經(jīng)向T結(jié)構(gòu)預制體成型關(guān)鍵技術(shù)

魏小玲， 李瑞雪， 秦 卓， 胡新榮， 林富生， 劉泠杉， 龔小舟

(1. 武漢紡織大學 紡織科學與工程學院， 湖北 武漢 430200； 2. 湖北省服裝信息化工程技術(shù)研究中心, 湖北 武漢 430200； 3. 三維紡織湖北省工程研究中心， 湖北 武漢 430200)

紡織結(jié)構(gòu)的復合材料具有高比強度、高比剛度和耐疲勞性以及耐腐蝕性等性能[1-2]。傳統(tǒng)的由二維織物構(gòu)件制成的層合板復合材料，在外力達到或超過其極限強度時，極易發(fā)生層間界面破壞的情況[3]。利用三維紡織技術(shù)織造三維異型結(jié)構(gòu)的機織物作為復合材料增強體[4]，由于織物本身在厚度方向上的紗線增強，以及接結(jié)紗的存在使織物“層”與“層”連結(jié)，將多層排列的經(jīng)、緯紗連結(jié)成相互綁定的整體結(jié)構(gòu)，使織造的三維機織物預制體整體性大大提高，層間剝離現(xiàn)象不易發(fā)生。而且制備三維整體機織物復合材料，不僅降低了復合材料制造成本，而且具有高耐損傷容限和高抗彎剛度等優(yōu)異的力學性能[5-6]。

近幾年來，由于三維紡織品在各領(lǐng)域的廣泛應用，使得各種立體異型結(jié)構(gòu)的研究逐漸增多。朱紅等[7]采用緯向正交結(jié)構(gòu)，研究織造了T 型+柱體內(nèi)置紗線的立體混合造型, 設(shè)計出緯紗路徑的交叉T型三維機織物，但這種方法的上機織造工藝比較繁瑣復雜。陳思霞等[8]以角聯(lián)鎖組織為基礎(chǔ)，設(shè)計了結(jié)構(gòu)為T型、工字型及緯向回型的3種典型的三維異型件，但未說明在普通織機上的可織性。張雪飛等[9]設(shè)計了一種模擬汽車腳踏板的整體織造的紡織異型結(jié)構(gòu)件，并設(shè)計出了帶孔管緯向T字型三維機織物的經(jīng)向截面圖及上機圖，在普通小樣織機上進行了試織，但這種方法受到織機綜框的限制，只能織造小尺寸的織物。呂麗華等[10]研究了不同梁高的T字型三維機織物復合材料的力學性能，但對織造工藝未進行詳細說明。

本文通過設(shè)計織造由經(jīng)紗綁定T字型立體結(jié)構(gòu)的整體機織物，計算了T型截面不同區(qū)域內(nèi)紗線層數(shù)以及所用的紗線數(shù)，設(shè)計經(jīng)、緯紗線排列分布規(guī)律，同時對三維機織物結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化改進以及對織物的織造工藝進行了改善。討論了相同運動規(guī)律的接結(jié)紗跨越的緯紗列數(shù)對織物梁高的影響。通過經(jīng)紗實現(xiàn)織物“層”與“層”的接結(jié)，織造連續(xù)的T結(jié)構(gòu)三維機織物預制體，以期為后續(xù)織造其他異型結(jié)構(gòu)預制體提供參考。

1 T字型三維機織物結(jié)構(gòu)設(shè)計與織造

1.1 織物尺寸參數(shù)設(shè)計

圖1 T結(jié)構(gòu)機織物經(jīng)向截面圖Fig.1 Warp section of T-structure woven fabric

1.2 基本組織結(jié)構(gòu)選擇

本文實驗采用正交結(jié)構(gòu)作為基本組織，如圖2所示。選取其中一個截面，其經(jīng)緯走向如圖3(a)所示。圖中圓圈表示緯紗；數(shù)字①,②,…,⑧表示緯紗數(shù)；曲線1，5表示接結(jié)經(jīng)紗;直線2，3，4則表示襯墊經(jīng)紗。根據(jù)經(jīng)、緯紗的交織規(guī)律，畫出其結(jié)構(gòu)組織圖，如圖3(b)所示，橫行的數(shù)字對應圖3(a)中的經(jīng)紗，豎列的數(shù)字對應緯紗。采用圖2中的結(jié)構(gòu)作為基本組織，織造經(jīng)紗接結(jié)的T字型結(jié)構(gòu)三維機織物。

圖2 正交結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of orthogonal structure

圖3 正交結(jié)構(gòu)截面圖Fig.3 Cross section of orthogonal structure. (a)Warp and weft direction chart； (b)Weave diagram

1.3 織物結(jié)構(gòu)設(shè)計與織造

根據(jù)圖1所示的織物經(jīng)向截面圖，本文實驗要求梁高H1與底面厚度H2尺寸相等,設(shè)計T結(jié)構(gòu)織物的經(jīng)向組織循環(huán)圖,如圖4所示。從理論計算可得到，A區(qū)域的織物層數(shù)應是B區(qū)域的織物層數(shù)的2倍，然后根據(jù)總經(jīng)紗數(shù)計算每個區(qū)的經(jīng)紗根數(shù)，穿綜時A區(qū)域經(jīng)紗為330根，B區(qū)域為165根。穿綜采用順穿法，筘號選用40；投緯時10根棉紗并捻投1緯；接結(jié)經(jīng)紗沿襯墊經(jīng)紗方向引入。由此織造出的織物T字型橫梁會出現(xiàn)跨越整個B區(qū)域的浮長線，實物圖如圖5所示。

圖4 帶浮長線的織物經(jīng)、緯紗走向組織循環(huán)圖Fig.4 Warp and weft direction weave cycle diagram of fabric with floating yarn

圖5 實物圖Fig.5 Physical image

2 T結(jié)構(gòu)三維織物優(yōu)化設(shè)計及工藝改進

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

若織物中襯墊經(jīng)紗層數(shù)(Nw)與緯紗層數(shù)(Nf)之間的關(guān)系為

Nw=Nf-1

(1)

RA=NwA+nNfA

(2)

RB=NwB+nNfA

(3)

RA=2RB

(4)

式中：RA表示A區(qū)域內(nèi)的總紗根數(shù)；RB表示B區(qū)域的總紗根數(shù)；NwA表示A區(qū)域的經(jīng)紗層數(shù)；NfA表示A區(qū)域的緯紗層數(shù)；NwB表示B區(qū)域的經(jīng)紗層數(shù)；n表示緯紗列數(shù)。

本文實驗設(shè)計中，確定T結(jié)構(gòu)三維機織物A區(qū)域緯紗層數(shù)NfA=21，取緯紗列數(shù)n=10。由式(1)～(4)可得，RA=230根，RB=115根，則B區(qū)域織物緯紗層數(shù)NfB=10.5，取NfB=10，則經(jīng)紗層數(shù)NwB=9，即確定了B區(qū)域的織物層數(shù)。設(shè)計優(yōu)化后的T字型結(jié)構(gòu)織物的組織循環(huán)圖如圖6所示，組織圖如圖7所示。

圖6 整體T結(jié)構(gòu)經(jīng)、緯紗走向組織循環(huán)圖Fig.6 Overall T-structure warp and weft yarn trend weave cycle diagram

圖7 整體T結(jié)構(gòu)織物組織圖Fig.7 Overall T-structure fabric weave diagram

2.2 上機織造

進行上機織造時，適當調(diào)節(jié)紗線張力，使織造順利進行，上機織造過程如下。

1)穿綜。A、B區(qū)域均采用順穿法，A區(qū)域部分穿入2～22頁綜，B區(qū)域部分穿入13～21頁綜，接結(jié)經(jīng)紗穿入第1、22頁綜。

2)穿筘。為了減少提綜動程過程中紗線與筘齒的摩擦，將T字型結(jié)構(gòu)中1個橫截面內(nèi)或半個截面內(nèi)的紗線穿入同一筘齒中，本次實驗采用11根紗線為1筘。

3)送經(jīng)。采用分軸送經(jīng)和筒子架結(jié)合的方式。將A區(qū)域、B區(qū)域的紗線分別綁在不同經(jīng)軸上送經(jīng)。接結(jié)紗在織造過程中和經(jīng)、緯紗互相交織，屈曲程度較大，導致接結(jié)紗送經(jīng)量大，需要筒子架送經(jīng)。

4)織造。為增加織物的整體厚度，采用增加投緯紗線數(shù)的方式，即用10根紗線投1緯。根據(jù)圖6上機織造，實物圖如圖8所示。

圖8 織物實物圖①Fig.8 Physical drawing of fabric ①

為進一步優(yōu)化織物的梁高H1和織物表面的平整度，使T字型結(jié)構(gòu)三維機織物凸起部分更加明顯，即梁高達到總厚度的一半。將相同運動規(guī)律的接結(jié)紗跨越的緯紗列數(shù)改為2，將A區(qū)域的浮線均勻下沉到B區(qū)域的每一經(jīng)紗層，織物組織循環(huán)如圖9所示。織物組織如圖10所示。織造實物如圖11所示。

圖9 接結(jié)紗跨越2個緯紗列的經(jīng)、緯紗走向組織循環(huán)圖Fig.9 Warp and weft direction weave cycle of junction yarn crossing two weft yarn rows

圖10 跨越2個緯紗列的織物組織圖Fig.10 Fabric weave diagram spanning two weft rows

圖11 織物實物圖②Fig.11 Physical drawing of fabric ②

按圖4、6、9所示的組織循環(huán)圖進行織造，所得試樣編號分別為a，b，c。A區(qū)域、B區(qū)域為1個完整的組織循環(huán)，1個組織循環(huán)內(nèi)的經(jīng)、緯紗數(shù)如表1所示。

表1 各區(qū)域組織循環(huán)經(jīng)緯紗數(shù)Tab.1 Number of warp and weft yarns in different regions

2.3 T結(jié)構(gòu)三維機織物

織造完成后，測量T字型三維整體機織物各區(qū)域的尺寸，數(shù)據(jù)結(jié)果見表2。

表2 T結(jié)構(gòu)三維機織物各區(qū)域的尺寸Tab.2 Size of T-structure 3-D woven fabric mm

從表2數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn):相同運動規(guī)律的接結(jié)紗跨越2個緯紗列的織物②總高度H為7.0 mm,梁高H1為3 mm;而接結(jié)紗跨越1個緯紗列的織物①總高度H為6.5 mm,梁高H1為2 mm。可見，接結(jié)紗跨越2個緯紗列的織物比跨越1個緯紗列的織物梁高尺寸大，且更接近參數(shù)設(shè)計的理論高度。觀察圖8、11中的實物圖發(fā)現(xiàn)，接結(jié)紗跨越2個緯紗列的織物T字型結(jié)構(gòu)更明顯，且織物表面更加平整。

在織造過程中，將圖4中A區(qū)域的1～12頁綜框的襯墊紗下沉，造成了紗線在T型的拐角處聚集。由于襯墊紗需要均勻地下沉到B區(qū)域的每一層中，并且在A區(qū)域部分襯墊紗下沉時，紗線屈曲程度發(fā)生了變化，導致B區(qū)域織物受到紗線拉扯，造成了底面厚度與理論設(shè)計的偏差。另外織物的成型性還受紗線張力和打緯力度等其他不可控因素的影響，實際織造織物的各部分尺寸大小還是和理論設(shè)計有所不同。如果在織造中紗線都用筒子架供紗，每根紗線的張力就可得到很好地控制，織物呈現(xiàn)效果會更好。

3 結(jié) 論

1)通過對織物結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和上機工藝的改善，對T結(jié)構(gòu)織物各區(qū)域的紗線數(shù)及經(jīng)、緯紗層數(shù)的計算，以及合理分布經(jīng)、緯紗布線規(guī)律，成功織造出一次成型的T結(jié)構(gòu)三維機織物。

2)接結(jié)紗跨越2個緯紗列時，織物總高度H為7.0 mm，梁高H1為3 mm，T結(jié)構(gòu)織物的梁高更接近于理論設(shè)計的高度。

3)織造一次成型的T結(jié)構(gòu)三維立體預制體，可通過公式計算織物層數(shù)，確定T結(jié)構(gòu)織物的梁高，為織造其他異型結(jié)構(gòu)機織物提供更多的參考。通過合理調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，該紡織結(jié)構(gòu)機織物可作為復合材料增強體滿足在建筑墻體、橋梁中的應用要求。

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