網狀結構織物制備與應用研究進展

楊 萍， 嚴 飆， 馬丕波

(1. 江南大學 針織技術教育部工程研究中心， 江蘇 無錫 214122; 2. 上海宇航系統工程研究所, 上海 215123)

網狀結構織物由于質量輕、強度大且網孔可設計等特點，其產品已被廣泛應用于海洋、建筑、醫療和航空航天等領域。隨著網狀結構織物在紡織品應用領域中所占比例逐漸增加，網狀結構織物的性能和應用研究也隨之增加[1-3]。網狀結構織物的力學性能和穩定性直接決定著其制品的使用功能。研究不同編織方法網狀結構織物的制備及其性能與應用具有現實意義[4-5]。本文總結了網狀結構織物材料的制備和研究現狀，重點分析了機織網孔布、針織網孔布和編織網孔布的力學性能、應用現狀等內容的研究進展，對網狀結構織物進一步研究與應用具有一定的參考意義。

1 網狀結構織物制備方法

網狀結構織物主要為機織網孔布、針織網孔布和編織網孔布。機織物是一種片紗集合方式，采用平行于織物邊緣處或相對于織物邊緣處成一定角度的經紗，和與織物邊緣處垂直的緯紗交織而成。機織網眼布的經緯線按一定規律相互沉浮。與針織網狀結構織物不同，機織網眼布的經緯紗線間易產生滑移，因此這種設備織出的網孔一旦受力極易發生變形，一般用于江河堤坡加固網、紗窗、過濾網等[6]。針織物是利用織針將紗線彎曲成圈，縱向串套、橫向銜接形成的織物,其中經編網眼織物由線圈縱向方向串套而成且網孔尺寸可調節，現已在蚊帳、漁網、運動服裝方面廣泛普及，在航空航天領域也得到廣泛應用。編織物是采用紗線纏繞而成的集合體，編織技術主要應用于編織傳統織物以及現代異形編織結構。目前編織已被用作一種自動化的復合材料預成型件制造技術，大多數編織復合材料采用封閉網狀結構來加強結構剛度和強度[7]。

1.1 機織網狀結構織物制備

機織物中常見網眼布的形成方法有紗羅和假紗羅。紗羅先采用地經與絞經彼此扭絞后形成梭口，再與緯紗交織而成；假紗羅采用機織工藝中提花工藝或變化穿筘織出網狀結構織物，其網孔結構同樣不牢固，易產生滑動。由經緯交織形成的網狀結構織物，主要是采用一上一下的織物組織，大多形成90 ℃的四邊形網孔。制備機織物時首先分別處理經紗和緯紗，經紗要經管紗、絡筒、整經、漿紗和穿結經一系列工序；緯紗要經管紗和卷緯2個工序，然后進行上機織造。Vo等[8]使用開放式鋼筘編織(ORW)技術獲得具有整體網狀織邊的機織物，能在織造過程中剪裁輪廓且達到邊緣牢固的效果。德國Lindauer Dornier GmbH公司的ORW劍桿織機PTS4/SOD被用來織造具有網狀布邊的二維機織物。在特殊的軸上有2個可獨立控制的側向移動系統，每個系統梭子間距離為5 mm。在織造中每個系統每次引緯可移動5或10 mm，總共可移動300 mm。1 200 tex玻璃粗紗制成的平紋織物經密為4根/cm，緯密為3.5根/cm。此方法的優勢在于紗線在形成織物結構過程中始終能保持拉伸狀態，可減少織造過程中的紗線損傷，不再需要過大的切割和成型后的手工修剪，防止織物邊緣磨損，有助于減少材料浪費、周期時間和預成型件制造成本。樹脂傳遞模塑更具成本效益，可設計給定圖案的常規網眼織物，如平紋織物，但對于實際實施，還需注意技術可行性和產品要求所限制的邊界條件。

1.2 針織網狀結構織物制備

針織物中常見網孔布的主要結構是經編網眼。經編網眼一般有經緞類菱形網、襯緯類方格網、經平經緞類柱形網等。經編網眼結構織物制備原料主要為錦綸、滌綸等，特殊的采用金屬絲制備網狀織物。金屬網面是航空航天領域衛星天線的重要部件，該網狀材料發展方向主要在提高材料編織性能與擴大產業領域2個方面。針織網狀結構織物的制備首先需進行編織前準備，如并線、整經，然后再上機織造，需選擇合適的經編機型號、織針、梳櫛、起頭方式和上機工藝。應芬等[9]在機號為E16的拉舍爾經編機上將超細不銹鋼單絲織制成5種不同密度的金屬網，網孔均為六邊形，研究了不銹鋼等高性能纖維的編織工藝及可編織性，并對金屬網織物的測試方法和力學性能進行探索。邵光偉等[10]采用兩梳經絨平組織，制備鍍金鉬絲和不銹鋼絲空間可收展衛星天線網并進行性能研究，對減少網狀天線反射體結構的拉伸變形、測試地面展開過程中其網面精度和力學性能、研究空間開展后的網面形態保持等具有重要的意義。另一種特殊類型夾層結構針織間隔織物的三維網狀織物，由2個獨立的網狀復絲外層和一層間隔單絲連接而成。由于其良好的吸能性能和通風性能，主要應用于家用紡織品和汽車工業。醫療手術中外科網是一種多孔織物，其主要是由聚合物單絲使用經編織法制成，具有良好的生物相容性，是治療疝氣的一種重要人體修復材料。

1.3 編織網狀結構織物制備

編織物織造的原理是紗線相互盤旋按一定規律抱合，使織物表面形成一定紋路，如手工編織棉麻網[11]。在20世紀40年代運用腳踏織網機器生產有結漁網，后來開始通過機器裝備對紗線進行編織從而提高編織效率[12]。隨著化纖的發展，逐步以化纖作為漁網材料。編織工藝又分為有結和無結2種，有結網狀編織物采用打結機將幾股繩擰在一起打結后構成網狀織物，如防護網。無結網狀編織物[13]包括股繩編織而成的網腳與網結，由網結數目決定編織物的網孔形狀，6個網結可構成六邊形無結網孔編織物。目前二維編織已被用作一種自動化的復合材料預成型件制造技術，大開孔網狀編織結構由于剛度要求嚴格，在醫療領域應用廣泛[14]。三維編織織物通過纏繞2種或多種編織紗線來制造，以形成整體結構，編織復合材料可通過多種方式編織，例如矩形編織、三軸編織、圓形編織和其他置換編織的兩步或四步方法技術[15-16]。

2 網狀結構織物性能及應用

2.1 機織網狀結構織物性能及應用

機織物網狀織物由于密度低，紗線抗滑移性差，經紗容易沿緯紗左右滑動，紗孔寬度易變形。在實際生產過程中，機織物網狀織物的孔徑大小一般為經紗直徑的6～7倍，高密的機織網狀織物孔徑可達到經紗直徑的0.1倍。閆星月等[17]設計了不同組織結構與孔眼大小機織網眼布，采用梯形撕裂法研究得出在相同條件下，多組絞紗的織物撕裂強力大，密度越大的織物撕裂強力越大，穩定性越好。Yang和Wang等[18-19]先后對芳綸網在中速沖擊下和不銹鋼絲網在低速沖擊下的失效方式和破壞形態進行建模和驗證，Yang將紗線直徑最細的網眼放置在沖擊中心，織物邊界使用密度逐漸減小的網眼，此方法被用于創建混合網眼織物模型，并采用有限元對變形、應力分布和波傳播進行了評估，表明宏觀模型更適合于大型仿真，此方法對不銹鋼、芳綸等高性能纖維編織網的性能研究具有一定的指導意義。Masumi等[20]在超高速沖擊下用X射線拍攝碎片云進而研究金屬網的防護能力，沖擊速度為3 km/s。分析發現，碎片云在云重心處的速度比沖擊頭的撞擊速度慢35%，當金屬網的面密度增加時，碎片速度降低，證明金屬網是一種良好的防護材料，可開發一種新的緩沖器從而減少國際空間站免受空間碎片的影響。Boscariol等研究了液體滴落不同孔徑金屬網的全過程，Kumar等在此基礎上探索了液滴撞擊超疏水銅網回彈的影響[21-22]，用高速攝像機拍攝水滴撞擊網狀結構織物的過程，通過計算時間發現金屬絲直徑的影響較大，即使在較低的韋伯數下撞擊銅網也會出現微反彈，使接觸時間減少，同時使用柔性網狀織物也會減少噴射射流造成的體積損失。采用流體力學與紡織相結合有助于開發設計在沖擊情況下的機織物網狀織物，如噴墨印刷、噴涂、渦輪磨損等方面。

片梭織機幅寬較大，能制備1幅或同時制備2幅及以上幅寬不同的織物面料，故生產較寬面料和篩網面料是片梭引緯的特點；但生產的網狀織物由于受到片梭織機的扭軸投梭機構和片梭引緯的限制，其實際產出量達不到計算最大產出量。此外，為防止紗線滑動或紗線錯位，紗羅組織多因經緯密度較小而紗孔均勻分布應用于窗簾以及工業篩網。

此外，在海洋領域中研究者們嘗試采用數值分析方法仿真漁網在不同深度、不同水流速度的變化，漁網網孔擴張大小由于深海復雜情況產生的隨機性變化很大，故實驗值與理論值的誤差較大，其可能原因是升力帆布動力學模型還存在較大的問題，在此方向還有較大提升，還需研究者們收集大量實驗數據。隨著輕型飛行器的精細設計與開發，對運送貨物阻攔網柔性結構的研究得到較高關注。如波音、空客等大型飛機將阻攔網作Ⅰ級限動安裝，故有必要研究編織超過2種非線性高性能纖維紗線的柔性攔網，并通過非靜態仿真研究建立阻攔網載荷強度計算模型，為根據載荷強度要求確定阻攔網的種類提供強力支持。

2.2 針織網狀結構織物性能及應用

經編技術相比較其他編織技術最大的優勢是生產效率高、網孔結構穩定。針織物的線圈結構可設計性強，成形性好，與機織物相比具備更好的延展性和透濕舒適性，經編網眼結構造型多樣，藝術感強，質地輕薄，被大眾青睞。Lee[23]通過研究干熱處理對滌綸/氨綸經編網狀織物拉伸長度和收縮率的影響，比較了溫度和處理時間對彈力網的影響。當溫度從100 ℃升高到140 ℃時，網狀結構織物的收縮率也增加了大約10%；處理時間的影響規律也類似，隨著時間的延長，縱向收縮率比橫向收縮率增加得更多。李楠、邵慧奇等[24-25]分別采用聚丙烯單絲、金屬絲制備了不同網格形狀的經編織物，金屬與化纖制成的網狀織物力學性能趨勢大致相同，在單向拉伸時，經編網狀織物的橫向和縱向力學性能差異較大，當密度增加時橫向斷裂強力也增加；在雙向拉伸時，織物網孔的每條邊均勻受力，其縱向橫向都趨于各向同性，可為柔性織物選擇合適的網狀結構提供方便。經編間隔織物由于防震感強、具備良好的透氣性、壓縮回彈性，優良的隔音性等被廣泛使用[26-27]。墊紗方向一致更有利于經編間隔織物的收縮變形，孔較小的織物具有較高的拉伸強度，且隨著織物厚度變得越來越小，由于間隔紗的不穩定性，模量值越來越大。Ghorbani等[3]利用實驗和理論方法進行證明，常玉萍等[26]通過經編間隔工藝與建模結合，仿真出一種負泊松比效果較好的立體結構，沿x軸方向拉伸時負泊松比值最小可達到-1.0左右，該種結構可在工程領域發揮較大的潛力。此外，隨著計算機圖形設計技術的開展，紡織品的計算機輔助設計和紡織品的計算機模型也得到發展。使用NURBS曲線和曲面來為經編面料創建模型，閉口編鏈建模通過改變開口編鏈的現有模型獲得，研究襯緯類方格網狀織物的結構特征，構建了編鏈和襯緯相結合的三維幾何模型[28-30]，可為分析針織物受力變形、吸濕、熱傳遞、電輻射性能等模型仿真提供了研究基礎。由于針織物成圈是由紗線串套而成，受力變形比較復雜，針織網眼布建模一直存在特征點與彎曲規律難找等問題，有限元作為一種計算工具，與計算機圖形學結合對于織物三維幾何模型分析具有重要意義。

經編網孔織物的用途廣泛，在服裝、家紡和產業用領域都有涉及。伴隨著高性能纖維的快速發展，經編技術在航天、海洋、建筑、交通運輸、醫療衛生、空間科學等領域的應用越來越廣泛，如網狀反射面天線的特種金屬絲網、復合材料增強體、功能性補鈣等結構。結合針織服裝外衣化、時裝化的基本需求，拉舍爾經編機編織的彈力網結構、色織提花織物倍受消費者青睞，例如鞋帶和彈力網。其中彈力網在四桿高性能拉舍爾經編機上進行編織，該織物加入一定量的氨綸紗后，廣泛應用于緊身衣，鞋面、女性胸罩，舞蹈服裝，泳衣和運動服。六角網孔間隔織物因其良好的透氣性、透濕性、壓縮性、彈性適用于汽車坐墊，沙發墊等領域。經編網狀結構織物的網眼尺寸大小可隨上機工藝參數調整，且織物無結頭，光滑，不易滑移脫落。金屬絲具有延展性低、不易彎曲、硬度大等特征，將金屬絲與經編網眼技術結合大大提高了織物的力學性能，但該方法成本昂貴，目前只在航空航天高科技領域有所發展。

大網殼空間結構由于質量輕，強力高，造型美觀，結構穩定被廣泛應用。迄今為止研究的焦點在落錘對網孔空間結構的破壞過程，通過探索沖擊物體形狀、沖擊速度、沖擊高度和側面沖擊對單層球面網殼的影響，并結合有限元模型可為模型設計師設計產品提供有力的理論依據，有助于提高設計效率、節約流程。

2.3 編織網狀結構織物性能及應用

傳統的編織產品主要包括纜繩、管狀機件和扁平組織機件和繩子。目前編織成為一種自動化制造復合材料預成型件的技術，大多數編織復合材料應用都需要封閉的網狀結構來增大剛度和強度，如編織結構柱，壓力容器，航空應用，運動器材等。由于剛度的要求，大開孔網狀編織結構在醫療領域應用廣泛，如編織管、編織復合導管和編織支架，另外還用作編織軟管[31]。為了對可成形性和力學性能進行預測，需要對紡織增強材料建模，Zhai等[32]提出了利用柔性系繩網系統進行在軌捕獲的新概念，廣泛應用于在軌組裝、在軌維護和碎片減緩等，與剛性機械臂相比，使用柔性繩網系統進行在軌捕獲更有前景。由于影響編織物網狀織物的力學性能的因素較多，如編織角、波動長度、樣品厚度等，且管狀結構的模型易于構建，目前研究者們對編織管狀結構的研究偏多，且大多數研究都是通過改變1～2參數來此解釋影響，有望采用計算機圖形工具對編織物網狀織物的力學性進行更進一步的探索。同時根據所需改造編織機，優化織機機構，實現產品優質，通過模擬紗線移動而仿真出編織網成形過程，使其進一步成為可行方案。

玻璃幕墻索網是一種柔性網，具有輕盈美觀，可移動，強度高等優良性能，在建筑幕墻工程中使用普及，故對正交索網結構計算、受力、變形分析的進一步研究具有重要的實用價值。

3 結語與展望

結合網狀結構織物結構特點與當前科技發展重點方向，工程用網在目前市場中占很大比例，且經編結構由于變化形式和織造工藝多種多樣，可設計性強，延伸性好，網孔穩定，更能實現網狀織物在一定領域內的實用性能。本文總結了機織網孔布、針織網孔布和編織網孔布的力學、應用等研究現狀，得出如下結論。

1)機織物網狀結構織物的網孔形狀為方孔形時較穩定，且孔眼越小穩定性越好。為解決紗線抗滑移性差的問題，可采用涂層、浸膠、變形紗做緯紗或與緯紗并線應用，在工業過濾紗窗、農林防護等領域應用廣泛。

2)針織物網狀結構織物目前使用最為廣泛，主要是經編網狀織物，編織工藝種類多樣。對組織結構和線圈變形的研究較多，利用計算機圖形工具分析來達到織物變形更好的仿真效果，可提前預測網孔線圈變形的程度、為網狀結構織物的研發者提供更完善的理論依據，提高生產效率。

3)編織物網狀結構織物是采用預成型件制造技術制成的一種自動化復合材料，在工業領域應用較為廣泛。目前需要解決的是生產效率問題，還需要與材料學、信息學、工業設計、機械工程和產業用工程的深入配合，從而提高編織物網狀織物的使用壽命、抗紫外線、耐酸堿等功效。

4)高性能纖維在網狀結構織物上的應用目前還處于起步階段。同時網狀結構織物在不同使用環境下的動態力學性能等基礎研究還較少。加強這兩方面的研究對于推動網狀結構織物的進一步應用具有指導作用。