張祝輝， 張典堂， 錢 坤， 徐 陽， 陸 健

(1. 生態(tài)紡織教育部重點實驗室(江南大學(xué))， 江蘇 無錫 214122；2. 江蘇錦竹工業(yè)用布有限公司， 江蘇 泰州 215300)

廣角機織物是由普通平紋機織物衍變而來的一種產(chǎn)業(yè)用紡織品[1]。與普通正交機織物相比，廣角機織物經(jīng)緯紗線之間的夾角不是90°，而是120°，因此，織物各個方向的變形能力更加突出。利用此特點，廣角機織物特別適合用作球形、錐形等曲面物體的包覆或骨架材料的制備。在航空航天和國防技術(shù)方面，用碳纖維或芳綸織造的廣角機織物主要用于呈錐形的火箭頭和導(dǎo)彈頭部分的骨架材料[2]；在工業(yè)方面，廣角機織物作為傳送帶的外層包布，可提高傳送帶的反向屈撓疲勞強度，使其耐磨性更好，可有效延長使用壽命。廣角機織物的研制具有重要的工程和學(xué)術(shù)應(yīng)用價值，然而局限于織造裝備及工藝，有關(guān)連續(xù)廣角機織物的制備及其力學(xué)性能系統(tǒng)研究的報道較少。

在工藝及性能方面，廣角機織物主要是通過正交機織物的裁切獲得。侯大寅[3]首先提出了開發(fā)斜緯織物，是在普通平紋機織物上加工裁剪得到；李建強等[4]在小樣機上試織了斜緯織物并進行測試發(fā)現(xiàn)，斜緯織物的拉伸性能比普通機織物好。在廣角機織物的直接成型方面：張海泉等[1]對廣角機織物的開發(fā)現(xiàn)狀和存在的問題進行分析，提出了廣角機織物開發(fā)途徑的一些建議；蔣履良等[5]開發(fā)了V帶用廣角機織物；王克毅等[6]通過對管狀織物進行裁剪得到45°斜交織物；姚桂香等[7]初步探討了滌綸廣角機織物的拉伸性能。在機器裝備方面：侯大寅[3]提出研制斜緯織機的設(shè)想；文獻[8-9]提出廣角機織物的生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工藝，其主要是通過二次加工得到廣角機織物，增加了成本，但確實是目前生產(chǎn)廣角機織物的主要方法；張艷芹等[10]描述了一種廣角機織物專用劍桿織機，通過斜向引緯使其與經(jīng)線呈120°或60°夾角；姚桂香等[11]設(shè)計了噴水廣角機織物織機。綜上，圍繞廣角機織物的工藝、裝備及力學(xué)性能已有初步研究。

事實上，可工業(yè)化、連續(xù)化生產(chǎn)廣角機織物的設(shè)備尚未見報道，且有關(guān)廣角機織物的系統(tǒng)性的基礎(chǔ)性能研究也很缺乏。為此，本文對原有普通劍桿織機進行改進，制備得到滌/棉普通正交機織物和廣角機織物，研究了不同偏軸角度下普通滌/棉正交機織物和廣角機織物在不同方向上的拉伸力學(xué)性能，探討了其特征值變化規(guī)律以及變形和失效模式，以期為工業(yè)產(chǎn)品用廣角機織物提供工藝技術(shù)及理論設(shè)計支撐。

1 試驗部分

1.1 廣角織機原理及裝備

文獻[10]中設(shè)計了廣角機織物專用劍桿織機，但只是將主機框架(開口機構(gòu)、引緯機構(gòu)、打緯機構(gòu))與送經(jīng)和卷取機構(gòu)呈一定角度配置，且尚未在市場及相關(guān)公開報道中見到產(chǎn)品。依據(jù)普通劍桿織機基本原理：織軸上的經(jīng)紗繞過后梁，經(jīng)經(jīng)停裝置后，在前方分成上下2層形成梭口，引緯器將緯紗納入梭口，然后上下層經(jīng)紗閉合并進一步交換位置，同時鋼筘將緯紗推入織口，使經(jīng)緯紗相互交織，初步形成織物；織軸不斷放送適量的經(jīng)紗，卷取輥及時將織物引離織口，使織造過程持續(xù)進行[12]。在KT599型高速撓性劍桿織機基礎(chǔ)上設(shè)計了基于劍桿織機改造的廣角機織物織機，其示意圖如圖1所示。主要原理為：劍桿織機機架上的卷曲機構(gòu)7和8保持不變，經(jīng)軸1和主機框架3、4、5做相應(yīng)的角度調(diào)整，即120°角；固定后梁2與卷曲機構(gòu)呈α角放置以確保經(jīng)紗張力的需求，隨后按照五大機構(gòu)工作原理織造出廣角機織物。

1—經(jīng)軸； 2—固定后梁； 3—綜框； 4—經(jīng)停片； 5—活動后梁； 6—引緯機構(gòu)； 7—卷布輥； 8—布軸。圖1 廣角機織物織機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of wide-angle woven fabric weaving machine

本文采用KT599型高速撓性劍桿織機織造的普通正交機織物作為對比。圖2示出普通劍桿織機和廣角機織物織機實物圖。試驗裝備由江蘇錦竹工業(yè)用布有限公司提供。

圖2 普通劍桿織機和廣角機織物織機實物圖Fig.2 Physical map of ordinary rapier loom (a) and wide-angle woven fabric loom (b)

1.2 織物的制備及拉伸性能測試

1.2.1 試驗材料

普通正交機織物和廣角機織物的經(jīng)緯紗均采用滌/棉混紡紗線，紗線線密度為21 tex×3，經(jīng)緯密均為140根/(10 cm)，由江蘇錦竹工業(yè)用布有限公司提供。

1.2.2 織物的制備

圖3示出普通正交機織物和廣角機織物示意圖。采用滌/棉混紡紗線，通過本文試驗設(shè)計的廣角機織物織機和普通劍桿織機分別織造廣角機織物和普通正交機織物，設(shè)計轉(zhuǎn)速為500 r/min。試驗通過空間四連桿機構(gòu)實現(xiàn)引接緯，步進電動機控制旋轉(zhuǎn)式獨立電子絞邊，伺服電動機控制送經(jīng)、卷取實現(xiàn)織物的織造。

圖3 普通正交和廣角機織物示意圖Fig.3 Schematic diagram of ordinary orthogonal (a) and wide-angle (b) woven fabric

1.2.3 拉伸試樣的制備

參照GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》，設(shè)計織物拉伸尺寸為250 mm×50 mm。通過裁剪的方式得到2種織物不同偏軸角度的拉伸試樣。其中：正交機織物偏軸試樣包括0°、45°、60°、90°、120°共5個角度，經(jīng)向為0°，緯向為90°；廣角機織物偏軸試樣包括0°、60°、90°、120°共4個角度，經(jīng)向為0°，緯向為120°。圖4示出普通正交機織物不同偏軸角度剪裁示意圖。其中：左側(cè)為試樣裁剪示意圖，以經(jīng)向為0°方向，順時針劃分不同角度；中間部分為實際裁剪的不同角度的樣品；右側(cè)為對應(yīng)角度樣品紗線交織示意圖。廣角機織物剪裁試樣原理相同。

圖4 普通正交機織物不同偏軸角度剪裁示意圖Fig.4 Clip sketch of ordinary orthogonal woven fabric with different off-axial angle

1.2.4 拉伸力學(xué)性能測試

參照GB/T 3923.1—2013在Instron 3385H型萬能材料試驗機上進行織物的拉伸力學(xué)性能試驗，加載速度為100 mm/min，試樣厚度為0.42 mm。 圖5(a) 示出試樣夾持示意圖。由于夾持鉗口具有較大的夾持力，易使織物滑脫且在拉伸過程中使部分紗線產(chǎn)生滑移，導(dǎo)致試驗結(jié)果不理想，故對織物試樣兩端固定加強片。圖5(b)示出樣品拉伸試驗裝置圖。所有試驗均重復(fù)5次，獲得應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在此基礎(chǔ)上，提取關(guān)鍵拉伸力學(xué)性能參量(斷裂強力、斷裂伸長率和彈性模量)，取平均值進行分析。

圖5 試驗試樣夾持示意圖和裝置Fig.5 Schematic diagram of pattern endorsement (a) and test apparatus (b)

2 結(jié)果與討論

2.1 普通正交機織物拉伸力學(xué)性能分析

圖6示出不同偏軸角度普通正交機織物的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。可以看出，隨著偏轉(zhuǎn)角度的變化，偏軸織物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化明顯不同，這也表明普通正交機織物具有重要的偏軸效應(yīng)。0°和90°試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線主要為線性增加，具有明顯的脆性特征。這主要是由于正軸試樣在拉伸過程中，紗線兩端均被夾持，紗線直接承受載荷，其拉伸斷裂過程如圖7所示。對于45°、60°和120°試樣，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為先非線性增加(0～a、0～b、0～c段)，然后逐漸呈線性增加(a～d、b～e、c～f段)的趨勢，具有較大的斷裂伸長和較低的最大載荷，其中120°試樣的斷裂伸長最大且斷裂強力較大。這主要是由于在拉伸過程中，織物經(jīng)向被拉向豎直方向，緯向被拉向其垂直方向；豎直拉伸的紗線由原先的屈曲狀態(tài)逐漸伸直，而被拉向垂直方向的紗線則更加屈曲，直至呈束腰現(xiàn)象；最后豎直方向紗線繃直沒有彈性，開始出現(xiàn)脆性斷裂。

圖6 不同偏軸角度普通正交機織物應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves of ordinary orthogonal woven fabrics at different off-axial angles

圖7 0°和90°普通正交機織物拉伸斷裂過程Fig.7 Tensile fracture process of ordinary orthogonal woven fabrics at 0° and 90°.(a) Initial state; (b)Stretching process; (c) Fracture state

綜上分析可知：不同偏軸角度普通正交機織物的應(yīng)力(斷裂強力)沿各偏軸角度的變化規(guī)律是90°>0°>45°、120°>60°；而應(yīng)變(斷裂伸長率)變化規(guī)律是120°>45°>60°>90°>0°，其中45°與120°試樣斷裂強力基本一致；120°正交機織物的斷裂伸長率最大且斷裂強力較大，因此，經(jīng)緯交織呈120°是最優(yōu)角度。

2.2 廣角機織物拉伸力學(xué)性能分析

圖8示出不同偏軸角度廣角機織物應(yīng)力-應(yīng)變曲線。可以看出：0°試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線主要為線性增加，具有明顯的脆性特征；60°試樣拉伸時，織物發(fā)生了剪切變形，經(jīng)緯紗交織點形成的平行四邊形間隙沿拉伸方向逐漸變小，直至呈束腰狀態(tài)時空隙被填滿，經(jīng)緯紗相互擠壓，載荷逐漸增大[7]直至斷裂。

圖8 不同偏軸角度廣角機織物應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 Stress-strain curves of wide-angle woven fabric at different off-axial angles

90°試樣拉伸至斷裂的過程如圖9所示。結(jié)合圖5(a)可知，織物在拉伸試驗過程中并不是所有的緯向都被加強片兩端所夾持，例如點a被上端夾持，而點b沒有被下端夾持，因此在拉伸過程中，部分緯紗逐漸被拉伸為豎直方向，另一部分緯紗屈曲不受力，經(jīng)紗垂直方向也逐漸屈曲，交織點摩擦至束腰狀態(tài)，位移不斷增大但載荷卻上升緩慢，最終織物因兩端受力較大導(dǎo)致兩端開始出現(xiàn)斷裂，織物失效；120°廣角機織物試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化趨勢與120°普通正交機織物試樣相似，所不同的是120°廣角機織物具有較大的斷裂強力。這是由于織物緯向豎直方向受力，經(jīng)向被拉向其垂直方向，交織點摩擦直至經(jīng)向垂直方向屈曲至束腰狀態(tài)，隨后部分紗線和纖維出現(xiàn)斷裂，最終織物出現(xiàn)脆性斷裂[12-14]。

圖9 90°廣角機織物拉伸斷裂過程Fig.9 Fabric tensile fracture process diagram of 90°wide-angle woven fabric loom. (a)Initial state; (b) Initial tensile state; (c) Tension-tensile state; (d) Fracture state

綜上分析可知：不同偏軸角度廣角機織物的應(yīng)力(斷裂強力)沿各偏軸角度的變化規(guī)律是0°>120°>60°>90°；而應(yīng)變(斷裂伸長率)變化規(guī)律是90°>120°>60°>0°；120°廣角機織物的斷裂伸長率和斷裂強力較大，因此，經(jīng)緯交織呈120°是最優(yōu)角度。

2.3 拉伸特征指標(biāo)結(jié)果分析

圖10示出不同偏軸角度普通正交機織物和廣角機織物拉伸力學(xué)性能對比結(jié)果。由圖10(a)可知，2種織物拉伸斷裂強力均呈現(xiàn)出明顯的極軸特性。0°、60°和120°廣角機織物的斷裂強力相較普通正交機織物有一定提升，90°普通正交機織物和廣角機織物的斷裂強力基本持平，并沒有因改變織物結(jié)構(gòu)而降低。由圖10(b)可知：0°、60°和90°廣角機織物的斷裂伸長相比普通正交機織物都有一定提升；120°廣角機織物緯向的斷裂伸長率提高了30%，但其斷裂伸長遠低于正交機織物，這主要與織物經(jīng)緯交織角度的不同有關(guān)，這與上述應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析結(jié)果一致。由圖10(c)可知，各偏軸角度廣角機織物的彈性模量明顯優(yōu)于普通正交機織物，尤其是廣角機織物的經(jīng)向(0° 方向)和緯向(120°方向)相比于普通正交機織物的經(jīng)向(0°方向)和緯向(90°方向)的彈性模量分別提高42%和79%。通過以上分析可知，廣角機織物在經(jīng)向的剛度更大，抵抗彈性變形能力更強，而緯向方向的剛度低，易產(chǎn)生變形，展現(xiàn)出了優(yōu)異的強度和變形特征。

圖10 不同偏軸角度正交機織物和廣角機織物拉伸力學(xué)性能Fig.10 Tensile mechanical properties between orthogonal woven fabrics and wide-angle woven fabrics at different off-axial angles. (a) Breaking strength; (b) Breaking elongation; (c) Elastic modulus

3 結(jié) 論

本文介紹了廣角機織物的織造工藝，通過研究普通正交機織物和廣角機織物不同偏軸角度的拉伸力學(xué)性能，并進行特征值對比分析，得到以下主要結(jié)論。

1)從不同偏軸角度普通正交機織物應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以得出，45°、60°、120°普通正交機織物的應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大而增大，120°普通正交機織物的斷裂伸長最大且斷裂強力較大，因此，經(jīng)緯交織呈120°是最優(yōu)角度。

2)通過不同偏軸角度普通正交機織物和廣角機織物應(yīng)力-應(yīng)變曲線及特征值結(jié)果分析可知：0°、60°和120°廣角機織物的斷裂強力和斷裂伸長較普通正交機織物有一定提升，90°的2種機織物的斷裂強力基本持平；120°廣角機織物的斷裂伸長低于120°普通正交機織物，但廣角機織物各偏軸角度的彈性模量均優(yōu)于正交機織物。

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