碳纖維復(fù)雜結(jié)構(gòu)機(jī)織物的設(shè)計(jì)與研制*

孫 宏 朱 紅 錢(qián) 坤 李林靜

1.常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 江蘇 常州 213164；2.江南大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 無(wú)錫 214122

碳纖維作為高性能纖維材料中的佼佼者，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、導(dǎo)電、傳熱、減震降噪、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)良特性，其是目前發(fā)現(xiàn)的能在2 000 ℃高溫惰性環(huán)境下唯一不會(huì)降解的物質(zhì)[1-2]。利用碳纖維絲束開(kāi)發(fā)的機(jī)織物結(jié)構(gòu)件經(jīng)復(fù)合加工處理后，在航空航天、軍事、車(chē)船制造、軌道交通等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。如泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司正在開(kāi)展一體化結(jié)構(gòu)3D機(jī)織碳纖維復(fù)合材料避震塔的研究與應(yīng)用探索工作[3]。目前，市場(chǎng)上的碳纖維機(jī)織物組織結(jié)構(gòu)以平紋、斜紋及緞紋為主。復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)的碳纖維機(jī)織物的制備受碳纖維絲束的特殊規(guī)格、織物結(jié)構(gòu)與工藝的優(yōu)化度，以及織造時(shí)設(shè)備的匹配度等因素影響，產(chǎn)品應(yīng)用范圍有限[4-5]。

為進(jìn)一步拓展碳纖維機(jī)織物的應(yīng)用范圍，本文借助半自動(dòng)小樣織機(jī)，對(duì)接結(jié)雙層結(jié)構(gòu)、間隔結(jié)構(gòu)、正交結(jié)構(gòu)和夾芯層結(jié)構(gòu)的碳纖維機(jī)織物的組織結(jié)構(gòu)和織造工藝進(jìn)行優(yōu)化，分析織造關(guān)鍵技術(shù)，以期為碳纖維復(fù)雜結(jié)構(gòu)機(jī)織物的規(guī)模化生產(chǎn)與相關(guān)研究提供參考。

1 原料與紗線(xiàn)規(guī)格

使用的碳纖維絲束規(guī)格為T(mén)300-6K，扁平狀，寬度為2 mm，線(xiàn)密度為397 tex；輔助紗線(xiàn)為軟質(zhì)PVC滌綸線(xiàn)，線(xiàn)密度分別為240 tex和302 tex，用作接結(jié)經(jīng)紗及中層經(jīng)紗或緯紗等的連接線(xiàn)。

2 碳纖維復(fù)雜結(jié)構(gòu)機(jī)織物的組織結(jié)構(gòu)和織造工藝的優(yōu)化

2.1 碳纖維接結(jié)雙層結(jié)構(gòu)機(jī)織物

接結(jié)雙層結(jié)構(gòu)可以增加織物的厚度，且織物中孔隙率小，這將有效提高織物預(yù)制件的防紫外線(xiàn)和防輻射等性能，同時(shí)提升強(qiáng)力和耐沖擊等力學(xué)性能。

設(shè)計(jì)時(shí)，先確定各層經(jīng)緯紗與接結(jié)經(jīng)紗的交織規(guī)律，畫(huà)出接結(jié)雙層結(jié)構(gòu)經(jīng)向剖面示意圖，并由此畫(huà)出織物組織圖。本文研制的碳纖維接結(jié)雙層結(jié)構(gòu)機(jī)織物的組織示意如圖1所示。接結(jié)方法選用接結(jié)經(jīng)接結(jié)法，即除了表經(jīng)和里經(jīng)外，采用另一種經(jīng)紗與表里緯交織，把表里層連接起來(lái)。這種接結(jié)方法可確保碳纖維絲束不會(huì)因表里層接結(jié)而產(chǎn)生彎折，同時(shí)織物結(jié)構(gòu)密而不硬[6]。

圖1 接結(jié)雙層結(jié)構(gòu)組織示意

穿綜采用分區(qū)穿法，即表經(jīng)穿前區(qū)、里經(jīng)穿中區(qū)、接結(jié)經(jīng)穿后區(qū),每筘齒3入。所得織物如圖2所示，其坯布經(jīng)密為122根/(10 cm)、坯布緯密為128根/(10 cm)，成品經(jīng)密為128根/(10 cm)、成品緯密為130根/(10 cm)，成品厚度為2.83 mm。

圖2 碳纖維接結(jié)雙層結(jié)構(gòu)機(jī)織物

2.2 碳纖維間隔結(jié)構(gòu)機(jī)織物

間隔結(jié)構(gòu)機(jī)織物是由經(jīng)向、緯向和厚度方向的三個(gè)系統(tǒng)紗線(xiàn)組成的一種三維空芯機(jī)織物。該結(jié)構(gòu)的織物具有整體性好、質(zhì)量輕及可設(shè)計(jì)性佳等優(yōu)點(diǎn)，可作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體，被廣泛應(yīng)用于航空航天、建筑、船舶等領(lǐng)域。

研制的間隔結(jié)構(gòu)機(jī)織物組織示意如圖3所示，上下兩層均為地組織，故經(jīng)紗系統(tǒng)分為兩組——地經(jīng)系統(tǒng)和間隔經(jīng)紗系統(tǒng)。織造時(shí)，間隔經(jīng)紗通過(guò)W形的運(yùn)動(dòng)規(guī)律將上下兩層連接起來(lái)，形成了整體呈空芯結(jié)構(gòu)的三維間隔機(jī)織物[7]。

圖3 間隔結(jié)構(gòu)組織示意

穿綜采用分區(qū)穿法。由于間隔經(jīng)紗張力比地經(jīng)的小，故間隔經(jīng)紗穿前區(qū)；上層經(jīng)紗穿中區(qū)；下層經(jīng)紗提升次數(shù)少，故穿后區(qū)。每筘齒3入。所得坯布經(jīng)密為122根/(10 cm)、坯布緯密為59根/(10 cm)，成品經(jīng)密為128根/(10 cm)、成品緯密為80根/(10 cm)，成品厚度為2.39 mm。

2.3 碳纖維正交結(jié)構(gòu)機(jī)織物

正交結(jié)構(gòu)機(jī)織物是地經(jīng)紗、緯紗和接結(jié)經(jīng)紗(又稱(chēng)縫經(jīng)、綁定紗)三個(gè)系統(tǒng)的紗線(xiàn)呈正交狀態(tài)配置而組成的。正交結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮碳纖維的優(yōu)勢(shì)特性，提高織物在外力作用下的均勻承載能力。本文采用貫穿正交結(jié)構(gòu)在半自動(dòng)小樣織機(jī)上實(shí)現(xiàn)了織造。貫穿于厚度方向上的綁定紗為織物提供了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，有效增強(qiáng)了織物的斷裂強(qiáng)力和層間剪切強(qiáng)度，賦予了織物較好的抗沖擊能力[8]。

研制的正交結(jié)構(gòu)機(jī)織物的組織示意如圖4所示。

圖4 正交結(jié)構(gòu)組織示意

穿綜采用分區(qū)穿法，接結(jié)經(jīng)紗穿入前區(qū)，地經(jīng)紗穿入后區(qū)，每筘齒2入。所得坯布經(jīng)密為84根/(10 cm)、坯布緯密為118根/(10 cm)，成品經(jīng)密為88根/(10 cm)、成品緯密為120根/(10 cm)，成品厚度為2.86 mm。

2.4 碳纖維夾芯層結(jié)構(gòu)機(jī)織物

設(shè)計(jì)的夾芯層結(jié)構(gòu)機(jī)織物為三層組織結(jié)構(gòu)，通過(guò)一定的規(guī)律將三個(gè)單層接結(jié)在一起，所得產(chǎn)品厚實(shí)、耐磨，且具有很好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[9]。設(shè)計(jì)時(shí)，夾芯層紗線(xiàn)均為302 tex的軟質(zhì)PVC滌綸線(xiàn)，表層、里層紗線(xiàn)均為397 tex的 T300-6K碳纖維絲束。為避免碳纖維絲束因彎曲而折斷，接結(jié)方式采用中間層接結(jié)表里層。

圖5 夾芯層結(jié)構(gòu)組織示意

穿綜采用分區(qū)穿法，表經(jīng)穿前區(qū)、里經(jīng)穿中區(qū)、接結(jié)經(jīng)穿后區(qū)，每筘齒穿入數(shù)為3。所得織物效果見(jiàn)圖6，坯布經(jīng)密為149根/(10 cm)、坯布緯密為205根/(10 cm)，成品經(jīng)密為156根/(10 cm)、成品緯密為210根/(10 cm)，成品厚度為3.52 mm。

圖6 碳纖維夾芯層結(jié)構(gòu)機(jī)織物

3 織造關(guān)鍵技術(shù)分析

碳纖維絲束呈扁平狀，有一定寬度且表面光滑，這使得其在半自動(dòng)小樣織機(jī)上進(jìn)行織造有一定的難度。因此，為了確保產(chǎn)品的質(zhì)量，織造的關(guān)鍵在于準(zhǔn)備階段經(jīng)紗的張力控制及預(yù)處理，送經(jīng)階段經(jīng)紗的平順輸出，以及對(duì)綜絲和鋼筘的改進(jìn)等。

3.1 準(zhǔn)備階段

為確保經(jīng)紗張力均勻，整經(jīng)時(shí)碳纖維絲束需輕輕地從紗筒上退繞下來(lái)，輕剪后平放。

為了避免碳纖維絲束在后續(xù)織造過(guò)程中因絲束與絲束、絲束與綜眼、絲束與筘齒之間摩擦過(guò)度而出現(xiàn)拉絲、斷紗等情況，織造前應(yīng)對(duì)準(zhǔn)備好的碳纖維絲束經(jīng)紗進(jìn)行預(yù)浸上漿處理，即將海藻酸鈉上漿劑均勻涂抹于經(jīng)紗表面，靜置一段時(shí)間使碳纖維絲束自然晾干。上漿后的碳纖維絲束較未上漿的碳纖維絲束硬挺且表面平滑，不毛糙，這有利于保證開(kāi)口清晰，易于織造。

3.2 送經(jīng)階段

在后梁到胸梁的位置搭建一個(gè)輔助平臺(tái)，并在原有后梁裝置的系紗帶處配置一導(dǎo)桿，起承托經(jīng)紗、平衡張力、使經(jīng)紗自然伸直的作用。后梁上固定碳纖維絲束經(jīng)紗時(shí)，將碳纖維絲束頭端對(duì)齊，用雙面膠將頭端粘在光滑的圓桿上，再用白布包裹保護(hù)，這樣能確保送經(jīng)時(shí)經(jīng)紗整體輸出，且不互相糾纏。

3.3 穿綜與穿筘

穿綜環(huán)節(jié)可使用鑷子作為輔助工具。每根碳纖維絲束依照穿綜順序輕輕地穿入綜眼，再按照穿筘規(guī)則穿過(guò)鋼筘。穿好后的碳纖維絲束放置于平臺(tái)上，再將絲束整理好粘平，最后通過(guò)卷繞使穿好的絲束自然繃直。

雖然常規(guī)綜絲孔眼直徑約為2 mm，能滿(mǎn)足扁平狀的T300-6K碳纖維絲束的寬度要求，但為了增加碳纖維絲束的活動(dòng)空間，可通過(guò)定制4 mm×4 mm的方孔綜絲，或購(gòu)買(mǎi)方孔閉環(huán)，再使用軟質(zhì)PVC滌綸線(xiàn)將方孔系在綜框上制成特殊綜絲，以確保織造時(shí)碳纖維絲束保持平整。

選擇筘號(hào)時(shí)，應(yīng)根據(jù)經(jīng)紗線(xiàn)密度、經(jīng)紗密度、織物組織及每筘穿入數(shù)等加以確定。本文研制的產(chǎn)品所用筘號(hào)規(guī)格均為40齒/(10 cm)，滿(mǎn)足T300-6K碳纖維絲束在半自動(dòng)小樣織機(jī)上織造的需求。從制作的產(chǎn)品效果來(lái)看，間隔結(jié)構(gòu)和正交結(jié)構(gòu)的機(jī)織物中碳纖維絲束較緊密，布面有磨損起毛的現(xiàn)象，建議在上漿和穿筘等環(huán)節(jié)做進(jìn)一步的優(yōu)化。

4 結(jié)語(yǔ)

以碳纖維絲束為主要原料、以軟質(zhì)PVC滌綸線(xiàn)為輔助材料，利用半自動(dòng)小樣織機(jī)進(jìn)行接結(jié)雙層結(jié)構(gòu)、間隔結(jié)構(gòu)、正交結(jié)構(gòu)、夾芯層結(jié)構(gòu)的碳纖維機(jī)織物的設(shè)計(jì)與研制，得出：

(1)組織設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先清楚織物的結(jié)構(gòu)特征，再結(jié)合層數(shù)、各層經(jīng)紗或緯紗的配置及基礎(chǔ)組織，設(shè)計(jì)經(jīng)紗繞緯紗運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)圖，再根據(jù)紗線(xiàn)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)圖確定織物組織圖。

(2)考慮到碳纖維絲束的脆性，故選擇柔韌性好、強(qiáng)力佳的軟質(zhì)PVC滌綸線(xiàn)作為輔助材料對(duì)各層進(jìn)行連接加固。

(3)復(fù)雜結(jié)構(gòu)機(jī)織物多在兩層以上，與單層織物相比，其厚度有所增加。因此，為避免織造過(guò)程中碳纖維絲束與絲束、絲束與綜絲、絲束與筘齒之間過(guò)度摩擦，應(yīng)嚴(yán)格控制張力，并采用合適的漿料對(duì)絲束預(yù)浸，搭建從后梁到胸梁處的承載平臺(tái)，選用特制的綜絲或鋼筘，采用分區(qū)穿法進(jìn)行穿綜等措施，加以控制和改善。