組合式三維機織物制備及其截面觀察與分析

康凌峰，李艷清，翁浦瑩，祝成炎

(浙江理工大學 “紡織纖維材料與加工技術”國家地方聯合工程實驗室，杭州　310018)

?

組合式三維機織物制備及其截面觀察與分析

康凌峰，李艷清，翁浦瑩，祝成炎

(浙江理工大學 “紡織纖維材料與加工技術”國家地方聯合工程實驗室，杭州310018)

摘要：為了探究組合式三維機織物的紗線交織情況，設計制備了6種芳綸正交/準正交組合式三維機織物，利用樹脂包埋三維機織物，通過顯微鏡觀察，分析組合式三維機織物的結構特征。結果發現:正交/準正交組合式三維機織物的垂紗貫穿織物上下表層，緯紗呈挺直排列，經紗呈屈曲狀態。

關鍵詞：組合式三維機織物；切片；觀察；結構特征

0　引　言

典型的三維立體機織物的結構形式主要有正交結構、準正交結構和角聯鎖結構3種，這3類結構中經紗，緯紗和垂紗的交織關系有較大不同。前期對3種典型三維立體機織物的結構研究表明，正交結構的各組紗線在三維立體機織物內部大多保持挺直狀態，垂紗在表層與緯紗交織形成表層結構，轉向的垂紗將織物內部交錯的紗線連接成一個整體[1-2]；準正交結構與正交結構十分相似，但其三組紗線都具有一定的屈曲，同樣是通過垂紗連接織物整體[3-5]；角聯鎖結構則只存在兩組紗線，其特點是各層紗線的經紗呈一定的傾斜角[6-7]。祝成炎等[8-9]研究認為，單一的三維組織結構構成的復合材料無法全方位的滿足復合材料的性能要求，有多種變化、更加復雜的三維組合結構具有更好的綜合性能。本文在以上研究基礎上，利用樹脂包埋三維機織物，通過顯微鏡觀察，直觀地分析組合式三維機織物的結構特征。

1　組合式三維機織物結構設計

如圖1(a)、(b)所示的結構即為典型的五層貫穿正交和貫穿準正交結構，其結構特點是：經紗和緯紗交替重疊多層，以此增加織物厚度。其中正交結構的經紗和緯紗不交織，呈無彎曲、伸直狀態，承載時變形小強力大；而準正交結構的經紗和緯紗相互交織，尺寸穩定性強，紗線抽拔力大。兩者經、緯紗的相對位置，利用了一組起到連接作用的垂紗沿織物厚度方向反復貫穿，使各層經緯紗連接為一個整體。

圖1(c)—(f)所示的結構為結合正交和準正交結構而形成的組合式結構。圖1中的點代表緯紗，線1-10代表經紗，線Ⅰ、Ⅱ代表垂紗。為了方便描述，用A、B分別代表如圖2(a)和圖2(b)所示的正交結構單元和準正交結構單元，那么5A、5B、1A4B、2A3B、3A2B、4A1B分別表示圖1(a)—(f)6種結構。這6種結構是正交結構單元和準正交結構單元按數量比5∶0、0∶5、1∶4、2∶3、3∶2和4∶1的比例重疊，采用一組垂紗Ⅰ和Ⅱ，貫穿五層織物連接成一個整體。

圖1　三維機織物經向結構

圖2　三維機織結構單元

2　實驗部分

2.1原材料

芳綸無捻線(線密度122.22tex，杜邦公司)，雙酚A環氧乙烯基樹脂(上海富晨化工有限公司)，過氧化鉀乙酮(上海富晨化工有限公司)，環烷酸鈷(上海富晨化工有限公司)。

2.2實驗設備

HKV-151花色捻線機(浙江精工科技股份有限公司)，SL800半自動織樣機(天津隆達機電科技發展有限公司，經簡易改造)，JK-2200DB型超聲波清洗機(合肥金尼克機械制造有限公司)，HGD-205數碼顯微鏡(深圳市傳奇視覺科技有限公司)。

2.3芳綸包纏線制備

為了提高紗線的可織性，通過HKV-151花色捻線機對芳綸無捻線進行包纏處理。以一根122.22tex的芳綸為芯紗，一根122.22tex的芳綸為包纏紗，以320r/min的外包纏筒子轉速，20m/min的包纏紗卷繞速度，制備得到236.20tex的芳綸包纏線，包纏線的捻度為160捻/m，捻向為S捻。

2.4組合式三維機織物制備

采用雙經軸織造制備組合式三維機織物，可在通過雙經軸改造的SL800半自動織樣機上制織出如圖1所示的6種結構，織物上機示意圖如圖3所示。

1-經紗織軸；2-垂紗織軸；3-經紗；4-垂紗；5-垂紗張力控制裝置；6-后動后梁；7-綜框；8-鋼筘；9-胸梁；10-織物；11-壓輥；12-卷取輥；13-卷布輥圖3　三維機織機上機示意圖

以圖1(d)2A3B結構為例，對應的織物上機圖如圖4所示。完全組織經紗循環數Rj=10，其中經紗8根，垂紗2根；緯紗循環數Rw=12。上機穿綜采用一順穿。

所制備的組合式三維織物規格如表1所示。

圖4　織物上機圖

試樣幅寬/cm經密/(根/10cm)緯密/(根/10cm)最大厚度/cm最小厚度/cm面密度/(kg/m2)5A20.11143982.2342.0801.3444A1B20.01204212.4282.1521.3553A2B20.31244512.5422.2201.5912A3B20.01284612.6542.1921.6131A4B20.61304493.1642.3861.5495B20.31334322.8842.0941.601

2.5三維織物樹脂切片制備

樹脂膠液以雙酚A環氧乙烯基樹脂、過氧化鉀乙酮促進劑和環烷酸鈷固化劑的質量比為100.0∶2.0∶1.8混配，控制適當粘度以便能滲透到織物內部。將織物置于鋪有脫膜布的模具中，添加樹脂膠液后，放入超聲波清洗機中，在25℃下工作30min。將固化好后的樹脂包埋三維機織物脫模后，常溫下放置1周，裁剪成5cm×5cm的切片，使用砂紙打磨切面便于觀察。

3　結果與討論

圖5為三維機織物經、緯向截面圖。從圖5中可以發現織物在經、緯方向上存在著一定厚度，經向方向上織物厚度一致，均勻，而緯向方向上織物表面呈現凹凸波浪形，且凹凸程度隨準正交結構數量增加而增加。

圖5　三維機織物經、緯向截面圖

經向結構特征：圖5中(a)、(c)、(e)、(g)、(i)、(k)分別為5A、4A1B、3A2B、2A3B、1A4B、5B結構的經向、截面結構圖，如圖5(a)中Ⅰ區域所標示的為呈橢圓形的緯紗截面形狀；圖中貫穿織物上下表面的白色波浪線為垂紗，連接五層結構，屈曲狀態明顯；而經紗屈曲程度較小，如圖5(e)中Ⅲ區域所標示的白色線條為經紗，正交結構中經紗幾乎呈現挺直狀態排列，而準正交結構中經紗呈現一定的屈曲程度，且屈曲程度隨著準正交單元結構數量得增加而增加。

緯向結構特征：圖5中(b)、(d)、(f)、(h)、(k)、(l)分別為5A、4A1B、3A2B、2A3B、1A4B、5B結構的緯向截面結構圖，如圖5(b)中Ⅱ區域所標示的為呈凸透鏡形的經紗截面形狀；緯紗呈現一定的屈曲狀態，表層緯紗屈曲波波峰出現在其與經紗交織處，波谷出現在其與垂紗交織處，且隨著組織中準正交結構單元的增多，屈曲程度也不斷增加。

4　結　論

本文研究結果表明：組合式三維機織物呈現出一定厚度，表面平整度不一，凹凸程度隨準正交結構單元增加而增加；垂紗貫穿織物上下表面，連接五層結構，屈曲狀態明顯；大多數經紗呈挺直狀態排列；緯紗呈現一定的屈曲狀態，屈曲程度隨著準正交結構單元的增加而增加，且表層緯紗屈曲波波峰出現在其與經紗交織處，波谷出現在其與垂紗交織處。

參考文獻：

[1] TAN P, TONG L Y, STEVEN G P. Behavior of 3D orthogonal woven CFRP composites. Part Ⅱ:FEA and analytical modeling approaches[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing (Incorporating Composites and Composites Manufacturing), 2000,31(3):273-281.

[2] TAN P, TONG L Y, STEVEN G P, et al. Behavior of 3D orthogonal woven CFRP composites. Part ⅠExperimental investigation[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing(Incorporating Composites and composites Manufacturing), 2000,31(3):259-271.

[3] CALLUS P J, MOURITZ A P, BANNISTE M K, et al. Tensile properties and failure mechanisms of 3D woven GRP composites[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 1999,30(11):1277-1287.

[4] LEE L, RUDOV-CLARK S, MOURITZ A P, et al. Effect of weaving damage on the tensile properties of three-dimensional woven composites[J]. Composite Structures, 2002,57(1-4):405-413

[5] BELINGARDI G, VADORI R. Low velocity impact tests of laminate glass-fiber-epoxy matrix composite material plates[J]. International Journal of Impact Engineering, 2002,27(2):213-229.

[6] TSAI K H, CHIU C H, WU T H. Fatigue behavior of 3D multilayer angle interlock woven composite plates[J]. Composites Science and Technology, 2000,60(2):241-248.

[7] 欒坤.三維角聯鎖機織復合材料彈道傾徹破壞細觀結構尺度研究[D].上海：東華大學,2014:3-4.

[8] 祝成炎,高禎云，朱俊萍.組合式3D機織物復合材料的拉伸性能[J].紡織學報.2005,26(5):14-19.

[9] 李艷清,祝成炎，申小宏.組合式3D機織物的經向截面結構與設計[J].浙江理工大學學報,2006,23(3):274-278

(責任編輯：許惠兒)

收稿日期：2015-09-06

基金項目：浙江省國際科技合作專項(合作研究)項目(2012C24013)；浙江省高校重中之重學科開放基金(2013YXQN02)；浙江理工大學研究生創新研究項目(11110032481408)

作者簡介：康凌峰(1990-)，男，浙江安吉人，碩士研究生，主要從事現代紡織技術及新產品方面的研究。 通信作者：祝成炎，E-mail：cyzhu@zstu.edu.cn

中圖分類號：TS106.68

文獻標志碼：

文章編號：1009-265X(2016)03-0023-04

Preparation of Combined Three-Dimensional Woven Fabric and Observation and Analysis on its Cross Section

KANGLingfeng,LIYanqing,WENGPuyin,ZHUChengyan

(National Engineering Lab for Textile Fiber Materials and Processing Technology(Zhejiang), Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

Abstract：In order to explore the yarn interweaving of combined three-dimensional woven fabric, 6 Kevlar orthogonal/quasi-orthogonal combined three-dimensional woven fabrics were designed and made. The structural characteristics of the combined three-dimensional woven fabric were analyzed by observing the fabric resin slice. The results show that the vertical yarns in the combined three-dimensional woven fabrics penetrate through all the layers of fabric; besides, the weft yarns of the fabrics are straight while the warp yarns are bending.

Key words：combined three-dimensional woven fabric; slices; observation; structural characteristics