兩種異形3D管狀機(jī)織物的設(shè)計(jì)與試織

王觀桔 王晶晶 呂麗華

(大連工業(yè)大學(xué)，遼寧大連，116034)

1 研究背景

3D管狀機(jī)織復(fù)合材料以其優(yōu)異的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多地被應(yīng)用在航空、航天、生物、醫(yī)學(xué)以及汽車工業(yè)等領(lǐng)域[1]；但在汽車領(lǐng)域的異形截面空心結(jié)構(gòu)件[2]、工業(yè)領(lǐng)域的異形截面鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[3]、建材機(jī)械領(lǐng)域的異形管鋼筋骨架等領(lǐng)域[4]，規(guī)則的管狀織物就不能滿足要求，因此開(kāi)發(fā)異形截面的3D管狀機(jī)織復(fù)合材料是非常有必要的。

3D機(jī)織工藝適合制作具有一定厚度、曲率較小的大尺寸板材和異形件，纖維基本呈正交排列。相對(duì)于針織和編織管狀織物來(lái)說(shuō)，管狀機(jī)織物的研究相對(duì)較多。閆淑娟等應(yīng)用正交方法結(jié)合管狀織物織造方法，將經(jīng)向管狀織物和緯向管狀織物結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行了合理的截面圖設(shè)計(jì)、上機(jī)圖設(shè)計(jì)、上機(jī)參數(shù)選擇和織造要點(diǎn)分析等，設(shè)計(jì)織造了類似于三通管的三維T形管狀機(jī)織物，分析了三維T形管狀機(jī)織物的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用方向[5]。黃河柳等采用分層正交法和接結(jié)法設(shè)計(jì)了T字形、工字形、三角形、矩形三維機(jī)織物的結(jié)構(gòu)圖與上機(jī)圖，以高強(qiáng)低伸滌綸長(zhǎng)絲為原料，在SGA598型半自動(dòng)小樣織機(jī)上成功試織出了三維異形正交滌綸機(jī)織物[6]。董敬貴提供了三通管狀織物的設(shè)計(jì)方法和織物上機(jī)圖，分析了織造過(guò)程中的問(wèn)題，并提出了解決方案，完成了三通管機(jī)織預(yù)成形件的結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)，在小樣織機(jī)上進(jìn)行反復(fù)試織，證實(shí)了設(shè)計(jì)方法的合理性[7]。朱紅等針對(duì)產(chǎn)業(yè)用多邊形孔管狀結(jié)構(gòu)件的技術(shù)需求，分別制作了三角形、菱形、方形和類圓形的3D孔管狀結(jié)構(gòu)件，并通過(guò)分析得出孔管狀結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系，研究結(jié)果為多排孔管類技術(shù)紡織品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作提供了技術(shù)支持[8]。呂麗華等探討了日字形間隔機(jī)織物織造要點(diǎn)，介紹了壓扁-織造-還原法織造日字形間隔機(jī)織物的方法，包括日字形的壓扁、投梭路徑的選擇、上機(jī)參數(shù)的選擇和織造要點(diǎn)等，繪制了日字形間隔機(jī)織物的上機(jī)圖，并在GU101型小樣織機(jī)上進(jìn)行了試織，認(rèn)為日字形間隔機(jī)織物較適合在小樣織機(jī)上織造[9]。崔婧蕊在Y100S型織機(jī)上，經(jīng)合理設(shè)計(jì)，以800 tex有捻玻璃纖維紗為經(jīng)紗，以2 000 tex無(wú)捻玄武巖纖維紗為緯紗，低成本織造了不同截面形狀(三角形、四邊形、六邊形)的蜂窩狀三維機(jī)織物，并以蜂窩狀三維機(jī)織物為增強(qiáng)材料，以不飽和聚酯樹(shù)脂作為基體，通過(guò)VARTM成形工藝制備了各種不同結(jié)構(gòu)的蜂窩狀三維機(jī)織復(fù)合材料[10]。綜上所述，在普通織機(jī)上設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)3D紡織結(jié)構(gòu)織物具有可行性，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)異形3D管狀機(jī)織物奠定了一定基礎(chǔ)。

本文探討在SGA598型半自動(dòng)小樣織機(jī)上，通過(guò)采用合理的設(shè)計(jì)方法，采用壓扁-織造-還原法，制備兩種異形3D管狀機(jī)織物，其中經(jīng)、緯紗均為296.2 tex。兩種異形3D管狀機(jī)織物均為緯向管，首先根據(jù)設(shè)計(jì)的截面形狀采用分區(qū)織造，根據(jù)設(shè)計(jì)畫(huà)出各區(qū)的經(jīng)向截面圖，確定合理的打緯順序，繪制相應(yīng)的組織圖，再進(jìn)行上機(jī)織造。

2 異形3D管狀機(jī)織物1的設(shè)計(jì)與試織

異形3D管狀機(jī)織物1為平板-四邊形管連接異形3D管狀機(jī)織物，模擬圖如圖1所示。將四邊形管狀部分模擬成四邊形管狀織物A2部分，將平板的部分模擬為平板部分A1和A3。

圖1 異形3D管狀機(jī)織物1的模擬圖

2.1 經(jīng)向截面圖設(shè)計(jì)

平板-四邊形管連接異形3D管狀機(jī)織物的A1區(qū)、A3區(qū)的組織結(jié)構(gòu)相同，均為四層角連鎖結(jié)構(gòu)，經(jīng)向截面設(shè)計(jì)圖如圖2所示。A2區(qū)的組織結(jié)構(gòu)為正交分層結(jié)構(gòu)，其經(jīng)向截面設(shè)計(jì)圖如圖3所示。圖2和圖3中的曲線表示經(jīng)紗，圓圈表示緯紗，圓圈里的數(shù)字表示引緯的次序，左邊數(shù)字代表綜框頁(yè)數(shù)。

圖2 A1區(qū)、A3區(qū)的經(jīng)向截面圖

圖3 A2區(qū)的經(jīng)向截面圖

2.2 組織圖設(shè)計(jì)

平板-四邊形管連接異形3D管狀機(jī)織物各區(qū)組織圖如圖4所示。由于織造四邊形管狀織物棱為特殊部分，所以四邊形管狀織物棱的部分采用了特殊的結(jié)構(gòu)。由于其經(jīng)向截面圖簡(jiǎn)單，因此只做出了上機(jī)圖，如圖4(c)所示?？椩鞎r(shí)均采用順穿法上機(jī)織造。

(c)織物棱的組織圖

圖4 平板-四邊形管連接異形3D管狀機(jī)織物組織圖

2.3 試織小樣

織造時(shí)，總經(jīng)根數(shù)240根，經(jīng)紗分為4層，每層60根。筘號(hào)為30齒/10 cm。共使用8頁(yè)綜框，每筘8入，共穿30個(gè)循環(huán)。平板-四邊形管連接異形3D管狀機(jī)織物織造的小樣實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 平板-四邊形管連接異形3D管狀機(jī)織物小樣實(shí)物圖

織造時(shí)，使用一把梭子，盡量避免斷緯；由于采用多層織造，如果布邊斷緯會(huì)導(dǎo)致層與層之間連接不緊密，甚至?xí)?dǎo)致布邊出現(xiàn)較多的緯浮長(zhǎng)線，影響成品外觀及性能?？椩炜椢锢鈺r(shí)應(yīng)注意減小張力，使其在織入緯紗后可以有凸起的效果，保證順利織出織物。

2.4 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

由平板-四邊形管連接異形3D管狀機(jī)織物試織成品實(shí)物圖可知，各區(qū)存在明顯的厚度差異，體現(xiàn)了各區(qū)在層數(shù)上的差異與結(jié)構(gòu)上的差異；各區(qū)連接處成形完整，且連接緊密；由于紗線較粗，很好地體現(xiàn)了織物的立體感。但也有不足之處，例如：織造時(shí)，打緯力度不均勻，成形織物有明顯的紗線松弛，且織物有輕微歪斜。

3 異形3D管狀機(jī)織物2的設(shè)計(jì)與試織

3.1 經(jīng)向截面圖設(shè)計(jì)

異形3D管狀機(jī)織物2為平板-六邊形管連接異形3D管狀機(jī)織物，模擬圖如圖6所示。

圖6 異形3D管狀機(jī)織物2模擬圖

平板-六邊形管連接異形3D管狀機(jī)織物的A1區(qū)、A3區(qū)的組織結(jié)構(gòu)相同，均為四層角連鎖結(jié)構(gòu)，經(jīng)向截面設(shè)計(jì)圖如圖7所示。平板-六邊形管連接異形3D管狀機(jī)織物的A2區(qū)采用正交分層結(jié)構(gòu)，其經(jīng)向截面設(shè)計(jì)圖如圖8所示。圖7和圖8中的曲線表示經(jīng)紗，圓圈表示緯紗，圓圈里的數(shù)字表示引緯的次序，左邊數(shù)字代表綜框頁(yè)數(shù)。

圖7 A1區(qū)和A3區(qū)的經(jīng)向截面圖

圖8 A2區(qū)的的經(jīng)向截面圖

3.2 組織圖設(shè)計(jì)

平板-六邊形管連接異形3D管狀機(jī)織物組織圖如圖9所示，均采用順穿法上機(jī)織造?？椢锏睦鉃樘厥獠糠郑c平板-四邊形管連接異形3D管狀機(jī)織物的管棱織造類似，因此采用相同的組織。

3.3 試織小樣

織造時(shí)，總經(jīng)根數(shù)240根，經(jīng)紗分為4層，每層60根。筘號(hào)為30齒/10 cm。共使用8頁(yè)綜框，每筘8入，共穿30個(gè)循環(huán)。平板-六邊形管連接異形3D管狀機(jī)織物織造的小樣實(shí)物如圖10所示。

圖10 平板-六邊形管連接異形

3.4 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

由圖10可知，織造的平板-六邊形管連接異形3D管狀機(jī)織物外觀完整，成形良好，布面平整且織物有一定的厚度，過(guò)渡階段的連接也較連續(xù)、完整和通暢，織物的整體性也較好。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在小樣織機(jī)上設(shè)計(jì)與試織兩種異形3D管狀機(jī)織物，可以得出：通過(guò)應(yīng)用正交分層和角連鎖結(jié)構(gòu)以及結(jié)合管狀織物的織造方法，在SGA598型小樣織機(jī)上，可以織造出結(jié)構(gòu)較好的異形3D管狀機(jī)織物；3D織物層數(shù)一般較多，在織造過(guò)程中，應(yīng)適當(dāng)減小經(jīng)密，減少經(jīng)紗之間的摩擦，同時(shí)也可以減少織疵；在織造過(guò)程中，梭子上緯紗應(yīng)保證夠用，否則在織物的布邊會(huì)出現(xiàn)過(guò)多的浮線，影響織物的外觀和整體性能。