高含量碳纖維三維織物的織造技術(shù)探究*

譚冬宜 汪澤幸 王 坤 何 斌

湖南工程學院紡織服裝學院，湖南 湘潭 411104

與普通織物相比，三維織物具有厚度厚、剛度大、整體成形且經(jīng)緯向截面可設計等優(yōu)點，且在層間性能和沖擊損傷容限等方面具有顯著的優(yōu)勢。碳纖維作為高性能纖維的典型代表，高強、高模、輕質(zhì)，是高端裝備輕量化的首選材料[1]。其不僅具有碳材料固有的本征特性，還兼?zhèn)浼徔椑w維柔軟的可加工性，是新一代增強型纖維。如今，利用碳纖維三維織物作為基材的復合材料受到了越來越多的重視。但碳纖維屬脆性材料，斷裂伸長率小，可織性較低，其在復雜預制件的織造過程中易產(chǎn)生磨損斷裂和毛羽量增加，導致織物及復合材料性能受影響。目前，有關(guān)碳纖維織造性能的改善方法主要有：包纏法，即在碳纖維復絲外包覆滌綸長絲以改善碳纖維復絲上機織造性能，但滌綸的添加影響了復合材料中碳纖維的含量[2]；包芯紗法，成本較高[3]；加捻法，即對碳纖維進行適當?shù)募幽?，增加纖維的抱合度，碳纖維脆斷現(xiàn)象有所改善，但沒有得到徹底解決[4]；等等。本文將以碳纖維為原料，通過對碳纖維表面上漿改善其上機可織性，并設計、織制了7層層間正交碳纖維三維織物。

1 碳纖維上漿

碳纖維屬脆性材料，伸長變形能力小，其作為經(jīng)紗進行上機織造時易因反復受拉伸、摩擦、彎曲等作用而產(chǎn)生毛羽、斷裂等現(xiàn)象，嚴重影響碳纖維的可織性。上漿處理可以在碳纖維表面形成保護層，防止碳纖維在生產(chǎn)及后續(xù)加工過程中產(chǎn)生毛絲，減少碳纖維之間的摩擦，起到集束和保護纖維表面的作用，提升碳纖維的使用性能[5]。

本文采用日本東麗生產(chǎn)的T300B型3K碳纖維作為原料，線密度為201 tex。碳纖維上漿采用的主漿料為雙酚A型水性環(huán)氧樹脂漿料(固含量為52%)，助劑為親水性有機硅平滑劑(固含量為99%)。設計漿液體積分數(shù)C為8%，主漿料與助劑體積比為9∶1，蒸餾水體積V水為1 000 mL，根據(jù)下式[6]可計算出主漿料體積為144 mL，助劑體積為16 mL。

式中：Vm——主漿料體積，mL；

Wm——主漿液固含量；

Vn——助劑體積，mL；

Wn——助劑固含量。

上漿采用的主設備為GA392型單紗上漿機，其結(jié)構(gòu)主要包括供漿系統(tǒng)、上漿系統(tǒng)、烘干系統(tǒng)、成筒系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)及電子計長計速裝置。碳纖維復絲以單紗的形式輸入上漿機，經(jīng)自動上漿、烘干(烘燥溫度為100 ℃)并卷繞成可滿足后道工序生產(chǎn)的筒子紗，靜置24 h后方可進行上機織造。

2 碳纖維三維織物的結(jié)構(gòu)設計

設計的7層層間正交碳纖維三維織物經(jīng)向截面結(jié)構(gòu)如圖1所示，組織循環(huán)經(jīng)紗根數(shù)為12(編號1、2、…、12)，組織循環(huán)緯紗根數(shù)為14(編號a、b、…、n)。6根彎曲的接結(jié)經(jīng)紗跨越1列緯紗，另外6根筆直的經(jīng)紗將緯紗分成7層。從圖1可看出經(jīng)、緯紗的交織規(guī)律，如對于緯紗a而言，經(jīng)紗1在其上方，即構(gòu)成經(jīng)組織點，其余經(jīng)紗均構(gòu)成緯組織點。所對應的組織圖如圖2所示。

圖1 7層層間正交碳纖維三維織物經(jīng)向截面結(jié)構(gòu)

圖2 7層層間正交碳纖維三維織物組織圖

3 織造及結(jié)果

為得到碳纖維含量較高的織物復合材料預制件，經(jīng)緯紗均采用碳纖維復絲。其中，經(jīng)紗進行了上漿處理，碳纖維的集束性得到改善；緯紗亦采用了上漿處理，避免了緯紗在折幅處易脆斷?？椩煸O備采用半自動多臂電子織機，筘號為110筘/(10 cm)。由于碳纖維復絲較粗且無捻，因此采用1入穿筘法。穿綜方式為順穿，故其紋板圖與組織圖相同。此外，為避免織造對碳纖維復絲造成損傷，在滿足梭口開清的前提下，上機張力宜盡量小，打緯力不宜太大。試織所得碳纖維三維織物如圖3所示，并與經(jīng)緯紗未上漿處理的碳纖維三維織物進行了對比，可以看出前者織物表面比較光潔，且測量發(fā)現(xiàn)織物厚度約為2.3 mm，而后者織物表面存在嚴重的起毛現(xiàn)象。

圖3 試織所得碳纖維三維織物

4 結(jié)論

為滿足碳纖維織物復合材料對碳纖維高含量的要求，本文探究了一種高含量碳纖維三維織物的織造方法。通過對碳纖維復絲進行織前上漿處理，既改善了經(jīng)紗表面易起毛現(xiàn)象，又改善了緯紗織造時折幅處易脆斷的狀況，再結(jié)合較小的上機張力和打緯力，可制得表面比較光潔碳纖維三維織物。