多層襯緯機織針織復合織物的拉伸性能

袁新林， 徐艷華， 王 妮

(1.常州大學 藝術學院，江蘇 常州 213164；2.東華大學 紡織學院，上海 201620)

多層襯緯機織針織復合織物的拉伸性能

袁新林1， 徐艷華1， 王 妮2

(1.常州大學 藝術學院，江蘇 常州 213164；2.東華大學 紡織學院，上海 201620)

為給多層襯緯機織針織復合織物的產業應用提供參考，襯紗和針織紗選用芳綸纖維編織出一種新型織物，并對該織物進行軸向的拉伸試驗，分析比較織物縱向和橫向的拉伸性能.研究表明：在多層襯緯機織針織復合織物拉伸過程中，先是襯紗結構和針織結構的整體拉伸，然后是襯紗的拉直伸長，直到襯紗結構拉斷破壞，最后是針織紗的交替伸長和滑移，直到針織結構脫套破壞；針織結構的捆綁作用使得平直襯入的緯紗產生屈曲，屈曲程度與交織襯入的緯紗相當；襯紗的屈曲及針織紗的彎曲穿套均影響各自紗線強力的利用.

多層襯緯機織針織復合織物； 拉伸性能； 負載； 伸長率； 紗線強力； 破壞過程

在緯編組織中襯入經紗和緯紗可形成雙軸向緯編針織物，將經、緯紗平直襯入形成緯編雙軸向多層襯紗(MBWK)織物，將經、緯紗交織襯入則形成機織針織復合(CWK)織物[1-2].緯紗既有平直襯入又有交織襯入，則可形成多層襯緯CWK織物[3].國內自研制出CWK織物以來，對CWK織物及其增強復合材料性能的有關研究才漸見報道.高性能纖維編織的CWK織物兼有機織物和針織物的一些性能，其拉伸與撕裂性能與加載方向緊密相關[1，4-5]，而其復合材料有較好的拉伸性能，表現為脆性斷裂[6-8]，拉伸性能對應變率敏感，因此CWK復合材料屬輕質高吸能材料[9-11].CWK復合材料又有較好的軸向彎曲性能，且表現為韌性斷裂[12-15].紗線襯入方式的不同，使得CWK織物增強復合材料的拉伸與彎曲性能稍遜于MBWK織物增強復合材料的[8， 14-15].在預測模型方面，有CWK織物增強復合材料幾何模型及準靜態拉伸彈性常數預測模型，根據模型計算的紗線長度、纖維體積分數和彈性常數均與實測值有很好的一致性[16-17]；也有高速拉伸性能的有限元模型及其簡化模型，由模型預測的高應變率下拉伸強度和破壞形態與試驗結果同樣有很好的一致性[18-19].

但有關多層襯緯CWK織物的性能研究還鮮見報道，本文通過試驗的方法對芳綸纖維多層襯緯CWK織物的軸向拉伸性能進行測試和分析，旨在為這種新型的多層襯緯CWK織物的設計和應用提供參考，擴大其潛在的應用范圍.

1 試驗部分

1.1 織物結構與規格

多層襯緯CWK織物的結構如圖1所示，其與CWK織物[1， 4， 6-7]相比，除針織紗、經紗和交織襯入的緯紗相同外，增加了平直襯入的緯紗.針織紗、經紗和交織襯入的緯紗形成的結構分別與CWK織物相同，平直襯入緯紗則是平直襯在機織變化平紋組織和1+1羅紋線圈之間.平直襯入緯紗、交織襯入緯紗和經紗一起形成的結構可稱為襯紗結構.因此，在織物的一個結構單胞中，增加的2根平直襯入緯紗襯于1+1羅紋線圈橫列中，并由變化平紋組織隔開，上、下表面各襯1根.針織紗、經紗、平直襯入緯紗和交織襯入緯紗均選用芳綸纖維長絲紗，線密度依次為44，165，88和44tex，在機號為16針/25.4 mm專用橫機[3]上編織出多層襯緯CWK織物.經紗、平直襯入緯紗和交織襯入緯紗的襯入密度依次為63.39， 142.86和285.71根/10 cm.

(a) 結構示意圖 (b) 實物照片圖1 多層襯緯CWK織物Fig.1 CWK fabric with multilayer weft insertion

1.2 拉伸試樣及試驗

由于多層襯緯CWK織物是在CWK織物的基礎上增加兩層平直襯入的緯紗而成，這是一種新型CWK織物，目前還沒有相應的拉伸試驗標準，在本文的拉伸性能測試中，參考GB/T 7689.5—2013《增強材料機織物試驗方法(第5部分)》.考慮織物中經紗和緯紗的襯入密度較小，且要經紗和緯紗保持完整，試樣加工尺寸如圖2所示.

圖2 拉伸試樣尺寸及處理示意圖Fig.2 Specification and treatment of the sample

取樣后，將試樣兩端浸漬樹脂，并進行固化粘貼鋁片處理，如圖2所示.夾頭夾在鋁片上，樹脂對芳綸纖維起到保護作用，可使每根紗線所受夾持力一致，試驗時紗線不會發生滑移，確保試驗結果能正確顯示織物的性能.試驗儀器使用上海龍華測試儀器有限公司的微機控制電子萬能試驗機，夾距為170 mm，拉伸有效長度為100 mm，加載速度為50 mm/min，預加張力為10 N，用高速相機記錄試樣的拉伸變形.為確定針織結構在織物承受拉伸中所起的作用，設置拉伸停止條件為最大拉伸負荷的10%.縱向和橫向試樣各5塊.

2 試驗結果與分析

2.1 拉伸曲線特征分析

根據試驗數據繪制出的多層襯緯CWK織物的拉伸負荷-伸長率曲線如圖3所示.由圖3可知，多層襯緯CWK織物軸向的拉伸負荷-伸長率曲線均表現為在伸長率較小時(縱向小于1.20%，橫向小于0.20%)，曲線斜率較小，然后經歷非線性區的轉折點，曲線的斜率較大，且表現為較好的線性，經最大負荷后，曲線呈陡坡狀下降，隨后在較低的負荷下波動，并呈現較大的伸長，直到試樣被破壞.

圖3 多層襯緯CWK織物的拉伸負荷-伸長率曲線Fig.3 Load-elongation rate curves of CWK fabric with the multilayer weft insertion

在多層襯緯CWK織物縱向的拉伸初始階段，即伸長率在1.20%之前，拉伸負荷與伸長率呈較好的線性關系，顯示屈曲的經紗在被逐漸拉直的過程中.隨后伸長率在1.20%～3.00%之間曲線斜率連續變化，顯示經紗逐漸被拉直.在伸長率達到8.19%之前，曲線斜率大且保持不變，顯示經紗被拉長.在伸長率8.19%后，曲線呈臺階式急劇下降，顯示試樣承受最大拉伸負荷后經紗發生斷裂.當伸長率在8.19%～12.04%之間，曲線有多個細小的臺階，顯示經紗逐批逐次被拉斷.在伸長率12.04%后，曲線轉為水平延伸，顯示經紗均被拉斷，襯紗結構被破壞，由針織結構獨自承擔負荷.在伸長率12.04%～56.69%之間，曲線總體呈略微下凹的更寬的平臺狀，細部呈密集的細齒形，負荷在小范圍內(1.32～2.82 kN)波動，顯示針織結構被拉長，不斷發生伸長和紗線滑移，針織線圈從試樣邊緣往中間逐漸發生脫套.在伸長率56.69%后，曲線又呈臺階式下降，顯示針織紗在發生伸長和滑移的同時逐次被拉斷，襯紗對紗線滑移和線圈脫套起到阻礙作用，最終針織結構脫套被破壞，伸長率為64.27%.

在多層襯緯CWK織物橫向的拉伸初始階段，即伸長率在0.20%之前，拉伸負荷與伸長率呈較好的線性關系，顯示屈曲的緯紗在逐漸被拉直過程中.隨后伸長率在0.20%～0.50%之間曲線斜率連續變化，顯示平直襯入緯紗和交織襯入緯紗均被逐漸拉直.在伸長率達到8.35%之前，曲線斜率大且保持不變，顯示緯紗被拉長.在伸長率8.35%后，曲線呈較陡斜線下降，顯示試樣承受最大負荷后緯紗發生斷裂.在伸長率8.35%～10.71%之間，曲線總體線性較好，但也有細小的臺階，顯示緯紗逐批逐次被拉斷.在伸長率10.71%后，曲線轉為上凸式上升，顯示緯紗均被拉斷，襯紗結構被破壞，由針織結構獨自承擔負荷，且仍在被拉伸.在伸長率10.71%～31.88%之間，曲線總體呈略微下凹的寬平臺狀，細部呈密集的細齒形，負荷在小范圍內(2.27～3.38 kN)波動，顯示針織結構被拉長，不斷發生伸長和紗線滑移，針織線圈從試樣邊緣往中間逐漸發生脫套.在伸長率31.88%后，曲線又呈臺階式下降，顯示針織紗在發生伸長和滑移的同時逐次被拉斷，襯紗對紗線滑移和線圈脫套起到阻礙作用，最終針織結構脫套被破壞，伸長率為35.44%.

由以上分析可見，多層襯緯CWK織物的軸向拉伸過程包括4個階段.第1階段是較小拉伸負荷作用下的襯紗結構和針織結構的整體拉伸，也即經紗或緯紗由彎曲到拉直，在軸向分布的針織紗由彎曲被逐漸拉直；第2階段是在較大拉伸負荷作用下被拉直的襯紗結構的伸長直至最大負荷；第3階段是在最大負荷后，經紗或緯紗逐漸被拉斷至襯紗結構的破壞，針織結構繼續被拉伸；第4階段是在中等拉伸負荷作用下交替進行的針織紗的伸長和滑移，直到針織結構被破壞.

對比試樣縱向和橫向拉伸曲線可知，第1階段織物縱向的整體拉伸長度高于橫向.這是由于多層襯緯CWK織物在機上編織時主要是縱向受力，因而織物在縱向有更大的伸長，下機后縱向就有更大的回縮，則在拉伸時表現為更大的整體伸長.第2階段橫向的最大拉伸負荷約為縱向的2倍，這是由于試樣寬度內緯紗線密度總值約為經紗的2倍.由此可見，多層襯緯CWK織物軸向最大拉伸負荷由襯紗結構中該方向襯紗的線密度總值決定.第3階段織物縱向和橫向拉伸曲線均呈細小臺階式斷裂，兩者區別不大.但值得注意的是：襯紗結構中經紗全部是交織襯入，而緯紗既有交織襯入，又有平直襯入.如果平直襯入的緯紗是平直的，則在橫向拉伸時其會先于交織襯入的緯紗被拉直，也會先于交織襯入的緯紗被拉斷，這樣在拉伸曲線的第3階段上就會出現較大的臺階.而在圖3所示拉伸曲線上，橫向具有與縱向一樣的細小臺階.這說明平直襯入的緯紗在織物中也是屈曲的，且其屈曲程度與交織襯入的緯紗相差不大.圖4所示為多層襯緯CWK織物增強復合材料板沿拉伸方向的截面照片，圖4(a)所示充分說明平直襯入的緯紗在織物中有屈曲.由圖1也可見，針織結構的捆綁作用使得平直襯入的緯紗產生屈曲.

圖4 復合材料板中經緯紗的屈曲Fig.4 Buckling of warp and weft yarn in composite

2.2 縱橫向伸長率對比

多層襯緯CWK織物在機上編織時，在牽拉張力和給紗張力的共同作用下，經紗、緯紗和針織紗均處于張緊狀態，下機后各紗線在織物軸向均產生一定的回縮.對于單純的針織結構和襯紗結構而言，針織結構的回縮要比襯紗結構大，且針織結構縱向的回縮又要比自身橫向的大.因此，多層襯緯CWK織物下機回縮后，織物縱向的回縮比橫向的回縮大，經紗的屈曲也要比緯紗的大，如圖4所示.橫向試樣在伸長率為0.50%時，緯紗就被拉直，伸長率為8.35%時，緯紗逐漸被拉斷；而縱向試樣在伸長率為3.00%時，經紗才被拉直，伸長率為8.19%時，經紗逐漸被拉斷.

多層襯緯CWK織物的軸向拉伸過程各個階段試樣伸長率及各紗線拉伸斷裂情況如表1所示.

表1 多層襯緯CWK織物拉伸各階段伸長率對比

由表1可見：多層襯緯CWK織物拉伸第4階段的伸長率遠大于第3階段的，說明織物中襯紗結構的伸長率遠小于針織結構；第4階段縱向伸長率約為橫向的2倍，說明針織結構縱向的伸長率也大于其橫向；第3階段縱向和橫向伸長率變化值分別為3.85%和2.36%，說明經紗和緯紗均不是同時斷裂的，縱向伸長率變化值約為橫向的1.6倍，說明緯紗斷裂整齊度要好于經紗；第2階段縱向的伸長率與橫向的相差不大，說明襯紗結構縱向伸長率與橫向基本相當；而第1階段縱向的伸長率約為橫向的2倍，說明襯紗結構中經紗的屈曲程度比緯紗的高(如圖4所示).

2.3 拉伸強力分析

從上文分析可知，在多層襯緯CWK織物拉伸過程的第2階段，主要由變形較小的襯紗結構來承擔較高的拉伸負荷，在拉伸過程的第4階段由變形較大的針織結構來承擔中等的拉伸負荷.據此可以分析試樣中各系統紗線在拉伸過程中的強力利用情況.試樣中各系統紗線在拉伸方向分布根數可由各自分布密度和試樣寬度獲得.

圖5所示為多層襯緯CWK織物中襯紗結構和針織結構在拉伸后的變形，據此可確定試樣在拉伸方向分布的針織紗根數：橫向按一個線圈縱行在試樣寬度內沉降弧根數計算，縱向按一個線圈橫列在試樣寬度內圈柱根數計算.圖5中1個1+1羅紋結構單元縱向拉伸為4根(4根圈柱)、橫向拉伸為1根(1根沉降弧+1根針編弧).

圖5 多層襯緯CWK織物拉伸示意圖Fig.5 Diagram of tensile for CWK fabric with multilayer weft insertion

由于芳綸纖維長絲紗在上機編織前都經過絡紗，而絡紗對其拉伸強力有一定影響，故對絡紗后芳綸纖維長絲紗的拉伸強力進行了測定.多層襯緯CWK織物拉伸強力實測值與預測值如表2所示.

表2 多層襯緯CWK織物拉伸強力實測值與預測值比較

由表2可見，多層襯緯CWK織物中橫向和縱向各系統紗線拉伸強力均未充分利用，其實測值與預測值的百分比均在80%以下.其原因有3個方面：(1)編織時各系統紗線與編織機件之間的作用造成強力損傷；(2)織物中各系統紗線均有不同程度的屈曲而影響其強力的利用；(3)在試樣拉伸第3階段，同一系統紗線不是同時斷裂和同時承擔拉伸負荷.

表2中針織結構橫向拉伸強力實測值與預測值的百分比低于縱向拉伸，這是由于拉伸狀態下，在橫向分布針織紗的屈曲高于縱向分布針織紗，即圖5(a)中1+1羅紋線圈的沉降弧從織物一面連接到織物另一面，其屈曲要高于圖5(b)中只在織物表面的圈柱.襯紗結構縱向拉伸強力的實測值與預測值的百分比低于橫向拉伸，這是由經紗的屈曲比緯紗的高所導致的.

在多層襯緯CWK織物受到單軸向拉伸時，該方向的紗線由屈曲狀態被拉直，另一軸向紗線的屈曲程度會相應地變大，但兩個軸向的紗線之間存在很大的擠壓，使得拉伸方向的紗線并不能完全伸直，對拉伸方向紗線的強力利用有較大影響.在襯紗結構被破壞之后，則由針織結構承擔負荷，針織紗的彎曲穿套也影響了其強力的利用，正如表2顯示針織紗在兩個軸向所承擔的負荷均小于其強力預測值.

2.4 破壞過程分析

用高速相機記錄多層襯緯CWK織物試樣拉伸變形過程，結果如圖6所示，各圖中虛線框表示相同大小的視野.由圖6(a)可見，在縱向拉伸過程中，經紗被拉直，交織襯入緯紗彎曲程度增加，針織結構在縱向被拉長，線圈針編弧和沉降弧向圈柱轉移，針織結構在橫向產生收縮，從而使襯紗結構在橫向同步收縮，由針織結構捆綁住的平直襯入緯紗在線圈縱行間逐漸拱起，交織襯入的緯紗逐漸有小的拱起，襯紗的阻礙作用則使針織紗的轉移逐次進行.當經紗被拉斷(9.80 s)后，試樣的橫向收縮和緯紗的拱起加劇，經紗隨針織結構的拉長而發生抽拔；隨著針織紗的轉移，收縮較大部位邊緣的針織線圈開始脫套，松綁襯紗結構的邊緣，經紗和緯紗露出；當邊緣的脫套沿線圈橫列逐漸向中間發展時，針織結構發生脫套破壞，并可見經紗的抽拔.

(a) 縱向拉伸

(b) 橫向拉伸

由圖6(b)可見，在橫向拉伸過程中，交織襯入的緯紗和平直襯入的緯紗均被拉直，經紗彎曲程度增加，針織結構在橫向被拉長，線圈圈柱向沉降弧轉移，針織結構在縱向產生收縮，從而使襯紗結構在縱向同步收縮，經紗逐漸有小的拱起，襯紗的阻礙作用則使針織紗的轉移逐次進行.當緯紗被拉斷(10.02 s)后，試樣在橫向的收縮和經紗的拱起加劇，緯紗隨針織結構的拉長而發生抽拔；隨著針織紗的轉移，收縮較大部位逆編織方向邊緣的針織線圈開始脫套，松綁襯紗結構的邊緣，經紗和緯紗露出；當邊緣的脫套沿線圈縱行逐漸向中間發展時，針織結構發生脫套破壞，并可見緯紗的抽拔.

3 結 論

本文介紹一種新型多層襯緯CWK織物，并探討其拉伸性能，通過試驗分析得到如下結論：

(1) 在拉伸過程中，多層襯緯CWK織物先是較小拉伸負荷作用下襯紗結構和針織結構的整體拉伸，然后是較大拉伸負荷作用下經紗或緯紗的拉直伸長直至襯紗結構被破壞，最后是中等拉伸負荷作用下交替進行的針織紗的伸長和滑移，直到針織結構被破壞；

(2) 在多層襯緯CWK織物中，針織結構的捆綁作用使得襯紗結構中平直襯入的緯紗產生屈曲，屈曲程度和交織襯入的緯紗相當，襯紗對針織結構紗線的轉移起阻礙作用；

(3) 在多層襯緯CWK織物中，平直襯入的緯紗與交織襯入的緯紗、經紗一樣是屈曲的，經紗、緯紗的屈曲及針織紗的彎曲穿套均影響各自紗線強力的利用；

(4) 在拉伸過程中，多層襯緯CWK織物在拉伸方向被逐漸拉長、垂直于拉伸方向逐漸收縮的同時，先是襯紗結構被拉斷破壞，后是襯紗的抽拔和針織結構在線圈橫列或縱行方向發生脫套破壞.

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(責任編輯： 徐惠華)

Tensile Properties of Co-woven-knitted Fabric with Multilayer Weft Insertion

YUANXinlin1，XUYanhua1，WANGNi2

(1. College of Arts， Changzhou University， Changzhou 213164， China；2. College of Textiles， Donghua University， Shanghai 201620， China)

To provide some reference for industrial applications of co-woven-knitted fabric with multilayer weft insertion， aramid fiber filaments were used as insertion and knitting yarn to produce the fabric by different ways of yarn insertion. The axial tensile tests were carried out to investigate tension properties of the fabric. The results show that the fabric is the overall stretching， and then the straightening and stretching of the insertion yarns until tension damage of the yarn insertion structure， and finally the alternate stretching and slipping of knitting yarn until unravel damage of the knitting structural in the process of tensile. The bundle of the knitting structure brings buckling to weft yarn inserted straight into， which is similar to the weft yarn inserted interwoven. The buckling of insertion yarns and intermeshing of knitting yarn affect their strength utilization.

co-woven-knitted fabric with multilayer weft insertion； tensile properties； load； elongation rate； yarn strength； damage process

1671-0444(2017)01-0021-06

2015-08-27

江蘇省高校自然科學研究面上資助項目(13KJB540001)；江蘇省基礎研究計劃(自然科學基金)面上資助項目(BK20151258)；江蘇省“六大人才高峰”資助項目(2015-XCL-033)

袁新林(1971—)，男，江蘇姜堰人，副教授，碩士，研究方向為針織新結構及其復合材料性能.E-mail： xingling-1971@163.com 徐艷華(聯系人)，女，教授，E-mail： xyh@mail.dhu.edu.cn

TS 181.8；TS 186.2

A