（纺织工程专业论文）深皮碗用曲面骨架织物的制备及性能研究[纺织工程专业优秀论文].pdf

末华大攀顿七论盘 深皮碗用嬲面骨架织物的制备及性能研究 播要 橡胶密辩制鼗是整个密封潮菇霹密封醚俘熬一个重要缀成部分， 应用非常广泛，是机电产品防止4 三漏”( 油、水、气) ，保证安全运行， 掇离往麓霸效攀的重要基础元 孛。 密封皮碗，作为橡胶密封制晶的重要一类，数十年来，在机电产 晶的三防方嚣发挥了重要俸用，但菠魂日径移深度上静陵制使皮碗在 密封方面的应用具有檄大的局限性，嚣蓄，哭有一些雷井翡公司怒生 产深度较大的皮碗，国内酱遍只戆生产浅碟型皮礁，深究其原因，主 要是嚣前焉予皮碗费织物在变形对受戮一定的限裁，无法达蓊颈定懿 深度。究其缀因，一方箍，是织物允许的变形爨不够，造成成品出现 玻裂等现象发生，另一方瑟，是当织物变形麴深度较大爱，其在强度 方面就很难满足要求。 针对上述情况，本课题在深入戮究瘦碗辩形及所用织物特点豹基 础上，应用系统设计的思想，通过合理设计平面织物伸长率的方法， 成功地研制溅了成形懿好，外形帮性躲符合要求靛蓝面臀綮事| 辩，突 破了前人认为机织平搿布成型性能麓的观点。 善先，缀据成品力学拣栽要求和楱压时织物态锋长率游特点，选 用了锦纶- 6u d y 长丝为原料，在肖关拉 率理论的指导下，逡彀了合 理的拉伸参数对长丝进褥拉馋，髓鹰又经过捻丝窝并捻重艺，把锦纶 u d y 柬丝镪残了具煮豢 枣长率戆专惩纱线。 然后，利用紧密织物理论，采用两种织物组织形式( 平纹和斜纹) 织得四种规格的织物，再用设计好的模具采用模压方式成型出符合外 形要求的碗状曲面织物，并在万能试验机获得了曲面织物成型时的载 荷一位移曲线，通过对曲线的观察和比较，得出：无论是平纹还是2 2 斜纹织物，模压过程中织物变形都是平稳和比较均匀的，所设计的模 具和模压工艺能够保证获得比较理想的曲面织物。 接下来，针对该曲面织物的最薄弱部位薄薄底部，利用成型时的 模具，在万能试验机上顶破曲面织物的底部，得到相应的载荷位移曲 线，从而能很直观的看出该曲面织物的抗破坏能力。从试验数据得知， 所制得的曲面织物能满足要求的强度要求。 最后，在前人有关顶破强力计算的基础上，建立了模压过程的力 学模型，静态模拟了该过程的载荷一位移曲线，该曲线与真实曲线具 有较好的一致性。这无疑对选用合适的压机和预测估算所成型曲面织 物的抗负荷能力提供更为直接有效的依据。 关键词：深皮碗，曲面骨架织物，模压成形，力学性能，静态模拟 东牛大学硕p 论上 t h et e c h n i c sa n dp r o p e r t yo fc u r v es k e l e t o n m a t e r i a l sf o rd e e pr u b b e rb o 、l a b s t r u c t a sa l li m p o r t a n tp a r to fs e a l i n gp r o d u c t s ，r u b b e rs e a l i n gp r o d u c t s a r ec r u c i a lb a s i ce l e m e n t so fm a c h i n e s ，w h i c hc a l la s s u r et h em a c h i n e s r u n n i n gs a f e l ya n de n l a a n e et h ep e r f o r m a n c ea n de f f i c i e n c yb yp r e v e n t i n g o i l ，w a t e ro rg a sf r o ml e a k i n go u t i nr e c e n ty e a r s s e a l i n gr u b b e rb o w lh a sp l a y e dai m p o r t a n tr o l ei n t h ep r e v e n t i o no fl e a k i n g ，b u ti t s a p p l i c a b l ef i e l d sa r er e s t r i c t e d b y t h e m s e l v e s d i m e n s i o nl i m i t s n o 啊s o m ed e e pr u b b e rb o w l sc a nb e p r o d u c e db y c e r t a i n f o r e i g nc o m p a n i e s ，b u tg e n e r a l l y , d o m e s t i c c o m p a n i e so n l ym a k es h a l l o wr u b b e rb o w l s t h ea b o v es i t u a t i o n sa r e r e s u l t e df r o mt h et e x t i l e sl i m i t a t i o ni ne l o n g a t i o nr a t i oa sr u b b l eb o w l s s k e l e t o nm a t e r i a l s a f t e rt a k i n gt h ea b o v es i t u a t i o n si n t oa c c o u n t , o nt h eb a s i co f s t u d y i n gt h ef e a t u r eo ft h er u b b e rb o w l ，t h i sr e s e a r c ho b t a i n e ds o m e w e l l f o r m e dc u r v es k e l e t o n m a t e r i a l s ，w h i c hh a v et h em e c h a n i c a l p r o p e r t yr e q u i r e d , t h r o u g ht h es y s t e m i cd e s i g no f y a r na n ds h e e tw o v e n e l o n g a t i o nr a t i o ，m o l df o r m i n ge t e t h i si san e w i d e at h a tb r o k et h r o u g h t h et r a d i t i o n a lc o n c e p to f w o v e nf a b r i cp o s s e s s i n gw o r s ef o r m a b i l i t y f i r s t l y , n y l o n - 6u d yw a ss e l e c t e da c c o r d i n gt ot h em e c h a n i c a l p r o p e r t yo fe n dp r o d u c t sa n dt h ed e m a n d o fs h e e tw o v e n h i 曲e l o n g a t i o n 东华大学顾士论文 r a t i o t h e nt h r o u g ht h ep r o c e s s e so fs t r e t c h i n g ，t w i s t i n ga n df o l d i n g , a s p e c i a lp l i e dy a mw a so b t a i n e df r o mt h en y l o n - 6u d y s e c o n d l y , u s i n g t h et h e o r yo fc o m p a c tf a b r i c ，w em a d ef o u r s p e c i f i c a t i o n so f w o v e nf a b r i c s ，w h i c hw e l ef o r m e dt ow e l l f o r m e dc u r v e s k e l e t o nm a t e r i a l sb ym o l d i n g a c c o r d i n g l y , al o a d d i s p l a c e m e n tc u r v e a b o u tt h i sp r o c e s sw a s s i g n e d a f t e rs t u d y i n g a n dc o n t r a s t i n gt h e s ec u i v e s ， t h er e s e a r c ho b t a i n e dt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ：a l lw o v e t if a b r i c sw e r e m o l d e dr e p o s e f u l l ya n de v e n l y , t h ed e s i g n e dm o u l d sa n dm o l d i n g t e c h n i q u e sa r er e a s o n a b l et oe n s u r eo b t a i n i n g ap e r f e c tc u r v em a t e r i a l t h i r d l y , a f e a s i b l et e s tm e t h o df o rt h ew h o l em e c h a n i c a lp r o p e r 分： i ： p r e s e n t e d a c c o r d i n g l y , al o a d - d i s p l a c e m e n tc u r v e di so b t a i n e d f r o m w h i c ht h ep r e s s u r ev a l u ei ss h o w e d f i n a l l y , o n b a s i co f t h ep r i o rr e s e a r c h e r t h e o r i e so nb u r s t i n gs t r e n g t h ， am e c h a n i c sm o d e lw a sf o u n d e d , w h i c hs t a t i c a l l y s i m u l a t e dt h e l o a d - d i s p l a c e m e n tc u l w e a sar e s u l t , t h et h e o r e t i c a l c u r v eh a sg o o d c o h e r e n c ew i mt h er e a lc u r v e a l lt h e s ew o r k sw i l lb et h ee x a m p l e st h a t g i v ed i r e c t i o n so nh o w t os e l e c tp r e s s - m a c h i n ea n dh o wm u c hp r e s s u r e v a l u et h ef o r m e dc u r v ew o v e nc a ne n d u r e m a s t e rc a n d i d a t e ：t m g h u iy a n g ( t e x t i l ee n g m e e r i n g ) s u p e r v i s e db y a s s o c i a t ep r o y u l i n gl i k e yw o r d s ：r u b b e rb o w l ，c u r v es k e l e t o nm a t e r i a l ，m o l df o r m i n g , m e c h a n i c a lp r o p e r t y , s t a t u a r ys i m u l a t i o n 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位敝储躲物畔 日期：。巧年，i 月，日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名仰秽争指导教师签名 日期：年月 日日期： 唔p a f k 东华大学硕上论文 第一章课题的提出和意义 i i 曲面骨架织物概念的提出 曲面骨架织物是指为了满足织物增强复合材料外形的需要，利用平面机织、 针织或非织造布的可成型性，采用各种工艺手段使其呈各种曲面形状。曲面织物 除了具有符合要求的外观外，同时也需有优良的机械物理性能，以满足作为复合 材料增强骨架的要求。其广泛应用在军用头盔、密封皮碗、汽车刹车用制动皮碗 等柔性复合材料中。 本课题提出曲面骨架织物的概念，是为了与立体骨架织物、三维机织物等概 念区分开来。通常，我们把常见的普通织物称为二维织物，其是平面状纤维集合 体。二维复合材料就是把多层二维织物通过分层固结与增强的方式制得的。其通 过多层二维织物在排列方式和结构组合上的改变，达到减小复合后成型织物的整 体各向异性的目的。但其致命的弱点是：层间会剥离或开裂，缺乏繁体性，在承 受弯曲应力或剪应力时容易在层合处开裂。为克服二维织物复合材料层问强度 低的缺点，人们研制开发了三维整体纺织复合材料。立体骨架织物即三维整体纺 织构件作为三维整体纺织复合材料的骨架，由于织物骨架纤维连续而且多方向连 接，使构件的整体性与可靠性大大提高，层间剥离现象己不存在，可以从根本上 解决分层粘合造成的层间开裂现象。这种立体骨架织物使复合材料的增强部分成 为不可分层的整体，具有比强度高、比模量大、可设计性好的优点，同时克服了 层状结构复合材料层间强度低、易冲击损伤的缺点。成型技术可分为机织法、针 织法、编织法和非织造法。相关的结构如下图： 图i - 1 二维机织物截面图图i - 2 多轴向经编织物组织图 东华大学硕上论文 图卜3 三维机织物截面图图l - 4 三维编织物结构图 通过以上各截面图比较，可看出立体骨架织物如图i - 2 ，1 - 3 ，l - 4 。其沿织 物的厚度方向得到了纱线的增强，从而避免了分层现象，提高了织物的整体性能， 但从织物的总体外观看，都脱离不了平面织物的特征。而本课题所指的曲面骨架 织物则是从织物的成型性的角度与平面织物区别开来，曲面骨架织物的外轮廓是 曲面状，如用复合材料制成的头盔，其骨架材料外形与人的头形基本吻合。 曲面骨架织物与立体骨架材料在物理性能方面也有很大的差别。立体骨架材 料的最大特点是在织物的厚度方向得到了纱线的增强，在拉伸、压缩等物理性能 上比普通的平面织物和曲面骨架织物有更多的优势。而曲面骨架材料的性能要求 与其外形和应用环境密切相关，如头盔用曲面织物，要求其与基体复合后的成品 能抵抗外来载荷的突然剧增，且能迅速分散应力，从而达到保护人脑的目的。再 如轮胎，在运行过程中，帘子线经受拉伸，压缩和弯曲应力，骨架材料负荷随轮 胎位置即胎冠、胎侧或胎缘区而变化，轮胎转动产生附加负荷，相当小的转动能 够使骨架材料的负荷有很大增加，这都要求帘子线在满足轮胎的外形要求外，在 强度，耐疲劳度，耐冲击性等方面也要达到相应的标准“。 当然，适当形式的立体骨架织物也能制成曲面骨架织物。如天津工业大学的 相关专家利用一整块纬编双轴向多层衬纱织物( 硒骶) ，无需裁剪一次模压成型， 形成非常光滑而无任何褶皱的盔壳曲面。 1 2 研究皮碗用曲面骨架织物的意义 橡胶密封制品是整个密封制品和密封配件的一个重要组成部分，由于它具 有独特的适应性能，结构简单，便于加工和生产，成本低，具有密封效果好等特 点，应用非常广泛，是机电产品防止。三漏”( 油、水、气) ，保证安全运行，提高 东乍大学硕上论文 性能和效率的重要基础元件。经过近7 0 年的发展，橡胶密封无论是理论或实际应 用均取得了很大发展，密封制品的结构和种类多种多样，密封材料的性能逐渐提 高，密封制品的发展基本上与主机技术的发展同步。但密封技术也面临许多问题， 尤其是近1 0 多年来，宇航技术、电子技术、自动化技术、液压技术等方面的迅猛 发展大大促进了橡胶密封制品的生产和技术的发展，同时也对橡胶密封制品提出 了更高的要求，如耐高压、耐高温、抗辐射等，同时，全世界对环境保护的也非 常重视，这就对密封泄漏量提出了更高的标准，尤其象炼油厂，化肥厂等企业， 在追求经济效益的同时，也应该注重社会效益，在追求性能的同时，也更应注重 安全和环保，这必然对橡胶密封技术提出了挑战。面对挑战，橡胶密封行业不断 地进行技术创新，朝着更高性能不断发展，近年来在材料、结构等方面均取得新的 进展。尽管对开发全新分子结构的高性能材料期望很大，但在已有的基础上进行 改性、制备橡胶复合材料以满足苛刻条件下使用仍是目前主要的研究方向。1 。 目前，用于密封的橡胶制品根据其外形和应用环境以及需要密封的介质的不 同分为很多种，如根据外形可分为u 型、v 型、y 型、鼓型、碗型和唇型等，根据 应用环境的不同，可分为旋转轴端密封件、往复运动用密封件和橡胶制动皮碗等， 各种形式的密封件都有适合自己的应用场合，如y 形橡胶密封件，是往复运动用 橡胶密封的一种，断面为y 形，简称“y 形密封”。一般用于液压或气压传递的操 作系统，在活塞、活塞杆、缸体部位起密封作用。可由高硬度丁腈橡胶模压制成， 或用聚氨酯橡胶浇注成型，也可做成夹布组合型。此种产品结构简单、密封效果 好，在压力增加时有自封作用，但在高压下纯橡胶制品根部易挤出，一般纯橡胶 型y 形密封适用于油压小于1 6m p a 、线速度小于0 5m s 1 、温度为一3 0 1 2 0 的场合嘲再如，u 形橡胶密封，是往复运动用橡胶密封的一种，断面为u 形，简 称u 形密封，其分为橡胶型和夹布型两种，一般夹布型u 形密封往往和一个纯橡胶 支撑环组合使用，这类夹布u 形密封主要用于液压缸的活塞杆和液压塞柱上，介 质为液压油、水和乳化油等。由于胶布具有良好的表面结构，在金属表面滑动时 可保持良好的润滑，降低摩擦和磨耗，提高使用性能，在低压下支撑环对唇部的 预压而有良好的密封，高压下有自封作用。其工作油压一般为2 5m p a ，最高压力 界限为3 5m p a ，线速度为0 5m s - t ，使用温度为- 3 0 1 2 0 ，纯胶型u 形密封 使用条件和y 形密封大体相同还如，旋转轴橡胶密封，是橡胶动态密封圈的一 东牛大学硕j 论文 类，简称“旋转密封”，一般用于各种机械的旋转轴端部，靠密封唇( 面) 对轴表 面可旌加的、均匀分布的径向压力而起密封作用。此类产品包括旋转轴油封、d 形密封、0 形圈等。但它们都存在各种不同的缺陷，如o 型圈，有压缩永久变形、 挤出损伤、扭曲等缺陷，又如唇型密封皮圈，有谷部开裂、扭曲、易挤入间隙等 缺陷，从而失去密封效果”。 解决这些问题的有效途径之一是采用密封皮碗，用隔离的方法来达到密封效 果，由于在某些场合，往往会经受一定的内压的作用，仅仅用橡胶来制作密封皮 碗无法达到预期的效果。例如，橡胶隔膜密封又称橡胶薄膜密封制品、橡胶膜片， 为薄片状橡胶产品。由两面涂胶的单层或多层织物构成，也有纯胶不夹织物的。 按结构形态分为平面膜片、波纹膜片、碟形膜片及滚动膜片：按作用原理分为隔 离膜片、渗透膜片和运动膜片。根据使用条件可选用不同的织物和胶料制造，常 用的有n b r 、p u 、n b r 聚硫橡胶并用胶料，也有用硅橡胶、氟橡胶及氯醚橡胶的。 这种橡胶膜片应具有耐热、耐介质、耐压、耐屈挠和灵敏度高等优点。其制造方 法是将涂胶织物和胶科经裁剪贴合成型后用膜型硫化，平面膜片也可用鼓式硫化 机连续硫化后冲制。橡胶膜片广泛用于工业、交通等部门，可作为仪器、调节器 及其它自动控制系统的敏感元件。其工作温度一般为一5 0 + 1 0 0 ，工作压力为 o o 2m p a t * 1 。再如，广泛应用在汽车气室内的制动橡胶皮碗，或称橡胶隔膜， 也是橡胶隔膜密封制品的一种。它是适用于汽车制动室中起传递压力作用的橡胶 夹织物膜片，是汽车的制动系统的关键安全元件，其工作压力为0 5 o 8l i p a ， 工作温度为一4 0 + 7 0 。一般用n r 及其并用胶料制造，生产采用模型硫化工艺。 本产品有一定的定伸应力、良好的抗动态屈挠性能以及良好的弹性复原性嗍。 以上橡胶皮碗( 隔膜) 是织物增强橡胶复合材料的一种，应用非常广泛。其 由纤维增强材料和韧性橡胶基体组成。与热固性和热塑性基复合材料相比，它具 有较大的变形范围、较高的承载能力和良好的疲劳性能。这种材料还有个明显 的特点，即在低应力作用下呈现低刚度性能，而且在高应力作用下具有相当高的 强度和刚度。橡胶复合材科的高韧性和高强度的特点是通过基体和纤维的配合来 实现的。橡胶具有较大的弹性以承受材料受力时产生的较大变形，增强材料使其 在高应力作用下达到高强度高刚度的效果。这一特点使得密封皮碗不仅在气体加 工、液压等常用设备的密封方面具有较大的应用价值，且在航空航天和汽车上也 东毕大学硕l 论文 将有广阔的应用前景和空间。 但是，在密封皮碗的应用越来越广泛的背景下，在其质量越来越被国内相关 生产、配套、维修和使用厂家所重视的同时，其规格尺寸上的缺陷也越来越明显， 目前，就制动橡胶皮碗而言“1 ，国内厂家生产的橡胶皮碗( 隔膜) 与国外的相比 差距较大，具体来说，一方面表现在：国外的隔膜强度高，使用寿命长，其使用 寿命基本上与气刹总成相同；而国内的橡胶隔膜强度较低，寿命较短，一般在汽 车二保或三保时就要更换。另一方面则是：国内厂家的所能生产的皮碗规格不全， 侧重于生产图1 5 所示的浅碟型皮碗，在深皮碗的设计加工上还存在一定的困难。 而国外厂家，如德国的f r e u d e n b e r g 公司能生产图卜6 的深碟型皮碗”1 。深究其原 因，主要是目前用于皮碗的织物在变形时受到一定的限制，无法达到预定的深度， 一方面，是织物允许的变形量不够，造成成品出现破裂等现象发生，另一方面， 是当织物变形的深度较大后，其在强度方面就很难满足要求。 图l - 5 浅碟型皮碗图l - 6 深磉型皮碗 故要想获得在尺寸上符合要求，同时在性能上也能达到预想目标的较为理想 的密封皮碗，尤其是在开发口径尺寸大且深度较大的深皮碗，其关键和需要解决 的一个难题是皮碗中骨架材料的制作。一般生产的织物呈平面状，而直接织出曲 面状的织物还比较难，浅皮碗中的织物可以利用织物的允许变形在涂橡胶时直接 成形，但深皮碗就需要先将织物变形到符合皮碗基本尺寸，然后再与橡胶粘合 但是，要使一块一般性能的平面织物成型为深碟型皮碗骨架，几乎是办不到， 即使能，也会由于织物的成型性非常有限而出现起拱、起皱、破裂等不正常现象 故要获得理想的深碟型的曲面骨架织物，必须对所用原材料、成纱方法、织物规 格、模具等进行系统分析和设计这将是一件非常有意义的工作，因为该曲面骨 东午大学硕t 论文 架织物的开发，不仅能为成功开发深皮碗铺平道路，而且能为制备其他形状和规 格的曲面骨架材料开辟新的思路。 1 3 课题的提出 针对以上情况，本课题在充分分析深皮碗的成型特点的基础上，采用系统的 思想，从纱线性能的设计着手，力图开发出外形符合要求，性能达到预定目标的 深皮碗。并通过对模压成型过程的研究，获得对开发其他尺寸的曲面骨架织物具 有指导意义的信息。 目前，在国内，东华大学纺织学院李毓陵教授对深皮碗骨架织物已有了相当 的研究1 ，其成功研制出了某进口设备上使用的密封皮碗，口径为4 4 5 咖，深 2 7 r a m 。其外形及运用状态如图卜7 ，1 - 8 所示。而本课题所研制的深皮碗其口径达 1 7 0 咖，深有1 1 5 哪，且要求最终的橡胶皮碗能承受内压为3 4 个标准大气压。 其外形及尺寸如图i - 9 所示。依据皮碗尺寸，不考虑皮碗上半径为1 5 哪的半圆 槽的成型问题，确定出相应的曲面织物的尺寸为：口径为1 7 1 棚，深为1 0 0 m 。 根据曲面织物的尺寸要求，在采用平面机织物成型该曲面材料时，在模压成型过 程中，织物的最大伸长率将达1 2 0 。 i f 川i j 一 叠l 五， 曩o 图1 - 7 皮碗尺寸图1 - 8 皮碗应用示意图 末华太学颈0 豫空 圈l 田曲麟骨架织物缡搀凿 1 4 本课题研究的内容 ( 2 ) ( 3 ) ( 唾 ( 5 ) 擞攮产菇挂嶷瑟裳，遮用台遴戆纾维晶羚，设诗烩当匏热王王艺漉 稷，设计和织制符含要求的缀纬向准同性缆物。 竣诗合璞静织秘嶷形掰燕王楱其，忧纯交影瓣王箨熬定整酶条箨， 麸嚣获缮具有一定搜糍豹夔瑟繁繁榜辩。 对曲面骨架材料加工中的数糕进行合适的处理，找出影响加工及产 熬瞧裁豹主要嚣索，辩其蠹程接替经迸行磷究。 鬏撵产鹣应羁耪轰亵凝求，镟诗一合莲霹弦熬震羹溅试蠢注。 对织物模压成溅过程的力学现象进行初步的研究。 东华大学硕上论文 第二章经纬向准同性布的设计与制备 本课题设计曲面骨架织物的主要思路是：通过原材科的合理选用和加工获得 具有高伸长率和适度强力，适合织造工序加工的纱线，再在织机上加工成经纬向 同性的平面布，然后通过垂直于布面的载荷把平面布模压成符合要求的曲面骨架 织物，为了使模压制品外形尺寸稳定，最后还需对其进行热定型。具体加工流程 如图2 - 1 所示。 图2 一l 曲面骨架织物加工流程豳 2 1 纱线的设计与加工 要获得符合要求的曲面骨架织物，纱线的合理设计和加工是十分关键的，其 包括纱线的原料选用，纱线的结构及性能设计，本课题中，最终用于织造的纱线 的断裂伸长率的设计是加工中考虑的最主要的指标，其次再考虑纱线的强力。原 因是，如果最终的纱线的断裂伸长率小于一定值时，织出的平面织物将无法达到 成型时对纱线伸长的要求。依据所开发曲面织物成型时，平面织物的最大伸长率 东华大学硕士论文 为1 2 0 ，如果忽略纱线在织物中的屈曲，则该织物所用纱线的最小伸长率应达 到1 2 0 以上才能满足要求。 2 1 1 原料的选用 通常用于骨架材料的原料主要有棉纤维、人造丝、锦纶、维尼纶、玻璃纤维、 聚酯和芳纶等，主要起增大制品的强度、承受载荷和保持制品尺寸稳定性的作用。 纵观骨架材料的应用历程“，可看出：扬长避短，最大程度地发挥每一种材料的 独特性能，实现材料性能与产品性能的最佳适应和匹配，在满足产品性能需要的 前提下使产品效益最大化，是任何材料的应用原则。本课题研制的曲面骨架织物 在成型时其伸长率最高达1 2 0 ，且要求成型后的织物具有一定的断裂伸长率和 抗压强度。大变形的特点决定了，不可能选用伸长率很低的棉，人造丝，玻璃纤 维和芳纶，而锦纶的断裂强力和断裂伸长率都比较高，且锦纶的耐疲劳和耐磨性 能颇佳，故锦纶是本课题比较理想的原料。再考虑到目前市场上还没有本课题所 需的这种高伸长的锦纶丝，通过比较锦纶丝的各品种的性能，只能用锦纶的半成 品丝加工得到高伸长率的纱线。故本课题选用的原料为由上海宇航特种化学纤维 厂提供的锦纶- 6 、1 1 5 7 t e x 、4 8 孔u d y 束丝，其断裂伸长率有3 4 6 8 7 ，断裂 强力为l o 3 n 。其拉伸曲线图见图2 - 2 ，获得该曲线的试验条件为：试验夹距为 l o o 岫，拉伸速度为3 0 0 m m m i n ，温湿度条件为标准大气。 八 。 圈2 - 2 锦纶- 6u d y 拉伸曲线图 东毕丈学顾士论文 2 1 2u d y 丝的拉伸工艺 u d y 丝即未取向丝，是用常规法生产的初生丝。由于这种纤维强度低、伸度 大、弹性差等原因，尚不能直接用于纺织加工，还必须对其进行一系列的后加工 处理。其中，拉伸u o y 缝_ 就是改善该种纤维性能的一种常用且有效的工艺手段“ 但是，拉伸工艺随着被拉伸纤维的品种和规格不同而不同，拉伸条件，成品 纤维的结构和性质强烈地依赖于初生纤维的特性。故了解未拉伸纤维的应力一应 变特点有利于我们制定出合理有效的拉伸工艺。 未拉伸纤维拉伸时的形交往往不是很小的，因此，应变e 和由此引起的横截 面的变化将影响拉伸过程中的实际张应力。故须区分真实应力。和常规应力o 。 o 与样品的实际横截面a 有关， o = f a ( 2 1 ) 而o 。与未变形样品的原始横截面a o 有关， o o = f a 。 ( 2 2 ) f 为外加张力。假如样品的体积保持不变，则有 o = r o 。= e x p ( e ) o 。( 2 - 3 ) 相关材料理论认为，当方程式d oo de = o ( 1 ) 或方程式d i n o de = l ( 2 ) 得到满足时的形变是不稳定的：此时纤维的局部细化导致“细颈”产生和应力集 中，最后引起样品断裂。 未拉伸纤维拉伸时的应力一应变曲线主要有两种类型“，如图2 - 3 所示。 图a 曲线呈凹形，在形变情况下材料自行增强，且其模量增加。其常规应力o 。 也随形变单一地增加，而且从不会满足不稳定条件当达到某一最大应力时，形 变是平滑的，没有细颈产生，最后以脆性破坏而结束。 图b 的先凸后凹的s 形应力一应变曲线表征了更复杂的体系，相应的常规应 力曲线显示出极大和极小。而不稳定条件可以在两个不同形变处1 ，2 上得到满 足。在达到l 之前的伸长范围内，形变是均匀的，并伴随模量e 的减小，这种形 变通常是可复的。在1 ，2 之间的伸长范围内，伸长是不稳定的，形交集中于一 个或多个细颈，这细颈随拉伸过程的进展逐渐扩张到整个样品，而细颈和未拉伸 部分的横截面均保持不变在这区域中形变是不可逆的，当达到另一临界处2 东毕丈学硕j 论文 后( 相对应的拉伸比为自然拉伸比) ，进一步的形变又是可逆和均匀的。这是聚 合物材料在不太高的温度，但较玻璃化温度稍高时的最典型的行为。 妻 舅 薹 应 力 长长 具有形变自增强的材料b 细颈型形变 图2 - 3 两类典型材料拉伸图 另外，拉伸温度和拉伸倍率是拉伸工艺的两个非常重要的加工参数，其直接 关系到拉伸的均匀性和最终纱线性能，需合理选择。拉伸温度过低，发生冲击断 裂，使之不可能进行连续拉伸：若拉伸温度过高，肩颈消失，拉伸虽然均匀，但 在极端情况下出现超拉伸行为即尽管发生细化，但不伴有取向度的提高。在中间 温度区间内发生肩颈拉伸时，一般把肩颈点处的局部形变倍率称为自然拉伸比， 如图2 - 3 b 中的点2 ，未拉伸丝的取向度愈高、温度愈高，自然拉伸倍率愈低。当 进行低于自然拉伸倍率的拉伸时，得到混有未拉伸部分的不均一的拉伸丝；若进 行高于自然拉伸倍率的拉伸时，可得均一的拉伸丝。随着拉伸倍数的增大，取向 度也增高，可得强度高的丝。通常，拉伸引起的高取向化也同时伴有结晶化，模 量有增大的趋势。 根据以上化纤拉伸理论，分析图2 屹的拉伸曲线可看出，在拉伸至l o m m 即 伸长率1 0 时出现一波峰，即在此出现一不稳定的拉伸，以后随着拉伸的继续， 曲线呈凹型，到拉伸到大约3 6 5 m m 处出现断裂现象，故可知，原丝拉伸比在1 1 4 6 5 范围内时，拉伸过程是平稳的，且能看出本课题所用的锦纶- 6u d y 丝属于 为形变自增强的纤维。 囊砬力 书蕊应力 东乍大学顾士论文 图2 2 曲线是在标准大气的环境下测得的，考虑到温度，机械状态等因素变 动的影响和最终成纱的性能要求，我们在型号为b a r m i n 9 3 0 1 3 拉伸加捻机上进 行拉伸试验时，热盘温度设为7 1 d ，热板温度为1 0 0 ，选取了1 7 ，1 9 ，2 0 ， 2 2 四种不同的拉伸比。得到四种规格的拉伸丝。再在型号为h d 0 2 1 n 的电子单 纱强力仪上测得这四种拉伸丝的性能，试样夹距为1 0 0 r m ，拉伸速度为 3 0 0 m m m i n ，如表2 - 1 ，其原始数据参见附录1 。 表2 - 1 不同拉伸比下的拉伸丝的性能 拉伸比细度断裂伸长率断裂强力f断裂强度p断裂功w rt e x nn r e xm j 原丝1 1 5 6 63 4 6 8 71 0 30 0 91 9 0 8 2 7 1 77 3 6 61 4 9 3 98 4 20 1 1 49 0 8 7 3 1 96 3 2 71 4 5 5 21 1 0 40 1 7 41 0 8 8 5 8 26 0 1 81 1 7 2 69 8 70 1 6 48 4 1 2 5 2 25 8 5 29 8 5 31 00 1 7 l7 2 3 9 9 从表2 一l 看出，拉伸比r 为1 9 的拉伸丝，与r 为1 7 的相比，断裂伸长率 下降4 ，断裂强力上升了2 6 2 n 即3 0 ：与r 为2 0 的帽比，断裂伸长率大 2 8 ，强力也高1 2 即l - 1 7 n ；而r 为2 2 的断裂伸长率值离要求的1 2 0 较远， 难以获得符合要求的纱线。从以上比较可知r 为1 9 的拉伸丝的性能较佳，将作 为以下加工的主要原料，同时，为了便于比较，选用了r 为2 0 的拉伸丝作为对 照样进行试验。 2 1 3 长丝加捻工艺 现代纺织技术中，加捻是长丝加工的重要加工方法之一，通过加捻，可以改 善丝与丝之间的抱合，改变长丝的排列形态，从而改变长丝的加工性能、使用性 能等。在加工长丝缝纫线、轮胎帘子线等工业用长丝中，常采用初捻、并合、复 捻工序，从而改善捻后长丝的强伸性能和外观“”。 另外，为使曲面织物成型均匀，在把平面织物模压成曲面织物时，织物中的 经纬纱相交处摩擦力要足够大，而没有加捻的长丝表面很光滑，通过加捻就能增 大经纬纱相交处摩擦力，同时也能提高捻后纱线的耐磨性能，这样就能较好地解 决织造过程中长丝纱中的单纱起毛，甚至被磨断的问题。 为此，本课题中，同样为了改善长丝的强伸性能和外观，也采用了初捻，并 东牛大学硕1 论支 合，复捻的长丝加工工艺。 加捻在苏州华飞纺织贸易有限公司生产的h f d k - 2 0 2 花式捻线机上进行，分 别对锦纶长丝进行单纱初捻和双股复捻。该捻线机是采用空心锭的加捻作用给长 丝加捻的n “，即把绕有要加捻的长丝锭管插在空心锭轴上，随空心锭轴的高速 回转，长丝被退绕，每退绕圈就给长丝加上一个捻回。故加工纱线的理论捻度 为： t ：n v( 2 - 4 ) 式中：n 一空心锭管每分钟的回转次数，r m i n ： v - - 第四罗拉处输出丝条的速度，m m i n ； 通过设定花式捻线机的参数，能达到改变锭管速度n 和第四罗拉速度v ，从 而改变捻度值。该捻线机参数设定值越大，所加捻度越小。在设定参数为1 0 、 1 2 的条件下，分别对拉伸比为1 9 、2 0 的拉伸丝加z 捻，得到表2 2 所示性质 的初捻单纱。表中的捻度值是在纱线捻度测试淡上通过直接退捻法测的，细度是 根据绞纱称重法称2 0 米纱重测定的，纱的强伸性能等是在南通宏大h d 0 2 1 n 的电 子单纱强力仪上测得，其试验条件为：试验夹距为l o o m ，拉伸速度为3 0 0 m m i n 。 表2 2 中各指标均为十次测量值的平均值。其原始数据见附录2 和附录3 。 表2 - 2 不同加捻参数下纱线性能表 捻度 细度断裂伸长率断裂强力断裂强度断裂功 种类拉伸比加捻参数 捻，米 t e xnn 他xm j 1 04 5 5 27 0 41 3 5 5 69 3 7 0 1 3 l 8 6 5 0 l 单纱 1 9 1 23 8 5 76 6 9 l1 2 2 7 2 8 8 9 0 1 3 37 2 3 8 3 1 04 8 4 76 4 1 91 1 5 5 89 2 90 1 4 97 7 0 5 加捻丝 2 1 23 8 0 26 3 5 21 0 0 9 99 2 80 1 4 26 7 2 0 5 1 0 ，1 24 5 5 2 ，4 1 2 91 3 7 8 61 2 8 6 91 6 1 9o 1 l l1 3 7 4 4 2 1 9 股线 1 2 1 43 8 5 7 3 3 5 71 3 71 2 9 3 51 7 4 3o 1 2 91 5 0 6 9 1 21 0 1 24 8 4 仍9 5 51 2 5 58 8 9 61 5 7 2o 1 1 61 0 7 1 4 6 从表2 - 2 可看出，经加捻后，单纱的强伸性能有了一定程度的下降，其中， 拉伸比r 值为2 0 ，加捻参数为1 2 的加捻丝的断裂伸长率值明显小于要求值， 故在复捻时不予考虑；拉伸比r 为1 9 ，加捻参数为1 0 的加捻丝的断裂伸长率 明显大于1 2 0 ；1 2 的加捻丝的断裂伸长率、断裂强力f 值分别下降1 7 、2 0 ，但其断裂伸长率值仍大于1 2 0 ；拉伸比r 值为2 0 ，加捻参数为1 0 的加捻 丝的断裂伸长率值略小于1 2 0 ；故选取后三种单丝合股复捻 蘩掰潮褥煞三秽肇丝嚣蘸在菸线镌上蒡线，羚线鞋要没意虢盘攀纱缝结瑗 繁，该缴绪现象严重时会导敬在捻线机士无法复捻，轻则偿得成纱巾一单纱 ；c 搦单纱为芯纱绕在其上，形成不合理的纱线缩 奄，进而影响纱线的联 枣性能和 媾翱绞遣时豹薪头游丘筑缮豹方法主瑟建台壤瓒掇单纱袋力和躐漫井线速度。 把势念嚣豹长丝放在 f 溅0 2 兹式捻线捉上搬王，获簿襄务2 濒示弱三静 般线，篾撩对各类纱的作雳举一，拉律魄r 为2 o 豹断裂律长率氇下酶刭8 8 9 6 ，明显不能满足该课题的纱线伸长率要求；拉伸比r 为1 9 的两类纱的强伸性 簸饕鬻凌逐，考虑囊| 纱线戆捻度在蒺压袋跫蠢器穗骞援大程壤豹下转，鞭建，选 麓拉伸扰r 受1 9 ，擞捻参数趋1 0 1 2 的股线根为下道工序一绞逶用原料，这样， 簸将镰鲶擎掰寒丝澍臻了缮澄为1 3 7 r e x ，凝爱律长率蔻1 2 8 耱鬻，凝襞强力f 为1 6 2 n 的专用纱线。图2 - 4 为该专用纱线的拉伸曲线图。获得该蛆线的试验条 佟失：试凝夹距为l o o n 抛，挝传速度走3 0 0 m m m i n 。 f ， f 爨2 - 4 专矮纱绫痣力撞交踅 _ 豁 薅 0 摇 埔 雅 髓 酣 繇 东毕大学硕i ：论文 2 2 平面织物的设计与加工 根据最后成型的曲面骨架织物是立体圆柱形的，即其外观是旋转对称的，故 所织造的平面织物在主要性能指标，如断裂伸长率，断裂强力方面，尽管不能做 到各p - p 性，也应使经纬向的主要指标间的差异尽可能小，也就是说，平面织物 为经纬向准同性布。这就对平面织物的设计和加工提出了较高的要求 2 2 1 平面机织布结构参数设计 设计准经纬同性布，除了经纬纱所选用的原料，成纱结构应完全一样外，对 织物结构进行合理的设计也极为关键织物结构设计包含织物组织设计和织物 经、纬密度设计。 ( 1 ) 织物组织设计“” 织物组织设计的恰当与否直接影响织物的外观，手感及性能。进行织物组织 设计时，应综合考虑纤维原料，纱线线密度及纱线排列等因素，以取得最佳的综 合效果；应考虑生产条件，如织机类型，综片数，选纬数等。 在本课题中，为了满足后道成型工序的变形要求，主要依据织物组织的经纬 交织点多少，选用了两大基础原组织：平纹和2 2 斜纹。因为平纹组织是所有机 织物中交织点最多的组织，交织点多一方面有利于提高织物断裂强度，另一方面 也使得经纬密度相对较小，导致织物的强度受到一定限制。另外，平纹织物结构 比较稳定，成形时纱线问滑移相对较小且容易变形均匀获得均匀一致的外观效 果。而斜纹组织交织点较少，但可达到较高经纬密度，即相同大小织物的纱线根 数较多，织物强度得到提高。 ( 2 ) 织物经、纬密度设计 由于在后道成型时，相临经( 纬) 纱间的距离会明显增大，即经( 纬) 向密 度会有明显降低，平均为原平面织物经( 纬) 密度的二分之一左右故设计经纬 密度时其密度在工艺可行的条件下应尽可能的大再考虑到准经纬同性的要求， 使得织物的结构相应在第5 结构相附近，且经纬密度大致相等，这才能保证织物 的伸长，强度在经向和纬向大致相同。这里为了客观地对不同织物的紧密程度进 行设计和比较，；j i * t 紧密织物“”的概念紧密织物是指织物中纱线截面呈标 东华人学硕论文 准圆形，经、纬纱都是刚性体，经、纬纱与同一系统纱线之间或与另一纱线系统 之间相互紧靠而不产生压力和形变的织物。其符合直径交叉理论，特征是：在浮 长下的纱线相互贴紧排列；在交叉处，某一系统纱线被另一系统纱线交叉分开的 距离等于另一系统纱线的直径，即交叉处的纱线的中心距为两系统纱线直径之 和。通过从理论上计算相应组织的紧密织物各结构相下的覆盖紧度，可大概估计 织物各结构相下的最大可织密度。对经纬纱直径相同的规则织物，第4 ，5 ，6 结构相下的盖覆紧度见表2 - 3 “”。 表2 3 规则紧密织物4 ，5 ，6 结构相的盖覆紧度值 平纹织物2 2 斜纹织物 结构相 经向( )纬向( )经向( )纬向( ) 45 3 96 4 17 0 17 8 55 7 7 5 7 7 7 3 27 3 2 66 4 15 3 97 87 0 1 纱线直径d 与t e x 的关系式为： 缸= 华1 0 0