緯平棉針織物雙向拉伸線圈形態分析

尉騰祥, 李 敏 ， 彭虹云， 付少海

(1. 江蘇省紡織品數字噴墨印花工程技術研究中心， 江蘇 無錫 214122； 2. 生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122)

針織物具有延伸性高,初始模量低，彈性回復性能好和手感松軟等特性，常被作為運動服、休閑服、內衣及手套襪類的重要面料。絲光是棉織物前處理過程的重要步驟，通過施加張力和濃堿液處理改變紗線的微觀結構，可大幅提高其尺寸穩定性、吸收性能、舒適性和力學性能[1-2]。在絲光或其他工序加工過程中，張力是線圈變形和外部響應行為的決定性因素。針織物拉伸變形是拉伸、剪切、彎曲和壓縮等多種力作用的復合。纖維剪切、滑動和彎曲3種變形模式，均表現出多尺度行為[3]。平面拉伸是針織物最基本的變形方式。雙向拉伸是指拉伸同時在2個相互垂直的方向上進行；或者織物只在1個方向上拉伸，在與拉伸成垂直的方向上織物的尺寸不變，單向拉伸可認為是雙向拉伸的特例[4]。然而，由于針織物是由線圈組成，在受力條件下線圈形態會發生變化，從而引起性能的改變。

目前針織物線圈形變方面的研究主要集中在2個方面。一是建立幾何模型來描述松散狀態下針織物線圈結構。最初Peirce等[5]假設織物線圈由圓弧和直線構成，并且線圈具有恒定的圓形橫截面；在這個假設的前提下，Munden等[6]進行深入研究，認為織物尺寸主要由線圈長度決定，引入了與結構參數有關的方程來確定不同松弛狀態下針織物的尺寸穩定性；在此基礎上，Mozafary等[7]提出線圈形狀的新型網絡模型，建立了針織物的三維模型，用來描述針織物的線圈結構。二是研究針織物拉伸變形機制，建立力學模型來模擬織物的拉伸變形。為了解針織物拉伸變形的過程，Duhovic等[8]通過對織物實際加工過程的模擬，分析了織物在加工過程中所產生的力對線圈幾何形狀的影響；在了解力的變化對線圈形狀的影響后，Dusserre等[9]基于梁理論提出了耦合半解析模型來預測平針織物復合材料的拉伸變形和彈性性能。雖然力學模型可以預測針織物的拉伸變形，但是對線圈在拉伸變形過程的變化沒有探究，線圈結構參數的變化會影響織物的性能，因此對針織物線圈變化的研究十分必要。

針對上述問題，本文以最常見的橫向延伸性大、易變形和脫散的緯平棉針織物為研究對象，探究在不同拉伸張力條件下針織物結構參數(包括圈高、圈距、形態系數、剪切角等)的變化規律，為后續研究絲光過程對緯平針織物線圈形態的影響提供參照。

1 實驗部分

1.1 材料與設備

織物采用市售漂白單面棉針織物，其中圈距為0.7 mm、圈高為0.5 mm、線圈長度為0.72 mm、紗線有效直徑為0.18 mm。實驗絲光架(自制)。

1.2 實驗方法

將20 cm×20 cm的漂白單面棉針織物固定在絲光架上，在其中心區域劃出14 cm×14 cm的區域，將針織物分為由不同節點組成7 mm×7mm的方形單元，以方形單元作為研究對象，如圖1所示。織物在雙向拉伸時所受張力的大小用擴幅表示，分別將針織物雙向擴幅5%、10%、15%后，繪制位移向量場。

圖1 實驗絲光架Fig.1 Experimental mercerizing device

1.3 性能測試

測量節點處線圈的圈距、圈高、形態系數、剪切角和節點的位移向量，每個單元測量10次，計算平均值。位移比的計算如式為

式中：p為位移比，%；L0為織物拉伸前長度，m；L1為織物拉伸后長度，m。

剪切角是指織物單元受力后與拉伸方向成的夾角，剪切角α示意圖如圖2所示。用萬能量角器測量角α的大小，每個角度測量10次取平均值，即為線圈的剪切角。

圖2 剪切角示意圖Fig.2 Diagram of shear angle. (a) Before stretching;(b) After stretching

2 結果與討論

2.1 向量場與位移場

圖3(a)示出不同擴幅條件下針織物的節點向量場。向量的起點和終點分別表示節點初始和變化后的位置，箭頭的方向表示節點的位移方向。結果表明：針織物整體變形沿軸向對稱，對稱中心附近的節點主要以單向位移為主，與對稱軸平行節點伴隨微小位移；在織物邊緣，應力的集中限制了線圈單元的自由運動，使線圈單元發生歪斜等大變形行為。在不同擴幅條件下，各節點的位移大小與方向不同，使得織物不同區域呈現不同的變形。由于載荷沿平面傳遞，節點的位移向量表現出不同的大小和方向[10]。

圖3 不同擴幅條件下織物的節點向量場和位移場Fig.3 Nodal vector field (a) and displacement field (b) of fabric at different tension conditions

圖3(b)示出不同擴幅條件下針織物的節點位移場。研究發現，在節點位移場中出現位移比小于50%的區域。在橢圓區域內節點的位移較小；隨著擴幅的增加，織物邊緣區域節點的位移變大，橢圓面積由占整個織物的39.48%降低到17.36%。該結論表明，隨著擴幅的增加，拉伸織物的小位移節點變少。

圖4 中心線上織物單元橫縱向的圈距和圈高Fig.4 Coil spacing and height in horizontal and vertical direction of unit on center line. (a) Horizontal coil spaing;(b) Horizontal coil height; (c) Vertical coil spacing; (d) Vertical coil height

2.2 圈距和圈高

圈距和圈高直接關系到橫向和縱向的密度，是決定織物尺寸穩定性的重要因素[9]。圖4示出橫向和縱向中心線上織物單元的圈距和圈高。

研究發現，圈距和圈高的變化符合拋物線的變化規律，擬合方程和擬合度R2如表1所示，R2均在0.95以上。由圖4可知：與未拉伸織物的圈距和圈高相比，經過拉伸的織物中心線圈距和圈高均增加，且越靠近中心點，中心線上織物單元的圈距和圈高越接近未拉伸織物的圈距和圈高；但橫向中心線上單元的圈距與縱向中心線上單元的圈高變化幅度較大，這是因為結構單元的初始取向和在橫縱方向上線圈的變化能力不同造成橫向圈距和縱向圈高受力變化明顯[10]。

表1 圈距和圈高的擬合方程Tab.1 Fitting equation of coil spacing and coil height

2.3 形態系數

形態系數由圈高和圈距的比值表示，通?？椢锸芰ψ冃螘r織物圈高和圈距會隨之發生變化，因此采用形態系數可以較好地描述針織物的變形特點[8]。圖5示出織物中心線上單元的形態系數。由圖可知，未拉伸織物的各單元處形態系數為0.71，經過雙向拉伸后中心線上各單元的形態系數均變大。在橫向中心線上，越靠近中心點單元的形態系數越大，越靠近邊緣形態系數越??；而在縱向中心線上，越靠近中心點單元的形態系數越小，越靠近邊緣形態系數越大，并且隨著拉伸張力的增加，中心點單元所在的形態系數變化越大。當擴幅達到15%時，縱向中心線上的形態系數變化較小。

圖5 橫向和縱向中心線上各單元的形態系數Fig.5 Shape coefficient of each unit on center line in horizontal (a) and vertical (b) direction

圖6示出織物所有單元的形態系數。由圖可知，沿拉伸方向，織物各節點處的形態系數呈梯度對稱分布。在橫向方向上，越靠近中心點單元的形態系數越大，越靠近邊緣形態系數越??；而在縱向方向上，越靠近中心點單元的形態系數值越小，越靠近邊緣形態系數越大。隨著擴幅的增加，中心區域線圈的形變增加(如圖6中紅色和黃色部分)。

2.4 剪切角

圖7示出織物不同單元處剪切角的分布。剪切角越小，表明織物單元受力不均衡；剪切角越大，表明織物單元受力比較均衡。

圖6 不同擴幅條件下織物所有單元的形態系數Fig.6 Shape coefficient of all units in fabric with different tension conditions

圖7 不同擴幅條件下織物所有單元的剪切角Fig.7 Shear angle of all units in fabric with different tension conditions

由圖7可知，從織物中心區域到邊緣區域，織物剪切角分層明顯，存在明顯的遞變規律，織物的大剪切行為易發生在織物邊緣區域。在織物中心區域，剪切角較大，這是因為織物受力比較均衡；在織物邊緣區域，剪切角較小，這是因為織物受力不均衡。隨著擴幅的增大，織物中心區域剪切角變小(由89.20°減小到88.65°)，但是區域面積變大；織物邊緣區域剪切角變小(由87.95°減小到86.80°)，區域面積變小。研究表明，隨著擴幅的增大，織物的最大剪切角變小，并且所有剪切角減小的趨勢變緩。

3 結 論

本文研究了在雙向拉伸條件下絲光前緯平棉針織物單元的線圈結構變化，以及織物在不同張力條件下織物單元的位移向量、圈距、圈高、形態系數和剪切角的變化規律。研究發現：在雙向拉伸的條件下，緯平棉針織物的向量位移場呈對稱分布，在x軸和y軸附近主要發生平行于對稱軸的單向位移，隨著拉伸張力的增加，織物的位移變大，方向發生變化，橢圓面積由占整個織物的39.48%降低到17.36%；圈距和圈高的變化符合拋物線的變化趨勢，擬合度在0.95以上；形態系數呈梯度分布，織物單元存在周期性變化；從織物邊緣到織物中心，剪切角存在明顯的遞變規律，隨著擴幅的增加，中心區域的面積減小，剪切角的變化趨勢變緩。這些研究為以后探究雙向拉伸絲光棉針織物線圈變化做了前期的探索，為構建針織物受力變化模型的奠定了基礎。

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