（纺织工程专业论文）高模量纤维针织编织过程的研究.pdf

一一 _i，i十?，1|j j 学位论文的主要创新点 fr l l l f f l f r f r f r l f rrlfl f f r lf r r r l rffrrrlrr r l 0 y 18 7 9 0 9 2 一、提出了测试高模量纤维针织编织性能的方法，利用针织编织过 程中高模量纤维线圈圈干曲率半径随织针针头所在位置的变化规 律来研究高模量纤维的针织编织性能。 二、采用图像处理及分析软件，结合数值分析知识，编写程序，求 得了针织编织过程中高模量纱线线圈圈干曲率半径值。 三、采用上述的课题思路和图像处理与分析的方法，具体测量分析 了高模量纤维( 碳纤维、高强聚乙烯纤维和不锈钢纤维) 的针织 编织成圈过程的各个阶段线圈圈干曲率半径随织针针头所在位置 的变化规律，得到了一些有价值的结论，为优化高模量纤维针织 编织工艺参数打下了基础。 摘要 高模量纤维因其本身独特的理化性能，而成为复合增强材料的首选原料。近 年来，针织结构本身的弹性、能量吸收性及可成形性越来越受到人们的青睐。高 模量针织复合增强材料具有广阔的应用前景。然而，高模量纤维的高强度高模量 特性和针织结构的编织工艺过程造成了使用高模量纤维顺利完成针织线圈结构 的编织难度很大。国内外学者们已对高模量纤维( 主要是玻璃纤维) 的针织编织 性能做了一些研究，而对碳纤维和高强聚乙烯纤维的针织编织性能研究的参考文 献较少。本课题针对高模量纤维特别是碳纤维在针织编织成圈过程中线圈形态的 变化，编织工艺参数优化等方面的内容进行研究。 本研究结合材料力学弯曲理论和纺织材料物理，探讨了纱线的弯曲性能；分 析了针织编织成圈过程：研究了纱线弯曲性能对针织编织成圈过程的影响。在此 基础上提出了通过观察测量编织成圈过程中纱段弯曲极小值的变化规律来研究 纱线的针织编织性能。 在本研究中选用碳纤维、高强聚乙烯纤维、不锈钢单丝和普通毛纱四种纱线 为原料，在机号为e 7 的手动横机上分别编织三种不同弯纱深度值的纬平针组织 和1 1 罗纹组织。利用数码相机静态拍摄特定织针的编织成圈过程得到图片， 采用m a t l a b 图像处理和多项式拟合程序得到各种纱线在不同编织工艺参数下各 个阶段线圈圈干曲率半径值，得到高模量纱线线圈圈干曲率半径随针织针头所在 位置的变化曲线。从分析纱线特性、弯纱深度和组织结构三个方面比较分析纱线 线圈圈干曲率半径的变化规律，得出纱线特性和弯纱深度是影响高模量纤维编织 性能和编织过程的结论，其中纱线的抗弯刚度和摩擦因数是纤维特性中影响高模 量纱线能否编织的关键因素：组织结构对高模量纱线的针织编织性能也有影响， 且因纱线种类的不同其影响程度有所不同。 本研究通过对高模量纤维针织编织过程的分析和探讨，为进一步优化高模量 纤维的针织编织工艺，改进织物性能，为高模量纤维在纬编针织结构增强复合材 料中的应用打下基础。 关键词：高模量纤维，线圈圈干，曲率半径，针织编织成圈过程，图像处理分析， 曲线拟合 1j一_1 r，l11月1 a b s t r a c t h i g h - m o d u l u sf i b e r sa r ep r e f e r r e dm a t e r i a l sf o rp r o d u c i n gt e x t i l er e i n f o r c e d c o m p o s i t e sb e c a u s eo ft h e i ru n i q u ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s i nr e c e n ty e a r s ， s o m ep r o p e r t i e so fk n i t t e ds t r u c t u r e ss u c h 硒l o wr e s i s t a n c et od e f o r m a t i o n ，e n e r g y a b s o r p t i o n ，a n ds h a p ef o r m a b i l i t ya t t r a c t r e s e a r c h e r s a t t e n t i o n t h ec o m p o s i t e s r e i n f o r c e db yu s i n gk n i t t e ds t r u c t u r ea n dh i g h - m o d u l u sf i b e r sh a v eb r o a da p p l i c a t i o n p r o s p e c t s h o w e v e r ，h i g hs t r e n g t ha n dm o d u l u sc h a r a c t e r i s t i c so fy a m sa n dk n i t t i n g p a r a m e t e r sa sw e l la sf o r m a t i o np r o c e s s i n gl e a dt os o m ep r o b l e m sr e l a t e dt of i b e r k n i t t a b i l i t y a tp r e s e n t , t h e r ea r es o m el i t e r a t u r e sr e f e r e n c e sa b o u tt h ek n i t t a b i l i t yo f t h eh i i g hm o d u l u sf i b e r s ，a n dm o s to ft h e ma d o p t e dt h eg l a s sf i b e r sa sm a t e r i a l ，o n l y f e wa r ea b o u tt h ek n i t t a b i l i t yo ft h ec a r b o nf i b e r sa n do t h e rh i g h - m o d u l u sf i b e r s i n t h i ss t u d y , s o m ek n i t t e df a b r i c sw e r ep r o d u c e db yu s i n gh i g h - m o d u l u sf i b e r s ( i n c l u d i n gc a r b o nf i b e r ) f o ro b s e r v i n gt h ek n i t t i n gp r o c e s s i n g ，i n v e s t i g a t i n gt h e k n i t t a b i l i t y , a sw e l la sf i n d i n gt h eo p t i m a lk n i t t i n gp a r a m e t e r s i n t h i ss t u d y , y a mb e n d i n gb e h a v i o rw a ss t u d i e db a s e do nt h em e c h a n i c a l b e n d i n gt h e o r ya n dt e x t i l ep h y s i c s ；k n i t t i n ga c t i o nw a sa n a l y z e d ；a n dt h ei n f l u e n c e so f y a mb e n d i n gp r o p e r t i e so nt h ek n i t t i n ga c t i o nw a sa l s od i s c u s s e d b a s e do nt h e s e i n v e s t i g a t i o n s ，a na p p r o a c hw h i c hs t u d y i n gt h ef i b e r ( y a m ) k n i t t a b i l i t yb yo b s e r v i n g a n dm e a s u r i n gt h ec h a n g eo ft h em i n i m u mv a l e so fl o o ps h a p e dy a ms e c t i o nd u r i n g k n i t t i n gp r o c e s s i n gw a sp r o p o s e d i n t h i ss t u d y , c a r b o nf i b e r , t h eh i g h s t r e n g t h a n dm o d u l u s p o l y e t h y l e n e ( u h m w - p e ) f i b e r ；s t a i n l e s ss t e e lf i b e ra n d w o o ly a mw e r es e l e c t e da n du s e d p l a i n k n i t t e ds t r u c t u r ea n dl lr i bs t r u c t u r ew e r ep r o d u c e dw i t haf l y i n gt i g e rf t - 1 6 8 h a n d - d r i v e nv - b e df l a tk n i t t i n gm a c h i n e ( w i t h o u t p r e s s e rf o o t ) w h o s eg a u g ei s7 n p i a n dw o r k - w i d t hi s4 2 ”i m a g e so ft h ek n i t t i n ga c t i o nw e r et a k e nb yu s i n gad i g i t a l c a m e r a d u r i n gt h ek n i t t i n ga c t i o n ，t h ef o r m a t i o no f n e e d l el o o p sw e r et r a n s f e r r e dt oa p ca n da n a l y z e db yu s i n gt h ei m a g ep r o c e s s i n ga p p r o a c h t h ec u r v a t u r er a d i u so ft h e n e e d l el o o pw a se x a m i n e da n dr e g r e s s e dw i t ht h ep o l y n o m i a lf i t t i n gm e t h o d f i n a l l y , w eg o tt h ec h a n g eo ft h en e e d l el o o pc u r v a t u r er a d i u sb yu s i n gt h ee x c e ls o t t w a r e t h e nt h ec u r v e sw e r ed r a w na n da n a l y z e da c c o r d i n gt ot h r e ea s p e c t s ：y a r np r o p e r t i e s ， d s cv a l u ea n dt h es t i t c hs t r u c t u r e t h ec o n c l u s i o ni st h a tt h ed s cv a l u ea n dy a r n p r o p e r t i e sh a v ei n f l u e n c e so nf i b e rk n i t t a b i l i t ya n dk n i t t i n ga c t i o n ，t h ey a r nb e n d i n g m o d u l u sa n df r i c t i o nf a c t o ra r et h ek e yf a c t o r st h a ta f f e c tt h ek n i t t a b i l i t yo fh i g h m o d u l u sf i b e r s ；k n i t t i n gs t r u c t u r e sa l s oh a v ev a d o u se f f e c t so nt h ek n i t t a b i l i t yo f h i g h m o d u l u sy a r na c c o r d i n gt of i b e rt y p eu s e d t h i si n v e s t i g a t i o np r o p o s e sa na p p r o a c hf o ra n a l y z i n gt h ek n i t t i n ga c t i o no fh i g h m o d u l u sf i b e r s i tm a yb eab a s i sf o rf u t u r es t u d yo nt h eo p t i m i z a t i o no fk n i t t i n g p a r a m e t e r s ，i m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo fr e s u l t a n tk n i t t e df a b r i c s ，i n c r e a s i n gt h e a p p l i c a t i o no fk n i t t e ds t r u c t u r er e i n f o r c e dc o m p o s i t e s k e y w o r d s ：h i g hm o d u l u sf i b e r , n e e d l el o o p ，c u r v a t u r er a d i u s ，k n i t t i n ga c t i o n ，i m a g e p r o c e s s i n ga n da n a l y s i s ，c u r v ef i t t i n g 目录 第一章绪论。l 1 1 高模量纤维的特点及应用l 1 2 针织物的发展及特点2 1 3 高模量纤维针织编织性能的研究概述一3 1 3 1 高模量纤维编织性能已有的研究3 1 3 2 高模量纤维的编织工艺难点5 1 3 3 高模量纤维针织编织性能的影响因素5 1 3 4 高模量纤维编织性能的评价6 1 3 5 改进高模量纤维针织编织性能的方法6 1 4 本课题研究的意义、内容及方法7 1 4 1 本课题研究的意义7 1 4 2 本课题研究的内容及方法7 第二章碳纤维纬编针织物编织工艺的研究9 2 1 碳纤维及纱线性能9 2 1 1 碳纤维的制备及结构9 2 1 2 碳纤维的分类及性能1 0 2 1 3 碳纤维的力学性能1 0 2 2 织物组织结构的选择及性能分析1 l 2 2 1 纬平针组织1 2 2 2 2 罗纹组织1 2 2 3 手动横机编织工艺的选择1 3 2 3 1 编织设备。1 3 2 4 编织工艺参数的选择l5 2 4 1 给纱张力。1 5 2 4 2 对成圈机件表面的要求1 5 2 4 3 弯纱深度1 6 2 4 4 牵拉力l6 第三章弯曲理论。：1 7 3 1 经典力学弯曲理论1 7 3 1 1 纯弯曲的概念17 3 1 2 纯弯曲时梁横截面上的正应力1 7 3 1 3 表征材料弯曲变形的物理量19 t 3 2 纱线的弯曲性能1 9 3 2 1 纱线弯曲理论1 9 3 2 2 纱线弯曲变形的测量方法与理论研究2 1 3 2 3 影响纱线弯曲性能的因素2 3 3 3 手动横机针织过程分析2 4 3 3 1 手动横机编织成圈时三角的协同作用2 4 3 3 2 手动横机针织成圈过程分析2 4 第四章图像处理技术研究高模量纤维的编织过程2 9 4 1 数字化图像处理技术在针织上的应用2 9 4 2 图像处理与分析方法可行性探讨3 0 4 2 1 图像处理与分析方法的设计思路3 0 4 2 2 图像处理与分析方法的可行性分析3 0 4 3 图像处理与分析法研究高模量纱线线圈圈干曲率半径3 l 4 3 1 图像的摄录。3 2 4 3 2 图像预处理。3 2 4 3 3 图像二值化3 4 4 3 4 二值形态学细化操作3 4 4 3 5 曲线拟合。3 5 4 3 6 计算圈干曲率半径3 7 4 4 高模量纤维针织编织过程的实验设计3 8 4 4 1 实验材料和图像获取装置3 8 4 4 2 编织工艺3 9 4 4 3 线圈圈干曲率半径的获得步骤3 9 4 5 实验结果和分析4 0 4 5 1 用图像表示的针织成圈过程4 0 4 5 2 对纱线线圈曲率半径的分析。：。4 l 第五章结论51 参考文献。5 3 发表论文和参加科研情况说明5 7 致谢5 9 i i 第一章绪论 第一章绪论 随着科技的不断发展和进步，科技部门对纤维材料性能的要求越来越高，近 年来，高强度、高模量、耐高温、耐化学腐蚀的纤维材料越来越受到青睐。以高 强高模纤维为增强材料的复合材料已广泛用于航空、航天、民用建筑、体育休闲 和医疗等领域。传统的复合材料增强结构主要为机织物和编织物，针织物由于 其自身的线圈结构决定了其相比较机织物而言容易变形，限制了其在增强复合材 料方面的发展。然而针织结构本身的弹性、能量吸收性、抗冲击性和可成形性等 优点是其它织物无法比拟的乜1 。复合材料的强度主要取决于增强部分的强度，要 使针织结构在复合增强材料中得到广泛应用，必须将高强度高模量纤维应用于针 织结构中。针织物编织成圈的结构特点决定了纱线需要经受反复的弯曲、拉伸和 摩擦，这就要求纱线本身具有一定的弹性和延展性。高强度高模量纤维具有较高 的抗弯刚度，编织针织结构有很大困难。因此高模量纤维针织编织成圈过程的研 究为高模量纤维在针织增强结构中的应用提供了客观依据，有利于高模量针织增 强复合材料的发展。 1 1 高模量纤维的特点及应用 高模量纤维一般是指断裂强度大于1 8 c n d t e x ( 2 0 9 d ) 并且初始模量大于 4 4 l c n d t e x ( 5 0 0 9 d ) 的特种纤维。有机高强度高模量纤维主要有全芳香族聚酯纤 维、对位芳纶( 聚对苯二甲酰对苯二胺) 、超高分子量高强聚乙烯纤维和聚苯并 双恶唑( p b o ) 纤维等，无机高强度高模量纤维主要有碳纤维、碳化硅纤维、硼 纤维等b 1 。 到目前为止，国内外学者己研究成功并逐步具备规模生产能力的高模量纤维 主要有高强涤纶、玻璃纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯、聚丙烯腈基碳纤维等。 以高强度高模量纤维为增强基体的纺织复合材料，广泛应用于航空、航天、环境 保护、医疗卫生、体育器材等方面。 下面重点介绍几种常用的高模量纤维及应用母引： ( 1 ) 碳纤维：由于其本身的高强度高模量，尺寸稳定性好等优点，碳纤维 和碳纤维产品代表着一种新的产业用纺织品类，在多个领域得到应用。 ( 2 ) 芳纶纤维：芳纶纤维即芳香族聚酰胺纤维，是以芳香族化合物为原料 经缩聚纺丝制得的合成纤维。芳纶纤维主要分为两种，对位芳酰胺纤维( p p t a ) 天津工业大学硕士学位论文 和间位芳酰胺纤维( p m i a ) 。其中应用最广泛的为美国杜邦公司开发的商品 名为k e v l a r 的聚对苯二甲酰对苯二胺纤维，在过去三十年的时间里，芳纶纤 维走过了从军用战略物资向民用物资过度的过程。到目前为止，国外芳纶 纤维的研发水平和规模化生产已趋于成熟。它不仅具有超高强度、超高模量、 耐高温、比重轻，耐酸碱性等优点，而且还具有耐屈折性和加工性能好的特点。 以芳纶纤维作为增强基的复合材料应用范围很广泛，产品从军用方面的飞机、火 箭的结构材料到民用方面做滑雪板，汽车轮胎帘子线等。 ( 3 ) 超高分子量聚乙烯纤维：超高分子量聚乙烯纤维( u h m w p e ) 又叫直链 聚乙烯纤维，是由平均相对分子质量在1 0 0 万以上的聚乙烯溶液凝胶状纺丝而得 的纤维。8 0 年代实现工业化生产。超高分子量聚乙烯纤维最显著的性能为耐冲击 和耐疲劳。此外，它还具有高强度、高模量、良好的耐化学性和高能量吸收性等 优异性能。但是由于其本身的化学组成中只含有亚甲基基团，所以本身极高的非 线性使得它难于同基体发生化学键合，再在加之纤维本身的低熔点，限制了其在 复合材料中的应用。目前超高分子量聚乙烯纤维主要应用在防护和绳索领域。 ( 4 ) 玻璃纤维：玻璃纤维是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝 而得到的纤维材料。其优点为高强度高模量、绝缘性好、耐热性好、耐腐蚀性好， 弹性模量高，是完全弹性体；缺点为材质较脆，耐磨性较差。玻璃纤维种类很多， 按照组成、性质和用途可以分为a 一玻璃纤维、e 一玻璃纤维、l 一玻璃纤维和s 一 玻璃纤维，其中e 一玻璃纤维应用最普遍，主要用于电绝缘材料。a 一玻璃纤维 用于生产增强材料。其优异的性能加之尺寸稳定性好的特点使它主要作为纺织增 强复合材料广泛应用于的军工、空间、防弹盔甲及运动器械等领域。 ( 5 ) 聚苯并双恶唑( p b o ) 纤维：1 9 9 8 年，日本东洋纺展出的商品名为 z y l o n 的p b 0 纤维，在性能方面超过了k e v l a r 。p b o 纤维具有四大特点，即高强 度、高模量、耐热和阻燃。p b o 纤维的强度和模量超过了目前研发的所有的高 性能纤维，其耐热和阻燃性在高性能纤维中也较优异。它主要的用途为超高温环 境和作为增强材料应用于复合材料领域。 1 2 针织物的发展及特点 针织物是利用织针把纱线弯成线圈并将其相互串套而成的织物。根据工艺特 点不同，针织物分为纬编针织物和经编针织物。针织产品按应用领域可分为服用、 装饰用、产业用三类。近年来，新型化纤原料的不断出现、对现有纤维进行改性 变性处理、数字自动化针织设备的研发成功以及针织物后整理技术的提高，促进 了针织产品的开发和性能的改进，也扩大了针织品的应用领域。在服用方面，针 2 第一章绪论 织产品已从传统的内衣进入到休闲服和时装领域，并朝着全成形性、舒适性和功 能性等方向发展。装饰用针织品结构和品种日趋多样化，其性能可以满足不同方 面的要求，特别是经编针织物在装饰方面的发展空间很大。此外，由于针织结构 具有优异的弹性，能量吸收性，悬垂性和可成形性对产业用纺织品有更强的适用 性能，也为生产复杂形状的纺织复合材料构件提供了新的方案。产业用针织品所 占的份额有越来越大的增长趋势，特别是以高强高模纤维为原料编织的针织增强 复合材料，发展势头很大，已成为产业用纺织品发展的一个热点n 1 。 1 3 高模量纤维针织编织性能的研究概述 1 3 1 高模量纤维编织性能已有的研究 高模量纤维其本身的高强高模、不易弯曲等特性造成了特殊的编织成圈的工 艺难度而且很容易造成针织机器部件的损伤。所以，近年来，学者们对高模量纤 维的针织编织性能做了很多的研究。 1 9 9 4 年l 锄a n dd i a s 首次试图评价高模量纤维的可编织性。他们研究了高模 量纱线的勾结强力与针钩直径的关系及高模量纤维的摩擦性能：利用电子显微镜 分析了玻璃纤维和芳纶纤维针织物的线圈形态；提出了改进高模量纤维编织性能 的三种方法，即采用步进电机控制纱线输入速度，进而减小纱线的输入张力；在 高模量纱线的表面涂润滑剂，减小纱线的摩擦力；改进编织成圈三角的角度使得 编织区域内的织针数减少进而减少纱线与成圈机件之间的包围角总和，以降低弯 纱张力旧。他们较成功的研究了高模量纱线的编织性能，这为以后高模量高性能 纤维的研究提供了方法和思路。 2 0 01 年s a v c i 等人在( k n i t t a b i l i t yo fg l a s sf i b e rw e f t k n i t t e dr e f o r m sf o r c o m p o s i t e s ) ) 中从两个方面研究了玻璃纤维的编织性能。一是从编织机器状态和 编织织物的组织结构方面寻求最佳编织工艺参数。二是利用图像分析方法和电子 显微镜技术通过分析玻璃纤维的破坏和织针的磨损情况来评价玻璃纤维的编织 性能b 1 。 国内对高模量纤维特别是玻璃纤维的可编织性能也做了多方面的研究和探 讨。 2 0 0 1 年，龙海如探讨了玻璃纤维横机针织物的编织工艺，他选用两种不同 捻度的玻璃纤维，从玻璃纤维本身存在的编织成圈的难点出发，通过多次试验， 得出手摇横机和电脑横机编织玻璃纤维的最佳编织工艺参数n 引。此文献是国内较 早对玻璃纤维编织性能进行研究的文献，默文中没有探讨玻璃纤维编织过程中 受力情况及损伤情况，但此文引起了国内学者对研究高模量纤维编织性能的兴 3 天津工业大学硕士学位论文 趣。 2 0 0 4 年，朱梅正式把玻璃纤维编织性能的研究作为一个课题，全面系统的 研究探讨了玻璃纤维在手摇横机上的编织性能。他的研究创新点在于利用强力损 伤率方法来定量评价玻璃纤维的损伤程度，从而结束了只能通过观察显微照片对 玻璃纤维或玻璃纤维针织物的几何结构进行分析以研究玻璃纤维损伤的定性评 价方法。通过对不同线密度的玻璃纤维纱线编织成不同的针织物组织结构，分析 编织前后玻璃纤维的强力损伤，得到结论：弯纱深度是影响强力损伤率的最主要 的因素且存在一个最佳弯纱深度值；与纬平针组织相比，l l 罗纹的玻璃纤维的 强力损伤率低；所以在最佳弯纱深度值附近编织l 1 罗纹组织的玻璃纤维针织 物是比较容易实现的。 2 0 0 9 年何青在其论文玄武岩纤维纱线在电脑横机上可编织性能的研究 一文中应用了纱线强力损伤率这一评价纱线编织性能的标准来评价玄武岩纤维 纱线的编织性能。通过调整编织工艺参数进行探讨和分析得到如下结论：弯纱深 度是影响玄武岩纤维纱线编织的最主要的因素，存在一个最佳弯纱深度值的范 围；给纱张力对纤维损伤具有明显的影响，给纱张力小，玄武岩纤维的损伤小； 牵拉力的大小对玄武岩纤维纱线的损伤无明显的影响，但是编织玄武岩纤维针织 物需要较大的牵拉力n 副。 上述的研究都是以针织机为依托，通过研究编织过程和编织织物中线圈的形 态来分析高模量纤维的编织性能。2 0 0 9 年，刘晓明和陈楠梁等人简化了编织过 程，在不考虑编织工艺参数和机器状态情况下，详细探讨了玻璃纤维的损伤过程 和机理。通过实验探讨了玻璃纤维分别在拉伸断裂强力、圈状强力、纱线与纱线 和纱线与机件之间的摩擦力的情况下玻璃纤维的损伤情况，用自动曝光技术( a e t e c h n o l o g y ) 记录了在这三种受力情况下玻璃纤维的损伤过程。并通过s e m 照片 比较了三种受力情况下玻璃纤维的断面情况。研究结果发现在拉伸断裂强力下玻 璃纤维是逐渐损伤直至断裂的。在圈状强力测试下玻璃纤维是瞬间破坏的，在摩 擦力的作用下，观测到玻璃纤维从外层即与针钩接触的部分开始断裂，随后内层 纤维开始与针钩接触并在摩擦力的作用下发生断裂。最后，利用线弹性破坏机理 解释了玻璃纤维在这三种受力情况下损伤机理n 引。 此外，宋广礼使用2 x4 8 t e x 的玻璃纤维在德国s 1 o l l c m s 3 0 3 t c ( 机号为 e 7 ) 电脑横机上编织集圈连接纬编间隔织物。在编织过程中发现弯纱深度的选取 对集圈线圈能否正常编织影响较大。弯纱深度过大过小，玻璃纤维都不易编织n 制。 近年来国内外学者们对纱线编织性能进行了很多研究。他们主要借助实验手 段从以下三个方面研究了高模量纱线的编织性能：检测针织物疵点如下机织物的 断头数、漏洞数、针织物中线圈的歪斜等；检测编织过程中张力的变化和纱线 4 第一章绪论 的损伤；评价不同组织结构和不同机器状态下针织物的性能。但对纱线在编织成 圈过程中的受力情况及纱线弯曲机理没有进行深入研究。 1 3 2 高模量纤维的编织工艺难点 纱线从纱筒上退绕下来，进入针织编织区域，在编织区域内织针把纱线弯成 线圈，然后将线圈相互串套而形成针织物。纱线编织成针织物一般需要经过退圈、 垫纱、闭口、套圈、弯纱、脱圈、成圈和牵拉八个阶段h 1 。在编织区域，当纱线 与针织成圈机件接触时，给纱张力会不断上升，直至达到一个峰值。另外在套圈 的过程中，旧线圈从针杆部分转移到针舌上，它的针编弧从针杆转移到针舌上， 通常在弯纱时形成的线圈圈干小于针钩的周长，旧线圈扩大部分的纱线量约为原 线圈的3 0 左右，所以仅仅靠改变线圈的外形是不能够使旧线圈通过闭合的针舌 的，只有从相邻的线圈中转移纱线和借助纱线本身的伸长，来完成套圈过程n 副。 从上述分析中可以看出，纱线本身需要具有良好的延展性，才能易于从周围线圈 中转移纱线，协同完成整个成圈过程。然而高模量纤维由于具有较大的抗弯刚度， 在沉降片的握持作用下，纱线难以转移。加之高模量纱线的断裂伸长率一般低于 5 ，所以高模量纱线在编织成圈过程的套圈阶段，易被拉断。芳纶纤维由于其 本身结构的原因，横向强度低，受到压缩及剪切力时，容易产生断裂，加之用于 纺织中的芳纶纤维线密度较小，在针织编织过程中常常会出现复丝裂开，起毛起 球，单丝相互缠绕的现象引。碳纤维和玻璃纤维不仅强度高，模量大，而且摩擦 系数大和脆性大，所以玻璃纤维和碳纤维编织针织物难度加大。 1 3 3 高模量纤维针织可编织性的影响因素 近年来，学者们通过实践和实验方法反复研究高模量纱线的编织性能，已得 知纱线本身的性能( 摩擦性能，弯曲性能，机械强度) 和编织工艺参数( 弯纱深 度，组织结构等) 是影响高模量纱线编织性能的两类主要因素。 ( 1 ) 高模量纤维的摩擦性能：高模量纱线的摩擦性能对其是否能够顺利编 织针织物有重大的影响。基于针织成圈特点，纱线在成圈过程中始终与成圈机件 接触，较大的摩擦因数将导致弯纱张力增大，并且会使得编织过程中纱线从周围 线圈上转移纱线困难，因此，在相同的编织条件下，高模量纱线所成的线圈小而 且容易断裂。同时，高模量纱线摩擦因数大，它在与成圈机件反复接触的过程中， 会损坏织针并且加重成圈机件的磨损程度。东华大学的刘晓明为研究高模量纱线 的摩擦性能，在自制的模拟上机纱线摩擦仪上对玻璃纱线的摩擦性能进行测试， 得到以下结论u7 。：玻璃纤维的摩擦损伤是逐步发生的，纱线张力对玻璃纤维的摩 擦损伤影响较大；润滑剂可以有效的降低玻璃纤维的摩擦力。 s 天津工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 高模量纱线的抗弯刚度和脆性：由于针织编织过程中纱线需要反复弯 曲，所以纱线的弯曲性能对纱线是否可以编织起到决定性的作用。高模量纤维的 高模量与本身的脆性结合在一起，使得高模量纤维在编织过程中容易受到弯曲应 力，即使是较小的变形也会产生断裂。因此，既是高模量纤维又是脆性材料的玻 璃纤维和碳纤维编织针织物很困难。 ( 3 ) 高模量纱线的强力：碳纤维和玻璃纤维材质脆，不易扭折，在针织成 圈过程中，纱线会出现部分单丝断裂的现象，导致纱线强力会有所下降。加之高 模量纤维的线性张力弹性，容易导致纱线在针织编织过程中弯纱张力，纱线编织 成圈困难。 ( 4 ) 线圈长度：线圈长度不仅影响纱线能否顺利编织成圈，还会影响针织 物的密度和其物理机械性能( 拉伸强度、耐磨性等) 。最为重要的是，线圈长度 会影响针织物的尺寸稳定性。处于全松弛状态下的针织物，其线圈具有稳定的几 何结构和确定的线圈长度。线圈长度会因所用针织机型的不同稍有变化。在消极 式给纱方式中，控制线圈长度的主要是成圈三角的配置，而纱线的输入张力、针 织物的牵拉力等因素都会影响线圈长度值剐。 1 3 4 高模量纤维编织性能的评价 对高模量纱线编织性能的评价有以下几种方法n 卜1 2 1 ： ( 1 ) 观测法：直接观察编织过程是否顺利及下机针织物的表观性能( 破洞、 疵点) 来评价高模量纱线的编织性能。这种方法直观、操作简单，可以大体的说 明哪种纱线易编织，哪种纱线难以编织，只能定性描述而不能定量分析。 ( 2 ) 间接评价法：观察织针断裂的数目及三角的磨损情况，间接的说明纱 线编织的难易程度。 ( 3 ) 强力损伤率：朱梅在其论文高模量纱线针织可编织性的研究一文 中提出强力损伤率这一概念一( 编织前高模量纱线的强力一编织后高模量纱线的 强力) 编织前高模量纱线的强力) ，通过实验证明，此种方法不仅可以有效地评 价高模量纱线的编织难易程度，而且还是一种定量分析方法。此方法更准确、更 有说服力。 1 3 5 改进高模量纤维针织编织性能的方法 结合影响高模量纤维编织性能的因素及国内外学者的研究，可以从两方面着 手改进高模量纤维的编织性能：一方面为优化纱线参数。优化纱线参数即根据编 织成圈的要求，从纱线细度、捻度和表面处理工艺等方面进行优化，从中选择最 佳原料进行编织。另一方面为优化编织工艺参数。优化编织工艺参数主要对编织 6 第一章绪论 成圈机件( 织针、沉降片、成圈三角及编织工艺( 弯纱深度、给纱张力、牵拉力) ) 进行优化，使高模量纤维能够顺利编织成圈。 朱梅的论文高模量纤维纱线针织可编织性的研究和何青的论文玄武岩 纤维纱线在电脑横机上可编织性能的研究对此进行了详细的说明n 卜1 2 1 。 1 4 本课题研究的意义、内容及方法 1 4 1 本课题研究的意义 近年来虽然对纱线编织性能、针织物尺寸和线圈形态的研究不断深入，研究 使用的技术手段越来越先进，但对于具体某一纱线的编织性能的研究依旧从纱线 的编织张力，针织物的线圈形态等方面去研究，而从探讨纱线编织成圈过程这一 方面来探讨纱线编织性能的文献较少。本课题针对编织成圈的具体过程( 退圈、 垫纱、闭口、套圈、弯纱、脱圈、成圈、牵拉) 来分析纱线的编织性能。结合纱 线本身的性能，具体研究编织成圈各个阶段中线圈形态及线圈针编弧曲率半径的 变化，并优化高模量纤维编织工艺参数。 由于高模量纤维本身针织编织困难，特别是碳纤维和玻璃纤维其，在编织的 过程中单丝易断裂，对机器的损伤程度较大。研究复合材料增强针织物的编织性 能，有利于推动复合材料在工业用和民用领域的发展。该课题主要研究了高模量 纤维特别是碳纤维的针织编织性能，有利于推动高模量纤维针织增强复合材料的 发展。 1 4 2 本课题研究的内容及方法 ( 1 ) 碳纤维纱线上机编织工艺参数调试：采用碳纤维在国产普通手摇横机 上编织几种具有代表性的单面和双面组织结构，考察不同的工艺参数对编织过程 和织物外观与质量的影响。 ( 2 ) 分析纱线弯曲理论通过应用材料力学和纱线弯曲理论，结合针织编织 工艺的成圈特点，指出通过研究纱线线圈圈干曲率半径变化来研究高模量纱线的 针织编织性能。 ( 3 ) 通过研究在不同的编织工艺参数下纱线编织成圈的过程，阐述纱线特 性、编织工艺参数和织物组织结构等因素对纱线编织成圈及线圈形态的影响，并 得出影响纱线成圈的关键因素。 ( 4 ) 采用数字图像处理和数值分析的方法，获取编织过程中纱线线圈圈干 的曲率半径值。 7 天津工业大学硕士学位论文 8 第二章碳纤维纬编针织物编织工艺的研究 第二章碳纤维纬编针织物编织工艺的研究 高模量纤维中的碳纤维虽然具有高强度高模量等特点，但是由于具有断裂伸 长率低，摩擦系数大，抗弯刚度大，脆性大等特性，而导致编织碳纤维针织物难 度很大。尽管如此，碳纤维的优异性能令其在针织增强复合材料中应用越来越广 泛，因此碳纤维的针织编织性能成为一个急需研究的课题。本章对碳纤维的性能 及其在手摇横机上的编织工艺进行了分析探讨。 2 1 碳纤维性能 2 1 1 碳纤维的制备及结构 碳纤维是以合成纤维或人造纤维为原料，在张力下经过热处理预氧化成不熔 纤维，进一步在惰性气氛下高温烧制碳化( 或称石墨化) 而得到的含碳量大于 9 0 的高强高模、耐高温的特种纤维。其原料主要有聚丙烯腈( p a n ) 纤维、粘胶 纤维和沥青纤维。聚丙烯腈基和粘胶基碳纤维原丝主要采用湿法纺丝制得，沥青 原丝一般采用熔体纺丝制得n 蝴引。 人们通过利用扫描电子显微镜和红外光谱对不同线密度的碳纤维进行表面 分析，发现线密度不同，碳纤维的表面形态不同。如t 7 0 0 ，t 10 0 0 的碳纤维表面 光滑，而t 8 0 0 1 2 k 和t s 0 0 6 k 的表面有明显沟槽比。通过利用扫描隧道显微镜 对经过电化学腐蚀前后的聚丙烯腈基( p a n ) 碳纤维进行细致观测和分析发现碳 纤维表面是由沿纤维轴向排列的呈螺旋结构的细纤维组成，螺旋伸展方向沿纤维 轴向并且这种螺旋结构也存在于纤维内部胁1 。如图2 1 和图2 2 所示： 由图2 1 可以清晰的看出三条带状细纤维都有清晰的右螺旋结构，从图2 2 可以看出经过电化学腐蚀的碳纤维表面更加粗糙，但还是能够观测到呈螺旋结构 的带状细纤维。图2 1 和图2 2 有力的说明了这种螺旋结构存在于碳纤维表面和 内部。 9 天津工业大学硕士学位论文 图2 一l 未处理的p a n 基碳纤维的s t m 图像图2 - 2 电化学腐蚀后的p a n 基碳纤维的s t m ( 扫描范围为2 0 0 n m x 2 0 0 n m ) 图像( 扫描范围为2 2 5 n m x 2 2 5 n m ) 2 1 2 碳纤维的分类及性能 碳纤维按原丝分为聚丙烯腈基、粘胶基和沥青基碳纤维。目前应用较多的为 聚丙烯腈基碳纤维。按力学性能可分为通用型( g p ) 与高性能型( h p ) 两类。通用型 碳纤维强度i0 0 0 m p a 、模量io o g p a 左右，高性能型碳纤维又可分为高强型( 强 度2 0 0 0 m p a 、模量2 5 0 g p a ) 和高模型( 模量在3 0 0 g p a 以上) 。它们的一般性能 如下： ( 1 ) 脆性材料； ( 2 ) 比重小，比强度大； ( 3 ) 耐热性好，不燃烧； ( 4 ) 耐化学性好； ( 5 ) 热膨胀系数小，热导率高； ( 6 ) 自润滑性 ( 7 ) 良好的导电性； ( 8 ) 尺寸稳定性好； ( 9 ) 拉强度大，延伸率小 ( 1 0 ) 轴向抗压强度较小 2 1 3 碳纤维的力学性能 为比较聚丙烯基碳纤维与其他高模量纤维和普通纱线的差异，更客观地研究 碳纤维的针织编织性能，本实验选用普通毛纱和高强聚乙烯纤维作为对比纱线。 表2 1 为它们的规格参数。 1 0 第二章碳纤维纬编针织物编织工艺的研究 表2 - 1 三种纤维纱线的具体规格参数表 竺竺竺耋兰兰竺! 燮娑竺鲎三竺竺! 兰 篇嚣 2 95 高强聚乙烯 纤维 毛纱 6 63 1 7 90 8 9 44 50 1 l 2 72 8o 2 9 从表2 1 可以看出碳纤维与普通毛纱相比，具有较高的断裂强度和弹性模量， 但是断裂伸长率较低。碳纤维与高强聚乙烯纤维相比，碳纤维的断裂强度和断裂 伸长率小于高强聚乙烯纤维。因此从断裂强度和断裂伸长率上可以得出如下结 论：碳纤维与高强聚乙烯纤维相比更加难以编织成圈。三种纱线的摩擦因数大小 关系为：碳纤维纱线大于毛纱大于高强聚乙烯纤维。三种纱线的弹性模量大小关 系为碳纤维纱线大于高强聚乙烯纱线，但两者的弹性模量都远远大于毛纱。通过 分析表2 1 还