樣品整經工藝對安全氣囊用織物抗滑移性能的影響

莊建國 李永貴 陸振乾

1．可隆(南京)特種紡織品有限公司，江蘇 南京 210046；2．閩江學院 福建省新型功能性紡織纖維及材料重點實驗室，福建 福州 350108；3．鹽城工學院紡織服裝學院，江蘇 鹽城 224051

隨著汽車消費進入大眾化時代，我國的汽車銷量屢創新高[1]，汽車的安全性能也備受重視。安全氣囊是汽車行業普遍認可的一個重要的安全配置。當汽車受到撞擊時，傳感器觸發電子點火裝置點燃氣體發生劑，短時間內即可展開的安全氣囊可充當乘客的緩沖枕，減輕乘員頭部和胸部所受沖擊，從而起到保護乘員安全的作用。相關統計數據表明，在重大交通事故中，安全氣囊的使用可減少30%的人員傷亡[2]。

安全氣囊特殊的工作原理和應用環境對氣囊用織物提出了很高的性能要求。首先，氣囊用織物需能夠承受來自高溫、高速氣體的瞬時沖擊,該織物要具有強力高、伸長大、耐高溫等性能。其次，為確保氣囊用織物瞬間展開的同時不會對乘員身體造成過度撞擊,氣囊用織物還必須具有一定的氣密性[3-4]和抗滑移性能。因此，抗滑移性能是評價氣囊織物安全性能的一個重要指標。

抗滑移性是衡量氣囊用織物爆破時縫制部位在高溫、高壓下的滑移程度。在氣囊用織物的制備過程中，織造工藝參數是影響其使用性能的重要因素。其中，整經是織造前準備的關鍵工序之一，其定義是將經紗(絲) 按一定數量、密度、幅寬和技術要求卷繞到經軸上。常規的整經方法包括分批整經、分條整經、分段整經、球經整經和特種整經等。對于新產品的小樣試織而言，這些整經方法既浪費原料，又延長了打樣時間。樣品整經法因可用一只或幾只原紗或漿紗筒子紗線加工織軸，能大幅減少整經筒子量、簡化工藝流程并縮減出樣時間和生產成本[5]49-50，[6]25-33，[7]，故受到織造企業的青睞。

本文將采用樣品整經法在噴水織機上織造氣囊用織物，并對該織物的形態結構進行研究，與傳統的分批整經法制備的氣囊用織物的抗滑移性能進行對比和分析，探究樣品整經法織造安全氣囊用織物的適用性。

1 氣囊用織物的設計

1.1 原料

選用規格為52 tex/140f的FDY錦綸66長絲為氣囊用織物的原料。該長絲具有良好的物理力學性能和化學穩定性，熱焓值和沸水收縮率較高[5]49-50，可滿足氣囊用織物的基本性能要求。

1.2 織物設計

氣囊用織物的抗滑移性能主要受經緯紗的線密度、經緯向密度和織物組織結構等因素的影響，且與織物緊度密切相關。研究表明，不同組織結構可達到的織物緊度不同。其中，平紋組織的平均浮長最小，同支持面的平紋織物布面較為緊密，平紋織物的氣密性較好[8]。本文選用平紋組織制備安全氣囊用織物，經緯向密度均設定為209根/(10 cm)， 鋼筘筘號為24.6齒/(25.4cm)，每筘齒經紗穿入數為2根。

1.3 工藝流程

安全氣囊用織物的成型工藝主要分為織造和精煉熱定型兩個階段，工藝流程如下。

1.4 織造

整經前將FDY錦綸66長絲絲餅在溫度為5～45 ℃、相對濕度為45%～80%的環境中放置24 h，以減少長絲間的張力差異。分別采用GA193型樣品整經機和津田駒TW-N型分批整經機對長絲經紗進行整經，整經和并軸工序中的相關工藝參數設置如表1所示。

表1 整經和并軸工序中的相關工藝參數

整經完成后，采用津田駒ZW-408型噴水織機對經樣品整經和分批整經法得到的經紗進行安全氣囊用織物的織造。織機運行速度為550 r/min，單絲張力為176.4 cN/根，卷取張力為7350 N。以線密度為2.2 tex的尼龍長絲為邊絲。布面幅寬為205 cm，全幅邊撐直徑8 mm。噴水織機用水為經過軟化處理的水。

坯布下機后需經過精煉和清洗工序以去除表面的污跡。精煉工序采用兩個溫度為90 ℃、運行速度為24 m/min的藥劑槽。再水洗去除織物表面精煉劑的殘跡，3個水洗槽的溫度分別設定為90、90和65 ℃。烘箱為8節，每節長為3 m，干燥輥溫度為120 ℃。熱定型溫度為130 ℃。經精煉熱定型的樣品整經和分批整經氣囊用織物表面的SEM圖像(50倍率)分別如圖1和圖2所示。

圖1 樣品整經安全氣囊用織物

圖2 分批整經安全氣囊用織物

2 結果與分析

2.1 力學性能

用于評估安全氣囊用織物力學性能的主要技術指標為斷裂強度、斷裂伸長率、撕裂強度和抗滑移性能。本文參照ISO 13934-1：2013《紡織品 織物的拉伸 第一部分：條樣法斷裂強力和斷裂伸長率的測定》、ISO 13937-2：2000 《紡織品 織物撕破特性 第二部分：褲形試樣撕破強力的測定(單舌法)》、ASTM D 6479-2015《測定充氣緩沖物用機織織物的邊梳抗性標準試驗方法》，采用Instron 3366型強力儀分別測試經樣品整經和分批整經法制備的兩種安全氣囊用織物的斷裂強力、斷裂伸長率、撕裂強力和抗滑移性能。其中，試樣大小為300 mm×50 mm，夾具間距為200 mm，樣品邊緣與夾具邊緣對齊，夾頭移動速度為 200 mm/min。兩種整經法織造的安全氣囊用織物的主要力學性能指標測試結果對比如表2所示。

表2 氣囊用織物的主要力學性能指標測試結果對比

由表2可知，與采用分批整經法制備的氣囊用織物相比，樣品整經法得到的氣囊用織物的斷裂強度和斷裂伸長率無顯著差異，撕裂強力略有增強，但其經、緯向的抗滑移性提高了2倍多，分別達792.4 N和685.3 N。對于同一試樣而言，緯向的抗滑移性能小于經向。

2.2 抗滑移性能

2.2.1 取向度

根據樣品整經機的工作原理，在整經過程中，滾筒和固定筒子架紗線為水平放置。滾筒轉動會對筒子架上的紗線有一定的牽伸作用，甚至會造成紗線的意外牽伸[6]28-33，從而增強經紗的取向度，紗線的內應力變大，紗線滑移過程中抵制外力的能力增強，織物的抗滑移性能提高。

本文分別在分批整經和樣品整經法制備的氣囊用織物的經向連續取15根長絲，將其放在偏光顯微鏡下，觀察自然狀態下各長絲的狀態及其頭端出現的黑色弧形個數(圖3)。采用Senarmont法測量每根經紗的取向度，對比分析兩種整經法織造的安全氣囊織物中長絲的內應力。長絲的取向度按式(1)計算。

圖3 偏光顯微鏡下的經向長絲

式中：∏——取向度，%；

N——黑色弧形個數；

π——起偏角，(°)；

γ——補償角，(°)；

λ——使用GIF濾光片時的波長,為546 nm；

d——纖維直徑，nm。

長絲取向度的值越大，表明長絲所受拉伸力消除后殘留的內應力越大。由表3兩種整經法制備的織物的經紗取向度測量和計算結果可知，樣品整經法得到的織物經紗的取向度(58.8%)大于分批整經法制備織物的經紗取向度(55.2%)。因此，樣品整經法所制備織物經紗的內應力N較大。內應力越大，摩擦力F(F=μN)則越大。當摩擦系數μ一定時，試樣的抗滑移性能也越大。因此，樣品整經機所制備的安全氣囊用織物的抗滑移性能較大。

表3 經紗取向度

2.2.2 包圍角

為分析安全氣囊用織物緯向抗滑移性能較差的原因，對兩種整經法制備織物的緯向橫截面中經紗對緯紗的包圍角進行測試。首先，沿著織物的經向切割得織物的緯向橫截面(圖4)。SEM圖像(50倍率)觀察兩種安全氣囊織物的緯向橫截面，測量連續15根經紗對緯紗的包圍角，根據Euler公式[式(2)和式(3)][9]計算并記錄其平均值。

圖4 織物緯向橫截面中經紗對緯紗形成的包圍角

(2)

式中：Ty——紗線最大的抗滑移性能，N；

a——經緯紗摩擦系數；

P——緯紗所受經紗的壓力，N；

β——緯紗所受的橫向張力比；

N——緯紗根數；

θ——經紗對緯紗的包圍角，(°)。

結果表明，樣品整經織物中經紗對緯紗包圍角為78.6°，高于分批整經織物的71.4°。這是由于在樣品整經過程中，圓盤轉動對筒子架上的紗線有牽伸作用，同時因紗線的特殊排列，上下層紗線易滑移并交錯排列[6]28-33，導致織造過程中，經紗所受外力增大，扁平度提高，從而對緯紗形成較大的包圍角。

對于織物中的緯紗而言，當引緯張力一致、密度一致、摩擦系數一定時，緯紗所受經紗的壓力和經紗對緯紗的包圍角會影響緯紗的抗滑移性能。經紗對緯紗的包圍角越大，緯紗所受的橫向張力越大。緯紗所受壓力和橫向張力相結合，會進一步增強紗線抵制外力的能力，從而增強織物的抗滑移性能。

3 結論

本文以FDY錦綸66長絲為原料，分別采用樣品整經和分批整經法，在噴水織機上設計并制備了兩種安全氣囊用織物。通過性能測試和分析得如下結論。

(1)兩種安全氣囊用織物的斷裂強度和斷裂伸長率差異較小。樣品整經氣囊用織物的撕裂強力略高于分批整經氣囊用織物。樣品整經氣囊用織物的抗滑移性能顯著提高，其經、緯向抗滑移性能較分批整經氣囊用織物均提高了2倍多。

(2)樣品整經氣囊用織物抗滑移性能高于分批整經氣囊用織物，究其原因可能是樣品整經氣囊用織物中經紗的取向度較高，經紗對緯紗形成的較大包圍角提高了該織物整體的抗滑移性能。