樣品整經(jīng)工藝對(duì)安全氣囊用織物抗滑移性能的影響

莊建國(guó) 李永貴 陸振乾

1．可隆(南京)特種紡織品有限公司，江蘇 南京 210046；2．閩江學(xué)院 福建省新型功能性紡織纖維及材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350108；3．鹽城工學(xué)院紡織服裝學(xué)院，江蘇 鹽城 224051

隨著汽車消費(fèi)進(jìn)入大眾化時(shí)代，我國(guó)的汽車銷量屢創(chuàng)新高[1]，汽車的安全性能也備受重視。安全氣囊是汽車行業(yè)普遍認(rèn)可的一個(gè)重要的安全配置。當(dāng)汽車受到撞擊時(shí)，傳感器觸發(fā)電子點(diǎn)火裝置點(diǎn)燃?xì)怏w發(fā)生劑，短時(shí)間內(nèi)即可展開的安全氣囊可充當(dāng)乘客的緩沖枕，減輕乘員頭部和胸部所受沖擊，從而起到保護(hù)乘員安全的作用。相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在重大交通事故中，安全氣囊的使用可減少30%的人員傷亡[2]。

安全氣囊特殊的工作原理和應(yīng)用環(huán)境對(duì)氣囊用織物提出了很高的性能要求。首先，氣囊用織物需能夠承受來(lái)自高溫、高速氣體的瞬時(shí)沖擊,該織物要具有強(qiáng)力高、伸長(zhǎng)大、耐高溫等性能。其次，為確保氣囊用織物瞬間展開的同時(shí)不會(huì)對(duì)乘員身體造成過(guò)度撞擊,氣囊用織物還必須具有一定的氣密性[3-4]和抗滑移性能。因此，抗滑移性能是評(píng)價(jià)氣囊織物安全性能的一個(gè)重要指標(biāo)。

抗滑移性是衡量氣囊用織物爆破時(shí)縫制部位在高溫、高壓下的滑移程度。在氣囊用織物的制備過(guò)程中，織造工藝參數(shù)是影響其使用性能的重要因素。其中，整經(jīng)是織造前準(zhǔn)備的關(guān)鍵工序之一，其定義是將經(jīng)紗(絲) 按一定數(shù)量、密度、幅寬和技術(shù)要求卷繞到經(jīng)軸上。常規(guī)的整經(jīng)方法包括分批整經(jīng)、分條整經(jīng)、分段整經(jīng)、球經(jīng)整經(jīng)和特種整經(jīng)等。對(duì)于新產(chǎn)品的小樣試織而言，這些整經(jīng)方法既浪費(fèi)原料，又延長(zhǎng)了打樣時(shí)間。樣品整經(jīng)法因可用一只或幾只原紗或漿紗筒子紗線加工織軸，能大幅減少整經(jīng)筒子量、簡(jiǎn)化工藝流程并縮減出樣時(shí)間和生產(chǎn)成本[5]49-50，[6]25-33，[7]，故受到織造企業(yè)的青睞。

本文將采用樣品整經(jīng)法在噴水織機(jī)上織造氣囊用織物，并對(duì)該織物的形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，與傳統(tǒng)的分批整經(jīng)法制備的氣囊用織物的抗滑移性能進(jìn)行對(duì)比和分析，探究樣品整經(jīng)法織造安全氣囊用織物的適用性。

1 氣囊用織物的設(shè)計(jì)

1.1 原料

選用規(guī)格為52 tex/140f的FDY錦綸66長(zhǎng)絲為氣囊用織物的原料。該長(zhǎng)絲具有良好的物理力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，熱焓值和沸水收縮率較高[5]49-50，可滿足氣囊用織物的基本性能要求。

1.2 織物設(shè)計(jì)

氣囊用織物的抗滑移性能主要受經(jīng)緯紗的線密度、經(jīng)緯向密度和織物組織結(jié)構(gòu)等因素的影響，且與織物緊度密切相關(guān)。研究表明，不同組織結(jié)構(gòu)可達(dá)到的織物緊度不同。其中，平紋組織的平均浮長(zhǎng)最小，同支持面的平紋織物布面較為緊密，平紋織物的氣密性較好[8]。本文選用平紋組織制備安全氣囊用織物，經(jīng)緯向密度均設(shè)定為209根/(10 cm)， 鋼筘筘號(hào)為24.6齒/(25.4cm)，每筘齒經(jīng)紗穿入數(shù)為2根。

1.3 工藝流程

安全氣囊用織物的成型工藝主要分為織造和精煉熱定型兩個(gè)階段，工藝流程如下。

1.4 織造

整經(jīng)前將FDY錦綸66長(zhǎng)絲絲餅在溫度為5～45 ℃、相對(duì)濕度為45%～80%的環(huán)境中放置24 h，以減少長(zhǎng)絲間的張力差異。分別采用GA193型樣品整經(jīng)機(jī)和津田駒TW-N型分批整經(jīng)機(jī)對(duì)長(zhǎng)絲經(jīng)紗進(jìn)行整經(jīng)，整經(jīng)和并軸工序中的相關(guān)工藝參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 整經(jīng)和并軸工序中的相關(guān)工藝參數(shù)

整經(jīng)完成后，采用津田駒ZW-408型噴水織機(jī)對(duì)經(jīng)樣品整經(jīng)和分批整經(jīng)法得到的經(jīng)紗進(jìn)行安全氣囊用織物的織造?？棛C(jī)運(yùn)行速度為550 r/min，單絲張力為176.4 cN/根，卷取張力為7350 N。以線密度為2.2 tex的尼龍長(zhǎng)絲為邊絲。布面幅寬為205 cm，全幅邊撐直徑8 mm。噴水織機(jī)用水為經(jīng)過(guò)軟化處理的水。

坯布下機(jī)后需經(jīng)過(guò)精煉和清洗工序以去除表面的污跡。精煉工序采用兩個(gè)溫度為90 ℃、運(yùn)行速度為24 m/min的藥劑槽。再水洗去除織物表面精煉劑的殘跡，3個(gè)水洗槽的溫度分別設(shè)定為90、90和65 ℃。烘箱為8節(jié)，每節(jié)長(zhǎng)為3 m，干燥輥溫度為120 ℃。熱定型溫度為130 ℃。經(jīng)精煉熱定型的樣品整經(jīng)和分批整經(jīng)氣囊用織物表面的SEM圖像(50倍率)分別如圖1和圖2所示。

圖1 樣品整經(jīng)安全氣囊用織物

圖2 分批整經(jīng)安全氣囊用織物

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

用于評(píng)估安全氣囊用織物力學(xué)性能的主要技術(shù)指標(biāo)為斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、撕裂強(qiáng)度和抗滑移性能。本文參照ISO 13934-1：2013《紡織品 織物的拉伸 第一部分：條樣法斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定》、ISO 13937-2：2000 《紡織品 織物撕破特性 第二部分：褲形試樣撕破強(qiáng)力的測(cè)定(單舌法)》、ASTM D 6479-2015《測(cè)定充氣緩沖物用機(jī)織織物的邊梳抗性標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，采用Instron 3366型強(qiáng)力儀分別測(cè)試經(jīng)樣品整經(jīng)和分批整經(jīng)法制備的兩種安全氣囊用織物的斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)率、撕裂強(qiáng)力和抗滑移性能。其中，試樣大小為300 mm×50 mm，夾具間距為200 mm，樣品邊緣與夾具邊緣對(duì)齊，夾頭移動(dòng)速度為 200 mm/min。兩種整經(jīng)法織造的安全氣囊用織物的主要力學(xué)性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果對(duì)比如表2所示。

表2 氣囊用織物的主要力學(xué)性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果對(duì)比

由表2可知，與采用分批整經(jīng)法制備的氣囊用織物相比，樣品整經(jīng)法得到的氣囊用織物的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率無(wú)顯著差異，撕裂強(qiáng)力略有增強(qiáng)，但其經(jīng)、緯向的抗滑移性提高了2倍多，分別達(dá)792.4 N和685.3 N。對(duì)于同一試樣而言，緯向的抗滑移性能小于經(jīng)向。

2.2 抗滑移性能

2.2.1 取向度

根據(jù)樣品整經(jīng)機(jī)的工作原理，在整經(jīng)過(guò)程中，滾筒和固定筒子架紗線為水平放置。滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)對(duì)筒子架上的紗線有一定的牽伸作用，甚至?xí)斐杉喚€的意外牽伸[6]28-33，從而增強(qiáng)經(jīng)紗的取向度，紗線的內(nèi)應(yīng)力變大，紗線滑移過(guò)程中抵制外力的能力增強(qiáng)，織物的抗滑移性能提高。

本文分別在分批整經(jīng)和樣品整經(jīng)法制備的氣囊用織物的經(jīng)向連續(xù)取15根長(zhǎng)絲，將其放在偏光顯微鏡下，觀察自然狀態(tài)下各長(zhǎng)絲的狀態(tài)及其頭端出現(xiàn)的黑色弧形個(gè)數(shù)(圖3)。采用Senarmont法測(cè)量每根經(jīng)紗的取向度，對(duì)比分析兩種整經(jīng)法織造的安全氣囊織物中長(zhǎng)絲的內(nèi)應(yīng)力。長(zhǎng)絲的取向度按式(1)計(jì)算。

圖3 偏光顯微鏡下的經(jīng)向長(zhǎng)絲

式中：∏——取向度，%；

N——黑色弧形個(gè)數(shù)；

π——起偏角，(°)；

γ——補(bǔ)償角，(°)；

λ——使用GIF濾光片時(shí)的波長(zhǎng),為546 nm；

d——纖維直徑，nm。

長(zhǎng)絲取向度的值越大，表明長(zhǎng)絲所受拉伸力消除后殘留的內(nèi)應(yīng)力越大。由表3兩種整經(jīng)法制備的織物的經(jīng)紗取向度測(cè)量和計(jì)算結(jié)果可知，樣品整經(jīng)法得到的織物經(jīng)紗的取向度(58.8%)大于分批整經(jīng)法制備織物的經(jīng)紗取向度(55.2%)。因此，樣品整經(jīng)法所制備織物經(jīng)紗的內(nèi)應(yīng)力N較大。內(nèi)應(yīng)力越大，摩擦力F(F=μN(yùn))則越大。當(dāng)摩擦系數(shù)μ一定時(shí)，試樣的抗滑移性能也越大。因此，樣品整經(jīng)機(jī)所制備的安全氣囊用織物的抗滑移性能較大。

表3 經(jīng)紗取向度

2.2.2 包圍角

為分析安全氣囊用織物緯向抗滑移性能較差的原因，對(duì)兩種整經(jīng)法制備織物的緯向橫截面中經(jīng)紗對(duì)緯紗的包圍角進(jìn)行測(cè)試。首先，沿著織物的經(jīng)向切割得織物的緯向橫截面(圖4)。SEM圖像(50倍率)觀察兩種安全氣囊織物的緯向橫截面，測(cè)量連續(xù)15根經(jīng)紗對(duì)緯紗的包圍角，根據(jù)Euler公式[式(2)和式(3)][9]計(jì)算并記錄其平均值。

圖4 織物緯向橫截面中經(jīng)紗對(duì)緯紗形成的包圍角

(2)

式中：Ty——紗線最大的抗滑移性能，N；

a——經(jīng)緯紗摩擦系數(shù)；

P——緯紗所受經(jīng)紗的壓力，N；

β——緯紗所受的橫向張力比；

N——緯紗根數(shù)；

θ——經(jīng)紗對(duì)緯紗的包圍角，(°)。

結(jié)果表明，樣品整經(jīng)織物中經(jīng)紗對(duì)緯紗包圍角為78.6°，高于分批整經(jīng)織物的71.4°。這是由于在樣品整經(jīng)過(guò)程中，圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)筒子架上的紗線有牽伸作用，同時(shí)因紗線的特殊排列，上下層紗線易滑移并交錯(cuò)排列[6]28-33，導(dǎo)致織造過(guò)程中，經(jīng)紗所受外力增大，扁平度提高，從而對(duì)緯紗形成較大的包圍角。

對(duì)于織物中的緯紗而言，當(dāng)引緯張力一致、密度一致、摩擦系數(shù)一定時(shí)，緯紗所受經(jīng)紗的壓力和經(jīng)紗對(duì)緯紗的包圍角會(huì)影響緯紗的抗滑移性能。經(jīng)紗對(duì)緯紗的包圍角越大，緯紗所受的橫向張力越大。緯紗所受壓力和橫向張力相結(jié)合，會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)紗線抵制外力的能力，從而增強(qiáng)織物的抗滑移性能。

3 結(jié)論

本文以FDY錦綸66長(zhǎng)絲為原料，分別采用樣品整經(jīng)和分批整經(jīng)法，在噴水織機(jī)上設(shè)計(jì)并制備了兩種安全氣囊用織物。通過(guò)性能測(cè)試和分析得如下結(jié)論。

(1)兩種安全氣囊用織物的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率差異較小。樣品整經(jīng)氣囊用織物的撕裂強(qiáng)力略高于分批整經(jīng)氣囊用織物。樣品整經(jīng)氣囊用織物的抗滑移性能顯著提高，其經(jīng)、緯向抗滑移性能較分批整經(jīng)氣囊用織物均提高了2倍多。

(2)樣品整經(jīng)氣囊用織物抗滑移性能高于分批整經(jīng)氣囊用織物，究其原因可能是樣品整經(jīng)氣囊用織物中經(jīng)紗的取向度較高，經(jīng)紗對(duì)緯紗形成的較大包圍角提高了該織物整體的抗滑移性能。