經(jīng)向T結(jié)構(gòu)預(yù)制體成型關(guān)鍵技術(shù)

魏小玲， 李瑞雪， 秦 卓， 胡新榮， 林富生， 劉泠杉， 龔小舟

(1. 武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430200； 2. 湖北省服裝信息化工程技術(shù)研究中心, 湖北 武漢 430200； 3. 三維紡織湖北省工程研究中心， 湖北 武漢 430200)

紡織結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比剛度和耐疲勞性以及耐腐蝕性等性能[1-2]。傳統(tǒng)的由二維織物構(gòu)件制成的層合板復(fù)合材料，在外力達(dá)到或超過(guò)其極限強(qiáng)度時(shí)，極易發(fā)生層間界面破壞的情況[3]。利用三維紡織技術(shù)織造三維異型結(jié)構(gòu)的機(jī)織物作為復(fù)合材料增強(qiáng)體[4]，由于織物本身在厚度方向上的紗線增強(qiáng)，以及接結(jié)紗的存在使織物“層”與“層”連結(jié)，將多層排列的經(jīng)、緯紗連結(jié)成相互綁定的整體結(jié)構(gòu)，使織造的三維機(jī)織物預(yù)制體整體性大大提高，層間剝離現(xiàn)象不易發(fā)生。而且制備三維整體機(jī)織物復(fù)合材料，不僅降低了復(fù)合材料制造成本，而且具有高耐損傷容限和高抗彎剛度等優(yōu)異的力學(xué)性能[5-6]。

近幾年來(lái)，由于三維紡織品在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使得各種立體異型結(jié)構(gòu)的研究逐漸增多。朱紅等[7]采用緯向正交結(jié)構(gòu)，研究織造了T 型+柱體內(nèi)置紗線的立體混合造型, 設(shè)計(jì)出緯紗路徑的交叉T型三維機(jī)織物，但這種方法的上機(jī)織造工藝比較繁瑣復(fù)雜。陳思霞等[8]以角聯(lián)鎖組織為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)為T型、工字型及緯向回型的3種典型的三維異型件，但未說(shuō)明在普通織機(jī)上的可織性。張雪飛等[9]設(shè)計(jì)了一種模擬汽車腳踏板的整體織造的紡織異型結(jié)構(gòu)件，并設(shè)計(jì)出了帶孔管緯向T字型三維機(jī)織物的經(jīng)向截面圖及上機(jī)圖，在普通小樣織機(jī)上進(jìn)行了試織，但這種方法受到織機(jī)綜框的限制，只能織造小尺寸的織物。呂麗華等[10]研究了不同梁高的T字型三維機(jī)織物復(fù)合材料的力學(xué)性能，但對(duì)織造工藝未進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

本文通過(guò)設(shè)計(jì)織造由經(jīng)紗綁定T字型立體結(jié)構(gòu)的整體機(jī)織物，計(jì)算了T型截面不同區(qū)域內(nèi)紗線層數(shù)以及所用的紗線數(shù)，設(shè)計(jì)經(jīng)、緯紗線排列分布規(guī)律，同時(shí)對(duì)三維機(jī)織物結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)以及對(duì)織物的織造工藝進(jìn)行了改善。討論了相同運(yùn)動(dòng)規(guī)律的接結(jié)紗跨越的緯紗列數(shù)對(duì)織物梁高的影響。通過(guò)經(jīng)紗實(shí)現(xiàn)織物“層”與“層”的接結(jié)，織造連續(xù)的T結(jié)構(gòu)三維機(jī)織物預(yù)制體，以期為后續(xù)織造其他異型結(jié)構(gòu)預(yù)制體提供參考。

1 T字型三維機(jī)織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與織造

1.1 織物尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)

圖1 T結(jié)構(gòu)機(jī)織物經(jīng)向截面圖Fig.1 Warp section of T-structure woven fabric

1.2 基本組織結(jié)構(gòu)選擇

本文實(shí)驗(yàn)采用正交結(jié)構(gòu)作為基本組織，如圖2所示。選取其中一個(gè)截面，其經(jīng)緯走向如圖3(a)所示。圖中圓圈表示緯紗；數(shù)字①,②,…,⑧表示緯紗數(shù)；曲線1，5表示接結(jié)經(jīng)紗;直線2，3，4則表示襯墊經(jīng)紗。根據(jù)經(jīng)、緯紗的交織規(guī)律，畫(huà)出其結(jié)構(gòu)組織圖，如圖3(b)所示，橫行的數(shù)字對(duì)應(yīng)圖3(a)中的經(jīng)紗，豎列的數(shù)字對(duì)應(yīng)緯紗。采用圖2中的結(jié)構(gòu)作為基本組織，織造經(jīng)紗接結(jié)的T字型結(jié)構(gòu)三維機(jī)織物。

圖2 正交結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of orthogonal structure

圖3 正交結(jié)構(gòu)截面圖Fig.3 Cross section of orthogonal structure. (a)Warp and weft direction chart； (b)Weave diagram

1.3 織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與織造

根據(jù)圖1所示的織物經(jīng)向截面圖，本文實(shí)驗(yàn)要求梁高H1與底面厚度H2尺寸相等,設(shè)計(jì)T結(jié)構(gòu)織物的經(jīng)向組織循環(huán)圖,如圖4所示。從理論計(jì)算可得到，A區(qū)域的織物層數(shù)應(yīng)是B區(qū)域的織物層數(shù)的2倍，然后根據(jù)總經(jīng)紗數(shù)計(jì)算每個(gè)區(qū)的經(jīng)紗根數(shù)，穿綜時(shí)A區(qū)域經(jīng)紗為330根，B區(qū)域?yàn)?65根。穿綜采用順穿法，筘號(hào)選用40；投緯時(shí)10根棉紗并捻投1緯；接結(jié)經(jīng)紗沿襯墊經(jīng)紗方向引入。由此織造出的織物T字型橫梁會(huì)出現(xiàn)跨越整個(gè)B區(qū)域的浮長(zhǎng)線，實(shí)物圖如圖5所示。

圖4 帶浮長(zhǎng)線的織物經(jīng)、緯紗走向組織循環(huán)圖Fig.4 Warp and weft direction weave cycle diagram of fabric with floating yarn

圖5 實(shí)物圖Fig.5 Physical image

2 T結(jié)構(gòu)三維織物優(yōu)化設(shè)計(jì)及工藝改進(jìn)

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

若織物中襯墊經(jīng)紗層數(shù)(Nw)與緯紗層數(shù)(Nf)之間的關(guān)系為

Nw=Nf-1

(1)

RA=NwA+nNfA

(2)

RB=NwB+nNfA

(3)

RA=2RB

(4)

式中：RA表示A區(qū)域內(nèi)的總紗根數(shù)；RB表示B區(qū)域的總紗根數(shù)；NwA表示A區(qū)域的經(jīng)紗層數(shù)；NfA表示A區(qū)域的緯紗層數(shù)；NwB表示B區(qū)域的經(jīng)紗層數(shù)；n表示緯紗列數(shù)。

本文實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，確定T結(jié)構(gòu)三維機(jī)織物A區(qū)域緯紗層數(shù)NfA=21，取緯紗列數(shù)n=10。由式(1)～(4)可得，RA=230根，RB=115根，則B區(qū)域織物緯紗層數(shù)NfB=10.5，取NfB=10，則經(jīng)紗層數(shù)NwB=9，即確定了B區(qū)域的織物層數(shù)。設(shè)計(jì)優(yōu)化后的T字型結(jié)構(gòu)織物的組織循環(huán)圖如圖6所示，組織圖如圖7所示。

圖6 整體T結(jié)構(gòu)經(jīng)、緯紗走向組織循環(huán)圖Fig.6 Overall T-structure warp and weft yarn trend weave cycle diagram

圖7 整體T結(jié)構(gòu)織物組織圖Fig.7 Overall T-structure fabric weave diagram

2.2 上機(jī)織造

進(jìn)行上機(jī)織造時(shí)，適當(dāng)調(diào)節(jié)紗線張力，使織造順利進(jìn)行，上機(jī)織造過(guò)程如下。

1)穿綜。A、B區(qū)域均采用順穿法，A區(qū)域部分穿入2～22頁(yè)綜，B區(qū)域部分穿入13～21頁(yè)綜，接結(jié)經(jīng)紗穿入第1、22頁(yè)綜。

2)穿筘。為了減少提綜動(dòng)程過(guò)程中紗線與筘齒的摩擦，將T字型結(jié)構(gòu)中1個(gè)橫截面內(nèi)或半個(gè)截面內(nèi)的紗線穿入同一筘齒中，本次實(shí)驗(yàn)采用11根紗線為1筘。

3)送經(jīng)。采用分軸送經(jīng)和筒子架結(jié)合的方式。將A區(qū)域、B區(qū)域的紗線分別綁在不同經(jīng)軸上送經(jīng)。接結(jié)紗在織造過(guò)程中和經(jīng)、緯紗互相交織，屈曲程度較大，導(dǎo)致接結(jié)紗送經(jīng)量大，需要筒子架送經(jīng)。

4)織造。為增加織物的整體厚度，采用增加投緯紗線數(shù)的方式，即用10根紗線投1緯。根據(jù)圖6上機(jī)織造，實(shí)物圖如圖8所示。

圖8 織物實(shí)物圖①Fig.8 Physical drawing of fabric ①

為進(jìn)一步優(yōu)化織物的梁高H1和織物表面的平整度，使T字型結(jié)構(gòu)三維機(jī)織物凸起部分更加明顯，即梁高達(dá)到總厚度的一半。將相同運(yùn)動(dòng)規(guī)律的接結(jié)紗跨越的緯紗列數(shù)改為2，將A區(qū)域的浮線均勻下沉到B區(qū)域的每一經(jīng)紗層，織物組織循環(huán)如圖9所示。織物組織如圖10所示?？椩鞂?shí)物如圖11所示。

圖9 接結(jié)紗跨越2個(gè)緯紗列的經(jīng)、緯紗走向組織循環(huán)圖Fig.9 Warp and weft direction weave cycle of junction yarn crossing two weft yarn rows

圖10 跨越2個(gè)緯紗列的織物組織圖Fig.10 Fabric weave diagram spanning two weft rows

圖11 織物實(shí)物圖②Fig.11 Physical drawing of fabric ②

按圖4、6、9所示的組織循環(huán)圖進(jìn)行織造，所得試樣編號(hào)分別為a，b，c。A區(qū)域、B區(qū)域?yàn)?個(gè)完整的組織循環(huán)，1個(gè)組織循環(huán)內(nèi)的經(jīng)、緯紗數(shù)如表1所示。

表1 各區(qū)域組織循環(huán)經(jīng)緯紗數(shù)Tab.1 Number of warp and weft yarns in different regions

2.3 T結(jié)構(gòu)三維機(jī)織物

織造完成后，測(cè)量T字型三維整體機(jī)織物各區(qū)域的尺寸，數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 T結(jié)構(gòu)三維機(jī)織物各區(qū)域的尺寸Tab.2 Size of T-structure 3-D woven fabric mm

從表2數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn):相同運(yùn)動(dòng)規(guī)律的接結(jié)紗跨越2個(gè)緯紗列的織物②總高度H為7.0 mm,梁高H1為3 mm;而接結(jié)紗跨越1個(gè)緯紗列的織物①總高度H為6.5 mm,梁高H1為2 mm?？梢?jiàn)，接結(jié)紗跨越2個(gè)緯紗列的織物比跨越1個(gè)緯紗列的織物梁高尺寸大，且更接近參數(shù)設(shè)計(jì)的理論高度。觀察圖8、11中的實(shí)物圖發(fā)現(xiàn)，接結(jié)紗跨越2個(gè)緯紗列的織物T字型結(jié)構(gòu)更明顯，且織物表面更加平整。

在織造過(guò)程中，將圖4中A區(qū)域的1～12頁(yè)綜框的襯墊紗下沉，造成了紗線在T型的拐角處聚集。由于襯墊紗需要均勻地下沉到B區(qū)域的每一層中，并且在A區(qū)域部分襯墊紗下沉?xí)r，紗線屈曲程度發(fā)生了變化，導(dǎo)致B區(qū)域織物受到紗線拉扯，造成了底面厚度與理論設(shè)計(jì)的偏差。另外織物的成型性還受紗線張力和打緯力度等其他不可控因素的影響，實(shí)際織造織物的各部分尺寸大小還是和理論設(shè)計(jì)有所不同。如果在織造中紗線都用筒子架供紗，每根紗線的張力就可得到很好地控制，織物呈現(xiàn)效果會(huì)更好。

3 結(jié) 論

1)通過(guò)對(duì)織物結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和上機(jī)工藝的改善，對(duì)T結(jié)構(gòu)織物各區(qū)域的紗線數(shù)及經(jīng)、緯紗層數(shù)的計(jì)算，以及合理分布經(jīng)、緯紗布線規(guī)律，成功織造出一次成型的T結(jié)構(gòu)三維機(jī)織物。

2)接結(jié)紗跨越2個(gè)緯紗列時(shí)，織物總高度H為7.0 mm，梁高H1為3 mm，T結(jié)構(gòu)織物的梁高更接近于理論設(shè)計(jì)的高度。

3)織造一次成型的T結(jié)構(gòu)三維立體預(yù)制體，可通過(guò)公式計(jì)算織物層數(shù)，確定T結(jié)構(gòu)織物的梁高，為織造其他異型結(jié)構(gòu)機(jī)織物提供更多的參考。通過(guò)合理調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，該紡織結(jié)構(gòu)機(jī)織物可作為復(fù)合材料增強(qiáng)體滿足在建筑墻體、橋梁中的應(yīng)用要求。

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