徑向縮脹管狀織物的成形及其回折內(nèi)翻性能

丁作偉， 于偉東

(東華大學(xué) a. 紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室；b. 紡織學(xué)院，上海201620)

管狀織物因其本身具有的優(yōu)良圓筒形幾何結(jié)構(gòu)性能，在管道修復(fù)及人造血管領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。眾多研究學(xué)者不斷探究管狀織物耐久性和徑向適應(yīng)性的影響因素，提出了相關(guān)的理論并報道了相關(guān)研究成果。在管道修復(fù)方面，Sills[1]研究了管道修復(fù)在翻襯過程中的破壞機(jī)理，通過測試不同材料的管狀織物發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)弱貼附性的主要原因是在管狀織物舊管道內(nèi)出現(xiàn)褶皺。張淑潔等[2-3]利用有限元分析法對管道修復(fù)用管狀復(fù)合材料內(nèi)翻轉(zhuǎn)時的應(yīng)力和應(yīng)變情況進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，管狀復(fù)合材料在舊管道的翻轉(zhuǎn)頭端處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，且在此處最容易發(fā)生材料破裂。Goertzen等[4]研究舊管道修復(fù)過程中管狀復(fù)合材料的動態(tài)力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)直徑對管狀復(fù)合材料的內(nèi)翻轉(zhuǎn)受力有較大影響。在紡織生物醫(yī)用領(lǐng)域，改變?nèi)嗽煅苡霉軤羁椢锏牟牧蟍5-6]和織造形式[7-8]均可改善其徑向順應(yīng)性，并且可以通過設(shè)計雙層管壁結(jié)構(gòu)的機(jī)織管狀織物來改善人造血管的耐久性[9]。杜佳等[10]利用管狀織物織造方式設(shè)計開發(fā)了具有局部耐久結(jié)構(gòu)的覆膜支架，通過性能分析發(fā)現(xiàn)該支架具有良好的生物相容性。Zhao等[11]通過數(shù)學(xué)建模分析了人造血管用管狀織物的直徑和最終性能之間的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)直徑大小會對管狀織物的受力產(chǎn)生影響。

此外，錢秀洋等[12]測試分析了管狀織物和圓管之間的摩擦因數(shù)，設(shè)計開發(fā)了一套管狀織物套接于圓管外壁進(jìn)行內(nèi)抽拔的測試系統(tǒng)，并測試了管狀織物在圓管內(nèi)外壁受到的摩擦力。徐永紅等[13]對管狀織物外套于管子的抽拔行為進(jìn)行了建模分析，研究發(fā)現(xiàn)管狀織物在管子的回折內(nèi)翻處出現(xiàn)應(yīng)力集中。筆者課題組亦設(shè)計開發(fā)了傳統(tǒng)的機(jī)織管狀織物[14]，并對其抽拔順滑性進(jìn)行了測試，研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)機(jī)織管狀織物具有較好的抽拔順滑性，但受到的最大抽拔力卻較大。

綜上所述可知，在實際使用過程中，由于管狀織物常以內(nèi)襯或外包覆狀態(tài)存在，難免發(fā)生大直徑空間和小直徑空間的轉(zhuǎn)換，在這個過程中很可能出現(xiàn)由于空間直徑變化而產(chǎn)生的褶皺現(xiàn)象，從而導(dǎo)致管狀織物的在回折內(nèi)翻過程中遭受較大的抽拔力，影響其使用性能。盡管目前管狀織物的設(shè)計及研究理論較多，但相關(guān)研究主要從材料選擇、織物直徑大小改變、采用不同織造形式等方面著手進(jìn)行，而從管狀織物結(jié)構(gòu)設(shè)計角度進(jìn)行的研究相對較少。為此本文專門設(shè)計開發(fā)一種具有徑向縮脹功能的管狀織物，并測試其回折內(nèi)翻過程中的抽拔順滑性，通過與傳統(tǒng)機(jī)織管狀織物進(jìn)行對比，研究探討其管徑的適應(yīng)能力。

1 徑向縮脹管狀織物設(shè)計原理

1.1 徑向縮脹管狀織物在圓管壁上產(chǎn)生徑向縮脹的設(shè)計原理

徑向縮脹管狀織物套接于圓管外壁時的立體圖如圖1所示。所設(shè)計的徑向縮脹管狀織物為編織管狀織物，采用對稱交叉紗編織的方式穩(wěn)定經(jīng)紗，交叉紗和經(jīng)紗形成交叉點，且交叉紗在交叉點處可自由轉(zhuǎn)動。

圖1 徑向縮脹管狀織物套接于圓管外壁時的立體圖Fig.1 The block diagram of tubular fabric with radial shrinkage and expansion attached to the outer wall of the tube

管狀織物從套接于圓管外壁到被回折內(nèi)翻拉入圓管內(nèi)部時，該管狀織物所具有的徑向縮脹功能的特點如圖2所示。當(dāng)包覆于圓管外壁時，在拉伸作用下徑向縮脹管狀織物受到圓管外壁的頂脹力作用，由于該力的存在，迫使圓管外壁上的交叉紗以交叉點為圓心發(fā)生交叉角變小(θ1<θ)的交叉轉(zhuǎn)動，同時管狀織物在直徑方向上發(fā)生膨脹，即在長度上表現(xiàn)為a1>a，而相應(yīng)地，在另一個方向，即軸向上，則會略有縮短，即b1θ)的交叉轉(zhuǎn)動，同時管狀織物在直徑方向上發(fā)生收縮，即在長度上表現(xiàn)為a2b。徑向縮脹管狀織物直徑變化的截面圖如圖3所示。徑向縮脹管狀織物因受到頂脹力和擠壓力發(fā)生直徑改變，即D1>D>D2，做出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)調(diào)整，以便適應(yīng)新的空間，減小運動阻力。

圖2 徑向縮脹管狀織物在圓管壁發(fā)生直徑變化的原理圖Fig.2 The diameter change principle of tubular fabrics with radial shrinkage and expansion on the wall of the tube

圖3 徑向縮脹管狀織物直徑變化的截面圖Fig.3 The diameter change cross section diagram of tubular fabrics with radial shrinkage and expansion

1.2 徑向縮脹管狀織物在圓管頭端拐角處產(chǎn)生徑向縮脹的設(shè)計原理

徑向縮脹管狀織物在圓管頭端拐角處的剖面圖如圖4所示。與在圓管壁上產(chǎn)生徑向縮脹的設(shè)計原理類似，徑向縮脹管狀織物在圓管頭端拐角處也會通過直徑的改變做出結(jié)構(gòu)調(diào)整，進(jìn)而順利通過圓管頭端拐角處。在拉伸作用下，當(dāng)經(jīng)過圓管頭端拐角處被回折內(nèi)翻至圓管內(nèi)壁并做抽拔運動時，徑向縮脹管狀織物的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，其原理如圖5所示。管狀織物因受到較大擠壓力而使其所受的摩擦阻力陡增，并大于交叉點處交叉線的轉(zhuǎn)動時受到的摩擦力，從而使交叉線以交叉點為圓心發(fā)生交叉角變大

(θ4>θ3)的交叉轉(zhuǎn)動，從而使管狀織物產(chǎn)生徑向收縮，即在長度上表現(xiàn)為c1d。

圖4 徑向縮脹管狀織物在圓管頭端拐角處的剖面圖Fig.4 The profile diagram of tubular fabrics with radial shrinkage and expansion at the corner of the tube

圖5 徑向縮脹管狀織物在圓管頭端拐角處發(fā)生直徑變化的原理圖Fig.5 The diameter change principle diagram of tubular fabrics with radial shrinkage and expansion at the corner of the tube

2 試 驗

2.1 材料制備

本文選用美國杜邦公司生產(chǎn)的Kevlar芳綸長絲束作為織造用原材料。為利于織造過程的進(jìn)行，對芳綸長絲束進(jìn)行加弱捻及熱定型處理。采用東華大學(xué)實訓(xùn)中心自產(chǎn)的DHU N-01型捻線試驗機(jī)，對篩選的芳綸長絲束進(jìn)行加弱捻處理，如圖6所示。

圖6 芳綸長絲在DHU N-01型捻線試驗機(jī)上的加捻處理Fig.6 The twisting treatment of aramid filaments on DHU N-01 twist machine

經(jīng)過多次預(yù)試驗，選取捻度為80捻/10 cm。加捻結(jié)束后，從捻線試驗機(jī)上取下紗管，將紗管整體置于高壓鍋中的蒸篦上，不直接接觸沸水，進(jìn)行熱濕定形處理。為避免溫度對長絲紗的過大損傷，經(jīng)過多次嘗試，最終將溫度設(shè)定為90 ℃，處理時間設(shè)定為120 min。將熱濕定形處理后的紗管從高壓鍋的蒸篦上取出，將其放在烘箱中烘干或自然風(fēng)干，得到織造用的芳綸弱捻長絲紗。經(jīng)加捻熱定型處理后的Kevlar芳綸長絲如圖7所示，其基本性能參數(shù)如表1所示。

(a) 芳綸長絲束

(b) 加捻熱定型后，芳綸弱捻長絲紗

材料線密度/tex斷裂伸長率/%斷裂強(qiáng)度/(cN·dtex-1)Kevlar芳綸長絲紗88.894.73±0.3920.52±1.86

2.2 徑向縮脹管狀織物的織造及成形

本文所用的編織機(jī)為徐州恒輝編織機(jī)械有限公司的KBL64-1-90型32錠編織機(jī)，如圖8所示。在編織過程中，交叉角θ與交叉線螺旋成形的螺旋角φ的關(guān)系表達(dá)式為

θ=180-2φ

(1)

式中：兩交叉線的交叉角θ設(shè)定為60°，因此，螺旋角φ亦為60°。

圖8 徑向縮脹管狀織物織造用編織機(jī)Fig.8 Braiding machine used for tubular fabrics with radial shrinkage and expansion

在編織過程中，經(jīng)紗以100根/10 cm的經(jīng)密平行排布于編織機(jī)上，交叉線的兩組紗按照相同的螺旋角以相反的方向相互交叉、順次地與經(jīng)紗進(jìn)行編織，從而得到徑向縮脹管狀織物，如圖9所示。

圖9 徑向縮脹管狀織物實物圖Fig.9 The physical map of tubular fabrics with radial shrinkage and expansion

3 回折內(nèi)翻性能測試

為測試徑向縮脹管狀織物的回折內(nèi)翻性能，利用自主設(shè)計的管狀織物抽拔順滑性測量儀[14](見圖10(a))分別測試了傳統(tǒng)機(jī)織管狀織物和徑向縮脹管狀織物的抽拔力隨時間的變化情況。管狀織物抽拔順滑性測量儀及管狀織物套接示意圖如圖10所示。測試開始前，將已經(jīng)準(zhǔn)備好的管狀織物套于圓管外壁上，使其一端置于圓管外壁的上端口附近，另一端置于圓管的下端口附近并在圓管頭端拐角處回折內(nèi)翻，并由處于圓管內(nèi)部的夾緊裝置夾持，將夾緊裝置與柔性拉繩一端相連。在測試過程中，套接于圓管外壁的管狀織物在柔性拉繩的牽引力作用下被迫做回折內(nèi)翻運動，并最終被拉入圓管內(nèi)部。其中，最大抽拔力下降率(δ)的計算方法如式(2)所示。

(2)

式中：Fcmax為傳統(tǒng)機(jī)織管狀織物所受的最大抽拔力；Fjmax為徑向縮脹管狀織物所受的最大抽拔力。

圖10 管狀織物抽拔順滑性測量儀及管狀織物套接示意圖Fig.10 Pull-out smoothness tester for tubular fabrics and sketch map of the tube sheathed in tubular fabrics

4 回折內(nèi)翻性能測試結(jié)果分析

4.1 徑向縮脹管狀織物產(chǎn)生褶皺的情況

傳統(tǒng)機(jī)織管狀織物和徑向縮脹管狀織物在圓管頭端拐角處產(chǎn)生褶皺的情況對比如圖11所示。由圖11可以看出，傳統(tǒng)機(jī)織管狀織物在圓管頭端拐角處出現(xiàn)了明顯的褶皺，甚至大褶皺，而徑向縮脹管狀織物在套于圓管頭端拐角處時僅有微小褶皺產(chǎn)生。

4.2 徑向縮脹管狀織物所受抽拔力情況

傳統(tǒng)機(jī)織管狀織物和徑向縮脹管狀織物的抽拔力-時間曲線如圖12所示。由圖12可以看出，相比于傳統(tǒng)機(jī)織管狀織物，徑向縮脹管狀織物所受的抽拔力明顯降低。

圖11 傳統(tǒng)機(jī)織管狀織物和徑向縮脹管狀織物在圓管頭端拐角處產(chǎn)生褶皺的情況對比圖Fig.11 The contract of folds at the corner of the tube between conventional woven tubular fabrics and tubular fabrics with radial shrinkage and expansion

圖12 傳統(tǒng)機(jī)織管狀織物和徑向縮脹管狀織物的抽拔力-時間曲線圖Fig.12 The pull-out force-time curves of conventional woven tubular fabrics and tubular fabrics with radial shrinkage and expansion

此外，傳統(tǒng)機(jī)織管狀織物的最大抽拔力Fcmax為168.86 N，徑向縮脹管狀織物的最大抽拔力Fjmax為78.15 N，由式(2)計算可得徑向縮脹管狀織物最大抽拔力下降率δ為53.72%。由此可以看出，相比于傳統(tǒng)機(jī)織管狀織物，徑向縮脹管狀織物具有很好地抵抗最大應(yīng)力的性能，其通過圓管的順滑性得到了極大提高。

5 結(jié) 語

本文對管狀織物在圓管壁和圓管頭端拐角處產(chǎn)生徑向縮脹的原理進(jìn)行分析，設(shè)計開發(fā)了具有徑向縮脹功能的管狀織物。通過在管狀織物抽拔順滑性測量儀上進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)，相對于傳統(tǒng)機(jī)織管狀織物，徑向縮脹管狀織物在圓管頭端拐角處的褶皺現(xiàn)象明顯減少。從抽拔力-時間曲線圖上可知，徑向縮脹管狀織物受到的抽拔力大幅度減小，且通過計算最大抽拔力的下降率進(jìn)一步驗證了徑向縮脹管狀織物能夠很好地抵抗外界最大應(yīng)力?；谏鲜鼋Y(jié)論，該管狀織物具有很好的應(yīng)用前景和實際價值，對其他類管狀織物的設(shè)計與研發(fā)具有較大的借鑒意義。