三維立體碳纖維織物的小樣試織

王維杏，吳佳林，*，王 瑜

(1.廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山528041；2.佛山市緯謙紡織有限公司，廣東 佛山528000)

三維立體織物是紗線在厚度方向產(chǎn)生交織的一種織物種類，也是近30年來出現(xiàn)的一種新型的由復(fù)合材料織制成型的織物，是復(fù)合材料中異軍突起的一支新秀。它以三維整體織物為增強(qiáng)體，其立體結(jié)構(gòu)顯著改善了復(fù)合材料多方面的力學(xué)特性，從根本上克服了傳統(tǒng)層合板層間剪切強(qiáng)度低而且易分層的缺點(diǎn)，在航空、航天、軍工、汽車、醫(yī)療以及高級體育器具等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，特別是由碳纖維復(fù)合的各種型材，可應(yīng)用于工程設(shè)計制造的高性能重要位置[1]。碳纖維三維立體織物復(fù)合成的新型材料，強(qiáng)度能夠達(dá)到鋼的7倍左右，重量卻是鋼材的約1/4，并具有耐酸、耐高溫、耐腐蝕、抗沖擊的特點(diǎn)，這些優(yōu)勢使它適用于高精尖領(lǐng)域，例如導(dǎo)彈外殼機(jī)、飛機(jī)的螺旋槳、低高溫條件軸承座等。

1 原料及產(chǎn)品設(shè)計

1.1 原料及設(shè)備

碳纖維長絲紗:由紡絲加工而成的碳纖維連續(xù)長絲形成的無加捻股線(碳纖維由江蘇恒神股份有限公司提供，型號規(guī)格為:HF30S-12K-H)；小樣織機(jī):SGA598(江陰通源紡機(jī)有限公司)。小樣機(jī)的可操作性、幅寬和厚度及織物長度只能在一定范圍內(nèi)，但不影響工藝的制定和流程。工藝技術(shù)主要考慮開口機(jī)構(gòu)、送經(jīng)機(jī)構(gòu)、卷取機(jī)構(gòu)，引緯采用手工方式。

1.2 織物組織設(shè)計

品種1 三維立體織物的特點(diǎn)是經(jīng)緯紗平行排列，平面內(nèi)兩層紗線不交織，充分利用厚度方向的垂直紗，形成的三維織物具有很高的斷裂性能和耐沖擊性能。采用材料為HF30S-12K-H碳纖維，織制幅寬為15 cm，緯密厚度為10層，采用順穿方法，手動引緯裝置。織物的結(jié)構(gòu)圖、紋板圖如圖1所示。

圖1 織物10層的結(jié)構(gòu)圖和紋板圖

品種2 碳纖維管狀織物是由兩組經(jīng)紗和一組緯紗交織而成，緯紗往復(fù)循環(huán)，上下兩層經(jīng)紗交織呈螺旋狀排列，兩層經(jīng)紗僅在兩側(cè)邊緣處相連接，中間部分則上、下兩層相互分離，如此循序漸進(jìn)，形成連續(xù)的管狀織物，如圖2所示。

2 織造工序

碳纖維三維織物是在SGA598型小樣織機(jī)上完成的。該小樣機(jī)全機(jī)電腦監(jiān)控，氣動開口、電動卷取、被動送經(jīng)，手工引緯和打緯的工作方式?？椩爝^程中的經(jīng)紗準(zhǔn)備、打緯、都需要手工操作，由于碳纖維單絲脆斷，在接觸紗線時須小心謹(jǐn)慎，避免損傷纖維造成人為受傷。

圖2 基礎(chǔ)組織5/2緞紋管狀織物載面、組織及穿綜圖

2.1 清晰度

在織機(jī)上的各頁綜框之間必須有一定間隔，防止在升降時相互磨擦碰撞，所以各頁綜框到織口的距離各不相同。在多層織物織造過程中，經(jīng)緯紗相互摩擦次數(shù)增多，開口經(jīng)常會出現(xiàn)交纏、粘連現(xiàn)象，特別在經(jīng)紗張力不均勻時，纖維斷絲或斷頭嚴(yán)重，一般采取半清晰梭口，如圖3(2)所示。前部梭口的下層經(jīng)紗在同一平面上，上層經(jīng)紗散成多層，這樣適合碳纖維經(jīng)紗伸長率差異較小，經(jīng)紗張力差異較小的特點(diǎn)，在此過程中，防止綜絲碰撞磨擦，并防止損傷經(jīng)紗，要求綜框高度差為3～5 mm，由前頁到后頁綜逐漸降低。

由于小樣織機(jī)是采用電磁感應(yīng)氣動開口，開口時間難以確定，解決辦法為當(dāng)鋼筘在后止點(diǎn)時，最后片綜上的經(jīng)紗位置略高于筘座，不產(chǎn)生磨擦便可。在保持梭口清晰的情景下，盡可能降低梭口高度，確保片經(jīng)紗均勻時單紗上機(jī)張力盡可能小。在這樣條件下讓經(jīng)緯紗在織機(jī)內(nèi)根據(jù)織物組織要求進(jìn)行有規(guī)律交織。

2.2 經(jīng)紗張力

形成三維織物過程中，如果采取單軸送經(jīng)，由于經(jīng)緯紗交織次數(shù)多和開口時間有差異，導(dǎo)致經(jīng)紗上下層間張力不均勻，松緊不一，所以采用的是雙軸送經(jīng)。在小樣織機(jī)上加裝一套送經(jīng)裝置，再讓每個軸的經(jīng)紗分層后再分絞，才可以進(jìn)入張力裝置。這樣能明顯改善片紗不均勻狀態(tài)，每根經(jīng)紗輸出時不粘連交叉；同時垂直方向經(jīng)紗，第一頁和最后一頁的經(jīng)紗，另加單獨(dú)張力控制[2]。由于碳纖維特性是高強(qiáng)低伸，在織制過程中容易出現(xiàn)起毛、磨斷現(xiàn)象，通過上述方法，織制過程能夠順利進(jìn)行，提高織物質(zhì)量和產(chǎn)量。

2.3 經(jīng)緯密度

經(jīng)緯密度是產(chǎn)品質(zhì)量的重要參數(shù)，為了確保織物的緯密，卷取量和卷取時間隨著不同的織物緯密而變化?？椫破贩N1時，采用不繡鋼綱筘規(guī)格是50×120×300，扁平的不繡鋼綜絲規(guī)格是280×0.3；織制品種2時，采用間斷式手動卷取時，由于三維立體織物經(jīng)向紗線較多，形成織物張力大，而織物比較厚重，不能直接卷取。通過對小樣織機(jī)的卷取機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造，采用平移直拉的方式把織物引離織口，使織物中各層經(jīng)紗的長度相同，張力均勻，緯紗凹凸豐滿疊層規(guī)范[3]。形成的三維織物如圖4所示。

圖3 織口的清晰度

圖4 10層的織物復(fù)合后成品

2.4 織物平整

由于碳纖維材料特殊性能，穿綜方法常采用順穿，每筘穿入經(jīng)紗根數(shù)為上層或下層經(jīng)紗排列比之和或其倍數(shù)。織造品種2過程中，由于緯縮的鋼筘作用，織物邊緣經(jīng)密偏大，邊經(jīng)斷絲起毛，造成管狀織物整圓表面的密度不均勻。在織制中厚型管狀織物時，可采用織物兩側(cè)折幅處各增加一根加強(qiáng)經(jīng)紗，用來控制緯紗收縮，以防止邊經(jīng)紗密度增大，減少邊經(jīng)紗斷絲起毛，加強(qiáng)經(jīng)紗并不參與交織，而是夾在中間，織物織成后剝離抽出。由于碳纖維特殊的高性能，織造過程經(jīng)紗張力適當(dāng)大，這樣才能使緯紗彎曲，形成良好豐滿的織物。形成的三維織物如圖5所示。

3 結(jié)語

三維立體碳纖維織物，具有優(yōu)異的強(qiáng)度和剛性，良好的耐熱性和抗腐蝕性。采用傳統(tǒng)半自動SGA598型小樣機(jī)，通過工藝設(shè)計及上機(jī)織造，對三維織物開發(fā)和設(shè)備的應(yīng)用，更深入研究和生產(chǎn)，具有十分重要的意義。

圖5 5/2緞紋管狀織物