平面四軸向機(jī)織物的頂破性能研究

陳培偉 李毓陵 陳旭煒

(東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，201620)

近年來，因以平面多軸向織物為骨架的復(fù)合材料具有薄壁化、輕量化、各向均勻性好以及高韌性、耐沖擊、形態(tài)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，其產(chǎn)品已應(yīng)用于航空航天、風(fēng)力發(fā)電、交通運(yùn)輸、建筑、汽車、體育、休閑等領(lǐng)域［1-2］。

一般的多軸向織物是采用黏合法或縫編法制得的。由兩塊常規(guī)機(jī)織物呈45°角黏合而成的織物，稱之為疊層四向機(jī)織物，如圖1所示。疊層四向機(jī)織物存在層間界面的黏合情況不確定，力學(xué)性能不夠穩(wěn)定，層間強(qiáng)度低，抗沖擊性能差，以及易發(fā)生分層等缺陷［3］。

多軸向縫編織物是用若干層不同角度的紗片或若干條斜條織物一起縫編而成，使產(chǎn)品厚度方向?yàn)檎w且有強(qiáng)力，如圖2所示。多軸向縫編織物的主要優(yōu)點(diǎn)是密實(shí)度高，各層紗線的取向可控，而且各層紗布因縫編而交錯(cuò)在一起。其主要缺點(diǎn)為縫編時(shí)紗的刺穿位置不固定，以致強(qiáng)力降低，結(jié)構(gòu)密度也差［4］。

圖1 黏合法多軸向織物

圖2 多軸向縫編織物

圖3 平面四軸向機(jī)織物示意圖

平面四軸向機(jī)織物是指四組紗線以45°角相互交織，在交織點(diǎn)處呈“米”字形結(jié)構(gòu)的織物，如圖3所示。平面四軸向機(jī)織物由于四組紗線相互交織，使作用于織物上的力分散在四個(gè)軸線上，在任何方向上均具有較均勻的強(qiáng)力，耐斜拉伸，可撓性大，經(jīng)久耐用。這種平面四軸向機(jī)織物不需要黏合，克服了疊層四向機(jī)織物的抗沖擊性差、層間分離等缺陷。它既可應(yīng)用于樹脂復(fù)合材料基材、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、防彈衣等高端用途，還可用于勞動(dòng)褲、運(yùn)動(dòng)鞋、運(yùn)動(dòng)衣、軍服等服用織物領(lǐng)域［1，5］。

本文利用自制的平面四軸向織機(jī)，設(shè)計(jì)并制備出具有一定結(jié)構(gòu)的平面四軸向機(jī)織物。通過與相同面密度的常規(guī)機(jī)織物以及疊層四向機(jī)織物的厚度和頂破性能的對(duì)比，進(jìn)一步探討平面四軸向機(jī)織物的獨(dú)特性能。

1 試樣準(zhǔn)備

1.1 平面四軸向機(jī)織物

圖4(a)為自制的平面四軸向機(jī)織物示意圖，包括一組90°經(jīng)紗、一組0°緯紗、一組45°斜紗和一組－45°斜紗。四組紗線在“米”字形交織點(diǎn)處由于相互沉浮的關(guān)系不同而形成不同的結(jié)構(gòu)，稱為“米”字結(jié)構(gòu)。本文自制的平面四軸向機(jī)織物“米”字結(jié)構(gòu)有兩種。一種結(jié)構(gòu)如圖4(b)所示，其特征為:90°經(jīng)紗始終位于 0°緯紗之上，45°斜紗和－45°斜紗之下;0°緯紗始終位于90°經(jīng)紗之下，45°斜紗和－45°斜紗之上;45°斜紗始終位于0°緯紗之下，90°經(jīng)紗和 －45°斜紗之上;－45°斜紗始終位于0°緯紗和45°斜紗之下，90°經(jīng)紗之上。另一種結(jié)構(gòu)如圖4(c)所示，其特征為:90°經(jīng)紗始終位于45°斜紗、－45°斜紗和0°緯紗之下;0°緯紗始終位于45°斜紗和 －45°斜紗之下，90°經(jīng)紗之上;－45°斜紗始終位于90°經(jīng)紗和0°緯紗之上，45°斜紗之下。上述兩種“米”字結(jié)構(gòu)沿縱向循環(huán)交替，構(gòu)成平面四軸向機(jī)織物，如圖4(d)所示。

1.2 常規(guī)機(jī)織物和疊層四向機(jī)織物

常規(guī)機(jī)織物為平紋織物，考慮到要與平面四軸向機(jī)織物的面密度一致，因此其經(jīng)緯紗密度為平面四軸向機(jī)織物的90°經(jīng)紗和0°緯紗密度的2倍。疊層四向機(jī)織物用的常規(guī)機(jī)織物也是平紋織物，其經(jīng)緯密度與平面四軸向機(jī)織物的90°經(jīng)紗和0°緯紗的密度相同。三種機(jī)織物均采用相同的紗線織制而成，具體的織物組織參數(shù)見表1。

圖4 自制平面四軸向機(jī)織物

在疊層四向機(jī)織物用常規(guī)機(jī)織物的織造過程中，由于經(jīng)密、緯密均比較小，織物的交織阻力較小，織物結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，很難成形，如圖5(a)所示。為解決上述問題，采用了邊織造邊上漿的方法，在交織點(diǎn)處將經(jīng)緯紗黏在一起，以確?？椢锏慕Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定，如圖5(b)所示。用兩塊上漿后的織物，呈45°角黏合制得疊層四向機(jī)織物，如圖6。

表1 織物組織參數(shù)

圖5 疊層四向機(jī)織物單層實(shí)物圖

圖6 疊層四向機(jī)織物

2 頂破性能測(cè)試

2.1 測(cè)試儀器及方法

測(cè)試儀器為HD026N+型電子織物強(qiáng)力儀、YG141N型數(shù)字式織物測(cè)厚儀。頂破性能測(cè)試采用彈子式頂破法(FZ/T 01030—1993)，試驗(yàn)機(jī)頂破速度為100 mm/min。厚度測(cè)試采用GB 3820—1983規(guī)定的試驗(yàn)方法。

2.2 結(jié)果和分析

圖7為三種織物的厚度對(duì)比圖。可以看出，平面四軸向機(jī)織物的厚度大于常規(guī)機(jī)織物，而小于疊層四向機(jī)織物。

圖7 三種織物的厚度對(duì)比圖

設(shè)紗線的直徑為d。由圖4(b)和圖4(c)可以看出，在平面四軸向機(jī)織物的交織點(diǎn)處，最多有三組紗線匯于一點(diǎn)，三組紗線在交織點(diǎn)處緊密結(jié)合，使得平面四軸向機(jī)織物的厚度約為三組紗線的直徑之和3d。常規(guī)機(jī)織物為單層織物，其厚度約為2d。疊層四向機(jī)織物由兩層常規(guī)機(jī)織物疊合而成，其厚度約為兩層常規(guī)機(jī)織物厚度之和，即4d。因而，平面四軸向機(jī)織物的厚度大于常規(guī)機(jī)織物，小于疊層四向機(jī)織物。

圖8為三種織物的頂破性能對(duì)比圖。可以看出，相同面密度條件下，平面四軸向機(jī)織物的平均頂破強(qiáng)力和頂破功都明顯大于疊層四向機(jī)織物和常規(guī)機(jī)織物。因此，平面四軸向機(jī)織物的頂破性能明顯優(yōu)于疊層四向機(jī)織物和常規(guī)機(jī)織物。可以預(yù)見，用平面四軸向機(jī)織物作為骨架的復(fù)合材料，厚度可以更薄，耐沖擊性能也一定具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖9為三種機(jī)織物頂破前后的對(duì)比圖。在頂破過程中，三種織物的受力變形基本相似。由于織物的密度都比較小，組織結(jié)構(gòu)松散，導(dǎo)致頂破失效主要為紗線發(fā)生滑移。

圖8 三種織物的頂破性能對(duì)比圖

圖9 三種機(jī)織物頂破前后的對(duì)比圖

疊層四向機(jī)織物由于其常規(guī)機(jī)織物上漿后才穩(wěn)定，且疊合時(shí)也需要黏合劑。因此，它的頂破強(qiáng)力主要來源于機(jī)織物內(nèi)組織點(diǎn)處的漿料以及機(jī)織物之間的黏合劑(或漿料)，可以認(rèn)為本試驗(yàn)中的疊層四向機(jī)織物的頂破性能極低。此外，在頂破過程中，黏合在一起的兩層常規(guī)機(jī)織物間還發(fā)生了分層現(xiàn)象，更預(yù)示疊層四向機(jī)織物的應(yīng)用局限性。

在常規(guī)機(jī)織物的頂破過程中，由于經(jīng)緯紗呈正交狀態(tài)，經(jīng)紗容易沿緯紗滑動(dòng)，同時(shí)緯紗也容易沿經(jīng)紗滑動(dòng)，因此容易頂破失效。而平面四軸向機(jī)織物由于四組紗線相互交織，在非常小的紗線密度下也可形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，且不存在層間分離問題。從圖4(b)也可以看出，頂破過程中任何一組紗線產(chǎn)生滑移時(shí)，至少會(huì)受到另外一組，有時(shí)多達(dá)三組紗線的阻攔。因此，平面四軸向機(jī)織物的頂破性能優(yōu)于疊層四向機(jī)織物和常規(guī)機(jī)織物。

3 結(jié)論

(1)平面四軸向機(jī)織物由于四組紗線特殊的相互交織關(guān)系，即使在面密度非常小的情況下，也能保持非常好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

(2)平面四軸向機(jī)織物的四組紗線相互交織時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)四組紗線在交織點(diǎn)處完全重疊的現(xiàn)象，因此其厚度大于常規(guī)機(jī)織物，而小于疊層四向機(jī)織物。

(3)平面四軸向機(jī)織物由于四組紗線相互交織，頂破過程中任何一組紗線產(chǎn)生滑移時(shí)，至少會(huì)受到另外一組，有時(shí)多達(dá)三組紗線的阻攔，因此平面四軸向機(jī)織物的頂破性能明顯優(yōu)于疊層四向機(jī)織物和常規(guī)機(jī)織物。

［1］李毓陵.產(chǎn)業(yè)用紡織品概述(續(xù)論)［J］.紡織學(xué)報(bào)，1994，15(4):37-39.

［2］葉鼎銓.玻璃纖維多軸向布［J］.玻璃纖維，2006(3):21-30.

［3］黃六三.多軸向織物［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，1988(Z1):55-56.

［4］王洪燕，張守斌，潘?？?多軸向經(jīng)編織物的性能及應(yīng)用［J］.現(xiàn)代紡織技術(shù)，2008(4):58-60.

［5］DINI M.四軸向織物的生產(chǎn)和用途［J］.陳廷，譯.國(guó)際紡織導(dǎo)報(bào)，1998(3):46-47.