王晶晶，呂麗華，王觀桔

(大連工業(yè)大學(xué)，遼寧 大連 116034)

隨著高性能纖維生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步和紡織加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，3D機織復(fù)合材料日益顯示出巨大的應(yīng)用潛力。3D機織復(fù)合材料由于其獨特的橫向特性，如剛度、強度、斷裂韌性和抗損傷性，已成為多向承重和沖擊應(yīng)用有吸引力的結(jié)構(gòu)材料[1]。3D管狀機織復(fù)合材料以其優(yōu)異的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，越來越來多地應(yīng)用在航空、航天、生物醫(yī)學(xué)工程以及汽車工業(yè)等領(lǐng)域[2]。作為3D管狀機織復(fù)合材料的增強結(jié)構(gòu)件——3D管狀織物的設(shè)計尤其重要。ZHOU等[3]在管狀針織橫編織物的基礎(chǔ)上設(shè)置不同位置段的管或以不封閉管的形式擴展針織橫編機和各種針織橫編機的服裝織物,可以滿足人們對3D結(jié)構(gòu)、色彩鮮艷、外觀獨特新穎等方面的要求。陳貴翠等[4]采用脫膠及柔軟處理將桑皮纖維制成工藝?yán)w維,對丙綸(PP)采取必要的前處理工藝,然后利用2種紗線來加工局部管狀針織物。將2種纖維混紡制備針織紗線并織造針織物。針織物立體感強,具有優(yōu)異的延伸性和懸垂性，然而，目前針織管狀的織物多用于服用領(lǐng)域，由于針織物易變形的特點，因此以針織物作為增強體的3D管狀復(fù)合材料的研究較少。裴會成等[5]介紹一種雙二步法3D管狀織物編織機，與二步法編織機相比增加了1倍編織紗的數(shù)量，編織機編織單元在空間上排列成圓筒狀并沿圓筒軸向擴展組成編織單元的3套撥盤的結(jié)構(gòu)，但大小不隨編織層數(shù)變化而變化，實現(xiàn)了編織單元的模塊化,同時還對3D編織機編織口的位置進(jìn)行了優(yōu)化研究，推動了編織管狀織物的發(fā)展。雖然編織管狀織物的優(yōu)點是制作截面尺寸較小但截面形狀變化較大，軸向尺寸較長的預(yù)成型件，但是目前應(yīng)用還不普及，需要特定的織機，其性能研究不足，特別是成本較高。3D機織工藝?yán)w維基本呈正交排列[6]，相對于針織和編織管狀織物來說，機織管狀織物的研究相對較多。朱紅等[7]針對產(chǎn)業(yè)用多邊形孔管狀結(jié)構(gòu)件的技術(shù)需求分別制作了三角形、菱形、方形和類圓形3D孔管狀結(jié)構(gòu)件，并通過分析得出孔管狀結(jié)構(gòu)件設(shè)計參數(shù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系。研究結(jié)果為多排孔管類技術(shù)紡織品結(jié)構(gòu)設(shè)計制作提供了技術(shù)支持。董敬貴[8]提供了三通管狀織物的設(shè)計方法、織造的上機圖，分析了織造過程中的問題，并提出了解決方案，完成了三通管機織預(yù)型件的結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計,在小樣織機上進(jìn)行反復(fù)試織，結(jié)果證實了該設(shè)計方法的合理性。易洪雷等[9]利用“壓扁—織造—還原”方法完成了3種管狀機織預(yù)型件的結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計，并在小樣織機上進(jìn)行試織，結(jié)果證實了該設(shè)計方法的合理性。劉佳[10]進(jìn)行了圓管機織復(fù)合材料的拉伸、壓縮和扭轉(zhuǎn)試驗，并分析了其細(xì)觀結(jié)構(gòu)和損傷破壞過程。研究表明：：圓管機織復(fù)合材料拉伸、壓縮試件在接近破壞時，彎曲的經(jīng)紗會在拉伸載荷作用下由彎變直，或伸直的經(jīng)紗會在壓縮載荷作用下由直變彎，從而導(dǎo)致材料的部分基體與紗線分離而脫落；扭轉(zhuǎn)試件隨著扭轉(zhuǎn)角的不斷增大，環(huán)向緯紗會因基體與紗線的相互作用而在圓管徑向產(chǎn)生不同程度的位移，所以扭轉(zhuǎn)角的增大會在管的徑向形成褶皺。但由于圓管機織復(fù)合材料試件不具有自由邊界，所以其具有更好的整體性能和承載能力。王黎黎等[11]以經(jīng)角連鎖為織物的基本組織結(jié)構(gòu)，將 166.55 tex(1 500旦)芳綸長絲織造一體成型的4層管狀織物，在相同的層數(shù)條件下，通過拉伸測試表明所制備的復(fù)合管狀材料與平紋織物卷繞成管狀的管狀復(fù)合材料相比，其力學(xué)性能明顯提高。綜上所述，3D管狀機織織物目前的制造形狀都是普通的圓管，異形管狀的織物還比較少，對于特定環(huán)境下規(guī)則的管狀織物并不是完全適用，如汽車領(lǐng)域的異形截面空心結(jié)構(gòu)件[12]，工業(yè)領(lǐng)域的異形截面鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[13]，建材機械領(lǐng)域的異形管鋼筋骨架等很多領(lǐng)域[14]，規(guī)則的管狀織物并不能滿足要求，因此結(jié)合3D管狀機織復(fù)合材料的優(yōu)點，開發(fā)異形截面的3D管狀機織物復(fù)合材料是非常有必要的。開發(fā)異形3D管狀機織物對3D復(fù)合材料的發(fā)展具有很大的推動意義，同時管狀3D織物織造技術(shù)還有待進(jìn)一步研究開發(fā)。

本文探討在SGA598型小樣織機(半自動)上，通過設(shè)計合理的上機工藝及織造方法，采用“壓扁—織造—還原”方法制備2種異形截面的3D管狀機織物，為異形3D管狀機織物的發(fā)展提供了思路。

1 材料與儀器

經(jīng)緯紗均為棉紗：296.2 tex。

SGA598型小樣織機，電氣系統(tǒng)采用PLC控制觸摸屏，同時存貯6個紋板，每個紋板可達(dá)1 000行，并且預(yù)留電腦插口，可以實行PC和PLC通信。

2 設(shè)計方法與試織要點

異形截面的3D管狀機織物的織造原理應(yīng)用正交、正交分層，角連鎖以及結(jié)合管狀織物的織造方法，進(jìn)行合理的經(jīng)向截面圖設(shè)計、上機圖設(shè)計、上機參數(shù)選擇。本文設(shè)計的2種異形截面3D管狀機織物均為緯向管，首先根據(jù)設(shè)計的截面形狀采用分區(qū)織造，根據(jù)設(shè)計圖畫出各區(qū)的經(jīng)向剖面圖，確定合理的打緯順序，并繪制相應(yīng)的組織圖，進(jìn)行上機織造。

圖1 平板—圓管連接的異形截面3D管狀機織物模擬圖

2.1 平板—圓管連接的異形截面3D管狀機織物

平板—圓管連接的異形截面3D管狀機織物模擬圖如圖1所示。將管狀部分模擬成管狀織物A2部分，將連接部分模擬為平板部分A1和A3。

2.1.1 經(jīng)向截面圖設(shè)計

平板—圓管連接的異形截面3D管狀機織物的A1、A3區(qū)的組織結(jié)構(gòu)相同，為4層角連鎖結(jié)構(gòu)，經(jīng)向截面設(shè)計圖如圖2所示，平板—圓管連接的異形3D機織物的A2區(qū)的組織結(jié)構(gòu)為雙層角連鎖結(jié)構(gòu)，其經(jīng)向截面設(shè)計圖如圖3所示。其中圖中的曲線表示經(jīng)紗，圓圈表示緯紗，圓圈里的數(shù)字表示引緯的先后，左邊數(shù)字代表綜框數(shù)量(下同)。

圖2 平板—圓管A1、A3區(qū)的經(jīng)向截面圖

圖3 平板—圓管A2區(qū)的經(jīng)向截面圖

2.1.2 組織圖設(shè)計

平板—圓管連接的異形截面3D管狀機織物組織圖如圖4、5所示，均采用順穿法上機織造。

圖4 A1、A3區(qū)組織圖

圖5 A2區(qū)組織圖

2.1.3 試織小樣

織造時，總經(jīng)根數(shù)為240根，經(jīng)紗分為4層，每層60根。筘號為30齒/(10 cm)。共使用8頁綜框，每筘8入共穿30個循環(huán)。平板—圓管連接的異形截面3D管狀機織物小樣實物圖如圖6所示。

圖6 平板—圓管連接的異形截面3D管狀機織物的小樣實物圖

2.2 “工”字形平板—圓管連接的異形截面3D管狀機織物

2.2.1 經(jīng)向截面圖設(shè)計

“工”字形平板—圓管連接的異形截面3D管狀機織物模擬圖如圖7所示。

圖7 “工”字形平板—圓管連接的異形截面3D管狀機織物模擬圖

圖8 “工”字形A1、A2、A3區(qū)的經(jīng)向截面圖

“工”字形平板—圓管連接的異形截面3D管狀機織物的A1、A2、A3區(qū)的組織結(jié)構(gòu)相同，均為3層正交分層結(jié)構(gòu)，經(jīng)向截面圖設(shè)計圖如圖8所示?！肮ぁ弊中纹桨濉獔A管連接的異形3D機織物的區(qū)與區(qū)的連接處采用另一種組織4層角連鎖結(jié)構(gòu)，其經(jīng)向截面設(shè)計圖如圖9所示，其目的是為了連接處更加結(jié)實牢固。

圖9 “工”字形區(qū)與區(qū)的連接處的經(jīng)向截面圖

2.2.2 組織圖設(shè)計

“工”字形平板—圓管連接的異形截面3D管狀機織物組織圖如圖10、11所示，均采用順穿法上機織造。

圖10 “工”字形A1、A2、A3區(qū)的組織圖

圖11 “工”字形區(qū)與區(qū)連接處的組織圖

2.2.3 試織小樣

織造時，總經(jīng)根數(shù)為240根，經(jīng)紗分為4層，每層60根;筘號為30齒/(10 cm),共使用8頁綜框，每筘8入共穿30個循環(huán)，采用2根緯紗織造管的部分。區(qū)與區(qū)連接的部分不要織造過長，大概1～2個循環(huán)結(jié)構(gòu)，否則會影響織物的外觀?！肮ぁ弊中纹桨濉獔A管連接的異形截面3D管狀機織物織造的小樣實物圖如圖12所示。

圖12 “工”字形平板—圓管連接的異形截面3D管狀機織物的小樣實物圖

3 結(jié)束語

通過在普通小樣織機上設(shè)計與試織2種異形截面的3D管狀機織物得出：通過應(yīng)用正交、正交分層，角連鎖以及結(jié)合管狀織物的織造方法，在SGA598型小樣織機上，可以織造出結(jié)構(gòu)較好的異形截面的3D管狀機織物，在織造過程中，要控制好打緯的力度，盡量保持均勻，否則會影響織物的外觀形態(tài)以及力學(xué)性能。