聚酰亞胺長絲二維編織工藝與性能

秦佳瑩， 邵慧奇， 陳南梁， 蔣金華

(東華大學(xué) a.產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心, b.紡織學(xué)院， 上海 201620)

隨著空間繩系系統(tǒng)、衛(wèi)星張力索、飛艇用繩、系泊繩等航空航天用繩需求的日益增長，加強(qiáng)對高性能纖維編織繩性能的研究是十分必要的[1-2]。聚酰亞胺(polyimide，PI)纖維作為高性能纖維的典型代表之一，具有高強(qiáng)高模、耐輻照等優(yōu)異性能，一直是航空航天的首選材料之一[3-4]。然而PI纖維在繞紗及編織過程中表面易起毛,受損甚至斷裂，并且磨損編織元件，導(dǎo)致編織難度大，因此在編織前對PI長絲的可編織性進(jìn)行探究是極為重要的。目前關(guān)于高性能紗線可編織性的表征仍然沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，比較常見的是通過測試紗線的基本性能以及編織過程中纖維的損傷進(jìn)行表征[5]。

編織繩的原料及編織工藝參數(shù)決定產(chǎn)品的最終性能。在各種編織工藝中，二維編織對纖維的力學(xué)損傷較小且工藝簡單、生產(chǎn)效率高、可設(shè)計性好，但織物組織結(jié)構(gòu)變化較少，主要通過改變節(jié)距、編織股數(shù)等對二維編織繩進(jìn)行設(shè)計[6]。國內(nèi)關(guān)于PI纖維可編織性的探究及針對特殊應(yīng)用環(huán)境的小直徑編織繩編織參數(shù)與力學(xué)性能的研究還較少，主要針對其他高性能纖維編織繩進(jìn)行一些探索研究。馬曉紅等[7]通過拉伸及磨損試驗探究了碳纖維的可編織性并探索二維編織工藝。丁許等[8]研究發(fā)現(xiàn)：芳綸纖維二維編織繩的拉伸斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率隨著編織角的增加分別呈上升和下降的趨勢；在3種編織結(jié)構(gòu)(1×1、2×2、1×1+2×2混雜)中，2×2編織結(jié)構(gòu)的拉伸斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長率最大。Flory等[9]研究發(fā)現(xiàn)，超高相對分子質(zhì)量聚乙烯繩的強(qiáng)度不受張力及拉伸循環(huán)影響，最終會回復(fù)初始狀態(tài)。Msalilwa等[10]使用圖像分析技術(shù)表征編織結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究雙層管狀編織繩在拉伸載荷下的力學(xué)行為并建立真實拉伸應(yīng)力模型。目前中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所、江蘇先諾新材料有限公司申請了PI纖維編織繩的相關(guān)專利[11-12]，探討了高強(qiáng)耐磨型PI纖維繩帶及其制備方法。

不論是對原料的選擇還是對編織工藝的探究，都是為了更好地滿足編織繩特定終端用途的性能要求。本文基于空間應(yīng)用的編織繩強(qiáng)力和直徑目標(biāo)設(shè)計要求，選擇3種PI長絲作為原料，通過拉伸和耐磨損試驗探究了PI長絲的可編織性，在C12型高速編織機(jī)上編織13種不同工藝參數(shù)的PI編織繩并進(jìn)行對比分析，從而挑選符合編織工藝要求且力學(xué)性能良好的編織繩，同時研究了編織繩工藝參數(shù)間的相互關(guān)系、編織工藝對拉伸性能的影響并建立回歸方程，以期對PI長絲的編織產(chǎn)品開發(fā)及實際生產(chǎn)提供指導(dǎo)與借鑒。

1 試驗與方法

1.1 試驗原料

采用江蘇先諾新材料有限公司提供的3種線密度(22.2、55.5、111.1 tex)的高性能PI長絲。

1.2 編織方案

為了滿足空間應(yīng)用張力繩輕質(zhì)、高強(qiáng)、低延伸率的性能要求，設(shè)計編織繩直徑為1 mm，絕對誤差不超過0.1 mm，同時強(qiáng)力大于600 N，伸長率越小越好。為了達(dá)到近似相同編織繩直徑，選用2種不同線密度的PI長絲以不同股數(shù)組合進(jìn)行設(shè)計。編織機(jī)器為東莞市冠博精密機(jī)電有限公司制造的C12型高速編織機(jī)，因材料及機(jī)器的限制，不同線密度PI長絲的編織數(shù)量有所不同，編織繩編織方案如表1所示。其中：B系列代表線密度55.5 tex編織繩12股編織，設(shè)計7種節(jié)距；C系列代表線密度111.1 tex編織繩6股編織，設(shè)計6種節(jié)距。最終設(shè)計制備的13種編織繩成品如圖1所示。

圖1 PI長絲編織繩成品照片F(xiàn)ig.1 Photos of finished PI filament braided ropes

表1 上機(jī)編織方案Table 1 Machine braiding program

1.3 PI長絲可編織性測試

1.3.1 拉伸性能

對3種不同線密度的PI長絲進(jìn)行拉伸測試，參照GB/T 19975—2005《高強(qiáng)化纖長絲拉伸性能試驗方法》，夾持間距為500 mm，拉伸速度為250 mm/min，每種規(guī)格PI長絲分別測試10次，預(yù)加張力為(0.05±0.01)cN/dtex。

1.3.2 耐磨損性能

紗線二維編織的路徑通常為經(jīng)過走馬錠、穿過孔眼、繞過導(dǎo)輪及滑輪，最后卷繞在線盤上。在這一過程中，紗線不僅與編織元件接觸發(fā)生摩擦，還被拉伸和彎曲成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。PI長絲在編織過程中的可編織性難以評價，因為長絲的張力會隨編織元件的運動發(fā)生變化。但是，在編織過程中紗線承受的整體力和相互作用力可以高度簡化為拉伸、彎曲以及摩擦作用的組合，如圖2所示。簡化模型與實際編織工藝的差別僅在拉伸方向、彎曲角度、磨損主體和物體等參數(shù)上，對紗線二維可編織性評價沒有顯著影響。自制紗線摩擦儀構(gòu)造示意圖如圖3所示。測試前使紗線從織針(50.75G 01型德國格羅茨拉舍爾機(jī)針)穿過，測試時摩擦部分往復(fù)擺動實現(xiàn)摩擦。為了模擬PI長絲在實際編織時線密度、編織速度以及牽引力對紗線磨損的影響程度，選擇長絲線密度、推動連桿往復(fù)運動的電機(jī)轉(zhuǎn)速以及砝碼質(zhì)量3個因素進(jìn)行研究，摩擦次數(shù)為100次，運用L9(34)正交試驗對方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，因素水平表如表2所示。

圖2 編織簡化模型與走馬錠中紗線路徑Fig.2 Braiding simplified model and yarn path in the horse spindle

圖3 自制紗線摩擦儀構(gòu)造示意圖Fig.3 Schematic diagram of the self-made yarn friction tester

表2 因素水平表Table 2 Factor level table

1.4 PI編織繩測試

1.4.1 工藝參數(shù)

編織繩參數(shù)包括直徑和編織角。直徑測試：在不受明顯張力的情況下，測量編織繩自然伸直狀態(tài)下的直徑，同一個樣品測試10次，試樣上的取樣點至少間隔0.5 m。編織角測試：通過體式顯微鏡拍攝編織繩放大后的圖片，再用圖像處理軟件測出編織角。編織繩的直徑和編織角的測試結(jié)果如表3所示。

表3 編織繩的直徑和編織角測試結(jié)果

1.4.2 拉伸性能

測試儀器為 YG026 MB-250型多功能電子織物強(qiáng)力機(jī)(溫州方圓儀器有限公司)，測試方法參照GB/T 8834—2016《纖維繩索 有關(guān)物理和機(jī)械性能的測定》，夾持間距為200 mm，拉伸速度為250 m/min。由于PI纖維拉伸過程中易打滑，在測試前將試樣兩端用牛皮紙包覆。具體方法為：制作5 cm×5 cm牛皮紙并涂上百得快干膠水，將編織繩粘在牛皮紙的中心位置，如圖4所示。

圖4 PI編織繩拉伸試樣Fig.4 The tensile sample of PI braided rope

2 結(jié)果與討論

2.1 PI長絲可編織性能分析

2.1.1 拉伸性能

3種線密度PI長絲的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率如表4所示，伸長率與負(fù)荷關(guān)系如圖5所示。

表4 PI長絲拉伸斷裂性能Table 4 Tensile breaking performance of PI filaments

圖5 3種線密度PI長絲的拉伸性能Fig.5 Tensile properties of PI filaments withthree kinds of linear density

由表4可以看出，線密度為22.2和55.5 tex的PI長絲的斷裂強(qiáng)度相同，而線密度為111.1 tex的PI長絲的斷裂強(qiáng)度稍小。這可能是由拉伸時纖維斷裂的不同時性導(dǎo)致的，斷裂總是發(fā)生在纖維強(qiáng)力最薄弱的一節(jié)，而纖維根數(shù)越多，斷裂不同時性越明顯，測得的強(qiáng)力越偏小，換算成單纖維強(qiáng)度時數(shù)值會減小。觀察圖5可以看出，隨著長絲線密度的增加，拉伸曲線的斜率也在增大，即初始模量不斷增大。由此表明，PI長絲的線密度越大，越不容易發(fā)生變形，即紗線的剛性越大，因而編織難度越大。

2.1.2 耐磨損性能

為了探究編織過程中不同PI長絲與機(jī)件發(fā)生摩擦?xí)r編織速度和牽拉力對紗線損傷的影響程度，用自制的摩擦儀摩擦PI長絲一定次數(shù)后在紗線強(qiáng)力儀上測試斷裂強(qiáng)力，以磨損前后長絲的斷裂強(qiáng)力之差與磨損前長絲的斷裂強(qiáng)力百分比值(即強(qiáng)力損失率)來表征紗線的損傷情況。正交試驗方案和極差分析以及方差分析結(jié)果如表5和表6所示。

表5 正交試驗方案和極差分析Table 5 Orthogonal experiment scheme and range analysis

表6 正交試驗方差分析表Table 6 Orthogonal test analysis of variance table

表5中極差R可反映對應(yīng)因子對試驗結(jié)果影響的程度，R值越大則影響程度越大，反之影響越小。通過比較極差R可知，工藝參數(shù)對紗線磨損的影響程度大小排序為長絲線密度>砝碼質(zhì)量>電機(jī)轉(zhuǎn)速，即長絲線密度>牽引力>編織速度。由表6可知，在本試驗范圍內(nèi)，3種因素對斷裂強(qiáng)力損傷率并沒有顯著性影響，相對而言，長絲線密度的影響程度最大，其次是砝碼質(zhì)量，電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響程度最小，這與上述極差分析結(jié)果一致。

由表5還可知，PI長絲在上機(jī)編織時，線密度為111.1 tex的PI長絲表面磨損程度相對22.2和55.5 tex的PI長絲要小得多，也就是說在其他條件不變的的情況下，線密度為111.1 tex的PI長絲的強(qiáng)度利用率更高。而電機(jī)轉(zhuǎn)速即編織速度的改變對長絲的磨損幾乎沒有影響，砝碼質(zhì)量即牽伸力對長絲的磨損也有一定影響。牽伸力越小則長絲的磨損程度越小。但在實際編織時牽伸力過小會引起編織物表面不夠緊密、均勻，影響最終成品質(zhì)量，因此牽伸力的大小要考慮編織實際情況，并非越小越好。

2.2 編織繩節(jié)距與直徑、編織角關(guān)系分析

2.2.1 節(jié)距對直徑、編織角的影響

B、C兩種系列的PI編織繩在不同節(jié)距下的直徑與編織角的擬合曲線如圖6所示。

圖6 編織繩B、C系列的直徑、編織角測量結(jié)果Fig.6 The measurement results of the diameter and braid angle of braided rope B and C series

從圖1和圖6可以看出，同一種線密度長絲的編織繩，隨著編織節(jié)距的增大，直徑和編織角逐漸減小，編織的緊密程度越來越低。這是因為編織節(jié)距越大，纖維與繩索軸向偏離的角度越小，繩索在相同長度內(nèi)的交織點越少、股紗越長，直徑和編織角就越小。從編織實際效果來看，編織繩B6、B7、C4、C5、C6的結(jié)構(gòu)比較松散，編織效果較差；B1和C3的區(qū)別為編織結(jié)構(gòu)，B1為2×2編織結(jié)構(gòu)，C3為1×1編織結(jié)構(gòu)，可以看出2×2編織結(jié)構(gòu)的編織繩在相同編織節(jié)距下比1×1編織的直徑要小。在本試驗范圍內(nèi)，若要編織緊密、均勻的編織繩，使用12股線密度為55.5 tex的PI長絲編織時，編織節(jié)距應(yīng)控制在16 mm以內(nèi)，使用6股線密度為111.1 tex的PI長絲編織時，編織節(jié)距控制在7 mm以內(nèi)。因此，符合本文直徑編織要求的編織繩為B3、C1、C2。

2.2.2 直徑-節(jié)距、編織角-節(jié)距擬合方程

采用Origin軟件對編織繩直徑、編織角與節(jié)距進(jìn)行擬合，擬合回歸方程如表7和表8所示。通過擬合回歸方程得到直徑、編織角與節(jié)距的關(guān)系。其中，R2表示總離差平方和中可以由回歸平方和解釋的比例，R2介于0和1之間，越接近1，擬合效果越好，一般認(rèn)為超過0.8的模型擬合優(yōu)度比較高。

表7 編織繩B、C系列直徑與編織節(jié)距擬合回歸方程

表8 編織繩B、C系列編織角與編織節(jié)距擬合回歸方程

2.3 編織節(jié)距與編織繩拉伸性能關(guān)系

2.3.1 編織節(jié)距對編織繩斷裂強(qiáng)力的影響

編織節(jié)距對B、C系列PI編織繩斷裂強(qiáng)力的影響如圖7所示。

圖7 編織繩B、C系列斷裂強(qiáng)力測試結(jié)果Fig.7 Test results of breaking strength of braided rope B and C series

從圖7可以看出，同種線密度的PI編織繩，隨著編織節(jié)距的增加，斷裂強(qiáng)力不斷增加，但增加程度逐漸減小，當(dāng)編織節(jié)距增加到一定值時，曲線趨于平緩。這是因為編織節(jié)距增大使得編織角減小，從而分散到編織繩軸向的抗拉強(qiáng)力增大，編織繩的強(qiáng)力也增大。對比編織繩B和C系列，當(dāng)節(jié)距相同時，C系列斷裂強(qiáng)力大于B系列，表示1×1編織結(jié)構(gòu)的編織繩的強(qiáng)度大于2×2編織結(jié)構(gòu)，原因可能是相同長度內(nèi)1×1編織結(jié)構(gòu)的交織點更少，因而束纖維的強(qiáng)度利用率更高。以上方案中，編織繩C2的斷裂強(qiáng)力為1 226 N，在直徑為0.9～1.1 mm的編織繩中強(qiáng)力最高。

2.3.2 編織節(jié)距對編織繩斷裂伸長率的影響

編織節(jié)距對B、C系列PI編織繩斷裂伸長率的影響如圖8所示。

圖8 編織繩B、C系列斷裂伸長率測試結(jié)果Fig.8 Test results of breaking elongation of braided rope B and C series

從圖8可以看出，隨著編織節(jié)距的增大，編織繩的斷裂伸長率逐漸減小，斷裂伸長率與編織節(jié)距呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，并趨于一定值。這是因為編織繩的伸長是股紗中單絲的伸長以及纖維自身大分子滑移產(chǎn)生的伸長的總和，隨著編織節(jié)距的增大，編織繩的緊密程度降低，相同長度的編織繩包含的股紗長度較短，在受力拉伸時，伸長率逐漸減小，最終趨于一定值。在相同編織節(jié)距下，編織繩C系列的斷裂伸長率明顯小于編織繩B系列的斷裂伸長率。以上方案中，編織繩C2的斷裂伸長率為5.73%，在直徑為0.9～1.1 mm的編織繩中斷裂伸長率最小。

2.3.3 斷裂強(qiáng)力-節(jié)距、斷裂伸長率-節(jié)距擬合方程

采用Origin軟件進(jìn)行不同線密度PI編織繩斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長率與編織節(jié)距的擬合，擬合回歸方程如表9和表10所示。

表9 編織繩B、C系列斷裂強(qiáng)力與編織節(jié)距擬合回歸方程

表10 編織繩B、C系列斷裂伸長率與編織節(jié)距擬合回歸方程

3 結(jié) 論

(1)長絲線密度越大則其剛度越大且越不易編織。耐磨損試驗發(fā)現(xiàn)，111.1 tex的PI長絲在編織過程中的表面磨損最小，在保證正常編織前提下，牽伸力不宜過大，編織速度對長絲性能幾乎沒影響。

(2)隨著編織節(jié)距的增加，長絲排列的緊密程度下降，編織繩直徑和編織角逐漸減小，最終趨于一定值；對直徑-節(jié)距、編織角-節(jié)距進(jìn)行線性函數(shù)擬合，擬合程度超過0.9。

(3)當(dāng)編織節(jié)距增加時，斷裂強(qiáng)力增加，斷裂伸長率減小，當(dāng)編織節(jié)距增大到一定值時，斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率趨于一定值，對拉伸性能與編織節(jié)距進(jìn)行指數(shù)型函數(shù)擬合，擬合程度超過0.9。同種編織節(jié)距下，對比B和C系列編織繩，C系列的斷裂強(qiáng)力更大，斷裂伸長率更小，力學(xué)性能更好。

(4)綜合直徑為0.9～1.1 mm的編織繩，當(dāng)PI長絲線密度為111.1 tex和編織節(jié)距為5 mm時，編織繩強(qiáng)力為1 226 N，斷裂伸長率為5.73%，編織繩結(jié)構(gòu)緊密且力學(xué)性能最優(yōu)。