緯編間隔織物/聚氨酯基復(fù)合材料的制備與性能研究

胡雪麗，龍海如,*

(1.東華大學(xué) 產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海 201620；2.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620)

緯編間隔織物/聚氨酯基復(fù)合材料的制備與性能研究

胡雪麗1,2，龍海如1,2,*

(1.東華大學(xué) 產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海 201620；2.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620)

采用低彈滌綸絲與錦包氨紗線為表面紗，滌綸單絲為間隔紗，在機(jī)號E12的電腦橫機(jī)上編織了5種不同表面結(jié)構(gòu)的緯編間隔織物，熱定型之后與聚氨酯泡沫復(fù)合得到緯編間隔織物/聚氨酯基復(fù)合材料試樣。對他們的硬度和彈性進(jìn)行了測試，并通過計(jì)算和剖開其截面觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較試樣的孔隙率。結(jié)果顯示：織物表面結(jié)構(gòu)不影響復(fù)合材料的彈性，但硬度會隨著間隔絲密度的增大而增大；織物表面孔洞越大，復(fù)合材料的孔隙率越小。

緯編間隔織物；聚氨酯基復(fù)合材料；孔隙率；彈性；硬度

間隔織物是一種具有三維立體結(jié)構(gòu)的紡織品，由上下兩個表面層和中間層組成，一般使用經(jīng)編和緯編兩種方法[1]。經(jīng)編間隔織物的加工需要整經(jīng)，流程較長，適合大批量生產(chǎn)，而緯編間隔織物品種變化快，通過選針機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)花型的多樣化[2]。使用具有電子選針裝置的雙針床電腦橫機(jī)編織緯編間隔織物，操作便捷，可直接在制版軟件上繪制理想的花型圖，智能快速[3]。

近年來，不少學(xué)者研究了緯編間隔織物，發(fā)現(xiàn)其擁有優(yōu)良的透氣、抗壓縮、隔音和減震等性能[4-5]。但是當(dāng)其上下表面受到壓縮載荷時，易發(fā)生剪切變形，間隔絲經(jīng)過多次壓縮之后會出現(xiàn)失穩(wěn)倒伏現(xiàn)象，緩沖性能減弱。聚氨酯泡沫以其良好的彈性、韌性和緩沖性被廣泛運(yùn)用于墊類材料，如汽車坐墊等[6]，美中不足的是它的強(qiáng)力較差，不耐壓縮。故將緯編間隔織物與聚氨酯泡沫結(jié)合起來制成一種新型的復(fù)合材料，使其既具有優(yōu)異的彈性，又有抗壓縮的高強(qiáng)力，成為專家學(xué)者研究的熱點(diǎn)。目前為止，已有人研究了經(jīng)編間隔織物、機(jī)織間隔織物增強(qiáng)聚氨酯基復(fù)合材料[7-8]，但對于將緯編間隔織物用于這種復(fù)合材料的增強(qiáng)體卻鮮有提及。本文設(shè)計(jì)了5種不同表面結(jié)構(gòu)的緯編間隔織物，旨在探討出一種更利于聚氨酯泡沫灌入的織物結(jié)構(gòu)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料與儀器

試驗(yàn)所需的5種緯編間隔織物均在江蘇金龍科技股份有限公司的機(jī)號E12雙針床電腦橫機(jī)上編織，為了使間隔效果更好，織物的表面層采用了彈性不同的2根紗線以添紗方式編織，低彈性的167 dtex/96 f滌綸復(fù)絲作為面紗，高彈性的44 dtex錦綸/33 dtex氨綸包覆紗作為地紗。間隔絲太粗，表層紗彈力不夠，無法通過橫向收縮將其拉直，則間隔效果變差；反之，間隔絲太細(xì)，抗彎剛度小，則無法承受較大的壓縮載荷，綜合考慮，本次試驗(yàn)選用了0.12 mm的滌綸單絲作為間隔絲。

1.2 編織方法

這5種緯編間隔織物的表層結(jié)構(gòu)分別為致密、集圈、單面小孔、雙面小孔和雙面大孔。圖1所示為表層致密的緯編間隔織物編織方法，機(jī)頭往復(fù)8次即8行形成一個完全組織，之后重復(fù)此動作，編織適宜長度的織物。第1、2行采用167 dtex/96 f低彈滌綸復(fù)絲和44 dtex錦綸/33 dtex氨綸包覆紗以添紗的方式編織織物的上下表面層，并重復(fù)此動作一次，第3、4、5、6行采用0.12 mm的滌綸單絲編織間隔層，使上下兩個表面連接起來。圖2所示為表層有集圈組織的緯編間隔織物編織方法，一個完全組織由16行組成，第1、2行前后針床在平針編織的基礎(chǔ)上每隔4針集圈一次，共編織2次，形成單針雙列集圈結(jié)構(gòu)，第3、4、5、6行與圖1間隔層的編織方法相同，第7、8行與第1、2行的編織規(guī)律類似，不同點(diǎn)在于集圈位置，第9、10、11、12行重復(fù)第3、4、5、6行的動作。由于集圈中未封閉的懸弧力圖伸直，將部分紗段轉(zhuǎn)移到相鄰線圈上，故可在集圈處形成凹凸不平的網(wǎng)眼。

對于單面小孔、雙面小孔和雙面大孔這3種不同表面結(jié)構(gòu)的緯編間隔織物而言，其編織原理類似，都是采用移圈的方式。以單面小孔緯編間隔織物的編織方法為例：前針床選中的織針需借助對應(yīng)后針床的空針轉(zhuǎn)移線圈，后針床橫移2針后，再將線圈翻回至前針床，這樣前針床被轉(zhuǎn)移線圈處就會呈現(xiàn)孔洞效應(yīng)，無孔一面在平針編織的基礎(chǔ)上一隔一成圈；間隔層的編織方法與前述一致，但須注意的是要在后針床非空針處集圈，否則會出現(xiàn)掛針問題。雙面小孔緯編間隔織物的編織法參照單面小孔緯編間隔織物，前針床線圈借助后針床空位移2針，緊接著后針床線圈借助前針床空位移一針。雙面大孔緯編間隔織物的編織方法是基于雙面小孔緯編間隔織物的，前后針床順次將選中的相鄰2枚針上的線圈分別向兩邊移2針，這樣空針處重新起針時，新線圈呈現(xiàn)類似集圈的狀態(tài)，形成大的孔眼，間隔層的編織類似前述，但集圈連接距離較雙面小孔緯編間隔織物多一針，織物厚度較厚。

圖1 表層為致密結(jié)構(gòu)的緯編間隔織物編織圖

圖2 表層有集圈組織的緯編間隔織物編織圖

1.3 編織工藝

本次試驗(yàn)所需的5種緯編間隔織物的線圈大小通過調(diào)整度目值控制，為了使織物表面平整，致密、集圈、單面小孔、雙面小孔和雙面大孔表面結(jié)構(gòu)的緯編間隔織物上下層的度目值分別為75/75、80/80、90/75、90/90、95/95。經(jīng)多次調(diào)試發(fā)現(xiàn)，間隔層的度目值均取50較適宜，度目值太大，集圈松散易脫針；度目值太小，集圈會緊繃斷裂，甚至損傷織針。

由于織物上下表面層添入了錦包氨彈性紗，坯布下機(jī)后表層線圈會明顯收縮，造成閉孔現(xiàn)象，不利于聚氨酯泡沫的灌入，故需在一定張力下熱定型處理(溫度160 ℃，時間2 min)，再置于恒溫恒濕室24 h，處理后的織物實(shí)物圖和結(jié)構(gòu)參數(shù)分別如圖3和表1所示。

圖3中A、B、C、D、E、F分別對應(yīng)于表層致密、集圈、單面有孔正側(cè)、雙面小孔反側(cè)、雙面大孔和緯編間隔織物間隔層的實(shí)物圖，從圖中可以看出，孔隙大小順序?yàn)椋篍>D>C>B>A。表1中的A、B、C、D、E依次代表這5種不同表面結(jié)構(gòu)的織物。

A B

C D

E F圖3 不同表面結(jié)構(gòu)的緯編間隔織物實(shí)物圖

1.4 緯編間隔織物增強(qiáng)聚氨酯基復(fù)合材料的制備

本次試驗(yàn)選取一步法發(fā)泡，試驗(yàn)前將所有織物都裁成9.7 cm×19.8 cm的尺寸。先配制一定比例的多元醇、去離子水、催化劑等，混合后充分?jǐn)嚢枳鳛锳料，以異氰酸酯作為B料。將10 cm×20 cm模具溫度升高至50 ℃后涂上脫模劑,稱取一定量的A料，計(jì)算B料所需量，并將適宜質(zhì)量的B料加入A料中攪拌6 s左右迅速倒入模具里面，蓋上織物后合模，待20 min后即可脫模取出復(fù)合材料，修去邊界多余泡沫。為了使制備的復(fù)合材料性能更穩(wěn)定，需將其置于恒溫恒濕室72 h后再進(jìn)行測試。

1.5 復(fù)合材料性能測試

使用Asker C硬度計(jì)和垂直彈性試驗(yàn)機(jī)分別對復(fù)合材料的硬度和回彈性進(jìn)行測試，硬度測試參照標(biāo)準(zhǔn)DIN 53505《橡膠試驗(yàn)，肖氏(Shore)A和D硬度試驗(yàn)》，彈性測試參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T6670-2008《軟質(zhì)泡沫聚合材料落球法回彈性能的測定》，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 緯編間隔織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 復(fù)合材料的性能參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合材料的彈性和硬度

從表2可以看出，當(dāng)聚氨酯泡沫的密度相近時，這5種緯編間隔織物增強(qiáng)聚氨酯基復(fù)合材料的彈性幾乎相同，硬度稍有差異，大小順序?yàn)椋篊(單面小孔)>D(雙面小孔)>A(致密結(jié)構(gòu))>B(集圈結(jié)構(gòu))>E(雙面大孔)。由此可以看出，織物結(jié)構(gòu)不影響復(fù)合材料的彈性，但是硬度會隨著間隔絲密度的增大而增大。

2.2 復(fù)合材料孔隙率

為了表征這5種復(fù)合材料中聚氨酯泡沫的填充情況，本試驗(yàn)選用了實(shí)物拍照和計(jì)算2種方法。k表示復(fù)合材料的孔隙率，可通過如下公式計(jì)算：

(1)

(2)

式中:ρ為復(fù)合材料的密度，g/cm-3；mi為第i種組分的質(zhì)量，g；M為復(fù)合材料總質(zhì)量，g；ci為第i種組分所占的比例。

計(jì)算后得到5種復(fù)合材料的孔隙率如表2所示，大小順序?yàn)椋篈>B>C>D>E。織物E的間隔絲密度最小，表面孔洞最大，內(nèi)部空隙較多，故有利于聚氨酯泡沫的填充。織物A的間隔絲密度較大，而且表面無孔隙，聚氨酯難以穿透表層進(jìn)入，故填充效果差。相對于織物B而言，織物C和D的間隔絲密度雖然大，但是表層呈現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)，方便聚氨酯泡沫的進(jìn)入。由此可見，緯編間隔織物表層孔隙的大小是決定聚氨酯泡沫能否灌入的關(guān)鍵因素，孔隙越大，織物填充效果越好。

圖4為緯編間隔織物增強(qiáng)聚氨酯基復(fù)合材料的實(shí)物圖。從圖中可以看出，織物A和B內(nèi)部未被聚氨酯泡沫完全填充，表層也幾乎沒有與聚氨酯泡沫復(fù)合在一起，但B的填充效果比A稍好一點(diǎn)，因?yàn)榭椢顱的表面為集圈結(jié)構(gòu)，雖然在錦包氨彈性紗的作用下孔隙會有收縮，但相對A而言疏松一點(diǎn)。織物C、D、E內(nèi)部的填充效果較好，不足的是表面尚有局部區(qū)域未被完全填充，其中織物C表面未被填充的面積最大，原因在于它的表面只有一側(cè)有孔，另一側(cè)是無孔的。

A B

C D

E 圖4 復(fù)合材料的實(shí)物圖

3 結(jié)論

改變緯編間隔織物的表面結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)與聚氨酯泡沫的復(fù)合，織物表面孔隙越大，間隔絲密度越小，越利于聚氨酯泡沫的填充。經(jīng)測試后發(fā)現(xiàn)，聚氨酯泡沫密度相同時，5種復(fù)合材料的彈性幾乎一致，但是硬度會隨著間隔絲密度的增大而增大。

試驗(yàn)過程中，為了選取適宜密度的聚氨酯泡沫，多次調(diào)整A、B料的比例后發(fā)現(xiàn)泡沫密度較大時，有利于改善織物的填充效果，但是密度過大，得到的復(fù)合材料硬度也大，實(shí)用性變差。

[1] LIU Y, HU H. Compressive mechanics of warp-knitted spacer fabrics. Part I: a constitutive model[J].Textile Research Journal,2016, 86(1):3-12.

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PreparationandPropertiesofWeft-knittedSpacerFabricandPolyurethaneMatrixComposites

HU Xue-li1,2, LONG Hai-ru1,2,*

(1.Engineering Research Center of Technical Textiles, Ministry of Education，Donghua University, Shanghai 201620, China;2.College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China)

With low-elastic polyester filament and nylon covered spandex yarn as outer layer yarns, polyester monofilament as spacer yarns, five kinds of weft-knitted spacer fabrics with different surface structures were prepared on a computerized flat knitting machine of gauge E12. The fabric and polyurethane foam were compounded to obtain weft-knitted spacer fabric and polyurethane matrix composite material samples after heat setting. Hardness and resilience of composites were tested, and the porosity of the sample was compared by calculating and dividing the cross-sectional to observe the internal structure. The results showed that the surface structure of the fabric didn't affect the elasticity of the composite material, but the hardness increased with the increase of the density of the spacer. Besides, the porosities of the composites reduced with the increase of pores of the outer layers.

weft-knitted spacer fabrics; polyurethane matrix composites; porosities; resilience; hardness

TS187

A

1673-0356(2017)10-0020-04

2017-08-13

胡雪麗(1992-)，女，碩士研究生，研究方向：針織復(fù)合材料，E-mail:1610560042@qq.com。

*通信作者：龍海如，男，教授，E-mail:hrlong@dhu.edu.cn。