具有規(guī)則變化孔洞蜂窩結(jié)構(gòu)織物的織造工藝探討*

龔小舟 裴鵬英 華 婷

武漢紡織大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430200

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具有規(guī)則變化孔洞蜂窩結(jié)構(gòu)織物的織造工藝探討*

龔小舟 裴鵬英 華 婷

武漢紡織大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430200

蜂窩材料以其質(zhì)輕、抗沖擊性能佳等優(yōu)點廣受好評，但通過黏合劑黏結(jié)而成的蜂窩材料一旦處于濕熱環(huán)境中，分層處的性能衰減嚴(yán)重。采用紡織技術(shù)直接制備一種層與層之間紗線連續(xù)的三維織物，經(jīng)打開后可一次整體形成蜂窩結(jié)構(gòu)，并織造了4、6及8層蜂窩結(jié)構(gòu)織物，為拓展蜂窩織物結(jié)構(gòu)變化提供了有益參考。

蜂窩織物，孔洞規(guī)則變化，織造工藝，蜂窩結(jié)構(gòu)制備

三維蜂窩結(jié)構(gòu)織物是一種三維立體結(jié)構(gòu)的紡織產(chǎn)品，它的結(jié)構(gòu)是由帶有孔洞的三維多孔織物經(jīng)過復(fù)合、展開而成的。與同等體積的固體材料相比，三維蜂窩結(jié)構(gòu)材料具有密度低、質(zhì)量輕的特點；與普通織物相比，蜂窩結(jié)構(gòu)的三維織物具有大厚度、可撐開、可填充，以及經(jīng)、緯向截面可設(shè)計性強等特點。因此，用這種三維織物作為骨架的復(fù)合材料得到了廣泛關(guān)注[1-3]。蜂窩結(jié)構(gòu)織物可由多層織物通過經(jīng)紗接結(jié)而成，若改變經(jīng)、緯紗的布置與排列，調(diào)節(jié)每個蜂窩基本單元的尺寸，與樹脂復(fù)合時再配以相應(yīng)形狀的鋼板或表面成型模具，可制成不同孔洞形狀的蜂窩材料，如正方形、菱形、正弦曲線形、六邊形等，滿足不同用途的需要[4]。

然而，目前普通的蜂窩材料大多是由板狀材料黏合再經(jīng)定型制成的。常用的材料有紙板、鋁板、玻璃纖維織物、芳綸織物等，將這些材料分層疊放，并在相應(yīng)位置黏合，經(jīng)過定型即可制成蜂窩材料。這種制作方法雖然工藝簡單，但構(gòu)件的整體性較差，當(dāng)處于高溫高濕環(huán)境中或承受交變應(yīng)力時，黏接處容易開裂[5]。因此，本文采用機織的方法，直接織造出具有整體紗線連續(xù)的蜂窩結(jié)構(gòu)織物，有望從根本上解決現(xiàn)有蜂窩材料易分層的缺陷，提高蜂窩材料的性能，擴大其應(yīng)用領(lǐng)域。

1 設(shè)計原理

蜂窩結(jié)構(gòu)體一般由一組六邊形的孔洞組成，一個蜂窩結(jié)構(gòu)單元由六條自由并相互連接的邊組成。其中，自由邊是指獨立的單層織物，由基礎(chǔ)組織形成；接結(jié)邊通過接結(jié)組織將相鄰的兩層織物連接在一起。當(dāng)蜂窩結(jié)構(gòu)織物沿其厚度方向被撐開時，一個蜂窩結(jié)構(gòu)體被創(chuàng)建而成。如圖1(a)所示，在孔洞有規(guī)則變化的蜂窩結(jié)構(gòu)織物中，其孔洞橫截面的重復(fù)包括兩列單元，一列較大孔洞的六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)單元，一列較小孔洞的六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)單元。另外，蜂窩結(jié)構(gòu)織物根據(jù)需要可設(shè)計成4、6、8層及更多層的厚度。本試驗中，蜂窩結(jié)構(gòu)的孔洞沿織物經(jīng)向形成，從織物緯向觀察，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(b)所示。

圖1 孔洞規(guī)則變化的蜂窩結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 基礎(chǔ)組織

為了獲得結(jié)構(gòu)均勻的織物，三維蜂窩織物的各單層均采用相同組織。另外，研究發(fā)現(xiàn)為了減少織造多層織物時的總綜頁數(shù)，使得到的最終織物結(jié)構(gòu)緊密、整體性好，且在復(fù)合材料中有較大的纖維體積含量，一般采用平紋組織作為基礎(chǔ)組織[6]。因此，本試驗的蜂窩織物自由邊部分均采用平紋組織。

1.2 接結(jié)組織

接結(jié)組織的選擇就是層與層結(jié)合處織物組織的選擇。考慮到織物的平整性和均勻性，使層與層結(jié)合處每層經(jīng)紗保持原有的交織規(guī)律，由一根緯紗與兩層經(jīng)紗進(jìn)行交織，但為了減小結(jié)合處織物的密度，本試驗采用重平組織。

1.3 上機圖

由于傳統(tǒng)的組織表示方法很難直觀表達(dá)多層接結(jié)織物中層與層之間紗線的連接關(guān)系，不易進(jìn)行設(shè)計。因此，多層機織物主要采用經(jīng)(緯)向截面圖來表達(dá)經(jīng)紗和緯紗之間的走向及相互間的覆蓋關(guān)系，這樣層與層之間紗線的連接情況可清晰直觀地展現(xiàn)出來(見圖2)。以4層孔洞規(guī)則變化蜂窩織物一個組織循環(huán)內(nèi)緯向截面圖為例[見圖2(a)]，黑點表示緯紗，曲線表示經(jīng)紗的走向。

由于三維蜂窩結(jié)構(gòu)要求織物厚度較大，因此需要多個系統(tǒng)的經(jīng)、緯紗。一般可根據(jù)織物的厚度要求預(yù)選經(jīng)、緯紗層數(shù)，計算一個組織循環(huán)內(nèi)各系統(tǒng)的紗線根數(shù)，在此基礎(chǔ)上畫出緯向截面圖，并以此為依據(jù)確定經(jīng)、緯紗的交織規(guī)律，繪出該組織的紋板圖，最后得到上機圖[7-8]。假若從下往上投第一緯，若經(jīng)紗浮在某層緯紗點之上，則將意匠紙上相應(yīng)的格子涂黑，否則為空白格子，即可得到紋板圖。為方便起見，此處以4層織物為例，在一個組織循環(huán)內(nèi)第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)[見圖2(a)]每層緯紗根數(shù)均設(shè)置為3根，第Ⅳ區(qū)每層緯紗根數(shù)設(shè)置為5根，因此，組織循環(huán)經(jīng)紗數(shù)Rj=8根，組織循環(huán)緯紗數(shù)Rw=56根，其中第Ⅰ、Ⅲ區(qū)為平紋組織，第Ⅱ、Ⅳ區(qū)為接結(jié)組織(重平組織)，所得的4層蜂窩結(jié)構(gòu)織物的組織圖如圖3(a)所示，具體的織物及所有綜頁數(shù)見表1。

圖3 孔洞規(guī)則變化蜂窩結(jié)構(gòu)織物的組織圖

表1 蜂窩織物組織循環(huán)經(jīng)、緯紗數(shù)和所需綜頁數(shù)

另外，本試驗的穿綜方法采用順穿法，即把一個組織循環(huán)中的各根經(jīng)紗逐一地順次穿在每一頁綜頁上，一個組織循環(huán)的經(jīng)紗根數(shù)等于所需的綜頁數(shù)，因此組織圖與紋板圖完全一致。為了減少上機織造過程中經(jīng)紗與筘片之間的摩擦而導(dǎo)致斷頭，同時為了使開口清晰以及復(fù)合時樹脂的滲透，故采用每筘2入的穿筘方法。

2 上機織造

2.1 原料選擇及試驗設(shè)備

由于蜂窩狀三維織物所需綜頁數(shù)較多，織造時經(jīng)紗與綜絲過多的摩擦易引起斷頭或開口不清，因而應(yīng)選用強力較高的紗線。從理論上來說應(yīng)從漿紗工序做起，但在后續(xù)復(fù)合時還需作退漿處理，比較麻煩。故在本試驗中經(jīng)、緯紗均采用57 tex的棉股線，所采用的織造小樣機(SGA598型半自動打樣機)由江陰通源機械股份有限公司生產(chǎn)。

2.2 工藝流程

如果對于工業(yè)大批量織物生產(chǎn)，經(jīng)紗(短纖紗)必須經(jīng)過漿紗工序，以增加經(jīng)紗的強力和耐磨性，減少織造過程中的斷頭。工業(yè)生產(chǎn)工藝流程為絡(luò)筒→漿紗→整經(jīng)→穿結(jié)經(jīng)→織造→下機及整理。而本試驗所采用的上機織造工藝流程為上機前準(zhǔn)備工作→穿綜→穿筘→織造→下機，省略了漿紗工序。

2.3 織造工藝

蜂窩結(jié)構(gòu)織物屬于多層接結(jié)機織物，由多個系統(tǒng)的經(jīng)紗與緯紗系統(tǒng)分別進(jìn)行交織。一般來說，為了實現(xiàn)織物的順利織造，應(yīng)采用多軸送經(jīng)系統(tǒng)。但本試驗所采用的SGA598型半自動打樣機為單織軸織機，故實際采用單織軸送經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行小樣試織，并且采用單個梭子進(jìn)行引緯，下機后剪下布邊即可。由于采用的是單織軸送經(jīng)且無經(jīng)紗張力控制措施，在織造過程中，每根經(jīng)紗的張力控制較難。特別是在打緯時，織口處上、下層經(jīng)紗的張力差異很大，上層經(jīng)紗張力比較大，而下層經(jīng)紗張力很小，比較松弛，嚴(yán)重影響了樣品效果。本試驗在試織過程中出現(xiàn)的問題及解決方法如下：

(1) 開口不清。因織物層數(shù)較多，織造過程中經(jīng)密較大，同時由于經(jīng)紗采用的是57 tex棉股線，且未經(jīng)漿紗，毛羽較多，提綜時經(jīng)紗在機前極易出現(xiàn)重疊、交纏、黏結(jié)等情況，導(dǎo)致開口不清。因此織造過程中，在打緯時我們手動將上層經(jīng)紗與下層經(jīng)紗分離開。

(2) 梭口高度變小。本試驗采用單軸提供經(jīng)紗，順序排列的經(jīng)紗需要分布在不同的綜頁中以形成多層織物的織造，越靠機后的綜頁中所穿入的經(jīng)紗形成的梭口越小。特別是在試織8層蜂窩結(jié)構(gòu)織物時，梭口高度非常小，使織造難以進(jìn)行。因此，本試驗采用增加提綜高度的方法將每一層梭口的開口高度增加，從而保證織造的順利進(jìn)行。然而，在未來的織造過程中，特別是在織造8層以上的蜂窩結(jié)構(gòu)織物時，應(yīng)該采用多軸送經(jīng)的方式較為理想。

(3) 張力不勻。蜂窩結(jié)構(gòu)織物由多層經(jīng)紗與緯紗交織而成，形成的梭口高度的差異直接導(dǎo)致了供紗量的差異，因此，每一層經(jīng)紗的送經(jīng)量有所不同(即經(jīng)紗張力不勻)。理想的解決方法還是將經(jīng)紗進(jìn)行分層多系統(tǒng)供紗。另外，對于織造過程中出現(xiàn)的某些張力較小的紗線，可增加一個鐵鉤以補償張力(見圖4)。

圖4 鐵鉤張力補償

試織的6層蜂窩結(jié)構(gòu)織物的產(chǎn)品實物如圖5所示。

圖5 6層蜂窩結(jié)構(gòu)織物產(chǎn)品實物圖

3 結(jié)語

本試驗通過對孔洞規(guī)則變化的蜂窩結(jié)構(gòu)織物進(jìn)行設(shè)計和試織，成功得到了4、6及8層蜂窩結(jié)構(gòu)織物，其相鄰孔洞直徑之比接近1∶2， 并且紗線在橫向和縱向均保持連續(xù)。試驗表明，利用三維織造技術(shù)對此類結(jié)構(gòu)織物進(jìn)行設(shè)計并通過機織手段制備的方法是可行的。

雖然在普通織機上也能順利完成蜂窩結(jié)構(gòu)織物的織造，但僅能織造層數(shù)較少的蜂窩結(jié)構(gòu)織物。在實際生產(chǎn)中若進(jìn)一步提高蜂窩結(jié)構(gòu)織物的厚度，則需要對織機進(jìn)行相應(yīng)的改造，以實現(xiàn)此類織物的工業(yè)化生產(chǎn)。

[1] 黃故，馬崇啟，林國財，等．三維機織復(fù)合材料的研制[J]．紡織學(xué)報，1999, 20(1)：4-6．[2] 王元昌．三維織物的設(shè)計與織制[J]．上海紡織科技，2000, 28(6)：43-44．

[3] 董敬貴，張愛華．有梭織機織造蜂窩狀三維織物的設(shè)計與織制[J]．山東紡織科技，2005(5)：23-25．

[4] 趙瑞方，華堅，聶建斌．蜂窩狀三維織物及其加強復(fù)合材料的研制[J]．紡織科技進(jìn)展，2007(5)：5-6．

[5] 黃故．蜂窩狀三維織物的組織結(jié)構(gòu)與織造工藝[J]．天津紡織工學(xué)院學(xué)報，1995, 14(2)：15-18．

[6] 黃曉梅，季濤．機織蜂窩芯的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]．上海紡織科技，2002, 30(1)：24-25.

[7] 劉淑萍，劉讓同．三維織物結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]．紡織科技進(jìn)展，2006(6)：42-46．

[8] 蔡陛霞，荊妙蕾．織物結(jié)構(gòu)與設(shè)計[M]．北京：中國紡織出版社，2008：10-18．

Study on the weaving of the honeycomb structured fabric with regular changing holes

GongXiaozhou,PeiPengying,HuaTing

College of Textile Science & Engineering， Wuhan Textile University, Wuhan 430200，China

Due to its lightweight and good anti-impact performances, honeycomb material has been drawn attentions to the public for a long time. However, under the conditions of moisture and heat environment, the conventional honeycomb material will start to delaminate between layer and layer. A novel integrated fabric, which could be opened as honeycomb shape without using attachment between layers was produced by textile weaving technology and the related fabrics with four, six and eight layers were obtained. The technology can provide further reference for the future development of this type of material.

honeycomb fabric, regular changing hole, weaving technology, honeycomb structure manufacture

*國家自然科學(xué)基金項目(51502209)；湖北省自然科學(xué)基金項目(2015CFB553)

2015-07-03

龔小舟，女，1980年生，副教授，研究方向為紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、三維紡織品的工藝及產(chǎn)品開發(fā)

TS105.1

A

1004-7093(2016)02-0014-04