廣角機(jī)織物的織造工藝及其偏軸拉伸力學(xué)性能

張祝輝， 張典堂， 錢 坤， 徐 陽， 陸 健

(1. 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無錫 214122；2. 江蘇錦竹工業(yè)用布有限公司， 江蘇 泰州 215300)

廣角機(jī)織物是由普通平紋機(jī)織物衍變而來的一種產(chǎn)業(yè)用紡織品[1]。與普通正交機(jī)織物相比，廣角機(jī)織物經(jīng)緯紗線之間的夾角不是90°，而是120°，因此，織物各個(gè)方向的變形能力更加突出。利用此特點(diǎn)，廣角機(jī)織物特別適合用作球形、錐形等曲面物體的包覆或骨架材料的制備。在航空航天和國防技術(shù)方面，用碳纖維或芳綸織造的廣角機(jī)織物主要用于呈錐形的火箭頭和導(dǎo)彈頭部分的骨架材料[2]；在工業(yè)方面，廣角機(jī)織物作為傳送帶的外層包布，可提高傳送帶的反向屈撓疲勞強(qiáng)度，使其耐磨性更好，可有效延長使用壽命。廣角機(jī)織物的研制具有重要的工程和學(xué)術(shù)應(yīng)用價(jià)值，然而局限于織造裝備及工藝，有關(guān)連續(xù)廣角機(jī)織物的制備及其力學(xué)性能系統(tǒng)研究的報(bào)道較少。

在工藝及性能方面，廣角機(jī)織物主要是通過正交機(jī)織物的裁切獲得。侯大寅[3]首先提出了開發(fā)斜緯織物，是在普通平紋機(jī)織物上加工裁剪得到；李建強(qiáng)等[4]在小樣機(jī)上試織了斜緯織物并進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)，斜緯織物的拉伸性能比普通機(jī)織物好。在廣角機(jī)織物的直接成型方面：張海泉等[1]對廣角機(jī)織物的開發(fā)現(xiàn)狀和存在的問題進(jìn)行分析，提出了廣角機(jī)織物開發(fā)途徑的一些建議；蔣履良等[5]開發(fā)了V帶用廣角機(jī)織物；王克毅等[6]通過對管狀織物進(jìn)行裁剪得到45°斜交織物；姚桂香等[7]初步探討了滌綸廣角機(jī)織物的拉伸性能。在機(jī)器裝備方面：侯大寅[3]提出研制斜緯織機(jī)的設(shè)想；文獻(xiàn)[8-9]提出廣角機(jī)織物的生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工藝，其主要是通過二次加工得到廣角機(jī)織物，增加了成本，但確實(shí)是目前生產(chǎn)廣角機(jī)織物的主要方法；張艷芹等[10]描述了一種廣角機(jī)織物專用劍桿織機(jī)，通過斜向引緯使其與經(jīng)線呈120°或60°夾角；姚桂香等[11]設(shè)計(jì)了噴水廣角機(jī)織物織機(jī)。綜上，圍繞廣角機(jī)織物的工藝、裝備及力學(xué)性能已有初步研究。

事實(shí)上，可工業(yè)化、連續(xù)化生產(chǎn)廣角機(jī)織物的設(shè)備尚未見報(bào)道，且有關(guān)廣角機(jī)織物的系統(tǒng)性的基礎(chǔ)性能研究也很缺乏。為此，本文對原有普通劍桿織機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，制備得到滌/棉普通正交機(jī)織物和廣角機(jī)織物，研究了不同偏軸角度下普通滌/棉正交機(jī)織物和廣角機(jī)織物在不同方向上的拉伸力學(xué)性能，探討了其特征值變化規(guī)律以及變形和失效模式，以期為工業(yè)產(chǎn)品用廣角機(jī)織物提供工藝技術(shù)及理論設(shè)計(jì)支撐。

1 試驗(yàn)部分

1.1 廣角織機(jī)原理及裝備

文獻(xiàn)[10]中設(shè)計(jì)了廣角機(jī)織物專用劍桿織機(jī)，但只是將主機(jī)框架(開口機(jī)構(gòu)、引緯機(jī)構(gòu)、打緯機(jī)構(gòu))與送經(jīng)和卷取機(jī)構(gòu)呈一定角度配置，且尚未在市場及相關(guān)公開報(bào)道中見到產(chǎn)品。依據(jù)普通劍桿織機(jī)基本原理：織軸上的經(jīng)紗繞過后梁，經(jīng)經(jīng)停裝置后，在前方分成上下2層形成梭口，引緯器將緯紗納入梭口，然后上下層經(jīng)紗閉合并進(jìn)一步交換位置，同時(shí)鋼筘將緯紗推入織口，使經(jīng)緯紗相互交織，初步形成織物；織軸不斷放送適量的經(jīng)紗，卷取輥及時(shí)將織物引離織口，使織造過程持續(xù)進(jìn)行[12]。在KT599型高速撓性劍桿織機(jī)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于劍桿織機(jī)改造的廣角機(jī)織物織機(jī)，其示意圖如圖1所示。主要原理為：劍桿織機(jī)機(jī)架上的卷曲機(jī)構(gòu)7和8保持不變，經(jīng)軸1和主機(jī)框架3、4、5做相應(yīng)的角度調(diào)整，即120°角；固定后梁2與卷曲機(jī)構(gòu)呈α角放置以確保經(jīng)紗張力的需求，隨后按照五大機(jī)構(gòu)工作原理織造出廣角機(jī)織物。

1—經(jīng)軸； 2—固定后梁； 3—綜框； 4—經(jīng)停片； 5—活動(dòng)后梁； 6—引緯機(jī)構(gòu)； 7—卷布輥； 8—布軸。圖1 廣角機(jī)織物織機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of wide-angle woven fabric weaving machine

本文采用KT599型高速撓性劍桿織機(jī)織造的普通正交機(jī)織物作為對比。圖2示出普通劍桿織機(jī)和廣角機(jī)織物織機(jī)實(shí)物圖。試驗(yàn)裝備由江蘇錦竹工業(yè)用布有限公司提供。

圖2 普通劍桿織機(jī)和廣角機(jī)織物織機(jī)實(shí)物圖Fig.2 Physical map of ordinary rapier loom (a) and wide-angle woven fabric loom (b)

1.2 織物的制備及拉伸性能測試

1.2.1 試驗(yàn)材料

普通正交機(jī)織物和廣角機(jī)織物的經(jīng)緯紗均采用滌/棉混紡紗線，紗線線密度為21 tex×3，經(jīng)緯密均為140根/(10 cm)，由江蘇錦竹工業(yè)用布有限公司提供。

1.2.2 織物的制備

圖3示出普通正交機(jī)織物和廣角機(jī)織物示意圖。采用滌/棉混紡紗線，通過本文試驗(yàn)設(shè)計(jì)的廣角機(jī)織物織機(jī)和普通劍桿織機(jī)分別織造廣角機(jī)織物和普通正交機(jī)織物，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為500 r/min。試驗(yàn)通過空間四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)引接緯，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制旋轉(zhuǎn)式獨(dú)立電子絞邊，伺服電動(dòng)機(jī)控制送經(jīng)、卷取實(shí)現(xiàn)織物的織造。

圖3 普通正交和廣角機(jī)織物示意圖Fig.3 Schematic diagram of ordinary orthogonal (a) and wide-angle (b) woven fabric

1.2.3 拉伸試樣的制備

參照GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》，設(shè)計(jì)織物拉伸尺寸為250 mm×50 mm。通過裁剪的方式得到2種織物不同偏軸角度的拉伸試樣。其中：正交機(jī)織物偏軸試樣包括0°、45°、60°、90°、120°共5個(gè)角度，經(jīng)向?yàn)?°，緯向?yàn)?0°；廣角機(jī)織物偏軸試樣包括0°、60°、90°、120°共4個(gè)角度，經(jīng)向?yàn)?°，緯向?yàn)?20°。圖4示出普通正交機(jī)織物不同偏軸角度剪裁示意圖。其中：左側(cè)為試樣裁剪示意圖，以經(jīng)向?yàn)?°方向，順時(shí)針劃分不同角度；中間部分為實(shí)際裁剪的不同角度的樣品；右側(cè)為對應(yīng)角度樣品紗線交織示意圖。廣角機(jī)織物剪裁試樣原理相同。

圖4 普通正交機(jī)織物不同偏軸角度剪裁示意圖Fig.4 Clip sketch of ordinary orthogonal woven fabric with different off-axial angle

1.2.4 拉伸力學(xué)性能測試

參照GB/T 3923.1—2013在Instron 3385H型萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行織物的拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)，加載速度為100 mm/min，試樣厚度為0.42 mm。 圖5(a) 示出試樣夾持示意圖。由于夾持鉗口具有較大的夾持力，易使織物滑脫且在拉伸過程中使部分紗線產(chǎn)生滑移，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不理想，故對織物試樣兩端固定加強(qiáng)片。圖5(b)示出樣品拉伸試驗(yàn)裝置圖。所有試驗(yàn)均重復(fù)5次，獲得應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在此基礎(chǔ)上，提取關(guān)鍵拉伸力學(xué)性能參量(斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長率和彈性模量)，取平均值進(jìn)行分析。

圖5 試驗(yàn)試樣夾持示意圖和裝置Fig.5 Schematic diagram of pattern endorsement (a) and test apparatus (b)

2 結(jié)果與討論

2.1 普通正交機(jī)織物拉伸力學(xué)性能分析

圖6示出不同偏軸角度普通正交機(jī)織物的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。可以看出，隨著偏轉(zhuǎn)角度的變化，偏軸織物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化明顯不同，這也表明普通正交機(jī)織物具有重要的偏軸效應(yīng)。0°和90°試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線主要為線性增加，具有明顯的脆性特征。這主要是由于正軸試樣在拉伸過程中，紗線兩端均被夾持，紗線直接承受載荷，其拉伸斷裂過程如圖7所示。對于45°、60°和120°試樣，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為先非線性增加(0～a、0～b、0～c段)，然后逐漸呈線性增加(a～d、b～e、c～f段)的趨勢，具有較大的斷裂伸長和較低的最大載荷，其中120°試樣的斷裂伸長最大且斷裂強(qiáng)力較大。這主要是由于在拉伸過程中，織物經(jīng)向被拉向豎直方向，緯向被拉向其垂直方向；豎直拉伸的紗線由原先的屈曲狀態(tài)逐漸伸直，而被拉向垂直方向的紗線則更加屈曲，直至呈束腰現(xiàn)象；最后豎直方向紗線繃直沒有彈性，開始出現(xiàn)脆性斷裂。

圖6 不同偏軸角度普通正交機(jī)織物應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves of ordinary orthogonal woven fabrics at different off-axial angles

圖7 0°和90°普通正交機(jī)織物拉伸斷裂過程Fig.7 Tensile fracture process of ordinary orthogonal woven fabrics at 0° and 90°.(a) Initial state; (b)Stretching process; (c) Fracture state

綜上分析可知：不同偏軸角度普通正交機(jī)織物的應(yīng)力(斷裂強(qiáng)力)沿各偏軸角度的變化規(guī)律是90°>0°>45°、120°>60°；而應(yīng)變(斷裂伸長率)變化規(guī)律是120°>45°>60°>90°>0°，其中45°與120°試樣斷裂強(qiáng)力基本一致；120°正交機(jī)織物的斷裂伸長率最大且斷裂強(qiáng)力較大，因此，經(jīng)緯交織呈120°是最優(yōu)角度。

2.2 廣角機(jī)織物拉伸力學(xué)性能分析

圖8示出不同偏軸角度廣角機(jī)織物應(yīng)力-應(yīng)變曲線?？梢钥闯觯?°試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線主要為線性增加，具有明顯的脆性特征；60°試樣拉伸時(shí)，織物發(fā)生了剪切變形，經(jīng)緯紗交織點(diǎn)形成的平行四邊形間隙沿拉伸方向逐漸變小，直至呈束腰狀態(tài)時(shí)空隙被填滿，經(jīng)緯紗相互擠壓，載荷逐漸增大[7]直至斷裂。

圖8 不同偏軸角度廣角機(jī)織物應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 Stress-strain curves of wide-angle woven fabric at different off-axial angles

90°試樣拉伸至斷裂的過程如圖9所示。結(jié)合圖5(a)可知，織物在拉伸試驗(yàn)過程中并不是所有的緯向都被加強(qiáng)片兩端所夾持，例如點(diǎn)a被上端夾持，而點(diǎn)b沒有被下端夾持，因此在拉伸過程中，部分緯紗逐漸被拉伸為豎直方向，另一部分緯紗屈曲不受力，經(jīng)紗垂直方向也逐漸屈曲，交織點(diǎn)摩擦至束腰狀態(tài)，位移不斷增大但載荷卻上升緩慢，最終織物因兩端受力較大導(dǎo)致兩端開始出現(xiàn)斷裂，織物失效；120°廣角機(jī)織物試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化趨勢與120°普通正交機(jī)織物試樣相似，所不同的是120°廣角機(jī)織物具有較大的斷裂強(qiáng)力。這是由于織物緯向豎直方向受力，經(jīng)向被拉向其垂直方向，交織點(diǎn)摩擦直至經(jīng)向垂直方向屈曲至束腰狀態(tài)，隨后部分紗線和纖維出現(xiàn)斷裂，最終織物出現(xiàn)脆性斷裂[12-14]。

圖9 90°廣角機(jī)織物拉伸斷裂過程Fig.9 Fabric tensile fracture process diagram of 90°wide-angle woven fabric loom. (a)Initial state; (b) Initial tensile state; (c) Tension-tensile state; (d) Fracture state

綜上分析可知：不同偏軸角度廣角機(jī)織物的應(yīng)力(斷裂強(qiáng)力)沿各偏軸角度的變化規(guī)律是0°>120°>60°>90°；而應(yīng)變(斷裂伸長率)變化規(guī)律是90°>120°>60°>0°；120°廣角機(jī)織物的斷裂伸長率和斷裂強(qiáng)力較大，因此，經(jīng)緯交織呈120°是最優(yōu)角度。

2.3 拉伸特征指標(biāo)結(jié)果分析

圖10示出不同偏軸角度普通正交機(jī)織物和廣角機(jī)織物拉伸力學(xué)性能對比結(jié)果。由圖10(a)可知，2種織物拉伸斷裂強(qiáng)力均呈現(xiàn)出明顯的極軸特性。0°、60°和120°廣角機(jī)織物的斷裂強(qiáng)力相較普通正交機(jī)織物有一定提升，90°普通正交機(jī)織物和廣角機(jī)織物的斷裂強(qiáng)力基本持平，并沒有因改變織物結(jié)構(gòu)而降低。由圖10(b)可知：0°、60°和90°廣角機(jī)織物的斷裂伸長相比普通正交機(jī)織物都有一定提升；120°廣角機(jī)織物緯向的斷裂伸長率提高了30%，但其斷裂伸長遠(yuǎn)低于正交機(jī)織物，這主要與織物經(jīng)緯交織角度的不同有關(guān)，這與上述應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析結(jié)果一致。由圖10(c)可知，各偏軸角度廣角機(jī)織物的彈性模量明顯優(yōu)于普通正交機(jī)織物，尤其是廣角機(jī)織物的經(jīng)向(0° 方向)和緯向(120°方向)相比于普通正交機(jī)織物的經(jīng)向(0°方向)和緯向(90°方向)的彈性模量分別提高42%和79%。通過以上分析可知，廣角機(jī)織物在經(jīng)向的剛度更大，抵抗彈性變形能力更強(qiáng)，而緯向方向的剛度低，易產(chǎn)生變形，展現(xiàn)出了優(yōu)異的強(qiáng)度和變形特征。

圖10 不同偏軸角度正交機(jī)織物和廣角機(jī)織物拉伸力學(xué)性能Fig.10 Tensile mechanical properties between orthogonal woven fabrics and wide-angle woven fabrics at different off-axial angles. (a) Breaking strength; (b) Breaking elongation; (c) Elastic modulus

3 結(jié) 論

本文介紹了廣角機(jī)織物的織造工藝，通過研究普通正交機(jī)織物和廣角機(jī)織物不同偏軸角度的拉伸力學(xué)性能，并進(jìn)行特征值對比分析，得到以下主要結(jié)論。

1)從不同偏軸角度普通正交機(jī)織物應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以得出，45°、60°、120°普通正交機(jī)織物的應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大而增大，120°普通正交機(jī)織物的斷裂伸長最大且斷裂強(qiáng)力較大，因此，經(jīng)緯交織呈120°是最優(yōu)角度。

2)通過不同偏軸角度普通正交機(jī)織物和廣角機(jī)織物應(yīng)力-應(yīng)變曲線及特征值結(jié)果分析可知：0°、60°和120°廣角機(jī)織物的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長較普通正交機(jī)織物有一定提升，90°的2種機(jī)織物的斷裂強(qiáng)力基本持平；120°廣角機(jī)織物的斷裂伸長低于120°普通正交機(jī)織物，但廣角機(jī)織物各偏軸角度的彈性模量均優(yōu)于正交機(jī)織物。

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