網(wǎng)狀結構織物制備與應用研究進展

楊 萍， 嚴 飆， 馬丕波

(1. 江南大學 針織技術教育部工程研究中心， 江蘇 無錫 214122; 2. 上海宇航系統(tǒng)工程研究所, 上海 215123)

網(wǎng)狀結構織物由于質量輕、強度大且網(wǎng)孔可設計等特點，其產(chǎn)品已被廣泛應用于海洋、建筑、醫(yī)療和航空航天等領域。隨著網(wǎng)狀結構織物在紡織品應用領域中所占比例逐漸增加，網(wǎng)狀結構織物的性能和應用研究也隨之增加[1-3]。網(wǎng)狀結構織物的力學性能和穩(wěn)定性直接決定著其制品的使用功能。研究不同編織方法網(wǎng)狀結構織物的制備及其性能與應用具有現(xiàn)實意義[4-5]。本文總結了網(wǎng)狀結構織物材料的制備和研究現(xiàn)狀，重點分析了機織網(wǎng)孔布、針織網(wǎng)孔布和編織網(wǎng)孔布的力學性能、應用現(xiàn)狀等內(nèi)容的研究進展，對網(wǎng)狀結構織物進一步研究與應用具有一定的參考意義。

1 網(wǎng)狀結構織物制備方法

網(wǎng)狀結構織物主要為機織網(wǎng)孔布、針織網(wǎng)孔布和編織網(wǎng)孔布。機織物是一種片紗集合方式，采用平行于織物邊緣處或相對于織物邊緣處成一定角度的經(jīng)紗，和與織物邊緣處垂直的緯紗交織而成。機織網(wǎng)眼布的經(jīng)緯線按一定規(guī)律相互沉浮。與針織網(wǎng)狀結構織物不同，機織網(wǎng)眼布的經(jīng)緯紗線間易產(chǎn)生滑移，因此這種設備織出的網(wǎng)孔一旦受力極易發(fā)生變形，一般用于江河堤坡加固網(wǎng)、紗窗、過濾網(wǎng)等[6]。針織物是利用織針將紗線彎曲成圈，縱向串套、橫向銜接形成的織物,其中經(jīng)編網(wǎng)眼織物由線圈縱向方向串套而成且網(wǎng)孔尺寸可調節(jié)，現(xiàn)已在蚊帳、漁網(wǎng)、運動服裝方面廣泛普及，在航空航天領域也得到廣泛應用。編織物是采用紗線纏繞而成的集合體，編織技術主要應用于編織傳統(tǒng)織物以及現(xiàn)代異形編織結構。目前編織已被用作一種自動化的復合材料預成型件制造技術，大多數(shù)編織復合材料采用封閉網(wǎng)狀結構來加強結構剛度和強度[7]。

1.1 機織網(wǎng)狀結構織物制備

機織物中常見網(wǎng)眼布的形成方法有紗羅和假紗羅。紗羅先采用地經(jīng)與絞經(jīng)彼此扭絞后形成梭口，再與緯紗交織而成；假紗羅采用機織工藝中提花工藝或變化穿筘織出網(wǎng)狀結構織物，其網(wǎng)孔結構同樣不牢固，易產(chǎn)生滑動。由經(jīng)緯交織形成的網(wǎng)狀結構織物，主要是采用一上一下的織物組織，大多形成90 ℃的四邊形網(wǎng)孔。制備機織物時首先分別處理經(jīng)紗和緯紗，經(jīng)紗要經(jīng)管紗、絡筒、整經(jīng)、漿紗和穿結經(jīng)一系列工序；緯紗要經(jīng)管紗和卷緯2個工序，然后進行上機織造。Vo等[8]使用開放式鋼筘編織(ORW)技術獲得具有整體網(wǎng)狀織邊的機織物，能在織造過程中剪裁輪廓且達到邊緣牢固的效果。德國Lindauer Dornier GmbH公司的ORW劍桿織機PTS4/SOD被用來織造具有網(wǎng)狀布邊的二維機織物。在特殊的軸上有2個可獨立控制的側向移動系統(tǒng)，每個系統(tǒng)梭子間距離為5 mm。在織造中每個系統(tǒng)每次引緯可移動5或10 mm，總共可移動300 mm。1 200 tex玻璃粗紗制成的平紋織物經(jīng)密為4根/cm，緯密為3.5根/cm。此方法的優(yōu)勢在于紗線在形成織物結構過程中始終能保持拉伸狀態(tài)，可減少織造過程中的紗線損傷，不再需要過大的切割和成型后的手工修剪，防止織物邊緣磨損，有助于減少材料浪費、周期時間和預成型件制造成本。樹脂傳遞模塑更具成本效益，可設計給定圖案的常規(guī)網(wǎng)眼織物，如平紋織物，但對于實際實施，還需注意技術可行性和產(chǎn)品要求所限制的邊界條件。

1.2 針織網(wǎng)狀結構織物制備

針織物中常見網(wǎng)孔布的主要結構是經(jīng)編網(wǎng)眼。經(jīng)編網(wǎng)眼一般有經(jīng)緞類菱形網(wǎng)、襯緯類方格網(wǎng)、經(jīng)平經(jīng)緞類柱形網(wǎng)等。經(jīng)編網(wǎng)眼結構織物制備原料主要為錦綸、滌綸等，特殊的采用金屬絲制備網(wǎng)狀織物。金屬網(wǎng)面是航空航天領域衛(wèi)星天線的重要部件，該網(wǎng)狀材料發(fā)展方向主要在提高材料編織性能與擴大產(chǎn)業(yè)領域2個方面。針織網(wǎng)狀結構織物的制備首先需進行編織前準備，如并線、整經(jīng)，然后再上機織造，需選擇合適的經(jīng)編機型號、織針、梳櫛、起頭方式和上機工藝。應芬等[9]在機號為E16的拉舍爾經(jīng)編機上將超細不銹鋼單絲織制成5種不同密度的金屬網(wǎng)，網(wǎng)孔均為六邊形，研究了不銹鋼等高性能纖維的編織工藝及可編織性，并對金屬網(wǎng)織物的測試方法和力學性能進行探索。邵光偉等[10]采用兩梳經(jīng)絨平組織，制備鍍金鉬絲和不銹鋼絲空間可收展衛(wèi)星天線網(wǎng)并進行性能研究，對減少網(wǎng)狀天線反射體結構的拉伸變形、測試地面展開過程中其網(wǎng)面精度和力學性能、研究空間開展后的網(wǎng)面形態(tài)保持等具有重要的意義。另一種特殊類型夾層結構針織間隔織物的三維網(wǎng)狀織物，由2個獨立的網(wǎng)狀復絲外層和一層間隔單絲連接而成。由于其良好的吸能性能和通風性能，主要應用于家用紡織品和汽車工業(yè)。醫(yī)療手術中外科網(wǎng)是一種多孔織物，其主要是由聚合物單絲使用經(jīng)編織法制成，具有良好的生物相容性，是治療疝氣的一種重要人體修復材料。

1.3 編織網(wǎng)狀結構織物制備

編織物織造的原理是紗線相互盤旋按一定規(guī)律抱合，使織物表面形成一定紋路，如手工編織棉麻網(wǎng)[11]。在20世紀40年代運用腳踏織網(wǎng)機器生產(chǎn)有結漁網(wǎng)，后來開始通過機器裝備對紗線進行編織從而提高編織效率[12]。隨著化纖的發(fā)展，逐步以化纖作為漁網(wǎng)材料。編織工藝又分為有結和無結2種，有結網(wǎng)狀編織物采用打結機將幾股繩擰在一起打結后構成網(wǎng)狀織物，如防護網(wǎng)。無結網(wǎng)狀編織物[13]包括股繩編織而成的網(wǎng)腳與網(wǎng)結，由網(wǎng)結數(shù)目決定編織物的網(wǎng)孔形狀，6個網(wǎng)結可構成六邊形無結網(wǎng)孔編織物。目前二維編織已被用作一種自動化的復合材料預成型件制造技術，大開孔網(wǎng)狀編織結構由于剛度要求嚴格，在醫(yī)療領域應用廣泛[14]。三維編織織物通過纏繞2種或多種編織紗線來制造，以形成整體結構，編織復合材料可通過多種方式編織，例如矩形編織、三軸編織、圓形編織和其他置換編織的兩步或四步方法技術[15-16]。

2 網(wǎng)狀結構織物性能及應用

2.1 機織網(wǎng)狀結構織物性能及應用

機織物網(wǎng)狀織物由于密度低，紗線抗滑移性差，經(jīng)紗容易沿緯紗左右滑動，紗孔寬度易變形。在實際生產(chǎn)過程中，機織物網(wǎng)狀織物的孔徑大小一般為經(jīng)紗直徑的6～7倍，高密的機織網(wǎng)狀織物孔徑可達到經(jīng)紗直徑的0.1倍。閆星月等[17]設計了不同組織結構與孔眼大小機織網(wǎng)眼布，采用梯形撕裂法研究得出在相同條件下，多組絞紗的織物撕裂強力大，密度越大的織物撕裂強力越大，穩(wěn)定性越好。Yang和Wang等[18-19]先后對芳綸網(wǎng)在中速沖擊下和不銹鋼絲網(wǎng)在低速沖擊下的失效方式和破壞形態(tài)進行建模和驗證，Yang將紗線直徑最細的網(wǎng)眼放置在沖擊中心，織物邊界使用密度逐漸減小的網(wǎng)眼，此方法被用于創(chuàng)建混合網(wǎng)眼織物模型，并采用有限元對變形、應力分布和波傳播進行了評估，表明宏觀模型更適合于大型仿真，此方法對不銹鋼、芳綸等高性能纖維編織網(wǎng)的性能研究具有一定的指導意義。Masumi等[20]在超高速沖擊下用X射線拍攝碎片云進而研究金屬網(wǎng)的防護能力，沖擊速度為3 km/s。分析發(fā)現(xiàn)，碎片云在云重心處的速度比沖擊頭的撞擊速度慢35%，當金屬網(wǎng)的面密度增加時，碎片速度降低，證明金屬網(wǎng)是一種良好的防護材料，可開發(fā)一種新的緩沖器從而減少國際空間站免受空間碎片的影響。Boscariol等研究了液體滴落不同孔徑金屬網(wǎng)的全過程，Kumar等在此基礎上探索了液滴撞擊超疏水銅網(wǎng)回彈的影響[21-22]，用高速攝像機拍攝水滴撞擊網(wǎng)狀結構織物的過程，通過計算時間發(fā)現(xiàn)金屬絲直徑的影響較大，即使在較低的韋伯數(shù)下撞擊銅網(wǎng)也會出現(xiàn)微反彈，使接觸時間減少，同時使用柔性網(wǎng)狀織物也會減少噴射射流造成的體積損失。采用流體力學與紡織相結合有助于開發(fā)設計在沖擊情況下的機織物網(wǎng)狀織物，如噴墨印刷、噴涂、渦輪磨損等方面。

片梭織機幅寬較大，能制備1幅或同時制備2幅及以上幅寬不同的織物面料，故生產(chǎn)較寬面料和篩網(wǎng)面料是片梭引緯的特點；但生產(chǎn)的網(wǎng)狀織物由于受到片梭織機的扭軸投梭機構和片梭引緯的限制，其實際產(chǎn)出量達不到計算最大產(chǎn)出量。此外，為防止紗線滑動或紗線錯位，紗羅組織多因經(jīng)緯密度較小而紗孔均勻分布應用于窗簾以及工業(yè)篩網(wǎng)。

此外，在海洋領域中研究者們嘗試采用數(shù)值分析方法仿真漁網(wǎng)在不同深度、不同水流速度的變化，漁網(wǎng)網(wǎng)孔擴張大小由于深海復雜情況產(chǎn)生的隨機性變化很大，故實驗值與理論值的誤差較大，其可能原因是升力帆布動力學模型還存在較大的問題，在此方向還有較大提升，還需研究者們收集大量實驗數(shù)據(jù)。隨著輕型飛行器的精細設計與開發(fā)，對運送貨物阻攔網(wǎng)柔性結構的研究得到較高關注。如波音、空客等大型飛機將阻攔網(wǎng)作Ⅰ級限動安裝，故有必要研究編織超過2種非線性高性能纖維紗線的柔性攔網(wǎng)，并通過非靜態(tài)仿真研究建立阻攔網(wǎng)載荷強度計算模型，為根據(jù)載荷強度要求確定阻攔網(wǎng)的種類提供強力支持。

2.2 針織網(wǎng)狀結構織物性能及應用

經(jīng)編技術相比較其他編織技術最大的優(yōu)勢是生產(chǎn)效率高、網(wǎng)孔結構穩(wěn)定。針織物的線圈結構可設計性強，成形性好，與機織物相比具備更好的延展性和透濕舒適性，經(jīng)編網(wǎng)眼結構造型多樣，藝術感強，質地輕薄，被大眾青睞。Lee[23]通過研究干熱處理對滌綸/氨綸經(jīng)編網(wǎng)狀織物拉伸長度和收縮率的影響，比較了溫度和處理時間對彈力網(wǎng)的影響。當溫度從100 ℃升高到140 ℃時，網(wǎng)狀結構織物的收縮率也增加了大約10%；處理時間的影響規(guī)律也類似，隨著時間的延長，縱向收縮率比橫向收縮率增加得更多。李楠、邵慧奇等[24-25]分別采用聚丙烯單絲、金屬絲制備了不同網(wǎng)格形狀的經(jīng)編織物，金屬與化纖制成的網(wǎng)狀織物力學性能趨勢大致相同，在單向拉伸時，經(jīng)編網(wǎng)狀織物的橫向和縱向力學性能差異較大，當密度增加時橫向斷裂強力也增加；在雙向拉伸時，織物網(wǎng)孔的每條邊均勻受力，其縱向橫向都趨于各向同性，可為柔性織物選擇合適的網(wǎng)狀結構提供方便。經(jīng)編間隔織物由于防震感強、具備良好的透氣性、壓縮回彈性，優(yōu)良的隔音性等被廣泛使用[26-27]。墊紗方向一致更有利于經(jīng)編間隔織物的收縮變形，孔較小的織物具有較高的拉伸強度，且隨著織物厚度變得越來越小，由于間隔紗的不穩(wěn)定性，模量值越來越大。Ghorbani等[3]利用實驗和理論方法進行證明，常玉萍等[26]通過經(jīng)編間隔工藝與建模結合，仿真出一種負泊松比效果較好的立體結構，沿x軸方向拉伸時負泊松比值最小可達到-1.0左右，該種結構可在工程領域發(fā)揮較大的潛力。此外，隨著計算機圖形設計技術的開展，紡織品的計算機輔助設計和紡織品的計算機模型也得到發(fā)展。使用NURBS曲線和曲面來為經(jīng)編面料創(chuàng)建模型，閉口編鏈建模通過改變開口編鏈的現(xiàn)有模型獲得，研究襯緯類方格網(wǎng)狀織物的結構特征，構建了編鏈和襯緯相結合的三維幾何模型[28-30]，可為分析針織物受力變形、吸濕、熱傳遞、電輻射性能等模型仿真提供了研究基礎。由于針織物成圈是由紗線串套而成，受力變形比較復雜，針織網(wǎng)眼布建模一直存在特征點與彎曲規(guī)律難找等問題，有限元作為一種計算工具，與計算機圖形學結合對于織物三維幾何模型分析具有重要意義。

經(jīng)編網(wǎng)孔織物的用途廣泛，在服裝、家紡和產(chǎn)業(yè)用領域都有涉及。伴隨著高性能纖維的快速發(fā)展，經(jīng)編技術在航天、海洋、建筑、交通運輸、醫(yī)療衛(wèi)生、空間科學等領域的應用越來越廣泛，如網(wǎng)狀反射面天線的特種金屬絲網(wǎng)、復合材料增強體、功能性補鈣等結構。結合針織服裝外衣化、時裝化的基本需求，拉舍爾經(jīng)編機編織的彈力網(wǎng)結構、色織提花織物倍受消費者青睞，例如鞋帶和彈力網(wǎng)。其中彈力網(wǎng)在四桿高性能拉舍爾經(jīng)編機上進行編織，該織物加入一定量的氨綸紗后，廣泛應用于緊身衣，鞋面、女性胸罩，舞蹈服裝，泳衣和運動服。六角網(wǎng)孔間隔織物因其良好的透氣性、透濕性、壓縮性、彈性適用于汽車坐墊，沙發(fā)墊等領域。經(jīng)編網(wǎng)狀結構織物的網(wǎng)眼尺寸大小可隨上機工藝參數(shù)調整，且織物無結頭，光滑，不易滑移脫落。金屬絲具有延展性低、不易彎曲、硬度大等特征，將金屬絲與經(jīng)編網(wǎng)眼技術結合大大提高了織物的力學性能，但該方法成本昂貴，目前只在航空航天高科技領域有所發(fā)展。

大網(wǎng)殼空間結構由于質量輕，強力高，造型美觀，結構穩(wěn)定被廣泛應用。迄今為止研究的焦點在落錘對網(wǎng)孔空間結構的破壞過程，通過探索沖擊物體形狀、沖擊速度、沖擊高度和側面沖擊對單層球面網(wǎng)殼的影響，并結合有限元模型可為模型設計師設計產(chǎn)品提供有力的理論依據(jù)，有助于提高設計效率、節(jié)約流程。

2.3 編織網(wǎng)狀結構織物性能及應用

傳統(tǒng)的編織產(chǎn)品主要包括纜繩、管狀機件和扁平組織機件和繩子。目前編織成為一種自動化制造復合材料預成型件的技術，大多數(shù)編織復合材料應用都需要封閉的網(wǎng)狀結構來增大剛度和強度，如編織結構柱，壓力容器，航空應用，運動器材等。由于剛度的要求，大開孔網(wǎng)狀編織結構在醫(yī)療領域應用廣泛，如編織管、編織復合導管和編織支架，另外還用作編織軟管[31]。為了對可成形性和力學性能進行預測，需要對紡織增強材料建模，Zhai等[32]提出了利用柔性系繩網(wǎng)系統(tǒng)進行在軌捕獲的新概念，廣泛應用于在軌組裝、在軌維護和碎片減緩等，與剛性機械臂相比，使用柔性繩網(wǎng)系統(tǒng)進行在軌捕獲更有前景。由于影響編織物網(wǎng)狀織物的力學性能的因素較多，如編織角、波動長度、樣品厚度等，且管狀結構的模型易于構建，目前研究者們對編織管狀結構的研究偏多，且大多數(shù)研究都是通過改變1～2參數(shù)來此解釋影響，有望采用計算機圖形工具對編織物網(wǎng)狀織物的力學性進行更進一步的探索。同時根據(jù)所需改造編織機，優(yōu)化織機機構，實現(xiàn)產(chǎn)品優(yōu)質，通過模擬紗線移動而仿真出編織網(wǎng)成形過程，使其進一步成為可行方案。

玻璃幕墻索網(wǎng)是一種柔性網(wǎng)，具有輕盈美觀，可移動，強度高等優(yōu)良性能，在建筑幕墻工程中使用普及，故對正交索網(wǎng)結構計算、受力、變形分析的進一步研究具有重要的實用價值。

3 結語與展望

結合網(wǎng)狀結構織物結構特點與當前科技發(fā)展重點方向，工程用網(wǎng)在目前市場中占很大比例，且經(jīng)編結構由于變化形式和織造工藝多種多樣，可設計性強，延伸性好，網(wǎng)孔穩(wěn)定，更能實現(xiàn)網(wǎng)狀織物在一定領域內(nèi)的實用性能。本文總結了機織網(wǎng)孔布、針織網(wǎng)孔布和編織網(wǎng)孔布的力學、應用等研究現(xiàn)狀，得出如下結論。

1)機織物網(wǎng)狀結構織物的網(wǎng)孔形狀為方孔形時較穩(wěn)定，且孔眼越小穩(wěn)定性越好。為解決紗線抗滑移性差的問題，可采用涂層、浸膠、變形紗做緯紗或與緯紗并線應用，在工業(yè)過濾紗窗、農(nóng)林防護等領域應用廣泛。

2)針織物網(wǎng)狀結構織物目前使用最為廣泛，主要是經(jīng)編網(wǎng)狀織物，編織工藝種類多樣。對組織結構和線圈變形的研究較多，利用計算機圖形工具分析來達到織物變形更好的仿真效果，可提前預測網(wǎng)孔線圈變形的程度、為網(wǎng)狀結構織物的研發(fā)者提供更完善的理論依據(jù)，提高生產(chǎn)效率。

3)編織物網(wǎng)狀結構織物是采用預成型件制造技術制成的一種自動化復合材料，在工業(yè)領域應用較為廣泛。目前需要解決的是生產(chǎn)效率問題，還需要與材料學、信息學、工業(yè)設計、機械工程和產(chǎn)業(yè)用工程的深入配合，從而提高編織物網(wǎng)狀織物的使用壽命、抗紫外線、耐酸堿等功效。

4)高性能纖維在網(wǎng)狀結構織物上的應用目前還處于起步階段。同時網(wǎng)狀結構織物在不同使用環(huán)境下的動態(tài)力學性能等基礎研究還較少。加強這兩方面的研究對于推動網(wǎng)狀結構織物的進一步應用具有指導作用。