拉力，直至試樣斷裂，測出拉伸應(yīng)力和拉伸應(yīng)變，測試數(shù)據(jù)通過傳感器傳入計算機輸出。試驗條件為：拉伸速度10 mm/min，隔距長度60 mm，試驗環(huán)境溫度25℃，濕度50%。

2 結(jié)果與討論

2.1 三維間隔織物及其不同曲率的效果

改進(jìn)的雙層羅紋連接層間隔織物受力明顯增強，空間保型性好，不易變形。為了增強力學(xué)性能，在2個表層緯向襯入增強紗。在經(jīng)向上彎曲角度從0°～360°都可編織，甚至可以不同曲率混合使用，滿足不同需求。0°織物中空管道設(shè)計尺寸為15 mm×15 mm，彎曲后的織物由于間隔層傾斜導(dǎo)致高度不足15 mm，彎曲角度越大，高度越小。

2.2 織物雙向拉伸性能對比分析

圖9示出不同結(jié)構(gòu)三維間隔織物應(yīng)力與應(yīng)變曲線，2組曲線共同特征：帶增強紗織物的拉伸曲線高于不帶增強紗織物的拉伸曲線；開始部分的拉伸曲線基本重合，隨著拉伸應(yīng)變增加，差異逐漸增大。在橫向拉伸方向，由于增強紗在拉伸過程中逐漸伸直，帶增強紗的織物橫向增強效果明顯，拉伸性能明顯優(yōu)于不帶增強紗織物；在縱向拉伸方向，雖然增強紗在縱向沒有互相穿套，但是有部分集圈與線圈重疊，隨著縱向拉伸應(yīng)變逐漸增強，線圈圈柱逐漸被拉直，增強紗轉(zhuǎn)移到縱向的紗線也逐漸增多，增強效果越來越大，增強紗對織物縱向的力學(xué)性能有很大影響。

3 結(jié) 論

采用芳綸纖維編織橫編三維間隔織物，雙層間隔連接層，明顯增強了間隔層的受力。通過對編織程序的不同變化，可開發(fā)出在經(jīng)向上不同彎曲角度的織物。通過在緯向襯入紗線的方式，得到力學(xué)性能更好的三維間隔增強體。

織物的雙向拉伸性能測試結(jié)果顯示，襯入增強紗的織物不論縱向還是橫向，拉伸性能都明顯優(yōu)于沒襯增強紗的織物，尤其在橫向，增強明顯。說明帶增強紗織物承受力大，形變小。

以此創(chuàng)新結(jié)構(gòu)作為增強體的復(fù)合材料，大大擴(kuò)寬了其應(yīng)用領(lǐng)域。除了用于船舶制造(殼體、框架)、汽車工業(yè)(內(nèi)外門板)、醫(yī)用設(shè)備配件等，整體中空的復(fù)合材料可通過填蠟、布線、疊加芯層、嵌入電子元件等方式，針對材料的不同用途制作各種類型產(chǎn)品。

FZXB

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Knitting processes and properties of three-dimensional computer flat-knitted spacer fabrics

LI Xiaoying1,2， JIANG Gaoming1， MA Pibo1， NIE Xiaolin1

(1.EngineeringResearchCenterofKnittingTechnology,MinistryofEducation,JiannanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China; 2.SchoolofArtandDesign,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou,Guangdong510090,China)

In order to develop curved composites, this paper designed an innovative curved three-dimensional (3-D) spacer structure. First a knitting technique of computer flat-knitted innovative 3-D spacer fabrics with double rib connection is introduced by using aramid fibers, then the aramid reinforcement yarns are integrated into two surface layers of 3-D spacer fabrics in the weft direction to enhance the tensile properties. By changing the weaving process, flat-knitted 3-D speacer fabrics curved in different angles(in the warp direction)were developed. Tensile tests on the universal material testing machine are carried out in the weft and warp directions of the two spacer fabrics(with and without reinforcement yarns), and their stress-strain curves are compared. The results revealed that reinforcement yarns reduced deformation, and improved tensile stress and dimensional stability of 3-D spacer fabrics at same experimental conditions.

three-dimensional spacer fabric; computer flat-knitting machine; knitting process; aramid yarn

10.13475/j.fzxb.20150603705

2015-06-18

2016-04-03

國家自然科學(xué)基金項目(11302085)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研項目(BY2014023-34，BY2014023-20)

李曉英(1978—)，女，講師，博士生。主要研究方向為針織服裝設(shè)計與紡織材料。蔣高明，通信作者，E-mail: jgm@jiangnan.edu.cn。

TS 184.4

A