謝治云 李文斌 余鵬舉 陳 貝

武漢紡織大學(xué) 湖北省紡織新材料與先進(jìn)加工技術(shù)省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430200

三維紡織復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、高剛度、抗沖擊等優(yōu)良的力學(xué)性能[1]，在現(xiàn)代輕量化工業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用正不斷擴(kuò)大。有研究表明，汽車的車身殼體若采用輕質(zhì)化的高性能紡織復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬材料，則其能源的消耗量和二氧化碳的排放量將有效減少。如汽車車身質(zhì)量每減少100 kg，則燃油量可減少0.3～0.6 L[2]。因此，輕質(zhì)化的紡織增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車、民用飛機(jī)等交通工具領(lǐng)域的應(yīng)用已逐漸成為一種流行趨勢(shì)。而在眾多的輕質(zhì)化紡織增強(qiáng)復(fù)合材料中，機(jī)織間隔織物以其獨(dú)特的空芯夾層結(jié)構(gòu)成為了主要的增強(qiáng)材料，并在高性能紡織復(fù)合材料預(yù)制體中具有巨大的應(yīng)用潛力。

間隔織物是以接結(jié)經(jīng)紗或織物垂直連接兩個(gè)獨(dú)立織物面層而形成的一種三維夾芯結(jié)構(gòu)織物[3]。間隔織物的織造方法主要有機(jī)織和針織兩種。其中，機(jī)織間隔織物中紗線彎曲程度較針織間隔織物的小，故前者可以更好地發(fā)揮高性能纖維的優(yōu)良性能，已被較為廣泛地應(yīng)用于汽車制造和航空航天等領(lǐng)域[4]。但機(jī)織間隔織物中地經(jīng)紗、緯紗和接結(jié)經(jīng)紗之間復(fù)雜的排列與交織結(jié)構(gòu)使得其織造技術(shù)相對(duì)較復(fù)雜。Mountastir等[5]通過在雙劍桿織機(jī)上安裝接結(jié)經(jīng)紗送經(jīng)軸和拉回裝置，以及帶有自動(dòng)支撐桿的直線輥式卷取機(jī)構(gòu)，研究了一種由織物交叉連接的間隔織物的織造工藝。田飛[6]在改造的SCGA-80雙梭口小樣織機(jī)上織造了不同間隔高度和不同接結(jié)紗經(jīng)緯向隔距的間隔織物，且研究結(jié)果表明：間隔高度越大的間隔織物，其泡沫填充樹脂復(fù)合材料耐沖擊性能越優(yōu)異；接結(jié)紗經(jīng)緯向隔距越小的間隔織物，其泡沫填充樹脂復(fù)合材料耐沖擊性能也越好。張雪飛等[7]在普通織機(jī)上織造了3種不同間隔高度的鋸齒形三維機(jī)織間隔織物，并探究了其復(fù)合材料的彎曲性能。鐘智麗等[8]采用天津工業(yè)大學(xué)自制的小樣織機(jī)織造了三層間隔織物，并利用鋼條定距法控制了間隔織物的高度，其研究成果進(jìn)一步表明三維間隔織物可以通過改造后的小樣織機(jī)織造出。呂麗華等[9]在普通小樣織機(jī)上設(shè)計(jì)并織造了3種截面的間隔織物，也證明了普通小樣織機(jī)織造間隔織物的可行性。綜上，間隔織物的織造大多基于改造后的普通小樣織機(jī)，且大都重點(diǎn)研究了間隔織物各項(xiàng)參數(shù)對(duì)其性能的影響，但未就間隔織物的具體設(shè)計(jì)及織造方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

本文將設(shè)計(jì)一種面組織為平紋、芯層呈“8”字形的間隔織物，重點(diǎn)分析該織物經(jīng)向截面中地經(jīng)紗、接結(jié)經(jīng)紗與緯紗的交織規(guī)律，以及投入緯紗與支撐模具的順序，設(shè)計(jì)了間隔織物上機(jī)圖；再以海綿條作為間隔織物上下面層的支撐模具，在SGA589-SD型小樣織機(jī)上成功織制了經(jīng)向截面呈“8”字形的間隔織物；最后利用樹脂對(duì)其復(fù)合，獲得了形狀穩(wěn)定的“8”字形間隔織物樹脂復(fù)合材料，并對(duì)其壓縮回彈性能進(jìn)行測(cè)試和簡(jiǎn)要分析。

1 “8”字形間隔織物組織結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與織造

間隔織物組織結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)一般涉及上下面層的組織結(jié)構(gòu)和連接層的結(jié)構(gòu)。間隔織物面層組織結(jié)構(gòu)一般選擇平紋、斜紋和方平等較為簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)組織。其中，平紋組織織物經(jīng)緯紗交織點(diǎn)最多，所形成的織物平整緊密，整體性好；斜紋組織織物經(jīng)緯紗交織點(diǎn)少，經(jīng)向浮線多，織物較為松散[10]；方平組織織物空隙多，結(jié)構(gòu)松軟，其作為間隔織物面層組織結(jié)構(gòu)時(shí)還需設(shè)計(jì)邊組織。故本文選擇平紋作為面層的組織結(jié)構(gòu)。

上下面層的連接主要有紗線連接和織物連接兩種，具體如圖1和圖2所示[11-12]。其中，以織物連接上下面層的間隔織物需通過壓扁-織造-還原法進(jìn)行織造，這種方法不利于接結(jié)織物長(zhǎng)度及最終間隔高度的控制；以紗線連接上下面層的間隔織物可通過調(diào)節(jié)接結(jié)經(jīng)紗的送經(jīng)量及芯部模具的高度，精確控制間隔織物的高度。本文選擇紗線連接上下面層。

圖1 紗線連接的間隔織物

圖2 織物連接的間隔織物

1.1 “8”字形間隔織物的組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3為本文設(shè)計(jì)的以平紋為面組織結(jié)構(gòu)、以紗線連接上下面層的“8”字形間隔織物的一個(gè)組織循環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖。圖3中：數(shù)字1、2代表接結(jié)經(jīng)紗；數(shù)字3、4、5、6、7、8代表地經(jīng)紗；帶有圓圈的數(shù)字①、②、③等代表緯紗。整個(gè)“8”字形間隔織物由地經(jīng)紗、接結(jié)經(jīng)紗和緯紗相互交織形成的上下面層及中間芯層組成。為了使加入的接結(jié)經(jīng)紗不影響整個(gè)“8”字形間隔織物面層平紋的組織效果，接結(jié)經(jīng)紗1、2也作為面層組織的經(jīng)紗，與地經(jīng)紗3、4一起參與上下面層平紋組織的循環(huán)。因此，單個(gè)面層組織所需地經(jīng)紗與接結(jié)經(jīng)紗根數(shù)排列比必須滿足(2n+1)∶1，其中n為自然數(shù)。而間隔織物由上下兩個(gè)面層組成，故整個(gè)“8”字形間隔織物所需地經(jīng)紗與接結(jié)經(jīng)紗的根數(shù)排列比必須滿足2×(2n+1)∶2，其中n為自然數(shù)。

圖3 “8”字形間隔織物結(jié)構(gòu)示意

在本文設(shè)計(jì)的單個(gè)組織循環(huán)中，經(jīng)紗根數(shù)Rj為8，其中地經(jīng)紗與接結(jié)經(jīng)紗根數(shù)排列比為6∶2，緯紗根數(shù)Rw為32。

1.2 參數(shù)的設(shè)定

本文采用300 tex的玻璃纖維紗(九江聯(lián)豐玻纖有限公司)和長(zhǎng)高寬為15.0 cm×1.5 cm×1.0 cm的海綿條，在SGA589-SD型小樣織機(jī)上，按照表1的織造參數(shù)，織制幅寬為10.0 cm，面層經(jīng)密為100 根/(10 cm)、面層緯密為80 根/(10 cm)，間隔高度為1.5 cm的“8”字形間隔織物。

表1 “8”字形間隔織物的主要織造參數(shù)

1.3 織造工藝

1.3.1 上機(jī)圖設(shè)計(jì)

“8”字形間隔織物需要2管緯紗分別參與上下面層的織造。且為了方便織造過程中緯紗的引入，織造時(shí)每織兩緯即進(jìn)行換管換層織造，因此本文設(shè)計(jì)了圖4 所示的投緯順序。根據(jù)設(shè)計(jì)的面層緯密80根/(10 cm)和模具寬度1.0 cm，在上下面層先各織四緯后，接結(jié)經(jīng)紗開始換層，如此依次交替將上下兩層連接形成間隔織物。其中，當(dāng)打完第⑨緯時(shí)，為了使上下面層之間形成一定的間隔高度，在第⑨緯與第⑩緯之間需手動(dòng)插入1根海綿條，而此時(shí)的綜框處于第⑩緯的提綜狀態(tài)，即僅地經(jīng)紗2和地經(jīng)紗5的綜頁(yè)被提起，地經(jīng)紗3和地經(jīng)紗7的綜頁(yè)未被提起。因此，本文在第⑨緯打完之后、第⑩緯引入之前，設(shè)計(jì)了地經(jīng)紗2、3、5、7的綜頁(yè)在上，地經(jīng)紗1、4、6、8的綜頁(yè)在下的提綜狀態(tài)，這樣海綿條將被當(dāng)作一緯參與上下面層的共同織造。接著，在上下面層各織八緯后，即圖4中的第緯后、第緯前，再加入1根海綿條，即一個(gè)組織循環(huán)共加入2根海綿條。圖5為“8”字形間隔織物織造紋板圖。

圖4 投緯順序及模具插入位置

圖5 “8”字形間隔織物織造紋板圖

1.3.2 織造前準(zhǔn)備

1.3.2.1 送經(jīng)

在“8”字形間隔織物的組織結(jié)構(gòu)中，接結(jié)經(jīng)紗貫穿于織物并連接上下面層，其耗紗量高于地經(jīng)紗的耗紗量。因此，織造過程中圖3所示的地經(jīng)紗3、4、5、6、7、8和接結(jié)經(jīng)紗1、2需采用2個(gè)送經(jīng)軸分別進(jìn)行送經(jīng)織造。由于本試驗(yàn)選用的SGA589-SD型小樣織機(jī)一般用于織造二維織物，只有1個(gè)送經(jīng)軸，故選擇將實(shí)驗(yàn)室中與該織機(jī)相鄰的后方織機(jī)的卷布軸作為接結(jié)經(jīng)紗的送經(jīng)軸，并通過旋轉(zhuǎn)卷布輥齒輪進(jìn)行送經(jīng)。

1.3.2.2 穿綜和穿筘

采用順穿法，先在第1、2頁(yè)綜頁(yè)上穿入后方織機(jī)卷布輥上的2根接結(jié)經(jīng)紗，再在第3、4、5、6、7、8頁(yè)綜頁(yè)上依次穿入SGA589-SD型小樣織機(jī)送經(jīng)軸上的6根地經(jīng)紗，并按此方法共穿入50根接結(jié)經(jīng)紗和150根地經(jīng)紗。再以每筘齒穿入2根經(jīng)紗的方法進(jìn)行穿筘。

1.3.2.3 整經(jīng)

整經(jīng)應(yīng)保證地經(jīng)紗和接結(jié)經(jīng)紗均處于平直的狀態(tài)，且張力均勻。正式織造前，先利用起頭紗和支撐齒在小樣織機(jī)上以平紋組織結(jié)構(gòu)織幾緯，以形成清晰的織口。

1.3.3 上機(jī)織造

在紋版編輯面板中輸入間隔織物的紋版圖。按照?qǐng)D4中的投緯順序，分別用2管緯紗織造上下面層。在織完第⑨緯和第緯后，適當(dāng)旋轉(zhuǎn)接結(jié)經(jīng)紗所在的卷布輥齒輪，以保證接結(jié)經(jīng)紗有足夠的長(zhǎng)度以形成1.5 cm的間隔高度，并將準(zhǔn)備的海綿條當(dāng)作1根緯紗引入，以支撐上下面層?？椢锵聶C(jī)后，抽出海綿條，所得實(shí)物照片如圖6所示。

圖6 “8”字形間隔織物下機(jī)后實(shí)物照片

1.4 織造過程注意事項(xiàng)

玻璃纖維是一種無(wú)機(jī)非金屬材料，其性脆，耐磨性較差，故在整個(gè)織造過程中應(yīng)避免玻璃纖維與表面粗糙或尖銳的零部件觸碰。

穿綜、穿筘過程中，地經(jīng)紗與接結(jié)經(jīng)紗需分開放置，以便更好地整經(jīng)。

織造過程中，所有經(jīng)紗張力應(yīng)保持均勻，且每次接結(jié)經(jīng)紗換層時(shí)需注意給予相同長(zhǎng)度的接結(jié)經(jīng)紗送經(jīng)量，以保證形成統(tǒng)一的間隔高度。

打緯過程中，2管緯紗各自完成上下面層的織造，故建議將2管緯紗各自編號(hào)，避免出錯(cuò)。

織造過程中，打緯力度需一致，以保證織物緯密均勻。

2 “8”字形間隔織物樹脂復(fù)合材料壓縮回彈性能測(cè)試

2.1 樹脂復(fù)合

樹脂復(fù)合是當(dāng)前制備樹脂復(fù)合材料的有效方法，并已在紡織增強(qiáng)復(fù)合材料領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。本文選用不飽和聚酯樹脂196作為基體材料，其韌性高，抗沖擊性好，多用于制備玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；選用過氧化甲乙酮作為引發(fā)劑，以加快樹脂的固化；選用苯乙烯作為稀釋劑，以形成具有一定黏度的樹脂溶液。然后按照m不飽和聚酯樹脂196∶m苯乙烯∶m過氧化甲乙酮=50∶10∶1的比例配制樹脂溶液。再采用手糊成型工藝，利用毛刷將配制好的樹脂溶液均勻涂覆于織造好的間隔織物的上下兩個(gè)面層上，樹脂溶液會(huì)通過面層的接結(jié)經(jīng)紗滲透到芯層的柱紗中。最后常溫固化2 h，形成的“8”字形間隔織物樹脂復(fù)合材料如圖7所示。從圖7可以看出，經(jīng)樹脂復(fù)合后，復(fù)合材料整體外觀性好，接結(jié)經(jīng)紗在織物芯層呈明顯的“8”字形屈曲形態(tài)。

圖7 “8”字形間隔織物樹脂復(fù)合材料實(shí)物照片

2.2 壓縮回彈性能測(cè)試

參考GB/T 1453—2005《夾層結(jié)構(gòu)或芯子平壓性能試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，先裁剪長(zhǎng)寬皆為60 mm的“8”字形間隔織物樹脂復(fù)合材料試樣，再將Instron 5943萬(wàn)能測(cè)試儀的平壓測(cè)試夾頭裝置更換并調(diào)試好，設(shè)置壓腳加載速度為4 mm/min。待試樣高度被壓縮75%后停止壓縮，再以相同的速度釋壓返回，共循環(huán)測(cè)試4次，得到載荷-位移曲線及數(shù)據(jù)，最后通過提取其中的部分?jǐn)?shù)據(jù)繪制得到試樣的壓縮-釋壓循環(huán)曲線(圖8)。

圖8 試樣的壓縮-釋壓循環(huán)曲線

由圖8可知：壓縮曲線和釋壓曲線均為非線性曲線；4次壓縮-釋壓循環(huán)測(cè)試后，試樣的最大壓縮載荷由1.8 N降至1.7 N，釋壓曲線的最終位移為2.25 mm，即最終應(yīng)變?yōu)?5%。這都表明試樣在壓縮-釋壓循環(huán)測(cè)試后未能完全回復(fù)到初始的空間結(jié)構(gòu)狀態(tài)，“8”字形間隔織物樹脂復(fù)合材料發(fā)生了一定程度的變形。

根據(jù)圖8還可計(jì)算得到表征該試樣壓縮性能的指標(biāo)——壓縮比功(即壓縮時(shí)壓腳作用力對(duì)試樣做的功)、釋壓回復(fù)功(即釋壓時(shí)試樣的彈性回復(fù)功)和壓縮回復(fù)率(即釋壓回復(fù)功占?jí)嚎s比功的百分比)[13]，具體如表2所示。

表2 試樣壓縮性能指標(biāo)

表2中，試樣在第1次循環(huán)測(cè)試時(shí)壓縮回復(fù)率最低，第2、3、4次循環(huán)測(cè)試時(shí)壓縮回復(fù)率較接近，且高于試樣第1次循環(huán)測(cè)試時(shí)的壓縮回復(fù)率，表明試樣空間結(jié)構(gòu)的形變主要發(fā)生在首次壓縮時(shí)，隨后其壓縮回彈性能逐漸趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論

(1)通過合理的組織結(jié)構(gòu)及織造工藝設(shè)計(jì)，結(jié)合模具法，可在小樣織機(jī)上根據(jù)需求織造出尺寸多樣的間隔織物。

(2)樹脂復(fù)合可以賦予芯層紗柱良好的“8”字形空間結(jié)構(gòu)形態(tài)，從而增強(qiáng)了間隔織物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和外觀整體性。

(3)本文制備的“8”字形間隔織物樹脂復(fù)合材料，在經(jīng)過4次壓縮-釋壓循環(huán)測(cè)試后，壓縮回彈性能逐漸趨于穩(wěn)定，其承載的最大應(yīng)力為1.7 N，最大壓縮回復(fù)率為50.14%。