基于蜂巢組織的多層接結(jié)機織物的結(jié)構(gòu)設計及性能分析

趙 敬 李毓陵 陳旭煒 杜衛(wèi)平 楊麗麗

(1.東華大學紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海，201620;2.上海紡織控股集團技術(shù)中心，上海，200336)

近年來由于我國造船、軌道交通、建筑裝飾和風力發(fā)電等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對夾芯復合材料的需求急劇增加，并且對其各種性能的要求也在提高。除要具備一定的保溫隔熱等性能外，還要滿足其基本力學性能特別是層間力學性能的要求。

中空及間隔織物因其孔隙較大，可保留較多的靜止空氣，再通過填充一定的保溫隔熱材料，可使織物具有較好的保溫隔熱性能。但填充材料使得加工復雜，成本增加;同時層間連接力較小，抗分層性能差。

多層接結(jié)機織物是一種平板狀三維機織物，能夠一次成型，簡化了復合材料的后加工工藝，降低了成本;同時這種結(jié)構(gòu)織物的層與層之間是靠接結(jié)紗線連接的，因此可大大改善復合材料的層間抗剪切性能，減少材料在使用過程中的層間剝離破壞。但目前常見的接結(jié)多層機織物多采用簡單組織如平紋、斜紋等為基礎(chǔ)組織，接結(jié)點較多，這雖然克服了材料層間剪切力差的缺點，但因?qū)娱g連接較緊密，孔隙小，保溫隔熱性能相應降低。

本文綜合考慮上述兩方面的性能，通過基礎(chǔ)組織和接結(jié)組織的設計，將保溫隔熱性能好和抗層間剝離兩者有效結(jié)合，開發(fā)出綜合性能較好的保溫隔熱材料。

1 織物設計和織造

1.1 設計思路

蜂巢組織由松組織和緊組織相間配置而成，兩者逐漸過渡，可在織物上形成四方形凹凸形狀，其組織圖如圖1所示。所織成的織物松軟，具有布面凹凸的外觀和極強的立體感，以及較強的吸水性和保暖性［1］。單層蜂巢組織織物較疏松，雖透氣性好，但保暖性較差，使用范圍受到限制。

圖1 蜂巢組織圖

本文將蜂巢組織與多層機織物相結(jié)合，利用蜂巢組織的凹凸效應，將上層組織的最低點和下層組織的最高點進行接結(jié)，從而使織物具備一般接結(jié)機織物力學性能好的優(yōu)點，改善材料的層間剪切性能，減少在使用過程中的層間剝離破壞。同時采用此方法形成的多層接結(jié)機織物厚實、柔軟，層與層之間含有較多的孔隙，可包含大量的靜止空氣，織物表現(xiàn)為質(zhì)量輕，隔熱、隔聲性能突出。

1.2 結(jié)構(gòu)設計

由于傳統(tǒng)的組織表示方法缺乏直觀性，很難表達出層與層之間的紗線關(guān)系，不易進行設計。為此，本文采用一個組織循環(huán)內(nèi)的經(jīng)向截面圖來直觀地表達。

在經(jīng)向截面圖2(a)中，用點表示緯紗，最左邊的點表示織物的表層，最右邊的點表示織物的里層，曲線代表經(jīng)紗的走向，若經(jīng)紗浮在某層緯紗之上，則畫在該緯紗點的左邊。經(jīng)向截面圖這種組織表達方式主要是針對多層機織物組織提出的，它可以清楚地表達經(jīng)紗與緯紗的走向及其相互間的覆蓋關(guān)系，還可以將層與層之間的連接情況清晰直觀地展現(xiàn)［2］。

圖2為三層接結(jié)蜂巢組織織物的設計實例，它是完全循環(huán)經(jīng)紗數(shù)為18、完全循環(huán)緯紗數(shù)為18的三層接結(jié)機織物組織。

經(jīng)向截面圖直觀清晰，容易設計，經(jīng)紗與緯紗的位置關(guān)系清晰明了。但織物上機織造的上機圖需采用傳統(tǒng)的組織圖，根據(jù)經(jīng)向截面圖可以很方便地畫出織物組織圖，且不易出錯。圖2(b)為由圖2(a)畫出的三層接結(jié)蜂巢織物的組織圖。另外，為對比分析該織物的性能，本文還設計了以平紋和斜紋為基礎(chǔ)組織的三層接結(jié)機織物，其經(jīng)向截面圖及組織圖見圖3。

(a)經(jīng)向截面圖

圖2 三層接結(jié)蜂巢組織織物

圖3 三層接結(jié)織物的經(jīng)向截面圖及組織圖

1.3 織造

多層接結(jié)機織物的各層組織相同，經(jīng)紗用量基本相同。在織制層數(shù)較少的織物時可以采用單經(jīng)軸送經(jīng);當織物層數(shù)較多時，為減少經(jīng)紗間的摩擦，可采用多經(jīng)軸送經(jīng)。為方便織造起見，本文采用了三經(jīng)軸織造技術(shù)。三種三層接結(jié)機織物都采用了相同的紗線，織造參數(shù)如表1所示。三種接結(jié)機織物下機試樣如圖4所示。

表1 織造參數(shù)

圖4 三層接結(jié)機織物試樣

2 性能測試

2.1 厚度測試與結(jié)果分析

參照GB/T 3820—1997，在YG141N型數(shù)字式織物厚度儀上測試織物厚度。結(jié)果如表2所示。

表2 三種三層接結(jié)機織物的厚度測試結(jié)果

從表2可以看出，以蜂巢組織為基礎(chǔ)組織的三層接結(jié)機織物厚度顯著大于另外兩種織物。三種接結(jié)織物除基礎(chǔ)組織不同外，其他條件均相同，因此不同的組織結(jié)構(gòu)所形成的織物厚度不同。在多層織物的組織結(jié)構(gòu)中，接結(jié)次數(shù)越多，織物間聯(lián)系越緊密，織物越薄，因此以平紋為基礎(chǔ)組織的三層接結(jié)機織物的厚度小于斜紋，不過差異并不大。以蜂巢組織為基礎(chǔ)組織的三層接結(jié)機織物由于基礎(chǔ)組織的變形以及接結(jié)點的適當選擇，結(jié)果使織物的厚度顯著增加，說明本文對織物基礎(chǔ)組織以及接結(jié)點的設計是合理的，達到了預期的效果。

2.2 織物的保溫性能測試與分析

參照 GB/T 11048—2008，在 SFJJ-606PC型織物保溫性試驗儀上對織物進行保溫性能測試。測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 織物保溫性能柱狀圖

從圖5可以看出，各織物保溫性能好壞的順序是:接結(jié)蜂巢織物、接結(jié)斜紋織物、接結(jié)平紋織物。

因各織物所用的原料都相同，依據(jù)本文的設計原理，影響織物保溫性能的本質(zhì)因素是織物中的靜止空氣含量。在其他參數(shù)均相同的情況下，織物厚度越大，則織物中的空隙越多，貯存的靜止空氣量也越多，織物的保溫性能越好。顯然，接結(jié)蜂巢織物所含的空隙最多，因此其保溫性能最好。這也說明通過基礎(chǔ)組織的變化和相應接結(jié)點的配合，就可以設計出保溫性能更好的織物。

2.3 織物的層間剝離性能測試

本文對多層接結(jié)織物進行了力學性能測試，主要測試了織物的層間剝離強力。由理論分析可知，由于所制備的織物存在層間接結(jié)，因此織物的抗層間分離性能比較好。

參照BS 3424—24方法9B，采用YG605型織物電子強力儀進行測試。試樣規(guī)格為200 mm×50 mm，夾持隔距為100 mm，設置織物的剝離速度為100 mm/min。對三種樣品進行測試，測試結(jié)果如表3所示。

表3 三種三層接結(jié)機織物的剝離強力測試結(jié)果

由表3可以看出:接結(jié)平紋和接結(jié)斜紋織物的層間剝離強力均大于接結(jié)蜂巢織物;接結(jié)平紋織物的層間剝離強力又大于接結(jié)斜紋織物。三種織物中，平紋的接結(jié)點最多，斜紋次之，蜂巢組織最少。分析上述測試結(jié)果可知:接結(jié)點的多少直接影響了層間剝離強度?？梢灶A見，接結(jié)蜂巢織物的層間剝離強度大于間隔機織物。

3 結(jié)語

本文設計并織造了三種不同基礎(chǔ)組織的三層接結(jié)機織物，并采用二維織機成功織造。通過對下機試樣進行相關(guān)的性能測試得到:

(1)在保持其他條件均相同的情況下，以蜂巢組織為基礎(chǔ)組織的三層接結(jié)機織物厚度大于以斜紋和平紋為基礎(chǔ)組織的三層接結(jié)機織物厚度。

(2)通過基礎(chǔ)組織變化和相應接結(jié)點的配合，可以設計出保溫性能更好的織物。

(3)在多層接結(jié)織物中，接結(jié)點的多少直接影響織物的層間剝離強度。

［1］蔡陛霞，荊妙雷.織物組織結(jié)構(gòu)與設計［M］.4版.北京:中國紡織出版社，2010.

［2］馬慧.基于Internet的變多層機織物組織CAD系統(tǒng)［D］.無錫:江南大學，2008.

［3］薛志鵬.整體中空復合材料厚度與力學性能關(guān)系的研究［D］.無錫:江南大學，2009.