間隔織物的研制及其樹脂增強復合材料壓縮回彈性能的研究

謝治云 李文斌 余鵬舉 陳 貝

武漢紡織大學 湖北省紡織新材料與先進加工技術省部共建國家重點實驗室，湖北 武漢 430200

三維紡織復合材料具有輕質、高強、高剛度、抗沖擊等優良的力學性能[1]，在現代輕量化工業發展中的應用正不斷擴大。有研究表明，汽車的車身殼體若采用輕質化的高性能紡織復合材料代替傳統的金屬材料，則其能源的消耗量和二氧化碳的排放量將有效減少。如汽車車身質量每減少100 kg，則燃油量可減少0.3～0.6 L[2]。因此，輕質化的紡織增強復合材料在汽車、民用飛機等交通工具領域的應用已逐漸成為一種流行趨勢。而在眾多的輕質化紡織增強復合材料中，機織間隔織物以其獨特的空芯夾層結構成為了主要的增強材料，并在高性能紡織復合材料預制體中具有巨大的應用潛力。

間隔織物是以接結經紗或織物垂直連接兩個獨立織物面層而形成的一種三維夾芯結構織物[3]。間隔織物的織造方法主要有機織和針織兩種。其中，機織間隔織物中紗線彎曲程度較針織間隔織物的小，故前者可以更好地發揮高性能纖維的優良性能，已被較為廣泛地應用于汽車制造和航空航天等領域[4]。但機織間隔織物中地經紗、緯紗和接結經紗之間復雜的排列與交織結構使得其織造技術相對較復雜。Mountastir等[5]通過在雙劍桿織機上安裝接結經紗送經軸和拉回裝置，以及帶有自動支撐桿的直線輥式卷取機構，研究了一種由織物交叉連接的間隔織物的織造工藝。田飛[6]在改造的SCGA-80雙梭口小樣織機上織造了不同間隔高度和不同接結紗經緯向隔距的間隔織物，且研究結果表明：間隔高度越大的間隔織物，其泡沫填充樹脂復合材料耐沖擊性能越優異；接結紗經緯向隔距越小的間隔織物，其泡沫填充樹脂復合材料耐沖擊性能也越好。張雪飛等[7]在普通織機上織造了3種不同間隔高度的鋸齒形三維機織間隔織物，并探究了其復合材料的彎曲性能。鐘智麗等[8]采用天津工業大學自制的小樣織機織造了三層間隔織物，并利用鋼條定距法控制了間隔織物的高度，其研究成果進一步表明三維間隔織物可以通過改造后的小樣織機織造出。呂麗華等[9]在普通小樣織機上設計并織造了3種截面的間隔織物，也證明了普通小樣織機織造間隔織物的可行性。綜上，間隔織物的織造大多基于改造后的普通小樣織機，且大都重點研究了間隔織物各項參數對其性能的影響，但未就間隔織物的具體設計及織造方法進行詳細介紹。

本文將設計一種面組織為平紋、芯層呈“8”字形的間隔織物，重點分析該織物經向截面中地經紗、接結經紗與緯紗的交織規律，以及投入緯紗與支撐模具的順序，設計了間隔織物上機圖；再以海綿條作為間隔織物上下面層的支撐模具，在SGA589-SD型小樣織機上成功織制了經向截面呈“8”字形的間隔織物；最后利用樹脂對其復合，獲得了形狀穩定的“8”字形間隔織物樹脂復合材料，并對其壓縮回彈性能進行測試和簡要分析。

1 “8”字形間隔織物組織結構的設計與織造

間隔織物組織結構的設計一般涉及上下面層的組織結構和連接層的結構。間隔織物面層組織結構一般選擇平紋、斜紋和方平等較為簡單的基礎組織。其中，平紋組織織物經緯紗交織點最多，所形成的織物平整緊密，整體性好；斜紋組織織物經緯紗交織點少，經向浮線多，織物較為松散[10]；方平組織織物空隙多，結構松軟，其作為間隔織物面層組織結構時還需設計邊組織。故本文選擇平紋作為面層的組織結構。

上下面層的連接主要有紗線連接和織物連接兩種，具體如圖1和圖2所示[11-12]。其中，以織物連接上下面層的間隔織物需通過壓扁-織造-還原法進行織造，這種方法不利于接結織物長度及最終間隔高度的控制；以紗線連接上下面層的間隔織物可通過調節接結經紗的送經量及芯部模具的高度，精確控制間隔織物的高度。本文選擇紗線連接上下面層。

圖1 紗線連接的間隔織物

圖2 織物連接的間隔織物

1.1 “8”字形間隔織物的組織結構設計

圖3為本文設計的以平紋為面組織結構、以紗線連接上下面層的“8”字形間隔織物的一個組織循環結構示意圖。圖3中：數字1、2代表接結經紗；數字3、4、5、6、7、8代表地經紗；帶有圓圈的數字①、②、③等代表緯紗。整個“8”字形間隔織物由地經紗、接結經紗和緯紗相互交織形成的上下面層及中間芯層組成。為了使加入的接結經紗不影響整個“8”字形間隔織物面層平紋的組織效果，接結經紗1、2也作為面層組織的經紗，與地經紗3、4一起參與上下面層平紋組織的循環。因此，單個面層組織所需地經紗與接結經紗根數排列比必須滿足(2n+1)∶1，其中n為自然數。而間隔織物由上下兩個面層組成，故整個“8”字形間隔織物所需地經紗與接結經紗的根數排列比必須滿足2×(2n+1)∶2，其中n為自然數。

圖3 “8”字形間隔織物結構示意

在本文設計的單個組織循環中，經紗根數Rj為8，其中地經紗與接結經紗根數排列比為6∶2，緯紗根數Rw為32。

1.2 參數的設定

本文采用300 tex的玻璃纖維紗(九江聯豐玻纖有限公司)和長高寬為15.0 cm×1.5 cm×1.0 cm的海綿條，在SGA589-SD型小樣織機上，按照表1的織造參數，織制幅寬為10.0 cm，面層經密為100 根/(10 cm)、面層緯密為80 根/(10 cm)，間隔高度為1.5 cm的“8”字形間隔織物。

表1 “8”字形間隔織物的主要織造參數

1.3 織造工藝

1.3.1 上機圖設計

“8”字形間隔織物需要2管緯紗分別參與上下面層的織造。且為了方便織造過程中緯紗的引入，織造時每織兩緯即進行換管換層織造，因此本文設計了圖4 所示的投緯順序。根據設計的面層緯密80根/(10 cm)和模具寬度1.0 cm，在上下面層先各織四緯后，接結經紗開始換層，如此依次交替將上下兩層連接形成間隔織物。其中，當打完第⑨緯時，為了使上下面層之間形成一定的間隔高度，在第⑨緯與第⑩緯之間需手動插入1根海綿條，而此時的綜框處于第⑩緯的提綜狀態，即僅地經紗2和地經紗5的綜頁被提起，地經紗3和地經紗7的綜頁未被提起。因此，本文在第⑨緯打完之后、第⑩緯引入之前，設計了地經紗2、3、5、7的綜頁在上，地經紗1、4、6、8的綜頁在下的提綜狀態，這樣海綿條將被當作一緯參與上下面層的共同織造。接著，在上下面層各織八緯后，即圖4中的第緯后、第緯前，再加入1根海綿條，即一個組織循環共加入2根海綿條。圖5為“8”字形間隔織物織造紋板圖。

圖4 投緯順序及模具插入位置

圖5 “8”字形間隔織物織造紋板圖

1.3.2 織造前準備

1.3.2.1 送經

在“8”字形間隔織物的組織結構中，接結經紗貫穿于織物并連接上下面層，其耗紗量高于地經紗的耗紗量。因此，織造過程中圖3所示的地經紗3、4、5、6、7、8和接結經紗1、2需采用2個送經軸分別進行送經織造。由于本試驗選用的SGA589-SD型小樣織機一般用于織造二維織物，只有1個送經軸，故選擇將實驗室中與該織機相鄰的后方織機的卷布軸作為接結經紗的送經軸，并通過旋轉卷布輥齒輪進行送經。

1.3.2.2 穿綜和穿筘

采用順穿法，先在第1、2頁綜頁上穿入后方織機卷布輥上的2根接結經紗，再在第3、4、5、6、7、8頁綜頁上依次穿入SGA589-SD型小樣織機送經軸上的6根地經紗，并按此方法共穿入50根接結經紗和150根地經紗。再以每筘齒穿入2根經紗的方法進行穿筘。

1.3.2.3 整經

整經應保證地經紗和接結經紗均處于平直的狀態，且張力均勻。正式織造前，先利用起頭紗和支撐齒在小樣織機上以平紋組織結構織幾緯，以形成清晰的織口。

1.3.3 上機織造

在紋版編輯面板中輸入間隔織物的紋版圖。按照圖4中的投緯順序，分別用2管緯紗織造上下面層。在織完第⑨緯和第緯后，適當旋轉接結經紗所在的卷布輥齒輪，以保證接結經紗有足夠的長度以形成1.5 cm的間隔高度，并將準備的海綿條當作1根緯紗引入，以支撐上下面層。織物下機后，抽出海綿條，所得實物照片如圖6所示。

圖6 “8”字形間隔織物下機后實物照片

1.4 織造過程注意事項

玻璃纖維是一種無機非金屬材料，其性脆，耐磨性較差，故在整個織造過程中應避免玻璃纖維與表面粗糙或尖銳的零部件觸碰。

穿綜、穿筘過程中，地經紗與接結經紗需分開放置，以便更好地整經。

織造過程中，所有經紗張力應保持均勻，且每次接結經紗換層時需注意給予相同長度的接結經紗送經量，以保證形成統一的間隔高度。

打緯過程中，2管緯紗各自完成上下面層的織造，故建議將2管緯紗各自編號，避免出錯。

織造過程中，打緯力度需一致，以保證織物緯密均勻。

2 “8”字形間隔織物樹脂復合材料壓縮回彈性能測試

2.1 樹脂復合

樹脂復合是當前制備樹脂復合材料的有效方法，并已在紡織增強復合材料領域廣泛應用。本文選用不飽和聚酯樹脂196作為基體材料，其韌性高，抗沖擊性好，多用于制備玻璃纖維增強復合材料；選用過氧化甲乙酮作為引發劑，以加快樹脂的固化；選用苯乙烯作為稀釋劑，以形成具有一定黏度的樹脂溶液。然后按照m不飽和聚酯樹脂196∶m苯乙烯∶m過氧化甲乙酮=50∶10∶1的比例配制樹脂溶液。再采用手糊成型工藝，利用毛刷將配制好的樹脂溶液均勻涂覆于織造好的間隔織物的上下兩個面層上，樹脂溶液會通過面層的接結經紗滲透到芯層的柱紗中。最后常溫固化2 h，形成的“8”字形間隔織物樹脂復合材料如圖7所示。從圖7可以看出，經樹脂復合后，復合材料整體外觀性好，接結經紗在織物芯層呈明顯的“8”字形屈曲形態。

圖7 “8”字形間隔織物樹脂復合材料實物照片

2.2 壓縮回彈性能測試

參考GB/T 1453—2005《夾層結構或芯子平壓性能試驗方法》標準，先裁剪長寬皆為60 mm的“8”字形間隔織物樹脂復合材料試樣，再將Instron 5943萬能測試儀的平壓測試夾頭裝置更換并調試好，設置壓腳加載速度為4 mm/min。待試樣高度被壓縮75%后停止壓縮，再以相同的速度釋壓返回，共循環測試4次，得到載荷-位移曲線及數據，最后通過提取其中的部分數據繪制得到試樣的壓縮-釋壓循環曲線(圖8)。

圖8 試樣的壓縮-釋壓循環曲線

由圖8可知：壓縮曲線和釋壓曲線均為非線性曲線；4次壓縮-釋壓循環測試后，試樣的最大壓縮載荷由1.8 N降至1.7 N，釋壓曲線的最終位移為2.25 mm，即最終應變為15%。這都表明試樣在壓縮-釋壓循環測試后未能完全回復到初始的空間結構狀態，“8”字形間隔織物樹脂復合材料發生了一定程度的變形。

根據圖8還可計算得到表征該試樣壓縮性能的指標——壓縮比功(即壓縮時壓腳作用力對試樣做的功)、釋壓回復功(即釋壓時試樣的彈性回復功)和壓縮回復率(即釋壓回復功占壓縮比功的百分比)[13]，具體如表2所示。

表2 試樣壓縮性能指標

表2中，試樣在第1次循環測試時壓縮回復率最低，第2、3、4次循環測試時壓縮回復率較接近，且高于試樣第1次循環測試時的壓縮回復率，表明試樣空間結構的形變主要發生在首次壓縮時，隨后其壓縮回彈性能逐漸趨于穩定。

3 結論

(1)通過合理的組織結構及織造工藝設計，結合模具法，可在小樣織機上根據需求織造出尺寸多樣的間隔織物。

(2)樹脂復合可以賦予芯層紗柱良好的“8”字形空間結構形態，從而增強了間隔織物的結構穩定性和外觀整體性。

(3)本文制備的“8”字形間隔織物樹脂復合材料，在經過4次壓縮-釋壓循環測試后，壓縮回彈性能逐漸趨于穩定，其承載的最大應力為1.7 N，最大壓縮回復率為50.14%。