碳纖維織物的織造工藝現(xiàn)狀及織機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

季 兵

(天津昂林貿(mào)烽高新材料有限公司 天津 300308)

0 引 言

碳纖維材質(zhì)除了具備傳統(tǒng)碳材料的固有特點(diǎn)之外，還具備較強(qiáng)的抗拉、耐低溫和紡織纖維柔軟可編織特性[1]，已被認(rèn)為是復(fù)合增強(qiáng)材料的首選。碳纖維干布或預(yù)浸料是構(gòu)成碳纖維復(fù)合材料的最基本要素，在其得到廣泛應(yīng)用的各領(lǐng)域中，以碳纖維作為重要增強(qiáng)體的各類制品制件是其產(chǎn)品的主要應(yīng)用方式[2]，對纖維材料的應(yīng)用和相關(guān)行業(yè)發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義。碳纖維緯向編織工藝是編織布成型過程中的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)給予高度重視。

1 碳纖維編織工藝現(xiàn)狀

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代工業(yè)、新能源、醫(yī)療器械、交通運(yùn)輸、船舶游艇、體育器械等高端領(lǐng)域，作為碳纖維復(fù)合材料的重要種類之一，碳纖維編織布的附加值更大。目前3K平紋布、斜紋布和緞紋布由于紋格規(guī)整、美觀而受眾廣泛，但是由于碳纖維本身尚有的摩擦系數(shù)大、易脆易斷等性能特點(diǎn)，在織造生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)起毛刺、上下層粘連、易斷絲等問題，編織起來比較困難，目前已推廣的織機(jī)不能直接用于碳纖維編織布生產(chǎn)。因此，對碳纖維編織生產(chǎn)工藝提出了更高層次的要求。

已有學(xué)者通過試驗(yàn)研究碳纖維絲束的編織性能，得知絲束本身固有特性和編織生產(chǎn)工藝是影響碳纖維布編織性能的兩大重要因素。碳纖維原材料分為進(jìn)口和國產(chǎn)2種，企業(yè)可以根據(jù)實(shí)際需要直接采購。若想進(jìn)一步改善碳化纖絲束的紡織特性，企業(yè)就必須從織布機(jī)的優(yōu)化入手，而織布機(jī)的優(yōu)化重點(diǎn)主要在于機(jī)械、電氣2個方面的改善，其中織機(jī)機(jī)械方面的優(yōu)化改善是較為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，重點(diǎn)聚焦在開口機(jī)構(gòu)、引緯機(jī)構(gòu)、打緯機(jī)構(gòu)、送經(jīng)機(jī)構(gòu)和卷取機(jī)構(gòu)5個必備機(jī)構(gòu)部分[3]。本文針對碳纖維編織工藝的現(xiàn)狀就編織布緯向編織工藝流程進(jìn)行了研究，以期為碳纖維編織工藝及設(shè)備的優(yōu)化提供更多可行借鑒。

2 緯向編織工藝流程

2.1 送緯機(jī)構(gòu)

送緯機(jī)構(gòu)一：使用簧片來進(jìn)行張力感應(yīng)調(diào)節(jié)。送緯紗線的長度和緯紗的張緊力可以利用簧片來自行調(diào)整，其工作原理為使用抱閘型的豎軸阻尼器通過調(diào)節(jié)運(yùn)行時豎軸的多余旋轉(zhuǎn)力所產(chǎn)生的長度變化不均勻?qū)崿F(xiàn)張力的調(diào)整，最終使得放緯張力穩(wěn)定。而張力是纖維編織環(huán)節(jié)中至關(guān)重要的控制因素，該類結(jié)構(gòu)可減少張力不均造成的影響。

送緯機(jī)構(gòu)二：使用重錘式牽拉機(jī)構(gòu)控制放緯張力。如果重錘懸掛的位置不合適，則會造成單束紗線受力不均，進(jìn)而導(dǎo)致織物薄厚不均。如果選用的重錘太輕，則會出現(xiàn)織物上浮的現(xiàn)象[4]。因此，編織時應(yīng)將重錘直掛在紗軸中間，盡量使織物受力均勻，且選用重錘的重量還需根據(jù)整錠絲束的重量和絲織物的寬度有所變化，對人員技能要求較高。

從以上2種送緯機(jī)構(gòu)的方式可以看出，對于緯紗張力的控制是目前送緯機(jī)構(gòu)需攻克的難題，只有確保張力的穩(wěn)定性，才可以保證緯紗的平整度。較為簡單而成本低廉的機(jī)構(gòu)可模仿經(jīng)向式張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，在放緯紗架和出紗口之間增設(shè)多輥機(jī)構(gòu)；或在放緯紗架和出紗口之間設(shè)置七輥組件，該類張力機(jī)構(gòu)已經(jīng)被證明均可達(dá)到對碳纖維織物生產(chǎn)時緯紗平整性能的需要。經(jīng)驗(yàn)證比較，七輥機(jī)構(gòu)較為簡單且維修方便，能基本實(shí)現(xiàn)碳纖維絲束預(yù)張力大小的一致性，同時可滿足不同規(guī)格碳纖維絲束(1、3、6、12、24K)和不同寬幅碳纖維編織布的機(jī)織工作，可以廣泛應(yīng)用。

2.2 引緯機(jī)構(gòu)

引緯機(jī)構(gòu)原理是利用載緯器攜帶緯紗將緯紗引入梭口，根據(jù)引緯方法的不同分為有梭織機(jī)和無梭織機(jī)兩大類：有梭織機(jī)使用梭子引緯，但梭子有體型大而重、機(jī)械震動大且噪聲高、速度慢且效率低等缺點(diǎn)；無梭織機(jī)包括片梭織布機(jī)、劍桿織布機(jī)、噴氣織布機(jī)、噴水織布機(jī)，這些都已得到大量使用[5]。

劍桿織布機(jī)：利用剛性的劍桿頭夾持、牽引緯紗，在織造織物時用劍桿將緯紗送入經(jīng)紗交口，在打緯結(jié)束后重復(fù)上述動作。如此循環(huán)動作，并配合送緯機(jī)構(gòu)的使用，保證了劍桿在夾取緯紗、牽引緯紗和交接緯紗過程中緯紗所受的張力變動較小。夾持緯紗的工具要確保對絲束的夾持力可靠，以防止緯紗松弛或掉落。

噴氣織布機(jī)：利用噴射出的壓縮氣流牽引紗線，從而將緯紗送至梭口。此類織機(jī)的主要特點(diǎn)是操作簡單，且使用較少的運(yùn)動部件就實(shí)現(xiàn)了所需功能。噴氣織機(jī)通常用于細(xì)紗織物的織造，也可用于輕薄織物和不同厚度帶狀織物的織造，且具有振動幅度小、噪聲低的特點(diǎn)。

噴水織布機(jī)：使用水為工作介質(zhì)，噴射水流對緯紗的摩擦形成牽引力，把固定在紗盤上的緯紗引向梭口，其優(yōu)點(diǎn)是速度快，主要應(yīng)用于化學(xué)纖維物料的制造。噴水還能夠提高化纖的導(dǎo)電性，從而有效減少紡織中的靜電現(xiàn)象，且該種方式生產(chǎn)噪音最低。

片梭織布機(jī)：使用帶夾子的小片梭子夾持緯紗，實(shí)現(xiàn)了投射引緯的目的，其優(yōu)點(diǎn)是引緯平穩(wěn)、產(chǎn)品的整體品質(zhì)較好，一般適用于各種細(xì)密度和各種厚密度和寬幅織造物料的制造。

綜上所述，4類引緯方式的基本特征都是把緯紗從紗盤或紗錠中分離，并將僅夾持著單束緯紗的小而輕的引緯機(jī)構(gòu)作為大而重的梭子機(jī)構(gòu)的替代機(jī)構(gòu)，均為高速引緯奠定了基石。緯紗從卷裝軸，通過導(dǎo)引機(jī)構(gòu)直接進(jìn)入引緯機(jī)構(gòu)。使用無梭織機(jī)引緯對提高織物組織結(jié)構(gòu)、改善品質(zhì)、減少對環(huán)境噪聲污染等都具有重要意義。由于無梭織機(jī)生產(chǎn)速度一般較有梭織機(jī)效率高4～8倍，故無梭織機(jī)的使用將更加有利于行業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。

2.3 打緯機(jī)構(gòu)現(xiàn)狀

打緯機(jī)構(gòu)的重要功能是將引入梭口的緯紗線推入織口內(nèi)并打緊。目前的打緯方式一般有連桿打緯、凸輪打緯和筘片打緯3個類別，其中連桿打緯、凸輪打緯采用鋼筘片實(shí)現(xiàn)打緯動作，而筘片打緯則是采用筘片運(yùn)動實(shí)現(xiàn)打緯動作。

連桿打緯機(jī)構(gòu)：其基本原理是使用桿件將織機(jī)中主軸部分的回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)殇擉氐耐鶑?fù)運(yùn)動。連桿機(jī)構(gòu)一般包括四連桿打緯機(jī)構(gòu)和六連桿打緯機(jī)構(gòu)，其中四連桿打緯機(jī)構(gòu)因結(jié)構(gòu)較為簡單、加工生產(chǎn)更加方便和可滿足高速運(yùn)轉(zhuǎn)的需求而得到廣泛應(yīng)用。

凸輪打緯機(jī)構(gòu)：利用與凸輪軸、轉(zhuǎn)子等機(jī)械元件的聯(lián)動把主軸部分的運(yùn)動傳送給鋼筘進(jìn)行打緯動作。由于在打緯時筘座不動，而是進(jìn)行了與筘座分離，使得織布機(jī)的抖動幅度降低、筘座重量降低，從而成為在無梭織機(jī)上使用最為普遍的一類打緯機(jī)構(gòu)。共軛凸輪機(jī)構(gòu)打緯在主軸同轉(zhuǎn)速下輸出的打緯力更大，更加適用于寬幅織機(jī)[6]。

筘片打緯機(jī)構(gòu)：其基本原理是通過轉(zhuǎn)動的多角型筘片徑直把緯紗推向織口。其實(shí)例是在一個可轉(zhuǎn)動的光軸上沿著緯紗長度方向布置與緯紗數(shù)量相等的正多角形筘片，經(jīng)紗均勻分布于筘片之間的空隙中，當(dāng)筘片隨光軸轉(zhuǎn)動后就可以徑直把緯紗推入織口。其結(jié)構(gòu)簡單且運(yùn)行穩(wěn)定，但由于筘片制造的要求較高，目前還未得到廣泛應(yīng)用。

2.4 無打緯機(jī)構(gòu)

部分織機(jī)目前并無打緯機(jī)構(gòu)，使用半自動化工藝由人工完成將緯紗送入織口，其緯紗間隙部分由人為控制，且存在不均勻性。人力拉直緯紗無法確保緯紗的張力始終恒定，對織物質(zhì)量的影響較大，人工織造速度無法與機(jī)器自動化速度相比，造成織物的成本較高。因此，此類設(shè)備現(xiàn)階段一般只用于試驗(yàn)開發(fā)或樣件的制作。

3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀對比

目前國外一些大型制造公司已在碳纖維織機(jī)領(lǐng)域取得了先進(jìn)的成果，如德國多尼爾(Dornier)公司研發(fā)的劍桿織機(jī)，其結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)、生產(chǎn)效率高且產(chǎn)品質(zhì)量較好，是目前應(yīng)用最為廣泛的設(shè)備；日本東麗公司和美國赫氏公司研制的碳纖維專用織機(jī)自動化水平非常高，但這些織機(jī)往往只適用于單一產(chǎn)品的織造，覆蓋率較低。

國內(nèi)目前并無批量生產(chǎn)碳纖維織機(jī)的廠家，因此，如何在現(xiàn)有設(shè)備結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上做出優(yōu)化和改進(jìn)，從而提高編織機(jī)的速度、編織布的質(zhì)量，是我們應(yīng)該重點(diǎn)攻克的難關(guān)。本文從放緯機(jī)構(gòu)、引緯機(jī)構(gòu)、打緯機(jī)構(gòu)等方面做出了闡述，通過對現(xiàn)階段各類別結(jié)構(gòu)性能的對比分析，預(yù)期可設(shè)計(jì)出最為適宜、且功能性最為完整的設(shè)備，能成功解決碳纖維編織布緯向編織的問題，進(jìn)而提高碳纖維編織布的質(zhì)量和性能。

4 結(jié) 語

由于碳纖維具有彎曲性能較差、脆且易斷等缺點(diǎn)，導(dǎo)致碳纖維編織難度很大[7]，但碳纖維本身具備高強(qiáng)度、高模量等優(yōu)異的性能，令其織物在增強(qiáng)復(fù)合材料中應(yīng)用越來越廣泛。各企業(yè)可根據(jù)自身的需要，并借鑒已有織機(jī)的性能，在控制好紗線張力的前提下充分將本文中提到的各項(xiàng)制造技術(shù)應(yīng)用在織機(jī)的制造中，從而實(shí)現(xiàn)一臺織機(jī)多用和高效率、高質(zhì)量地完成碳纖維布的編織，以期在未來需求碳纖維布的建筑、民用、國防及其他新興產(chǎn)業(yè)等諸多領(lǐng)域[8]都能得到充分應(yīng)用?！?/p>