季 兵

(天津昂林貿(mào)烽高新材料有限公司 天津 300308)

0 引 言

碳纖維材質除了具備傳統(tǒng)碳材料的固有特點之外，還具備較強的抗拉、耐低溫和紡織纖維柔軟可編織特性[1]，已被認為是復合增強材料的首選。碳纖維干布或預浸料是構成碳纖維復合材料的最基本要素，在其得到廣泛應用的各領域中，以碳纖維作為重要增強體的各類制品制件是其產(chǎn)品的主要應用方式[2]，對纖維材料的應用和相關行業(yè)發(fā)展具有重要指導意義。碳纖維緯向編織工藝是編織布成型過程中的重要環(huán)節(jié)，應給予高度重視。

1 碳纖維編織工藝現(xiàn)狀

近年來，隨著科學技術的飛速發(fā)展，碳纖維復合材料已經(jīng)被廣泛應用在現(xiàn)代工業(yè)、新能源、醫(yī)療器械、交通運輸、船舶游艇、體育器械等高端領域，作為碳纖維復合材料的重要種類之一，碳纖維編織布的附加值更大。目前3K平紋布、斜紋布和緞紋布由于紋格規(guī)整、美觀而受眾廣泛，但是由于碳纖維本身尚有的摩擦系數(shù)大、易脆易斷等性能特點，在織造生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)起毛刺、上下層粘連、易斷絲等問題，編織起來比較困難，目前已推廣的織機不能直接用于碳纖維編織布生產(chǎn)。因此，對碳纖維編織生產(chǎn)工藝提出了更高層次的要求。

已有學者通過試驗研究碳纖維絲束的編織性能，得知絲束本身固有特性和編織生產(chǎn)工藝是影響碳纖維布編織性能的兩大重要因素。碳纖維原材料分為進口和國產(chǎn)2種，企業(yè)可以根據(jù)實際需要直接采購。若想進一步改善碳化纖絲束的紡織特性，企業(yè)就必須從織布機的優(yōu)化入手，而織布機的優(yōu)化重點主要在于機械、電氣2個方面的改善，其中織機機械方面的優(yōu)化改善是較為關鍵的環(huán)節(jié)，重點聚焦在開口機構、引緯機構、打緯機構、送經(jīng)機構和卷取機構5個必備機構部分[3]。本文針對碳纖維編織工藝的現(xiàn)狀就編織布緯向編織工藝流程進行了研究，以期為碳纖維編織工藝及設備的優(yōu)化提供更多可行借鑒。

2 緯向編織工藝流程

2.1 送緯機構

送緯機構一：使用簧片來進行張力感應調節(jié)。送緯紗線的長度和緯紗的張緊力可以利用簧片來自行調整，其工作原理為使用抱閘型的豎軸阻尼器通過調節(jié)運行時豎軸的多余旋轉力所產(chǎn)生的長度變化不均勻實現(xiàn)張力的調整，最終使得放緯張力穩(wěn)定。而張力是纖維編織環(huán)節(jié)中至關重要的控制因素，該類結構可減少張力不均造成的影響。

送緯機構二：使用重錘式牽拉機構控制放緯張力。如果重錘懸掛的位置不合適，則會造成單束紗線受力不均，進而導致織物薄厚不均。如果選用的重錘太輕，則會出現(xiàn)織物上浮的現(xiàn)象[4]。因此，編織時應將重錘直掛在紗軸中間，盡量使織物受力均勻，且選用重錘的重量還需根據(jù)整錠絲束的重量和絲織物的寬度有所變化，對人員技能要求較高。

從以上2種送緯機構的方式可以看出，對于緯紗張力的控制是目前送緯機構需攻克的難題，只有確保張力的穩(wěn)定性，才可以保證緯紗的平整度。較為簡單而成本低廉的機構可模仿經(jīng)向式張力調節(jié)機構，在放緯紗架和出紗口之間增設多輥機構；或在放緯紗架和出紗口之間設置七輥組件，該類張力機構已經(jīng)被證明均可達到對碳纖維織物生產(chǎn)時緯紗平整性能的需要。經(jīng)驗證比較，七輥機構較為簡單且維修方便，能基本實現(xiàn)碳纖維絲束預張力大小的一致性，同時可滿足不同規(guī)格碳纖維絲束(1、3、6、12、24K)和不同寬幅碳纖維編織布的機織工作，可以廣泛應用。

2.2 引緯機構

引緯機構原理是利用載緯器攜帶緯紗將緯紗引入梭口，根據(jù)引緯方法的不同分為有梭織機和無梭織機兩大類：有梭織機使用梭子引緯，但梭子有體型大而重、機械震動大且噪聲高、速度慢且效率低等缺點；無梭織機包括片梭織布機、劍桿織布機、噴氣織布機、噴水織布機，這些都已得到大量使用[5]。

劍桿織布機：利用剛性的劍桿頭夾持、牽引緯紗，在織造織物時用劍桿將緯紗送入經(jīng)紗交口，在打緯結束后重復上述動作。如此循環(huán)動作，并配合送緯機構的使用，保證了劍桿在夾取緯紗、牽引緯紗和交接緯紗過程中緯紗所受的張力變動較小。夾持緯紗的工具要確保對絲束的夾持力可靠，以防止緯紗松弛或掉落。

噴氣織布機：利用噴射出的壓縮氣流牽引紗線，從而將緯紗送至梭口。此類織機的主要特點是操作簡單，且使用較少的運動部件就實現(xiàn)了所需功能。噴氣織機通常用于細紗織物的織造，也可用于輕薄織物和不同厚度帶狀織物的織造，且具有振動幅度小、噪聲低的特點。

噴水織布機：使用水為工作介質，噴射水流對緯紗的摩擦形成牽引力，把固定在紗盤上的緯紗引向梭口，其優(yōu)點是速度快，主要應用于化學纖維物料的制造。噴水還能夠提高化纖的導電性，從而有效減少紡織中的靜電現(xiàn)象，且該種方式生產(chǎn)噪音最低。

片梭織布機：使用帶夾子的小片梭子夾持緯紗，實現(xiàn)了投射引緯的目的，其優(yōu)點是引緯平穩(wěn)、產(chǎn)品的整體品質較好，一般適用于各種細密度和各種厚密度和寬幅織造物料的制造。

綜上所述，4類引緯方式的基本特征都是把緯紗從紗盤或紗錠中分離，并將僅夾持著單束緯紗的小而輕的引緯機構作為大而重的梭子機構的替代機構，均為高速引緯奠定了基石。緯紗從卷裝軸，通過導引機構直接進入引緯機構。使用無梭織機引緯對提高織物組織結構、改善品質、減少對環(huán)境噪聲污染等都具有重要意義。由于無梭織機生產(chǎn)速度一般較有梭織機效率高4～8倍，故無梭織機的使用將更加有利于行業(yè)的長遠發(fā)展。

2.3 打緯機構現(xiàn)狀

打緯機構的重要功能是將引入梭口的緯紗線推入織口內(nèi)并打緊。目前的打緯方式一般有連桿打緯、凸輪打緯和筘片打緯3個類別，其中連桿打緯、凸輪打緯采用鋼筘片實現(xiàn)打緯動作，而筘片打緯則是采用筘片運動實現(xiàn)打緯動作。

連桿打緯機構：其基本原理是使用桿件將織機中主軸部分的回轉運動轉變?yōu)殇擉氐耐鶑瓦\動。連桿機構一般包括四連桿打緯機構和六連桿打緯機構，其中四連桿打緯機構因結構較為簡單、加工生產(chǎn)更加方便和可滿足高速運轉的需求而得到廣泛應用。

凸輪打緯機構：利用與凸輪軸、轉子等機械元件的聯(lián)動把主軸部分的運動傳送給鋼筘進行打緯動作。由于在打緯時筘座不動，而是進行了與筘座分離，使得織布機的抖動幅度降低、筘座重量降低，從而成為在無梭織機上使用最為普遍的一類打緯機構。共軛凸輪機構打緯在主軸同轉速下輸出的打緯力更大，更加適用于寬幅織機[6]。

筘片打緯機構：其基本原理是通過轉動的多角型筘片徑直把緯紗推向織口。其實例是在一個可轉動的光軸上沿著緯紗長度方向布置與緯紗數(shù)量相等的正多角形筘片，經(jīng)紗均勻分布于筘片之間的空隙中，當筘片隨光軸轉動后就可以徑直把緯紗推入織口。其結構簡單且運行穩(wěn)定，但由于筘片制造的要求較高，目前還未得到廣泛應用。

2.4 無打緯機構

部分織機目前并無打緯機構，使用半自動化工藝由人工完成將緯紗送入織口，其緯紗間隙部分由人為控制，且存在不均勻性。人力拉直緯紗無法確保緯紗的張力始終恒定，對織物質量的影響較大，人工織造速度無法與機器自動化速度相比，造成織物的成本較高。因此，此類設備現(xiàn)階段一般只用于試驗開發(fā)或樣件的制作。

3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀對比

目前國外一些大型制造公司已在碳纖維織機領域取得了先進的成果，如德國多尼爾(Dornier)公司研發(fā)的劍桿織機，其結構堅固、設備運行平穩(wěn)、生產(chǎn)效率高且產(chǎn)品質量較好，是目前應用最為廣泛的設備；日本東麗公司和美國赫氏公司研制的碳纖維專用織機自動化水平非常高，但這些織機往往只適用于單一產(chǎn)品的織造，覆蓋率較低。

國內(nèi)目前并無批量生產(chǎn)碳纖維織機的廠家，因此，如何在現(xiàn)有設備結構的基礎上做出優(yōu)化和改進，從而提高編織機的速度、編織布的質量，是我們應該重點攻克的難關。本文從放緯機構、引緯機構、打緯機構等方面做出了闡述，通過對現(xiàn)階段各類別結構性能的對比分析，預期可設計出最為適宜、且功能性最為完整的設備，能成功解決碳纖維編織布緯向編織的問題，進而提高碳纖維編織布的質量和性能。

4 結 語

由于碳纖維具有彎曲性能較差、脆且易斷等缺點，導致碳纖維編織難度很大[7]，但碳纖維本身具備高強度、高模量等優(yōu)異的性能，令其織物在增強復合材料中應用越來越廣泛。各企業(yè)可根據(jù)自身的需要，并借鑒已有織機的性能，在控制好紗線張力的前提下充分將本文中提到的各項制造技術應用在織機的制造中，從而實現(xiàn)一臺織機多用和高效率、高質量地完成碳纖維布的編織，以期在未來需求碳纖維布的建筑、民用、國防及其他新興產(chǎn)業(yè)等諸多領域[8]都能得到充分應用?！?/p>