芳綸纖維緯編立體針織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的編織與成型

陳加敏　孟家光　薛　濤　姬文香

西安工程大學(xué) 紡織與材料學(xué)院(中國(guó))

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芳綸纖維緯編立體針織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的編織與成型

陳加敏孟家光薛濤姬文香

西安工程大學(xué) 紡織與材料學(xué)院(中國(guó))

設(shè)計(jì)立體成型芳綸纖維針織物的編織模型和工藝，并在手搖橫機(jī)上進(jìn)行多次試織，確定了最佳編織工藝。采用芳綸纖維編織用于航空、航天及民用等領(lǐng)域的立體針織物模型，用手糊法制作立體成型芳綸纖維針織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，介紹了制備方法及工藝，并進(jìn)行了產(chǎn)品展示。

芳綸；針織物；立體成型；復(fù)合材料

目前，玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維等高性能纖維及織物，已被作為增強(qiáng)體應(yīng)用于紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料[1]，而以針織物為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料受材料界關(guān)注較晚。近年來，高科技發(fā)展對(duì)復(fù)合材料性能的更高需求為針織物增強(qiáng)復(fù)合材料提供了發(fā)展平臺(tái)[2-3]。剛性較大的玻璃纖維和碳纖維需在成圈較易的橫機(jī)或單面圓機(jī)上編織，而剛性較小的芳綸纖維則可在一般的橫機(jī)或圓機(jī)上編織，可編織緯平針、羅紋、畦編和襯墊等組織，其中，研究較多的是緯平針組織和羅紋組織[4]。

立體編織復(fù)合材料以立體編織物為增強(qiáng)體，并涂覆樹脂后固化而成。立體編織復(fù)合材料因其質(zhì)輕，被廣泛應(yīng)用于火箭、衛(wèi)星、飛機(jī)、船艇和汽車等結(jié)構(gòu)中，既節(jié)省了燃料，又降低了成本；因其耐高溫，應(yīng)用于飛機(jī)、火箭及各種噴管等結(jié)構(gòu)中，可有效提高產(chǎn)品壽命；因其抗沖擊性能好，可作為防護(hù)材料，如防彈服、防彈背心和裝甲等，起到安全保護(hù)作用；因其耐磨、耐化學(xué)腐蝕等性能，可用作生物醫(yī)學(xué)材料，如假體、假肢等，具有結(jié)實(shí)耐用、舒適美觀的特點(diǎn)。立體編織復(fù)合材料還可用于羽毛球拍桿、釣魚竿、自行車車架、各類球棒、球拍等其他應(yīng)用中[5-6]。

1　立體芳綸針織物的編織工藝設(shè)計(jì)

1.1編織工藝參數(shù)

立體芳綸針織物的最佳編織工藝參數(shù)如表1所示。

表1　編織工藝參數(shù)

1.2編織工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)在手搖橫機(jī)上試織芳綸纖維緯平針織物的密度，按一定比例設(shè)計(jì)了潛艇、羽毛球拍桿、火箭幾種實(shí)物的模型圖及編織工藝，運(yùn)用CAD做出相應(yīng)的設(shè)計(jì)圖。

1.2.1潛艇艇體設(shè)計(jì)

橫機(jī)上編織的潛艇艇體尺寸與實(shí)際尺寸的比例約為1∶256，艇體長(zhǎng)約29.00 cm，潛艇頭部長(zhǎng)約4.00 cm，中部長(zhǎng)約22.00 cm，尾部長(zhǎng)約5.00 cm。艇體頭部最小直徑約1.50 cm，中部直徑約6.25 cm，尾部最大直徑約5.00 cm，圖1為對(duì)應(yīng)的編織設(shè)計(jì)圖。

圖1　潛艇艇體模型編織設(shè)計(jì)圖

1.2.2火箭箭體的設(shè)計(jì)

橫機(jī)上編織的火箭箭體尺寸與實(shí)際尺寸的比例約為1∶165，箭體長(zhǎng)約30.0 cm，火箭頭部長(zhǎng)約6.0 cm，最大直徑約5.0 cm，中間長(zhǎng)約16.5cm，尾部長(zhǎng)約6.0 cm，最小直徑約3.5 cm，圖2為對(duì)應(yīng)的編織設(shè)計(jì)圖。

1.2.3羽毛球拍桿的設(shè)計(jì)

橫機(jī)上編織的羽毛球拍桿尺寸與實(shí)際尺寸的比例約為1.0∶1.3，羽毛球拍桿長(zhǎng)約33.5 cm，球拍柄長(zhǎng)約10.5 cm，最大直徑約3.5 cm，球拍桿長(zhǎng)約23.0 cm，直徑約2.0 cm，圖3為對(duì)應(yīng)的編織設(shè)計(jì)圖。

圖2　火箭箭體模型編織設(shè)計(jì)圖

圖3　羽毛球拍桿模型編織設(shè)計(jì)圖

1.2.4編織

根據(jù)各設(shè)計(jì)圖上起口針數(shù)和編織轉(zhuǎn)數(shù)，在手搖橫機(jī)上通過加、減針等方法，編織各種模型的實(shí)物，作為立體成型芳綸針織物復(fù)合材料的增強(qiáng)體。

2　芳綸纖維立體針織結(jié)構(gòu)的編織

2.1潛艇艇體模型的編織

在編織過程中，前后針床的織針相對(duì)配置。開始編織時(shí)，在針床0號(hào)針位向右6針處，前后針床各排列織針6枚。將橫機(jī)機(jī)頭1號(hào)位和3號(hào)位三角打起，即讓它們休止編織，僅讓2號(hào)位和4號(hào)位三角工作，這樣即可編織管狀織物。待前后針床各編織10個(gè)橫列后開始放針，放針時(shí)采用兩頭暗放針，機(jī)頭每轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn)放1針，轉(zhuǎn)10轉(zhuǎn)后放至20針。連續(xù)編織20個(gè)橫列后再開始一頭暗放針，1轉(zhuǎn)放1針，放5次后達(dá)25針，連續(xù)編織14個(gè)橫列后再進(jìn)行暗收針，同樣1次收1針，收5次為20針后，繼續(xù)編織40個(gè)橫列，再暗收針，轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn)收1針，直到收針完畢，前后針床線圈閉合，潛艇艇體織物模型即編織完成(圖4)。

圖4　潛艇艇體編織模型

2.2火箭箭體模型的編織

在編織過程中，前后針床的織針相對(duì)配置。開始編織時(shí)，在針床0號(hào)針位向右10針處，前后針床各排列織針10枚。將橫機(jī)機(jī)頭1號(hào)位和3號(hào)位三角打起，即讓它們休止編織，僅讓2號(hào)位和4號(hào)位三角工作，即可編織管狀織物。待前后針床各編織25個(gè)橫列后開始放針，放針時(shí)采用兩頭暗放針，機(jī)頭每轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn)放2針，轉(zhuǎn)5轉(zhuǎn)后放至20針。連續(xù)編織70個(gè)橫列后再開始兩頭暗收針，同樣1次收2針，直到收針完畢，前后針床線圈閉合，火箭織物模型即編織完成(圖5)。

圖5　火箭箭體編織模型

2.3羽毛球拍桿模型的編織

在編織過程中，前后針床的織針相對(duì)配置。開始編織時(shí)，在針床0號(hào)針位左右各6針處，前后針床各排列織針12枚。將橫機(jī)機(jī)頭1號(hào)位和3號(hào)位三角打起，即讓它們休止編織，只讓2號(hào)位和4號(hào)位三角工作，即可編織管狀織物。待前后針床各編織25個(gè)橫列后開始收針，收針時(shí)采用兩頭暗收針，機(jī)頭每轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn)收1針，每次收1針后連續(xù)編織3個(gè)橫列，再進(jìn)行下一次收針，連續(xù)編織10個(gè)橫列后收至6針。繼續(xù)編織76個(gè)橫列后手動(dòng)收針，先收前針床線圈，再收后針床線圈，使織物收針部分開口，羽毛球拍桿編織模型即編織完成(圖6)。

圖6　羽毛球拍桿編織模型

3　芳綸纖維立體針織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備

3.1試驗(yàn)材料和儀器

復(fù)合材料制備所需材料和儀器為芳綸纖維立體編織物模型、E44環(huán)氧樹脂、聚酰胺樹脂、凡士林、水浴鍋、刮板、玻璃板、燒杯等。

3.2試驗(yàn)方法

由于試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)條件的限制，本試驗(yàn)采用手糊成型法制備芳綸纖維立體編織針織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。手糊成型是一種最原始、最簡(jiǎn)單的制備熱固性樹脂基體復(fù)合材料的成型方法，其通過手工將樹脂均勻地刷在增強(qiáng)體預(yù)制件上，反復(fù)操作，直至所需厚度，并在常溫下固化成型[7]。

3.3制備過程

首先，打開水浴鍋，將樹脂和固化劑加熱至60 ℃。用量杯量取150 mL的E44環(huán)氧樹脂和60 mL的聚酰胺固化劑，在不銹鋼容器中混合后，用玻璃棒攪拌均勻。將樹脂反復(fù)、均勻地涂抹于立體編織物上，達(dá)到一定厚度后，在常溫下固化24 h以上，即得到芳綸纖維立體編織針織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，制得的成品還需進(jìn)行打磨等后處理。成型工藝過程如圖7所示。

圖7　手糊成型法制備立體編織物增強(qiáng)復(fù)合材料的工藝流程

3.4立體成型產(chǎn)品

圖8～圖10所示分別為試驗(yàn)所制芳綸纖維立體成型針織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料(潛艇艇體、火箭箭體和羽毛球拍桿)模型及實(shí)物照。

(a)潛艇艇體復(fù)合材料模型

(b)實(shí)物

(a)火箭箭體復(fù)合材料模型　　　　(b)實(shí)物　　

(a)羽毛球拍桿復(fù)合材料模型　　　　(b)實(shí)物

4　立體編織物及其復(fù)合材料的特點(diǎn)和應(yīng)用

立體編織物具有非常強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性。它可以采用各種高性能纖維進(jìn)行編織，且纖維的排列方向、分布密度和單纖維含量均可設(shè)計(jì)和控制，還可以編織多種多樣的組織，如緯平針、羅紋、羅紋空氣層、羅紋半空層、畦編、半畦編等。因此，立體編織物可滿足多功能復(fù)合材料的各種要求，可以直接編織成任意形狀、截面的整體件，如三通、四通、Y型、T型、π型等各種形狀[8-12]。

目前立體編織工藝已成功應(yīng)用于火箭、飛機(jī)、艦船、生物材料等結(jié)構(gòu)的零部件的制造，隨著立體編織技術(shù)的不斷應(yīng)用和推廣，其增強(qiáng)復(fù)合材料的發(fā)展將越來越快，產(chǎn)品也將向綠色化、多功能化、智能化方向發(fā)展，并將進(jìn)一步拓展至其他領(lǐng)域。

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Weaving and molding of aramid fiber weft knitted three-dimensional knitted structural composite

Chen Jiamin,Meng Jiaguang,Xue Tao,Ji Wengxiang

Institute of Tentiles and Material,Xi’an Polytechnic University,Xi’an/China

Weaving molds and technology of the three-dimensional molding aramid fiber knitted fabric were designed,and the fiber knitted fabric was repeatedly tested in a hand knitting machine according to the technology to determine the optimal weaving process.The three-dimensional knitted fabric models were weaved in the fields of aviation,aerospace,and civil use with aramid fibers.Three-dimensional molding knitted fiber composites were made by hand.The preparation method and process were introduced,and the products were displayed.

aramid fiber; knitted fabric; three-dimensional molding; composite material