李志鵬

(廣東前進(jìn)牛仔布有限公司,廣東 佛山528000)

三維中空織物(簡稱中空織物)采用高性能纖維通過立體編織一體成型,其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為構(gòu)成表層的經(jīng)、緯紗和連接兩個(gè)表層并形成芯部的Z向纖維(見圖1),整體結(jié)構(gòu)具有一定的層間高度[1]。中空織物常用來制作復(fù)合材料,高性能纖維中空織物復(fù)合材料克服了傳統(tǒng)蜂窩、泡沫芯材等夾層復(fù)合材料易分層、耐沖擊性能差的缺點(diǎn),可以廣泛用于軌道交通、船艇、航空、航天、風(fēng)能、建筑和雙層儲罐等領(lǐng)域[2]。雙劍桿織機(jī)主要用來織造地毯、天鵝絨等織物,在對其進(jìn)行機(jī)械改造及織造工藝參數(shù)設(shè)計(jì)后,可用來連續(xù)穩(wěn)定地織造中空織物。在中空織物設(shè)計(jì)中要保持面層地經(jīng)對絨經(jīng)的充分鎖定以及其上下面層結(jié)構(gòu)的一致性,所以,中空織物面層結(jié)構(gòu)與絨經(jīng)類型的選擇、織物組織循環(huán)經(jīng)緯紗數(shù)的計(jì)算、組織圖的設(shè)計(jì)是中空織物設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。

圖1 玻璃纖維中空織物及其復(fù)合材料

1 雙劍桿織機(jī)的織造原理

以比利時(shí)產(chǎn)范德威爾(VAN DE VIELE)產(chǎn)雙劍桿織機(jī)為例,雙劍桿織機(jī)在織造的開口這一動作分為三個(gè)系統(tǒng),即上面層地經(jīng)系統(tǒng)、下面層地經(jīng)系統(tǒng)和絨經(jīng)系統(tǒng),三個(gè)不同系統(tǒng)的經(jīng)紗分別位于3個(gè)經(jīng)軸上,由于結(jié)構(gòu)的不同,相應(yīng)的經(jīng)軸送經(jīng)速度也不同(圖2)。

圖2 中空織物的地經(jīng)與絨經(jīng)

1.1 地經(jīng)織造系統(tǒng)

織機(jī)共12頁棕框,4～8頁棕框織造織物上層面層,8～12頁棕框織造下層面層,如圖3所示。上下面層可以分成兩個(gè)系統(tǒng)分別織造的原因在于各自織造系統(tǒng)所用棕框中棕絲眼的位置分別位于不同的高度,所以理論上上下面層的織物結(jié)構(gòu)可以相同也可以不同。根據(jù)產(chǎn)品需求,中空織物的面層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般為2D織物或是2.5D織物,上下面層的織造相對獨(dú)立,各自的經(jīng)紗系統(tǒng)沒有相互交錯,上下劍桿同時(shí)對上下面層引緯,通過送經(jīng)系統(tǒng)和卷曲系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定而連續(xù)的織造。

圖3 面層的織造

1.2 絨經(jīng)織造系統(tǒng)

棕框中的1～4頁為絨經(jīng)系統(tǒng),由于特殊的多臂結(jié)構(gòu),使得絨經(jīng)棕框存在上、中、下三個(gè)位置,在織造過程中,根據(jù)工藝參數(shù)的設(shè)定,絨經(jīng)以一定規(guī)律交織在上下面層中間,從而形成Z向的厚度,使織物“站立”起來(圖4)。

圖4 絨經(jīng)的織造

1.3 織機(jī)改造

在原始織機(jī)中,織造而成的中空織物會被往復(fù)滑動的刀片從中間割開,從而得到上層和底層的絨織物,所以要得到完整的中空織物需要將割絨刀片裝置拆卸掉。

2 工藝探索

絨經(jīng)與地經(jīng)的織造系統(tǒng)相對獨(dú)立但結(jié)構(gòu)又相互關(guān)聯(lián),在分別設(shè)計(jì)上下層織物的結(jié)構(gòu)與絨經(jīng)結(jié)構(gòu)的同時(shí),應(yīng)充分考慮織物整體結(jié)構(gòu)的合理性。在多數(shù)情況下,上下面層都是采用相同的織物結(jié)構(gòu),且織物正反兩面一致,而絨經(jīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)則要避免未鎖定絨經(jīng)而導(dǎo)致絨經(jīng)滑移的情況。

2.1 面層結(jié)構(gòu)

在織造過程中,上面層與下面層同時(shí)織造,上下劍桿分別對兩層織物進(jìn)行引緯,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝與平面織物或2.5D織物工藝相同。

2.2 絨層結(jié)構(gòu)

絨層結(jié)構(gòu)取決于絨經(jīng)在織物中的交織規(guī)律,一般絨經(jīng)交織的基本方式有3種,即V型、U型、W型,如圖5所示。相應(yīng)的在這3種基本組織的基礎(chǔ)上,可以拓展很多種絨經(jīng)結(jié)構(gòu)。

圖5 絨經(jīng)的交織方式

在紋版圖中以“↑、—、↓”3種符號表示絨經(jīng)棕框的3種位置,即上中下；絨經(jīng)棕框有上中下3種位置,地經(jīng)棕框有上下2種位置。

在進(jìn)行絨經(jīng)結(jié)構(gòu)選擇時(shí),應(yīng)先考慮面層結(jié)構(gòu)組織循環(huán)緯紗數(shù)與所選絨經(jīng)結(jié)構(gòu),因?yàn)榻q經(jīng)在上下層轉(zhuǎn)換時(shí),連接上下層Z向的一段是沒有緯紗與之交織的,如果在某個(gè)絨經(jīng)組織循環(huán)過程中,出現(xiàn)地經(jīng)與絨經(jīng)全部都在上層緯紗之上或是全在下層緯紗之下的情況,就會容易出現(xiàn)絨經(jīng)滑移的現(xiàn)象,使得絨經(jīng)在織物中沿緯向出現(xiàn)一定的夾角,從而影響織物的站立性,破壞織物整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性(圖6)。

圖6 絨經(jīng)的滑移與鎖定

3 工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

以最簡單的面層平紋結(jié)構(gòu)與絨層V型結(jié)構(gòu)為例設(shè)置工藝參數(shù),其織物組織圖如圖7所示。

圖7 平紋-V型織物組織圖

選擇兩條結(jié)構(gòu)相同但又相互轉(zhuǎn)置的絨經(jīng)設(shè)置方式,這種交錯互補(bǔ)的絨經(jīng)設(shè)置方式保證了織物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與對稱性,提高織物整體以及其復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度的平衡性。

根據(jù)V型絨經(jīng)在織物中的交織規(guī)律,為保證地經(jīng)對絨經(jīng)的鎖定以及相鄰地經(jīng)間的平紋結(jié)構(gòu),故采用單面層2根地經(jīng)與一根絨經(jīng)交錯的形式進(jìn)行織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在一個(gè)經(jīng)紗組織循環(huán)中,上下面層地經(jīng)與絨經(jīng)在織物中的穿插形式如圖8所示。

圖8 單個(gè)經(jīng)紗循環(huán)組織中絨經(jīng)與地經(jīng)的組織結(jié)構(gòu)

在平紋-V型中空織物中,地經(jīng)與絨經(jīng)是相互間隔交錯的,所以單面層的經(jīng)密比為2∶1,穿綜方式為間隔順穿法,即1、5、9、6、10；2、7、11、8、12；3、5、9、6、10；4、7、11、8、12,組織循環(huán)經(jīng)紗數(shù)R j=10,絨經(jīng)基本結(jié)構(gòu)V型絨經(jīng)的組織循環(huán)緯紗數(shù)為2(上下2根緯紗視作一緯),平紋的組織循環(huán)緯紗數(shù)為2,所以取最小公倍數(shù),平紋-V型中空織物組織循環(huán)緯紗數(shù)R w=2。

平紋-V型中空織物的紋版圖如圖9所示。

在設(shè)計(jì)好織物紋版圖后,再根據(jù)所需中空織物絨高合理地設(shè)置絨經(jīng)的送絨量,即可織造出所需厚度的平紋-V型中空織物。

圖9 平紋-V型中空織物的紋版圖

4 結(jié)語

研究表明,在對雙劍桿織機(jī)進(jìn)行簡單的改造后,可用來連續(xù)穩(wěn)定地織造中空織物。用2D或是2.5D織物織造工藝來設(shè)計(jì)中空織物的面層結(jié)構(gòu),選取合適的絨經(jīng)結(jié)構(gòu),再根據(jù)面層地經(jīng)與絨經(jīng)的結(jié)構(gòu)規(guī)律來確定合理的組織循環(huán)經(jīng)紗與緯紗數(shù),使織造出的中空織物的內(nèi)在質(zhì)量和外觀效果符合設(shè)計(jì)本意?？椢镎w結(jié)構(gòu)勻整、站立性好,結(jié)合玻璃纖維等高模高強(qiáng)的特性,也為更多中空織物以及其復(fù)合材料的設(shè)計(jì)開發(fā)等提供了設(shè)計(jì)思路。