不同組織結(jié)構(gòu)對玻璃纖維織物性能的影響

楚楠 劉原圣 張培枚

摘要：玻璃纖維織物作為一種被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域的工程材料，其性能在很大程度上受織物組織結(jié)構(gòu)的影響。本文旨在深入探究不同組織結(jié)構(gòu)對玻璃纖維織物性能的影響。

關(guān)鍵詞：組織結(jié)構(gòu)；玻璃纖維織物；性能

DOI：10.12433/zgkjtz.20241244

玻璃纖維織物作為一種重要的工程材料，在熱防護(hù)、降噪、建筑材料等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，國內(nèi)關(guān)于不同組織結(jié)構(gòu)對玻璃纖維織物性能影響的研究卻相對較少。在實(shí)際調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，研究大多集中在玻璃纖維織物的基本性能測試和應(yīng)用領(lǐng)域的探索上，而對于織物的組織結(jié)構(gòu)是如何影響其性能的，則缺乏深入探討。因此，進(jìn)行不同組織結(jié)構(gòu)對玻璃纖維織物性能影響的相關(guān)研究，可為玻璃纖維織物的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

一、材料與方法

（一）試驗(yàn)用材料和儀器

試驗(yàn)采用山東玻纖集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的玻璃纖維紗線，所用的儀器主要有ASL2300型劍桿織機(jī)、YG461H型全自動透氣量儀、YG606型平板式保溫儀、YG141D型數(shù)字式織物厚度儀、酒精噴燈、DM6801A型數(shù)字溫度表和A1100型數(shù)碼相機(jī)。

（二）織物的織造過程

玻璃纖維織物的織造過程是本研究的重點(diǎn)，它直接影響了織物的組織結(jié)構(gòu)和性能。在織造過程中，選擇ASL2300型劍桿織機(jī)，這是一種用于織造玻璃纖維織物的專用機(jī)器。織造過程可以分為以下幾個(gè)步驟：

1.整經(jīng)。在織造開始前，將玻璃纖維紗線從紗錠上放置到織機(jī)的經(jīng)筒上，確保紗線的正確供給。

2.穿綜。將玻璃纖維紗線穿過綜筒，以便后續(xù)的織造。

3.穿筘。將玻璃纖維紗線穿過織機(jī)上的筘桿，這個(gè)步驟是織造中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其決定了織物的組織結(jié)構(gòu)。

4.織造。織機(jī)開始工作，根據(jù)預(yù)定的編織方式和筘桿的設(shè)置，玻璃纖維紗線交織在一起，逐漸形成織物。

在織造過程中，需要確?？棛C(jī)的工作環(huán)境保持適當(dāng)?shù)臐穸龋悦庥绊懣椢锏钠秸群褪指??？椩焱瓿珊?，可得到不同組織結(jié)構(gòu)的玻璃纖維織物樣品，這些樣品將用于后續(xù)的性能測試和分析。

（三）隔熱性能測試方法

本研究使用了一系列測試方法評估玻璃纖維織物的隔熱性能，以便研究不同組織結(jié)構(gòu)對其性能的影響，具體如下：

1.常溫?zé)醾鬟f性能測試

使用YG606型平板式保溫儀進(jìn)行常溫?zé)醾鬟f性能測試，主要用于評估織物在常溫條件下的隔熱性能。在測試過程中，將織物樣品放置在測試儀器中，確保其與外界環(huán)境隔離。然后，控制測試條件，包括空氣溫度、相對濕度和試驗(yàn)板溫度，以符合《紡織品生理舒適性穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測定》（GB/T11048-2008）規(guī)范的要求。通過監(jiān)測織物樣品上下溫度的變化，可以計(jì)算出織物的傳熱系數(shù)，從而評估其常溫隔熱性能。

2.高溫?zé)醾鬟f性能測試

使用酒精噴燈燒蝕試驗(yàn)評估織物在高溫條件下的隔熱性能。在這個(gè)測試中，將織物樣品裁剪成直徑為4cm的圓片，并將其放置在火焰下方。通過使用數(shù)字溫度計(jì)，可實(shí)時(shí)測量織物樣品背部的溫度變化。這個(gè)測試方法模擬了織物在高溫火焰環(huán)境下的性能，可以根據(jù)溫度—時(shí)間曲線評估織物的高溫隔熱性能。

二、不同組織結(jié)構(gòu)的影響

（一）組織結(jié)構(gòu)的選擇和分類

組織結(jié)構(gòu)是指纖維在織物中的排列方式和交織方式，它直接影響了織物的性能特點(diǎn)。本研究選擇了五種常見的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類和比較，分別是平紋、2/1斜紋、2/2斜紋、2/3斜紋和3/3斜紋。

第一，平紋。其特點(diǎn)是經(jīng)緯紗線交替，每個(gè)經(jīng)紗交織于每個(gè)緯紗的上下方。這種結(jié)構(gòu)具有較高的強(qiáng)度和耐磨性，但透氣性相對較差。

第二，2/1斜紋。其特點(diǎn)是每兩根經(jīng)紗交織一根緯紗。這種結(jié)構(gòu)通常比平紋更緊密，具有較好的強(qiáng)度和透氣性，適用于一些需要平衡強(qiáng)度和透氣性的應(yīng)用。

第三，2/2斜紋。這是一種較為緊密的斜紋結(jié)構(gòu)，每兩根經(jīng)紗交織兩根緯紗。它比2/1斜紋更緊密，具有更好的隔熱性能，適合用于需要較高隔熱性的場合。

第四，2/3斜紋。這是一種相對松散的斜紋結(jié)構(gòu)，每兩根經(jīng)紗交織三根緯紗。這種結(jié)構(gòu)透氣性較好，但強(qiáng)度相對較低，通常用于需要透氣性而不需要高強(qiáng)度的應(yīng)用。

第五，3/3斜紋，每三根經(jīng)紗交織三根緯紗。它具有很高的強(qiáng)度和隔熱性能，適用于需要高強(qiáng)度和隔熱性的領(lǐng)域。

通過這五種不同的組織結(jié)構(gòu)，可以全面了解它們對玻璃纖維織物的隔熱性能、透氣性、強(qiáng)度等性能的影響，從而更好地指導(dǎo)玻璃纖維織物的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。這一分類和選擇為研究提供了有力的基礎(chǔ)，使研究人員可深入研究不同組織結(jié)構(gòu)在隔熱性能方面的差異，并為織物領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展提供有益的參考。

（二）傳熱系數(shù)與組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系

平紋組織的玻璃纖維織物具有較高的傳熱系數(shù)，這是因?yàn)樵谄郊y結(jié)構(gòu)中，紗線之間的交叉點(diǎn)相對較多，導(dǎo)致織物中的空隙較少，靜止空氣的儲存量有限。由于玻璃纖維的導(dǎo)熱系數(shù)高于空氣，平紋組織中的傳熱更為迅速，相對的靜止空氣無法提供足夠的隔熱性。因此，平紋組織的玻璃纖維織物的隔熱性能較差。雖然它可能具有一定的強(qiáng)度和耐磨性，但對于需要隔熱性能的應(yīng)用而言，平紋組織可能不是最佳選擇。

（三）透氣性與組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系

平紋組織在透氣性方面較差，這是因?yàn)槠郊y結(jié)構(gòu)中的經(jīng)紗和緯紗交織方式非常規(guī)則，紗線之間的交叉點(diǎn)較多，導(dǎo)致織物中的空隙較小。這種規(guī)則性排列減少了空氣穿透的通道，限制了空氣的流動，導(dǎo)致透氣性下降。平紋組織的玻璃纖維織物適用于一些需要較低透氣性的應(yīng)用，如隔熱服裝或防護(hù)材料。相比之下，斜紋組織在透氣性方面表現(xiàn)更好。斜紋結(jié)構(gòu)中的交叉點(diǎn)較多，但交織方式的斜角使得空氣更容易穿透織物。這種斜向排列的結(jié)構(gòu)增加了空氣通道，使空氣能夠更自由地通過織物，從而提高透氣性，這使得斜紋組織的玻璃纖維織物在需要通風(fēng)和透氣性的應(yīng)用中具有優(yōu)勢。

三、織物厚度的影響分析

（一）織物厚度與傳熱系數(shù)的關(guān)系

調(diào)整織物的厚度來滿足所需的隔熱性能?？椢锖穸鹊脑黾油ǔ?dǎo)致更低的傳熱系數(shù)，從而提高織物的隔熱性能。這一研究結(jié)果為玻璃纖維織物的定制和應(yīng)用提供了指導(dǎo)，特別是在需要保持溫度穩(wěn)定性或隔熱的工程和裝備中。

（二）高溫?zé)g試驗(yàn)下的結(jié)果

較厚的織物在高溫?zé)g試驗(yàn)中表現(xiàn)出更好的抵抗火焰穿透的能力，這是因?yàn)椋^厚的織物內(nèi)部包含更多的玻璃纖維層和靜止空氣，形成了更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可在高溫下提供更長時(shí)間的保護(hù)，減緩織物表面溫度的上升速度，有助于防止火焰穿透。另外，隨著織物厚度的增加，織物在高溫下的燒蝕速度也進(jìn)一步減小。較厚的織物需要更多的時(shí)間和熱量才能被火焰穿透，因此，在相同條件下，其燒蝕速度較慢。這意味著，織物的耐火性能在一定程度上取決于其厚度，較厚的織物更能抵抗高溫環(huán)境下的火焰燒蝕。

（三）最優(yōu)厚度的確定

最優(yōu)織物厚度的確定需要綜合考慮多個(gè)因素，包括織物的具體用途、所處環(huán)境的溫度、火焰暴露時(shí)間等。一般來說，如果需要更好的隔熱性能，較厚的織物更為合適，較厚的織物內(nèi)部包含更多的靜止空氣，能夠提供更好的絕熱效果，從而降低傳熱系數(shù)。此外，如果需要在高溫火焰下抵御火焰燒蝕，那么較厚的織物更為理想，在火焰穿透時(shí)需要更多的時(shí)間和熱量，因而具有更好的抗火焰燒蝕性能。然而，這也可能會增加織物的重量和不透氣性，因此，需要在特定情況下權(quán)衡和考慮。

四、經(jīng)密度的影響

（一）經(jīng)密度與傳熱系數(shù)的關(guān)系

經(jīng)密度與傳熱系數(shù)之間呈現(xiàn)出一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著經(jīng)密度的增加，織物的傳熱系數(shù)會逐漸減小。這一現(xiàn)象可以解釋為，較高的經(jīng)密度意味著更多的玻璃纖維紗線被緊密排列在單位面積內(nèi)，減少了織物中的空隙。由于玻璃纖維的導(dǎo)熱系數(shù)較高，這種密集排列減少了空氣在織物中的自由流動，導(dǎo)致傳熱系數(shù)降低。因此，較高的經(jīng)密度通常對應(yīng)著更好的隔熱性能。根據(jù)所需的隔熱性能，可以通過調(diào)整經(jīng)密度來優(yōu)化織物的傳熱性能。較高的經(jīng)密度可以降低傳熱系數(shù)，提高織物的隔熱性能，其適用于需要保溫和隔熱的應(yīng)用。

（二）經(jīng)密度的影響機(jī)制

經(jīng)密度對玻璃纖維織物性能的影響機(jī)制涉及多方面因素。

首先，較高的經(jīng)密度意味著更多的玻璃纖維紗線被排列在單位面積內(nèi)，導(dǎo)致織物更加緊密。這種緊密排列減少了織物內(nèi)部的空隙，限制了空氣在織物中的流動。由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)較低，意味著較少的熱量傳遞，從而減小了傳熱系數(shù)。這就是為什么較高的經(jīng)密度通常對應(yīng)著更低的傳熱系數(shù)，進(jìn)而提高了織物的隔熱性能。其次，較高的經(jīng)密度也意味著更多的玻璃纖維紗線交織在一起，形成了更為復(fù)雜的織物結(jié)構(gòu)。在高溫火焰環(huán)境下，這一特性尤為重要，因?yàn)樗梢詼p緩火焰穿透織物的速度，提供更多的時(shí)間防止火焰的擴(kuò)散和燒蝕。最后，經(jīng)密度還與織物的重量和厚度有關(guān)。較高的經(jīng)密度通常會增加織物的重量，因?yàn)楦嗟募喚€被使用，增加了織物的密度和厚度，這也可能會影響織物的柔軟性和透氣性，需要綜合考慮。

（三）最佳經(jīng)密度的選擇

在實(shí)際應(yīng)用中，最佳經(jīng)密度的選擇依賴多方面因素，包括所需的隔熱性能、透氣性、重量、具體應(yīng)用環(huán)境等。

首先，需要明確隔熱性能。如果應(yīng)用要求的隔熱性能較高，通常會選擇較高的經(jīng)密度，這可以有效降低傳熱系數(shù)，提供更好的絕熱效果。相反，如果透氣性是一個(gè)關(guān)鍵因素，可以考慮較低的經(jīng)密度，以便空氣能夠更自由地流通，提高織物的透氣性。其次，需要考慮應(yīng)用環(huán)境。如果織物將在高溫或火焰環(huán)境下使用，較高的經(jīng)密度通常更為合適，它可以提供更好的抗火焰燒蝕性能。在這種情況下，經(jīng)密度的選擇應(yīng)能夠確?？椢锞哂凶愕膲蚰透邷匦阅?，以防止被火焰穿透。最后，還需權(quán)衡織物的重量和厚度。較高的經(jīng)密度通常會增加織物的重量和厚度，這可能會在某些應(yīng)用中帶來不便。因此，在選擇最佳經(jīng)密度時(shí)，還需要平衡隔熱性能和織物的輕便性。

五、紗線密度的影響

（一）紗線密度與織物厚度的關(guān)聯(lián)

紗線的線密度與織物的厚度呈正相關(guān)，也就是說，較高的紗線密度通常對應(yīng)更厚的織物，意味著每單位長度內(nèi)的紗線更多，因而在織造過程中需要更多紗線，從而增加了織物的厚度。與此同時(shí)，較低的紗線密度通常對應(yīng)著較薄的織物。根據(jù)應(yīng)用需求，可以通過調(diào)整紗線密度控制織物的厚度。較高的紗線密度導(dǎo)致較厚的織物，這有助于提高隔熱性能，較低的紗線密度可以產(chǎn)生較薄的織物，其適用于需要輕便性和透氣性的應(yīng)用。

（二）1300℃火焰燒蝕試驗(yàn)結(jié)果

紗線密度較低的織物在火焰燒蝕試驗(yàn)中更容易受到火焰侵蝕，這是因?yàn)榧喚€密度較低的織物通常具有較薄的織物構(gòu)造，火焰更容易穿透并影響其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。相反，紗線密度較高的織物具有更復(fù)雜的織構(gòu)和較大的厚度，使其更能抵抗高溫火焰的侵襲，表現(xiàn)出更好的抗火焰燒蝕性能。其次，紗線密度的增加也使得織物背部的升溫速度減緩。較高紗線密度的織物在火焰燒蝕試驗(yàn)中背部升溫更為緩慢，能夠提供更長的時(shí)間防止火焰的擴(kuò)散和燒蝕，這對于在高溫環(huán)境中使用的織物至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈冃枰邆涑錾目够鹧嫘阅堋?/p>

總之，1300℃火焰燒蝕試驗(yàn)結(jié)果表明，紗線密度對織物的抗火焰性能有顯著影響。較高的紗線密度通常對應(yīng)著更好的抗火焰燒蝕性能，這對于一些高溫環(huán)境下的應(yīng)用至關(guān)重要。因此，在設(shè)計(jì)和選擇織物時(shí)，紗線密度是一個(gè)重要參數(shù)，可以根據(jù)具體需求予以優(yōu)化，以滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的要求。這一研究結(jié)果可為織物性能的提升提供有力的依據(jù)。

（三）紗線密度與隔熱性能的關(guān)系

較高的紗線密度通常對應(yīng)著更好的隔熱性能，而這一關(guān)系主要是織物內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和空氣含量的變化引起的。

首先，較高的紗線密度意味著織物中的紗線更加緊密地編織在一起，形成了致密的織物結(jié)構(gòu)。這使得織物內(nèi)部的孔隙更小，同時(shí)也減少了空氣流通的通道，更有效地阻擋熱量的傳導(dǎo)，具備更好的絕熱性能。其次，較高的紗線密度導(dǎo)致織物的厚度增加。更厚的織物能夠容納更多的靜止空氣，因?yàn)榭椢飪?nèi)部的紗線交織形成了更多小隔間，這些隔間內(nèi)的空氣是絕熱材料的一種。靜止空氣具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，因此，它們能夠有效減少熱量傳遞，提高織物的隔熱性能。

六、結(jié)語

綜上所述，不同的組織結(jié)構(gòu)對玻璃纖維織物性能的影響研究是一項(xiàng)綜合性的系統(tǒng)工作。通過深入研究和分析，相關(guān)人員可以更好地理解這些影響機(jī)制，從而為工程領(lǐng)域提供更具性能優(yōu)勢的玻璃纖維織物材料，推動這一領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展。

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