幾種緯編增強(qiáng)材料拉伸性能探討

吳波偉 張 毅

1. 天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300387；2. 天津工業(yè)大學(xué)先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387

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幾種緯編增強(qiáng)材料拉伸性能探討

吳波偉1，2張 毅1，2

1. 天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300387；2. 天津工業(yè)大學(xué)先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387

在相同材料及編織工藝的情況下，用龍星電腦橫機(jī)編織四種不同組織結(jié)構(gòu)的緯編針織物，分別對(duì)其縱橫向進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，探討其作為增強(qiáng)體的承載能力及紗線在織物中的強(qiáng)力貢獻(xiàn)率。結(jié)果表明：在研究范圍內(nèi)，四種組織結(jié)構(gòu)織物作為增強(qiáng)材料的優(yōu)劣次序?yàn)殡p羅紋空氣層組織、羅紋空氣層組織、間隔組織、雙反面組織；增強(qiáng)材料中沿縱橫向受力的紗線越多，其強(qiáng)力越大，但并非呈線性關(guān)系；用無(wú)捻滌綸長(zhǎng)絲編織的增強(qiáng)材料結(jié)構(gòu)中，紗線的強(qiáng)力貢獻(xiàn)率相對(duì)較低。

緯編，增強(qiáng)材料，拉伸性能，應(yīng)力，貢獻(xiàn)率

近年來(lái)，產(chǎn)業(yè)用紡織品在整個(gè)紡織行業(yè)中所占的比重不斷上升，其中紡織復(fù)合材料增強(qiáng)體占相當(dāng)?shù)谋戎豙1-2]。緯編針織物[3-4]具有良好的成型性和延展性，可編織三維全成型產(chǎn)品，具有較好的抗沖擊耐疲勞性和高能量吸收性，而且生產(chǎn)效率較高。因此，以其做增強(qiáng)體的緯編針織增強(qiáng)復(fù)合材料已廣泛用于軍工、汽車(chē)、航天、航海、交通、建筑及醫(yī)療等領(lǐng)域[5-8]。紡織復(fù)合材料增強(qiáng)體主要起承載作用。本文主要對(duì)由雙反面組織、羅紋空氣層組織、雙羅紋空氣層組織和間隔組織編織的四種緯編針織物的拉伸性能進(jìn)行研究，探討它們作為增強(qiáng)體的承載能力及紗線在織物中的強(qiáng)力貢獻(xiàn)率。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試樣編織

本文所探討的雙反面組織、羅紋空氣層組織、雙羅紋空氣層組織及間隔組織織物均用江蘇金龍公司的LXC-252SCV型12針龍星電腦橫機(jī)編織而成。編織時(shí)所用原料為海鹽海利環(huán)保纖維有限公司生產(chǎn)的半消光再生無(wú)捻低彈滌綸長(zhǎng)絲(FDY)，規(guī)格為R 33.33 tex(300 D)/96 f， 強(qiáng)力為9.78 N，并全根數(shù)為3根(無(wú)加捻)，編織度目為85，上下羅拉拉力均為8，機(jī)速為30。圖1和圖2分別為四種組織的編織圖和實(shí)物圖。

(a) 雙反面組織

(b) 羅紋空氣層組織

(c) 雙羅紋空氣層組織

(d) 間隔組織

(a) 雙反面組織 (b) 羅紋空氣層組織

(c) 雙羅紋空氣層組織 (d) 間隔組織

四種組織織物的部分參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 四種組織織物的部分參數(shù)

1.2 試樣拉伸試驗(yàn)

試樣的拉伸試驗(yàn)按照GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(條樣法)》中的試驗(yàn)方法進(jìn)行。試樣尺寸為50 cm×150 cm，試樣在環(huán)境溫度為20 ℃、相對(duì)濕度為(65±3)%的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下平衡4 h，然后在YG026D型多功能電子織物強(qiáng)力機(jī)上，分別沿四種組織織物的橫向和縱向進(jìn)行拉伸測(cè)試，試樣夾間距為100 mm，加載速度為100mm/min。

需要特別說(shuō)明的是，由于針織材料的特點(diǎn)，裁剪的試樣邊緣的線圈易脫散，故在試樣縱、橫向的邊緣均勻地涂抹聚氨酯樹(shù)脂并烘干，以防止試樣邊緣線圈脫散對(duì)測(cè)試結(jié)果帶來(lái)的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 拉伸斷裂分析

應(yīng)用Origin軟件得出四種組織織物的縱橫向應(yīng)力差和斷裂伸長(zhǎng)率差，如圖3所示。

圖3 四種組織織物的縱橫向應(yīng)力差和斷裂伸長(zhǎng)率差

由圖3中四種組織織物的縱橫向應(yīng)力差可以看出，羅紋空氣層組織和雙羅紋空氣層組織織物的縱橫向應(yīng)力差較小，雙反面組織和間隔組織織物的縱橫向應(yīng)力差較大?？椢锏目v橫向應(yīng)力差異主要是由兩個(gè)方向的紗線受力斷裂方式不一樣而形成的，縱向主要承載的是線圈間的鉤結(jié)強(qiáng)力，而橫向主要承載的是紗線的拉伸斷裂強(qiáng)力。

由四種組織織物的縱橫向斷裂伸長(zhǎng)率差可以看出，雙羅紋空氣層組織織物的縱橫向斷裂伸長(zhǎng)率差最小。造成織物的縱橫向斷裂伸長(zhǎng)率差異的因素很多，主要有織物的彈性、線圈密度和線圈長(zhǎng)度。

針織復(fù)合材料的增強(qiáng)體應(yīng)選彈性小、應(yīng)力大且各方向的彈性和應(yīng)力差異都小的織物為佳。因此，在相同條件下，綜合四種組織的緯編針織物用作增強(qiáng)材料的性能，其優(yōu)劣依次為雙羅紋空氣層組織織物、羅紋空氣層組織織物、間隔組織織物、雙反面組織織物。

2.2 織物中紗線承載能力分析

為了更好地觀察不同組織的緯編針織物中紗線的利用情況，對(duì)四種織物分別做縱向和橫向紗線受力分析。

若各種組織織物的每一橫行中實(shí)際受力紗線根數(shù)為m，每一縱列中實(shí)際鉤結(jié)線圈個(gè)數(shù)為n，則根據(jù)織物的橫密w和縱密c，可計(jì)算出試樣給定長(zhǎng)度(5 cm) 內(nèi)橫向?qū)嶋H受力紗線根數(shù)M與縱向?qū)嶋H鉤結(jié)線圈個(gè)數(shù)N：

M=mc

N=nw

應(yīng)該說(shuō)明的是，四種組織織物的縱向?qū)嶋H鉤結(jié)線圈個(gè)數(shù)如圖4所示，可以看出，在縱向受力拉伸時(shí)，雙反面組織織物中實(shí)際線圈鉤結(jié)個(gè)數(shù)與單面線圈個(gè)數(shù)相同，故n=1；羅紋空氣層組織為雙層組織，織物中實(shí)際線圈鉤結(jié)個(gè)數(shù)為單面線圈個(gè)數(shù)的2倍，故n=2；雙羅紋空氣層組織為雙層組織，且按1隔1編織，織物中實(shí)際線圈鉤結(jié)個(gè)數(shù)也為單面線圈個(gè)數(shù)的2倍，故n=2；間隔組織織物中的連接紗按1隔1襯墊方式織入，相當(dāng)于在受力點(diǎn)上增強(qiáng)1根紗線，相當(dāng)于增加了1倍的單面線圈個(gè)數(shù)，故n=3。

四種組織織物的橫向受力紗線根數(shù)由圖1可知，雙反面組織[圖1(a)]的一個(gè)完全組織可以看作由2根紗線在正反面各編織一行線圈，故m=2；羅紋空氣層組織[圖1(b)]的一個(gè)完全組織可以近

(a) 雙反面組織 (b) 羅紋空氣層組織

(c) 雙羅紋空氣層組織 (d) 間隔組織

似地看作由3根紗線沿橫向彎曲并相互圈套成兩行線圈，但受力時(shí)，由于2根單面編織的紗線較短，1根兩面編織的紗線較長(zhǎng)，故橫向受力的主要是2根單面編織紗線，m=1；雙羅紋空氣層組織[圖1(c)]的一個(gè)完全組織可以近似地看作由4根紗線沿橫向彎曲并相互圈套而成，在每一面都形成兩個(gè)橫行，但兩面編織的紗線按1隔1編織，用紗量和單面全編織的用紗量近似相等，故m≈2；間隔組織[圖1(d)]的一個(gè)完全組織可以近似地看作由4根紗線沿橫向彎曲并相互圈套而成，由于連接兩面的紗線按1隔1集圈，用紗量近似等于單面全編織的用紗量，故m=3。 具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 四種組織織物的縱橫向?qū)嶋H受力紗線數(shù)

從理論上講，織物的縱橫向受力紗線越多，其縱橫向的強(qiáng)力越高，表2中的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了表1中的強(qiáng)力排序，但增加的幅度并非呈線性關(guān)系，這是因?yàn)樵诓煌尼樋椊Y(jié)構(gòu)中，紗線的強(qiáng)力貢獻(xiàn)率不一樣。為了進(jìn)行對(duì)比分析，測(cè)試了紗線的實(shí)際拉伸斷裂強(qiáng)力(29.18 N)和鉤結(jié)強(qiáng)力(60.33 N)，以分析織物中的紗線強(qiáng)力貢獻(xiàn)率。根據(jù)表1和表2中的數(shù)據(jù)，理論上可計(jì)算出增強(qiáng)材料中縱橫向單根紗線實(shí)際承受的拉伸力，從而計(jì)算出各組織織物中紗線的強(qiáng)力貢獻(xiàn)率。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 四種組織織物的紗線實(shí)際強(qiáng)力與貢獻(xiàn)率

由表3可知，四種用于針織復(fù)合材料增強(qiáng)體的組織，其織物中的紗線強(qiáng)力貢獻(xiàn)率普遍較低，為30%～40%，僅羅紋空氣層組織織物橫向的紗線強(qiáng)力貢獻(xiàn)率達(dá)64.15%。這主要是由織物在受力拉伸時(shí)紗線的斷裂不同時(shí)性所造成的。若織物經(jīng)過(guò)后整理，使織物中的線圈分布均勻，則其紗線強(qiáng)力貢獻(xiàn)率必然增大。

3 結(jié)論

(1) 在研究范圍內(nèi)，四種組織織物作為增強(qiáng)材料的優(yōu)劣依次為雙羅紋空氣層組織織物、羅紋空氣層組織織物、間隔組織織物、雙反面組織織物。

(2) 四種組織形成的增強(qiáng)材料中，縱橫向受力紗線越多，其強(qiáng)力越大，但并非呈線性關(guān)系。

(3) 用無(wú)捻滌綸長(zhǎng)絲編織的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)中，紗線強(qiáng)力貢獻(xiàn)率普遍較低，在30%～40%左右，僅羅紋空氣層組織織物橫向的紗線強(qiáng)力貢獻(xiàn)率達(dá)64.15%。

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Discussion on tensile properties of several kinds of weft knitted reinforced material

WuBowei1, 2,ZhangYi1, 2

1. School of Textile, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China;2. Key Laboratory of Advanced Textile Composites of Ministry of Education, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300378, China

Under the condition of same materials and knitting process, four weft knitted fabrics of different structures were knitted by using Long Xing computer knitting machines. Tensile tests along the said fabrics’ vertical and horizontal direction were carried out respectively, and their carrying capacity as reinforcement and the yarn strength contribution rate in fabric were also discussed. The results showed that, within the study area, priorities of four structures as reinforcement were double Milano rib, Milano rib, interval structures, purl stitch; the more yarn to force along vertical and horizontal direction of reinforced materials led the higher strength of fabric, but not linear; as to the reinforced material knitted with non-twist polyester filament yarn, the yarn strength contribution rate was relatively low.

weft knitting， reinforced material， tensile property， stress， contribution rate

2015-9-15

吳波偉，男，1989年生，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榧徔棽牧吓c紡織品設(shè)計(jì)

張毅，E-mail: tianjinzhangyi@126.com

TS186.2

A

1004-7093(2016)06-0021-03