工藝參數對聚丙烯單絲經編疝氣修補網片三維成型性能的影響*

江南大學教育部針織技術工程研究中心，江蘇 無錫214122

疝氣發生在人體異常的組織或器官里，是一種由于其位置錯移而引起疼痛的疾病。疝氣主要的治療方法有藥物治療以及腹腔鏡修補和無張力縫補手術，最適合的疝氣治療方法是利用疝氣修補網片(以下簡稱補片)進行無張力縫補手術?，F在我國補片大多依賴進口，價格昂貴。研發出經濟實惠、性能優良的補片不僅可以為我國帶來社會經濟效益，還可以打破國外壟斷，提高我國的疝氣治療水平，因此補片的開發及應用具有巨大的空間[1]。

目前，國內外對于補片的研究多集中于力學性能和臨床應用性能，如邵洪等[2-6]研究了補片的工藝參數對其力學性能的影響，但還沒有研究涉及補片的三維成型性能。補片的成型性能與其臨床應用性能密切相關，它會影響手術的成功與否，在運輸和手術過程中補片會受到不定期的壓力，具有適當的厚度以維持其三維結構狀態對受損部分強有力的支撐是非常重要的。本文選用直徑為120和160 μm的聚丙烯單絲作為補片的原料，設計了2種組織結構，并通過調整上機織造的牽拉密度對2D補片的厚度進行調節，通過熱定型將2D補片壓成3D補片。測試試樣的基本性能和力學性能，比較各補片的成型度，探討影響補片成型性能的因素，以期為后續研制優良的補片提供理論參考，提高其生產設計水平。

1 試驗部分

1.1 試樣制備參數

本文選用聚丙烯單絲為原料，設計了2種組織結構，即雙梳開口經緞組織(組織A為超輕質補片、組織B為輕質補片、組織C為中等補片)以及雙梳經平經絨組織(組織D為厚質補片)，圖1為2種組織結構的CAD模擬圖。

(a) 雙梳開口經緞組織

(b) 雙梳經平經絨組織

每種補片設置不同牽拉密度，選用機號為E28的KS4EL型經編機。4種組織試樣的基本工藝參數見表1。

表1 試樣的組織結構及工藝參數

2D補片編織完成后，按照22.0 cm×15.0 cm矩形大小，每種補片各裁剪30塊用于熱定型，其中3塊備用。設置3個變量：加壓溫度、加壓壓強和加壓時間，每組試驗的熱定型工藝參數見表2。本試驗選用JCHYD型液壓機，圖2為3D熱定型模具及定型后的補片。熱定型后，每種補片選擇10塊進行性能測試。

表2 熱定型工藝參數設計

1.2 試驗方法

1.2.1 補片成型度測試

用直尺分別測試4種聚丙烯單絲經編補片的長、寬、高及最大弧度角，并進行比較。觀察并比較同等光源下4種3D補片的投影。本試驗每種補片均選取成型度最好的一塊進行比較。

1.2.2 補片基本性能測試

所有試樣都在恒溫恒濕環境下調濕24 h后進行測試，測試條件為：溫度20 ℃±2 ℃、濕度65%±2%。

(a) 上模具

(b) 下模具

(c) 定型后的補片

補片厚度測試參考GB/T 3280—1997，采用 YG141D型織物厚度儀，對4種2D和3D補片試樣進行厚度測試。試樣規格為10.0 cm×10.0 cm，壓腳面積約為50 mm2，附加壓力為10 cN/cm2， 加壓時間為10 s。每個3D補片測量5個不同的位置，結果取平均值。

補片面密度測量參考ISO 3801：1997，使用JA2003型電子天平，試樣的質量測試精確到0.001 g，每種補片測試5次，結果取平均值。

補片的橫密為織物橫向1.0 cm內的縱行數，縱密為織物縱向1.0 cm內的橫列數，可以直接用織物顯微鏡和直尺進行目測測量。

補片孔隙大小測量參照ISO 3801：1977，采用VHX-5000型超深三維數字顯微鏡，調整觀測倍率為100倍，選擇軟件中的拼接功能，在X、Y方向上各拍攝3張，完成3 mm×3 mm的面積拼接，測量其孔徑大小。

1.2.3 拉伸斷裂強力測試

參照GB/T 3923.1—1997，采用YG026D型電子織物強力機，對4種2D補片試樣進行拉伸斷裂強力測試。每種2D補片沿經向和緯向裁剪成寬5.0 cm、長25.0 cm的長方形試樣各5條，設置強力機的隔距為100 mm，拉伸速度為100 mm/min，預加張力為2 N。每種試樣橫向、縱向各測試5次，測試結果取平均值。

2 測試結果及分析

熱定型后，目測觀察補片的成型性、邊緣光潔度、成型曲度等，得出結論：4種補片在加壓溫度120 ℃、加壓壓強150 MPa、加壓時間30 s的條件下，所得的聚丙烯單絲經編補片的成型弧度最好，邊緣較光滑。后續分析皆選用此設定條件下壓制的3D補片。

2.1 成型效果對比

對比4種聚丙烯單絲補片，圖2為4種補片的成型圖，表3為4種補片的投影尺寸。

(a) 超輕質3D補片

(b) 輕質3D補片

(c) 中等3D補片

(d) 厚質3D補片

表3 4種3D補片的投影尺寸 (單位：cm)

補片的高度在一定程度上代表了弧度的成型性，高度越大弧度成型性越好。由表3可知，中等補片的成型性最優，超輕質補片的長度與模具尺寸最為接近，中等補片的寬度最為接近模具尺寸。綜上，在與熱定型模具尺寸的匹配度上，中等補片的匹配度最好，且成型最優。由于4種補片都是在同一個模具中壓制的，理論上應該與模具的尺寸一致，但不同的組織結構和牽拉密度均會對補片的成型度產生影響。

2.2 影響補片成型性能的因素

A、B、C、D分別代表超輕質、輕質、中等、厚質補片，字母后帶數字1代表2D補片，2代表經熱定型后的3D補片。圖3為4種補片的孔隙照片，各項測試指標具體數值見表4及表5。

(a) 超輕質2D補片(A1)

(b) 超輕質3D補片(A2)

(c) 輕質2D補片(B1)

(d) 輕質3D補片(B2)

(g) 厚質2D補片(D1)

(h) 厚質3D補片(D2)

表5 3D補片基本性能測試結果

2.2.1 單絲直經

單絲直徑與拉伸斷裂強力和補片的成型性能密切相關。對比試樣A2和C2可以發現，選用的聚丙烯單絲直徑不同，3D補片的拉伸斷裂強力也不同。單絲直徑較大時，3D補片的高度較大，與熱壓成型的模具尺寸更為接近，在同等作用力情況下，補片形變更小，即成型性能更好。其他參數不變時，聚丙烯單絲的直徑越大，單絲的強度越高，其強度利用率越大；同等條件下，3D補片的孔隙隨聚丙烯單絲直徑的增加而減小，在補片發生形變時，紗線可滑移空間減小，補片的成型性能好。

對比試樣A1、 B1、 C1、 A2、 B2、 C2可以發現，加壓熱定型后，3D試樣網孔受到影響，影響的主要因素是纖維直經和織物結構。相同結構時所用的纖維越粗，孔隙越小，加壓熱定型后結構的收縮程度大于被壓后結構的舒展程度，此時試樣的成型性能更好。

2.2.2 組織結構

組織結構對3D補片成型性能有一定的影響。對比試樣B2和D2可以發現，原料相同、牽拉密度相近的條件下，雙梳經平經絨組織試樣的高度大于雙梳開口經緞組織試樣，更接近熱壓成型的模具尺寸，其加熱定型后的結構收縮程度大于舒展程度，3D補片的成型性更好。

在試樣D2中，由于平均延展線較大且同一線圈上串套了2根聚丙烯單絲，增大了結構的強力。此外，與雙梳開口經緞組織試樣相比，雙梳經平經絨組織試樣的厚度、面密度和拉伸斷裂強力均更大，補片孔隙尺寸更小，紗線不易滑移，試樣不容易發生形變，其成型性能較為優良。

2.2.3 牽拉密度

試樣編織時的牽拉密度與補片的成型性能密切相關。對比試樣B2和C2可知，同等條件下，牽拉密度越大，試樣高度越接近熱定型模具尺寸，即試樣的成型性能更好。

對比試樣B1和C1可以發現，同一種組織結構的補片厚度隨著牽拉密度的增大而增大；同等條件下，機上的牽引力越小，牽拉密度越大，縱密越大，單位面積中的單絲就越多，孔隙越小，紗線不易滑移，試樣不容易發生形變，拉伸斷裂強力更大，其成型性能也更好。

此外，分析試樣A1、B1、C1、D1可知，試樣面密度與纖維直經、組織結構、牽拉密度都有關。同等條件下纖維直經越大，面密度越大；組織結構相近時，縱密越大，面密度越大，試樣的成型性能越好。

3 結論

以聚丙烯單絲為原料研究經編補片的設計與性能，探討補片的成型性能與原料、組織結構及牽拉密度的關系，得到如下結論：

(1) 聚丙烯單絲的直徑與補片的拉伸斷裂強力及成型性能密切相關。

(2) 組織結構對補片的成型性能有一定的影響。同等條件下，雙梳經平經絨組織補片較雙梳開口經緞組織補片加熱定型后的收縮程度大于被壓后結構的舒展程度，雙梳經平經絨組織3D補片的高度更大，與模具尺寸更為接近，成型性能更好。

(3) 編織時的牽拉密度與補片的成型性能密切相關。同等條件下，試樣的厚度隨牽拉密度的增大而增大，此時面密度增大，試樣拉伸斷裂強力增大，孔隙變小，紗線不易滑移，試樣高度更接近熱定型模具尺寸，試樣的成型性能較好。