（纺织材料与纺织品设计专业论文）三维弹性机织物的研制与性能分析.pdf

摘要 长期以来，作为汽车内饰材料的座椅，一直采用火焰复合工艺，即通过火焰 使聚氨酯泡沫表层燃烧而与织物复合在一起，该工艺的不足之处是泡沫在燃烧过 程中产生有害气体，污染环境、损害人体健康，同时泡沫燃烧还损伤了材料的断 裂强力、剥离强力和耐久性，最终导致产品性能劣化。为顺应世界汽车工业轻量 化、安全化、舒适化和环保化的发展趋势，需寻找一种材料来取代聚氨酯泡沫， 于是提出了研制一种具有弹性的机织物的设想。 本课题对3 d 弹性机织物的组织结构设计、织造工艺进行了系统的研究；对 织物压缩弹性回复性能进行了测试与数据分析；对织物的受压变形进行了理论描 述。 在织物结构设计过程中，本着以结构的变化来实现织物压缩回复弹性性能的 目的，设计了1 0 个不同结构，每个结构又依据中间层纬纱根数的增减设计了几 个不同的试样。织物的织造工艺，是通过对传统织机进行一系列的改造来实现的。 譬如调整吊综高度以提高梭口的清晰度；采用平动式卷取机构，使织物的各层经 纱长度相等、同一截面内的纬纱不错位；采用重锤式张力装置，以调整经纱张力 的大小；采用分层定位装置，减少了机后重叠、交缠和粘结现象，使开口较清晰。 在压缩回复性能的测试与分析过程中，结合人体在坐姿、卧姿下对座椅或床 垫的压缩情况，对最大压力进行了模拟和计算；结合织物的用途、泡沫材料压缩 性能的测试，利用高度尺和压力圆盘，测试了织物的弹性回复性能，描述了织物 厚度随负荷变化、时间变化的曲线；对各因素对织物压缩回复性能的影响用数学 方法进行分析：最后对织物采用平板、球形压缩两种方法进行压缩变形分析，并 借助于压杆模型对中间支撑部分的弯曲挠度进行了探讨。 研究结果表明，以结构的变化来实现织物弹性性能的要求是可行的、有效的， 而且能够满足织物舒适性、环保性等要求。 关键词：三维织造；组织结构；弹性织物；压缩回复；变形 r e s e a r c ha n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i so ft h r e e - d i m e n s i o n a le l a s t i c w b y e nf a b r i c a b s t r a c t f o ral o n gt i m e e a rs e a ta si n t e r i o rd e c o r a t i o nm a t e r i a lo fc a rw a sp r o d u c e db y f l a m ec o m p o u n dp r o c e s sw h i c hc o m b i n e sf a b f i cw i t hp o l y u r e t h a n ef o a mb yb u r n i n g h o w e v e r , i t ss h o r t c o m i n gi st h a tf o a mc o m b u s t i o nn o to n l yp r o d u c e sd e l e t e r i o u sg a s ， p o l l u t e se n v i r o n m e n ta n d h a r m f u lt oh u m a nh e a l t h y , b u td a m a g e sm a t e r i a ls t r e n g t ha t r u p t u r e ，p e e l - o f fs t r e n g t ha n dw e a r - l i f ew h i c hu l t i m a t e l yr e s u l t si nd e t e r i o r a t i o no f m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e f o ra d a p t i n gw e l lt od e v e l o p i n gf i e n do fw o r l da u t o m o b i l e l i g h t w e i g h t ，s e c u r i t y c o m f o r ta n de n v i r o n m e n t a lf e a s i b i l i t y , ak i n do fn e wm a t e r i a l u s e df o rr e p l a c i n gp o l y u r e t h a n ef o a ms h o u l db er e s e a r c h e d b a s e do nt h ed e m a n d ， t h i sa r t i c l eb r i n g sf o r w a r dc o n c e i v eo fd e v e l o p i n gf a b r i cw i t he l a s t i c i t y f i r s t ，t e x t u r ed e s i g na n dw e a v i n gp r o c e s sf o rt h r e e d i m e n s i o n a le l a s t i cf a b r i ca l e c o m p l e t e l yr e s e a r c h e d f u r t h e r m o r e ，c o m p r e s s i o na n de l a s t i cr e v e r s i o np e r f o r m a n c e o ff a b r i ci st e s t e da n da n a l y z e d f i n a l l y , f a b r i cd e f o r m a t i o nu n d e rc o m p r e s s i o ni s d e s c r i b e di nt h e o r y d u r i n gt h es t r u c t u r ed e s i g no ff a b r i c , t h i sp a p e rd e s i g n st e nd i f f e r e n tw e a r e sa n d e a c hi sw o v e nw i t hs e v e r a ld i f f e r e n ts a m p l e sa c c o r d i n gt oi n c r e a s eo rd e c r e a s eo f m i d d l e l a y e rw e f td e n s i t i e s ，w h i c hc h a n g e ss t r u c t u r eo ff a b r i cf o rt h ep u r p o s eo f r e a l i z i n gc o m p r e s s i o na n de l a s t i cr e v e r s i o np e r f o r m a n c eo f i t so w n w e a v i n gp r o c e s s i sf i n i s h e dv i aas e r i e so fr e c o n s t r u c t i o n sf o rt r a d i t i o n a ll o o m f o ri n s t a n c e ，a d j u s t i n g h e d d l eh e i g h tt oi m p r o v es h e da r t i c u l a t i o n ，a d o p t i n gt r a n s l a t o r yt a k e u pm e c h a n i s mt o m a k ee a c hl a y e ro fw r a pe n d sh a v et h ee q u a ll e n g t ha n dn oi n i t i a lo f fs e ta tt h es a m e w e f ts e c t i o na n du s i n gf l a k el o c a t o rd e v i c et or e d u c eo v e r l a p p i n g , w i n d i n ga n df e l t i n g p h e n o m e n o na n dm a k ec l e a rs h e d d u r i n gt e s ta n da n a l y s i so fc o m p r e s s i o na n dr e v e r s i o np e r f o r m a n c e ，f u n c t i o nc u r v e o ft h eb i g g e s tp r e s s u r ei ss i m u l a t e da n dc o m p u t e di nv i e wo fh u m a nc o m p r e s s i o nt o s e a t so rm a t t r e s su n d e rs i t t i n go rl y i n g a c c o r d i n gt of a b r i cu s ea n dc o m p r e s s i o n p r o p e r t yt e s to ff o a mm a t e r i a l ，e l a s t i cr e v e r s i o np e r f o r m a n c ei st e s t e da n dc u r v e so f t h i c k n e s sa l o n gw i t hb u r t h e na n dt i m ec h a n g ea r ed e s c r i b e d t h ei n f l u e n c eo fe v e r y f a c t o ro v e rc o m p r e s s i o na n dr e v e r s i o np e r f o r m a n c ei sa n a l y z e dw i t hm a t h e m a t i c s m e t h o d i nt h ee n d ，d e f o r m a t i o nu n d e rb e t w e e nf i a ta n ds p h e r ec o m p r e s s i o ni s a n a l y z e da n dm i d l a y e rb e n d i n gi sd i s c u s s e db yt h ea i do fs t r u t a n d t i em o d e l f r o mt h er e s e a r c hr e s u l t s ，i tc a nb ef o u n dt h a tr e a l i z i n ge l a s t i cp e r f o r m a n c eo f w o v e nf a b r i cv i ac h a n g i n gs t r u c t u r en o to n l yi sf e a s i b l ea n de f f e c t i v e ，b u tc a nm e e t c o m f o r t a b l ea n de n v i r o n m e n t a lr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：t h r e e d i m e n s i o n a lw e a v i n g ；w o v e ns t r u c t u r e ；e l a s t i c f a b r i c s ； c o m p r e s s i o na n dr e v e r s i o n ；d e f o r m a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：王蒙茕 签字日期：酌年，蝴i 曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：王蒙葭导师签名又 签字日期：护年；1 4 jj 日签字日期：、7 日 学位论文的主要创新点 一、依据中间层的支撑作用，设计了具有良好抗压弹性的三维机织物， 并通过改进传统织机的吊综、卷取、送经等机构，实现了所设计织物 的顺利织造。 二、采用泡沫材料压缩性能的测试方法，对织物的弹性回复性能进行 了测试，并用数学方法分析了各因素对织物压缩回复性能的影响。 三、通过对织物在平板、球形压缩下的变形分析，给出了变形受力公 式，并借助于压杆模型对中间支撑部分进行了弯曲挠度的探讨。 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 材料对人类社会的发展起巨大的推动作用，它涉及的领域极为广泛，与人类 社会的关系密不可分，世界各个发达国家都把材料的科学研究、新产品的开发视 为2 1 世纪优先发展的关键领域之一。它一方面为人类创造了便利、舒适、安全 的生活，另一方面给人类留下了很多亟待解决的问题【”。比如材料的过度开采造 成资源的匮乏：物质的生产、消耗产生的大量垃圾造成环境的污染和破坏。当前 在提倡生态环保的大背景下，人们对环境问题日益关注，绿色环保技术使人们致 力于环境材料替代传统材料的研究，各个行业都致力于传统材料向环境材料的过 渡或转型，绿色工程已经以其不可阻挡之势迅猛发展起来。 长期以来，聚氨酯泡沫材料中的软泡沫( 通常称海绵) 材料以其价格低廉， 手感柔软丰满、重量轻、形态较稳定、回弹性好等特点在床垫的衬垫材料中占据 着重要而稳定的地位；硬泡沫材料也以其价格低廉、重量轻、成型性好、易剪裁、 形态稳定等特点在汽车内饰材料中得到广泛的应用。但随着人们环保意识的增强 以及人们对舒适性要求的提高，聚氨酯材料日渐显示出其劣势：在透气、散热性 能上的缺陷以及长期除臭、抗菌、抗硬化、抗氧化等方面功能不足，而且不能回 收利用，会造成环境污染等问题；另外，聚氨酯弹性体的一个不利之处在于它承 受静载荷时会产生应力集中，聚氨酯泡沫材料中含有大量细微的、相互隔开的孔 状间隙，间隙的排列有些地方稀疏、有些地方密集，还有些实心区域，因此很容 易产生应力集中，因此其应用正受到一些高性能新型材料的挑战。 针对这一现状，为克服聚氨酯材料的缺点，本课题预研制一种三维结构弹性 机织物来替代聚氨酯材料。该织物利用了传统三维机织物的整体性好、结构稳定、 织物形状多变等特点，又根据结构决定性质的原理，实现了织物在厚度方向上的 弹性，这样不但克服了聚氯酯材料的环境污染问题，而且解决了承受净载荷时产 生的应力集中，也满足了织物舒适性、透湿性等多方面的要求。 1 2 以纺织品替代聚氨酯材料的研究现状 1 2 1 汽车内装饰材料 伴随着汽车工业的发展，国外汽车内装饰材料经历了三次变革，在2 0 世纪 5 0 年代，当时广泛使用的是乙烯基( p v c ) 聚合物，它也是世界汽车行业应用 第一章绪论 最多、最广泛的化工材料之一1 2 1 。 后来，除了传统的机织物以外，薄膜切条技术将聚乙烯切条纤维与尼龙一起 喂入顶端散开的单面圆纬机编织，而后将织物进行热定型，代替聚乙烯用在福特 跑车的座椅上，有较好的拉伸性及外观。法国人多年来利用高收缩率的聚氯乙烯 长丝，采用棉毛结构，生产一种起绒汽车用布，受到极大欢迎p l 。v o l v o 公司最 先采用纺织品代替乙烯基聚合物作为汽车内部装饰材料。至2 0 世纪8 0 年代，乙 烯基聚合物的用量份额逐渐减少，有的部分已完全由纺织品代替了乙烯基聚合 物。h o e c h s tc e l a n e s e 公司与纺织织造商m i l l i k e n 公司合作，使用聚酯单丝和热 塑性聚氨酯纱线制造汽车坐垫【4 l 。 2 0 世纪9 0 年代，纺织品在汽车内饰中占据着重要的地位，汽车已成为纺织 品的一大买主。奥迪轿车则用椰子丝、动物毛( 牦牛毛、山羊粗毛等) 作为坐垫 原料，经乳胶粘合而成；桑塔纳轿车座椅坐垫分两种类型，司机座椅坐垫是由棕 绷制成，棕绷系天然材料，透气、吸湿性佳，避免司机久坐的不舒服感【5 1 。e l a s t o l u x e t 6 1 最初是开发用于汽车工业( 小轿车座椅) ，标准回弹率为1 5 ，常与p e t 纤 维混合使用。黑色系列的e l a s t o l u xe 的抗紫外性非常好，符合汽车行业所有的 标准：供选择的回弹率是可变的，目前这种产品最重要的应用领域是：小轿车的 座椅、窄幅织物和农用纺织品等。m e s s r sk e i p e rr e c a r o 公司以生产一种由1 0 0 单丝生产的厚1 0 m m 的本白涤纶间隔织物，并由另一家公司商业化，以替代运动 坐垫中的硬泡沫片。从1 9 9 5 年开始，奔驰汽车公司已采用经编间隔织物作为汽 车座椅罩，该车的通风系统从后部对座椅进行空气流通。另外，该结构用于本田、 日产和丰田汽车的内装饰织物，起到空气的流通作用。 国内汽车内饰纺织品的起步时间较晚，早期生产的轿车座椅均采用人造革， 至于大客车、铁路车厢，更是采用传统油漆作为装饰，只有少数高档车才采用丝 绒之类纺织品作为座椅装饰。 目前，世界用于汽车内饰的纺织品每年为3 7 亿平方米，以西欧汽车用纺织 品市场为例，2 0 0 1 年西欧汽车用纺织品消耗量为2 5 3 万吨( 约1 亿m 2 ) ，消耗 值为1 0 5 亿美金，期待每年增长1 6 ，预计2 0 0 8 年将达到1 2 亿美金【7 l 。 1 2 2 其他材料 缪旭红嘲研制了一种三维立体结构的经编间隔织物，具有良好的导湿性、透 气、温度调节功能，柔软且有弹性、好的尺寸稳定性及高接缝断裂强度等，可以 用它作为罩杯衬垫来取代海绵或无纺布衬垫，也可以将其简单缝合或模压成型直 接制成罩杯。日本用间隔织物来代替床垫，防止病人因长期卧床而产生的酸痛感。 由此可见，经编间隔织物在替代聚氨酯材料方面扮演了重要角色，但当中间夹层 2 第一章绪论 厚度太大时，间隔纱容易倒伏，织物两侧面位置关系不固定，抗压及回弹性较差。 1 3 本课题研究的意义和内容 1 3 1 课题的背景 随着社会的发展和人们生活水平的提高，世界汽车生产和销售在稳步上升， 到2 0 0 4 年，世界私人汽车销售量超过5 0 0 0 万辆，2 0 0 5 年为6 2 0 0 万辆，到2 0 1 0 年将达到7 3 0 0 万辆【9 i 。我国在加入w t o 以后，随着行业保护措施的减让和市 场的开放，我国的汽车工业正面临着明显的外来冲击。但从入世近几年的情况来 看，我国的汽车生产不仅没有萎缩，反而有了较大的增长。2 0 0 4 年，我国汽车 生产超过了5 0 0 万辆，轿车生产和销售已经突破了2 0 0 万辆，据有关人士预测， 到2 0 1 0 年，我国家用汽车生产产量可能达到1 0 0 0 万辆1 1 0 l 。 与此同时，随着汽车技术的飞速发展，人们对汽车的乘坐舒适性要求越来越 高，汽车乘坐舒适性包括静态舒适性和动态舒适性。各种车类纺织品也应运而生， 使汽车工业成为产业用纺织品的最大用户。据计算，每辆汽车需用大约2 0 k g 纺 织品，主要由以下部分组成l l o j ：3 5 k g 的座套，4 5 k g 的地毯，6 k g 的其他装饰和 轮胎以及6 k g 的玻璃纤维增强材料。这里，作为内装饰的座套、地毯和其它装饰， 如门板等约1 4 k g ，占整个车用纺织品的7 0 。按我国2 0 0 2 年的轿车产量1 0 8 8 万辆计算，需要装饰用纺织品1 5 6 t 。到2 0 1 0 年我国的家用汽车产量如果达到1 0 0 0 万辆，则需要装饰用材料1 4 5 6 t 。 在汽车诞生初期，作为车内装饰所用的主要材料是铁板、天然皮革以及羊毛 等天然纤维，随着化纤工业、纺织工业的发展，如今汽车内装饰材料已经发展为 以塑料和合成纤维为主体。而这些变化的原因则是基于以下几个方面的需求：( 1 ) 来自用户对内装饰材料整体美感、舒适感的需求。包括内装饰材料的日晒色牢度 好，并且具有阻燃、防静电等功能。( 2 ) 来自制造商轻量化、低成本化的需求， 包括内装饰材料要坚固耐磨、重量轻、材料延伸性好，适应模压要求。( 3 ) 来自 社会对于环保、节能的需求，使得废弃后的汽车材料不成为环境的负担以及能回 收利用 1 0 1 。 1 3 2 研究的意义 3 d 弹性机织物在现代产业中具有极高的使用价值，可取代当前汽车用内装 饰的层压制品，诸如取代汽车坐垫用三层复合的层压制品，即表层为装饰织物， 中层为聚氨酯泡沫片，里层为粘合型非织造织物或针织平纹织物。这样制成的车 3 第一章绪论 内纺织品物品不但会使人体分泌液通过纤维的芯吸作用传到织物的外表面，使之 具有较好的透气性和热调节性，而且在纯净回收，延长使用链、安全性、耐用性 方面也会改善。由于该织物具有回复到原有厚度的能力，对温度变化的隔热作用 和用于可更换车罩的噪音吸收能力，它还用于保护罩和飞机座椅。它还具有织物 花纹图案的设计优势。从国内外轿车业发展来看，这将是一个极大的市场，又有 利于环境污染的控制和资源的节约。 另外，具有一定厚度和压缩弹性的3 d 弹性机织物的研究，将会为胸衣生产 厂商提供新的设计思路。部分的胸罩采用内外层织物之间加入无纺布或海绵衬 垫，多层材料复合的方式来生产罩杯。采用无纺布衬垫的缺点1 8 1 ：一是罩杯弹性 不够，胸部外形轮廓不够优美挺括；二是多层基布的物理叠合使罩杯内环境难以 产生空气交换，从而造成温度的不均衡，水汽很难通过芯吸去除。而且，当这类 产品由不同种类的纺织基布组成时，经过多次洗涤后容易分层、发黄。海绵垫弹 性好，制作方便，价格较低，现已成为大众化的罩杯用衬垫材料，但这种发泡材 料首先会造成环境污染，废弃物难以处理，其次制成的胸罩耐洗性、透气性差， 体内热量积聚时，会导致大量出汗，舒适性能较差。 3 d 弹性机织物在家用纺织品中也将占有一席之地，如用于装饰和用作床上 用品和地毯。无论对大人还是小孩来说，3 d 弹性机织物床罩和床挚的使用都很 重要，尤其对长期卧病人用的床垫，能够分散和降低压力，具有良好的透气性、 吸湿导湿性，以及能够防止热的聚集，具有温度调节的功能，既不会像普通床垫 那样，在长时间躺压之后，产生不可恢复的凹坑，也可以预防和治疗褥疮，避免 身体的突出部位被压伤。可以用作酒店、宾馆等高级场所的地毯，既松软结实， 又极易清洁【l “。也可以用作特种服装的衬里和面料，如用作极高温度下、能够 承受极端温度的消防服等。 所以，对3 d 弹性机织物的研究将具有很高的实用价值和广阔的前景。 1 3 3 课题的内容 ( 1 ) 进行3 d 弹性机织物的结构设计与研究。它是一种三维立体结构的纺 织产品，具有良好的抗压弹性、湿热舒适性，在卫生、环保等方面有广泛的应用 前景，可以用它来代替常用的软泡沫( 俗称海绵) 。该织物可分为上、中、下三 层，每一层都各司其职。上、下表层可以是普通的简单组织，也可以是复杂组织， 但要求它能满足舒适性的要求；中间层( 可包括一层、二层或更多层) 起着关键 性的作用。通过中间层的组织变化，来实现整个织物的高弹性回复性能的要求， 本课题共设计了1 0 个不同的结构。 ( 2 ) 对各结构织物的织造工艺给出了详尽的描述。在织造过程中，对传统 4 第一章绪论 小样织机的送经、卷取机构进行了一定的改进，采用平动式卷取机构来实现织物 的卷取，采用重锤式张力装置、分层定位装置等来实现送经。 ( 3 ) 对织物的压缩弹性回复性能进行了测试及分析。首先对人体在坐姿、 卧姿下对座椅或床垫的压缩情况、最大压力进行了分析计算；然后利用高度尺和 压力圆盘，测试了织物在不同负荷下的弹性回复性能及在相同负荷、不同时间下 的弹性回复性能，描述了织物厚度随负荷变化、时间变化的曲线：最后对各因素 对织物压缩回复性能的影响用数学方法进行分析和模拟。 4 ) 对织物进行了平板压缩和球形压缩下的变形及力学模型的分析。织物 在球形压头的作用下所产生的变形较为真实地反映出诸如人体臀部重力作用下 3 d 弹性机织物的变形情况。采用两端铰支的缅长压杆的压缩力学特征，对织物 在承载负荷后的力学模型进行了分析。 1 43 d 弹- 性机织物的特点及性能要求 织物的性能涉及多方面的内容，大致归纳起来可分为三个方面：( 1 ) 织物基 本的物理和化学性能：( 2 ) 织物的可加工性，织物的易染整加工性和使用后的易 处理与可再生性；( 3 ) 织物应用中的功能与作用旧。 对于本课题所研制的3 d 弹性机织物，也有同样的性能要求，将其具体化为： ( 1 ) 在视觉上，要给人以美的感受，包括形感、光泽感和图像感等。( 2 ) 在触 觉上，要让使用者感到舒适，即要有良好的热湿传递和皮肤接触的生理感觉，如 松软舒适、冬暖夏凉等。( 3 ) 在性能上，最主要的是要具有良好的弹性回复性能， 即能够在压力消除之后即刻回复或尽可能短的时间内回复：另外，还要具有尺寸 稳定性、抗静电性、经久耐用性等。 在实际设计中，要把这些性能分配到每一层。对于上表层，不但要满足视觉 上的要求，而且要满足触觉上的要求：中间层，就要满足织物具有优良弹性回复 性能的要求，这也是该课题研究的重点问题：下表层，作为支持层或支撑层，应 该具有良好的经久耐用性。 结构决定性质，对于一个织物整体而言，要实现织物的总体性能要求，需要 织物各层问的相互配合。 第一二章目前3 d 机织物的结构与织造方法 第二章目前3 d 机织物的结构与织造方法 3 d 机织物是一种建立在平面机织结构( 0 0 9 0 0 ) 叠加的基础上，通过在厚 度方向引入接结纱而一次成型的三维纤维集合体。它与传统机织物有以下不同 点：( 1 ) 织物交织纱线的方向数不同：立体机织物纱线的交织方向数是3 或3 以上，立体织物由经纱、纬纱和垂纱交织而成。( 2 ) 织物厚度不同：立体织物 较厚，织物层数可达到几十层。( 3 ) 织物内纱线曲折情况不同：立体织物内纱 线大多是挺直的，其表面纱线出现1 8 0 0 转向。( 4 ) 织物形状的复杂程度不同： 立体织物是圆筒形、矩形、t 形、工字形等断面织物。( 5 ) 纤维形态不同：立 体织物的纤维多数采用不加捻长丝。为了获得高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀 等特殊性能的高级复合材料，要求采用低伸长率、耐高温、高强度的碳纤维、芳 纶纤维、玻璃纤维、硼纤维等。 通常情况下，它被作为复合材料的增强体( 如火箭发动机的壳体、带喷射口 的多重纬织物【1 ”、层压板、蜂窝板等) 。与当前研究较多的三维编织复合材料 相比，除具有结构整体性好、层问断裂韧性高、抗冲击性、抗损伤性、抗烧蚀性 好等特点之外，还拥有生产效率高、设备投资少等优点，因而被认为是最有可能 在民用复合材料领域推广使用的纺织结构复合材料之一。另外，还有多层机织过 滤布，既具有机织单层滤布强力高、耐用性好，又具有非织造滤布的深层过滤， 梯度过滤的优越性，同时克服了单层机织滤布只进行表面过滤和非织造稚耐用、 耐久性差、强力低的缺点。但在其他方面，它的应用相对较少，几近空白。 早在1 8 9 8 年，人们生产布层间具有联结纱线的可以有效消除布层间的滑动 和脱层的多层传动带的时候，就出现了定意义上的立体机织物。以后，使用垂 直于布层的垂纱来增强的多层织物得到广泛的应用。例如，多层织物输送带、造 纸用的多层毛毯、多层拉带、多层衬衣领的内衬等。2 0 世纪6 0 年代末，航空工 业需要在高温条件下能承受多向拉伸的纤维增强复合材料。法国、美国、日本的 航空、航天工业中发展了多维碳纤维织物，然后相继出现了能织造圆形、锥形、 椭圆形断面立体织物的织机。2 0 世纪7 0 年代中期，日本f u k u t a “j 发明的三维 方柱体织物织造专用设备，成为三维机织物研究领域产生的标志。2 0 世纪8 0 年 代初，英国也在常规织机上通过改进开口机构试织成功了三维机织物【1 5 l 。1 9 8 8 年，m o h a m e d 等( 1 6 1 发明了一种新的三维多层织物织造设备，该设备可织遣矩形、 t 形、工字形断面织物，织物由经纱、纬纱和垂纱立体正交织成，垂纱用综框喂 入。至此，三维机织物的应用研究开始引起人们的关注。我国从2 0 世纪8 0 年代 末开始三维机织物设计原理的研究，以后又初步完成了相应加工设备的研制工作 1 1 7 1 ，积累了大量织物生产与设计方面的经验。1 9 9 2 年，中国纺织大学张伸槐和 6 第二章 目前3 d 机织物的结构与织造方法 吴以心【1 8 1 研制出了无梭无边纱的三维立体织造设备，该设备可织造半光边三维 正交立体织物。 2 1 目前3 d 机织物的组织结构及特点 3 d 机织物是由三组或更多组纱线在x - y - z 立体面上取向，三个方向的纱线 相互穿插交织或连接，形成结构稳定的三维整体状态。根据交织规律的不同，可 分为正交结构、角连锁结构、三向( 或多向) 交织结构、正交实心结构、变截面 立体结构、管状结构和多轴向结构。 2 1 1 正交结构 正交结构是由经纱、纬纱和垂纱三组纱线互相交织所得到的一种组织结构， 这种组织结构又称为缝合结构，可分为整体正交和层问正交两种。 2 1 2 角连锁结构 角连锁结构是通过经纱上下移动，与多层纬纱交织来实现的。它包括整体角 连锁和层间角连锁两种。织制角连锁结构织物时可以通过改变与经纱交织的纬纱 数目、重复方式及内部纱线等条件来得到不同结构的织物，如多重纬( 或多重经) 角连锁结构 1 3 1 。 2 1 3 三向交织结构 各层经纱上下移动，与各层纬纱交织；各列经纱横向移动，与固结纱交织， 即形成三向交织组织。三向交织组织的经纱运动控制机构复杂，所以目前只能织 制经纱移动范围较小的平纹和斜纹。 2 1 4 正交实心结构 正交实心结构是三维机织预制件的基本形式，x 、y 、z 三个方向纱线的取 向相互成9 0 。在这种结构中，每根纬纱均被经纱包围，织物比较紧密。通过经 纱在宽度方向的变化可形成特定形状的截面如t 型梁、l 型粱、格子形结构等， 只是织造过程比较复杂。 2 1 5 变截面结构【1 9 1 7 第二章目前3 d 机织物的结构与织造方法 变截面结构是通过对平面状截面不变的立体结构进行适当的改变而得到的， 包括纵向变截面立体结构和横向变截面立体结构。在此以纵向变截面立体结构为 例进行分析：它可分为正交变截面立体结构和角连锁变截面立体结构。 纵向变截面正交立体结构，是通过改变垂纱的运动规律柬实现的，如图2 1 ( a ) 和( b ) 所示。图( a ) 所示的结构，织物正反面同时逐渐减少纱线在立体 织物中的层数：图( b ) 所示的结构，则是通过立体织物的单面减少纱线层数， 从而形成纵向变截面的立体织物。从图2 1 中可以看出，呈平直分布的经纱在不 同的部位因界面形状的变化有可能不被织入织物之内而是以浮长线的形式浮在 织物之外，但垂纱始终处在交织状态，将不同层数的经纬纱相互连接成整体。 蠹7 屡 井硬 图2 1 两种纵向变截面正交立体结构 t 幔 舢曩 纵向变截面角连锁结构，类似于纵向变截面正交立体结构，是在平面状角连 锁立体结构的基础上变化得到的。如图2 - 2 ( a ) 和( b ) 所示。图( a ) 所示的结 构，是沿立体织物正反两个方向同时减少纱线层数( 从最初的经l o 层纬7 层减 少至经6 层纬3 层) ；图( b ) 所示的结构，则是沿立体织物正面单方向减少纱 线层数( 从最初的经8 层纬7 层减少至经4 层纬3 层) 。另外，可以将各种结构 结合起来，形成多种结构组合的立体织物结构。 量一7 m墨一，屡 量层一7 u经4 层一，晨 图2 2 两种纵向变截面角连锁立体结构 8 第二章目前3 d 机织物的结构与织造方法 2 1 6 管状结构 管状三维织物的结构是在简单管状织物的基础上结合三维机织物的结构特 点来实现的，如图2 3 所示。它分为上下两层，在上下两层的边缘仍由纬纱相连， 并且上下两层织物的组织是连续完整的，下机以后即成管状。纱线在织物中不交 织，不存在屈曲变形，径向和轴向纱线呈直线状态。纬纱构成周向纱线，呈螺旋 线卷绕状态。织物的长度取决于经纱的长度，管子的周长为布幅的两倍，管壁厚 度取决于上下层经纱的层数。 2 1 7 仿形缠绕结构1 2 1 l 图2 - 3 管状三维织物结构 对于母线呈曲线的回转体，其展开面为曲面形状，图2 4 为一曲线回转体及 按其展开曲面织制的缠绕仿形织物，织物的幅宽与母线长度相近。对于更为复杂 的回转体结构，例如由圆柱、圆台等各种简单结构组成的混合回转体，像缩放形 喷管，其展开的曲面更为复杂，但都规定其仿形织物的纬纱沿回转体的母线方向， 经纱沿回转体的圆周方向，且经纱很长，这样预成型织物在缠绕复合材料时，可 以根据设计的厚度卷绕要求的层数。 图2 - 4 曲面回转体的展开及其织物 9 第一二章 目前3 d 机织物的结构与织造方法 2 1 8 多轴向结构 在立体机织物中，一组平行的纱线方向称为织物的一个轴向。如果立体机织 物中纱线的方向可以是任意的，则立体织物可以是三轴向或多轴向结构。一股织 物都存在各向异性的特点，多轴向织物可以减弱各项异性，还可以满足复合材料 的强度要求。 2 23 d 机织物的织造方法 3 d 机织物的织造方法和生产设备主要有：传统织机织造、改进型织机织造 和立体织机织造，后来又出现了其他形式的织造技术和方法，如全自动织造、仿 形织造、圆织机等。 2 2 1 传统织机织造 传统3 d 机织织造方法，主要是通过多层经纱机织方法生产，织物中的纤维 呈互相穿插状态1 1 7 】，是目前使用最多、设备投资较少的一种方法。 在不改变原有传统织机三大机构( 开口、引纬、打纬) 的基础上，生产立体 机织物，利用了现有的织造机械，设备改造少、机械化程度高，主要采用多臂或 提花开口机构、梭子或剑杆引纬，每次引入的纬纱根数少，引纬速度慢，经纱受 到的磨损大，易起毛。但受织机开口容量的限制，只能制织层数不太多的片状织 物；对于结构较为复杂的立体织物，如“工”字形等，需采用平面化技术1 2 ， 将立体结构转化为平面结构才能织造，这不但增加了织物设计的难度，也使织造 过程更加复杂。 易洪雷、丁辛瞄i 通过对1 5 1 1 s 型织机进行卷取、送经机构的改造以及织物 加工生产主要工艺条件的改进，对三维板状机织预成型件进行了设计与试织，并 认为此种方法是可行的。对于卷取机构，采用铁刺皮作刺毛辊包覆物，用以增加 卷取时刺毛辊与织物问的摩擦力；将卷取机构改装为卷布辊积极传动的差速双刺 辊卷取机构。对于送经机构，在机后再添加两只织轴，将填充纱、接结经和经纱 分别卷绕在三个不同的织轴上，并采用不同的送经方式。 颐平【“1 利用压扁一展开法在普通织机上织造三维机织物，并认为该方法是 完全可行的。这一全新的三维织造技术是对传统空心管状织物织造原理的一个创 造性的发展和应用，为用计算机辅助设计技术智能化实现该织造方法中截面图压 扁、投梭路径组合的正确选择、各层基础组织的填入、织物上机图绘作及操作说 明的产生等技术环节提供了理论依据。 第二章目前3 d 机织物的结构与织造方法 董敬贵陋i 采用多梭多臂织机织造蜂窝状三维织物，并指出在选用织机型号 时，可以采用单侧多梭箱，也可以采用双侧多梭箱，根据织物的组织结构而定； 尽量使各经纱的交织次数接近，避免因织缩率的不同而造成织造困难；采用变速 卷取。 2 2 2 改造型织机织造 为提高开口机构控制纱线的能力、提高入纬率，需要对织机的开口、引纬等 机构进行适当的改造，但与传统织机相比，织物生产原理并未发生根本性变化， 主要采用多梭口、多剑杆进行引纬。 1 9 9 6 年l z h a o t 矧等报道了一种在普通织机上利用计算机技术织厚度与宽度 相近似的三维机织复合材料预制件的新技术和新方法。利用该方法制织的织物在 下机展开后便形成厚度与宽度均具有相似量值的真正意义上的三维织物。 甘应进等 2 7 1 对g u l 0 1 a 型织机进行改造，采用多轴送经机构以适应处在不 同层上纱线的喂入，将连杆式打纬机构变为滑道式打纬机构以实现平行打纬，保 证3 d 高厚织物的打纬紧密、匀实，引纬机构较难实现自动化，因此在实验阶段 暂时采用手动引纬。 r u z a n d 冽等用浮纹织造原理修改标准织机( 简称浮纹i 型) ，生产出层到 层的联锁机织物，但不能用于织造多层织物。f a r l e y i 驯进一步修改。使斜纱层安 插到经过厚度的任何层( 浮纹型) 能生产出多层织物。 c o m b i e r t 驯将地经纱和接结经纱分别卷绕在两个不同的织轴上，地经纱不受 开口机构的控制，而接结经纱在开口机构控制下可以上下运动。接结经纱在开口 过程中，形成两层经纱，即形成两个梭口，一个由上层接结经纱与地经纱构成， 另一个由下层接结经纱与地经纱构成，两个引纬剑杆在所形成的梭口中同时引入 两纬。该方法生产的织物由一层经纱、两层纬纱构成，接结纱将经纱、纬纱固结 成整体的织物。 张仲槐【3 i l 等研制的正交立体织造方法也有两组经纱、形成两个梭口，靠两 组引纬针在梭口中同时引入纬纱。所不同的是地经纱被分成静止的和运动的两 组，运动经纱又分上梭口经纱和下梭口经纱，分别由上梭口综框和下梭口综框控 制。上层经纱只在上梭口运动，与静止经纱构成上梭口；而下层经纱只在下梭口 运动，与静止经纱构成下梭口。由于上、下层综框可以控制多层经纱，引入的纬 纱可以在各层经纱之间，因此制织的正交立体机织物具有多层经、纬纱结构。 王光华【3 2 j 采用三梭口、三剑杆同时引入三根纬纱，可以制织3 、6 或9 层纬 纱的正交立体织物。 刘健等田。采用特有的多眼综丝与多剑杆配合织造技术，如图2 - 1 3 所示，在 1 1 第二章目前3 d 机织物的结构与织造方法 织造过程中经纱由筒子架上引出，按一定规律穿过综框上的多眼练丝，再穿过钢 筘后由织物夹具夹持，综框升降时经纱形成多层梭口。梭口形成后，引纬剑穿过 梭口并停在最远方位置，边经纱由筒子上退绕下来，穿过边经剑后由织物夹具夹 持，引纬剑将纬纱送出梭口后，由织边装置形成纱圈编结而成布边，织边结束后， 引纬剑退出，钢筘将纬纱推向织口，织物引离机构将形成的织物引离。 美国m o h a m e d 等i s 4 1 采用多剑杆引纬，进一步扩大了梭口的数量，可制织具 有1 1 层经纱的立体织物。在这种织机上，开口机构能同时形成两个或多个梭口， 两个或多个剑杆同时将两根或多根纬纱引入梭口，然后钢筘将纬纱打入织口与经 纱交织成织物。 为满足特殊要求，近年来也研制了诸如螺旋轴型、导块型、剑杆型、分裂筘 型、极坐标型等专用的三维织机。 2 2 3 立体织机织造 2 2 3 1 矩形截面立体织物的织造方法 随着复合材料工业对立体增强织物的需要，以f u k u t a t “】和k i n g t ”1 分别发明 的三维柱体织造设备为代表，出现了多种立体机织物的织造方法和设备。f u k u m 和k i n g 的立体织机都将经纱预先排列成所需要的柱形结构，然后再相互垂直的 引入纬纱和垂纱，三组纱线呈正交结构。所不同的是，f u k u t a 的立体织机为卧式， 经纱为柔性；而k i n g 的立体织机为立式，经纱为预先固化的刚性纤维棒。有的 资料t 卅也将这种方法生产的立体织物称作正交非织造织物，以区别于传统的机 织物，但其形成原理为机织技术，与纤维铺网生产非织造布技术有着本质的区别。 f u k u t a 发明的另一立体织造技术l 借鉴编织原理，经纱z 预先排列成要求 的矩形截面，两组载纱器分别沿水平的x 方向和垂直的y 方向移动，如图2 - 5 所示。载纱器在沿经纱z 的列或行移动过程中，交替地在经纱间穿过，载纱器留 下的纬纱与经纱呈平纹等组织交织状态。 馨x ： ： ： 蒸懋 第二章目前3 d 机织物的结构与织造方法 k h o k a r 的立体织机l 矧主要创新在开口技术上，如图2 - 6 所示，综丝杆1 控 制双眼综丝2 ，综丝杆可以水平移动，也可以转动。全部经纱分成静止和运动经 纱两组，静止经纱不受综丝控制，在综丝间穿过；运动经纱分别穿过综丝眼4 和 综丝眼3 。当综丝杆带动综丝转动时，运动经纱与静止经纱在水平方向形成多个 梭口，可引入水平方向的纬纱：当综丝杆带动综丝横向移动时，运动经纱与静止 经纱在垂直方向形成多个援口，引纬机构可在经纱列问引入纬纱，从而形成立体 织物。 k h o k a r 的另一项发明【删不仅可以形成两个方向的梭口、在相互垂直的方向 引入纬纱，与纬纱交织的经纱可以是倾斜的，从而能够制织具有轴向经纱的立体 织物，结构如图2 7 所示。 印i，甲iiii 图2 7k h o k a r 织造的多轴向织物图2 。8 三维立体机织物的织造原理 a n a h a r a 柏】等设计的五轴三维织机，垂纱放在一个螺旋轴系统上，使经纱、 纬纱和垂纱用穿过厚度的联锁就位( 螺旋轴型) 。y a s u i 4 1 修改了五轴三维织机， 用一个导块取代螺旋轴，可得到均匀的斜纱层( 导块型) 。b i l i s i k 等i “研制了 一个多轴三维机织设备，垂纱从纱筒拉出，经过剑杆装置在预型件中成为取向纱 ( 剑杆型) 。m o o d t 叫提出多织轴织造方法，它利用一个分裂筘和提花机的机理 控制斜纱的引入( 分裂筘型) 。可织造具有独特性能的预型件。 2 2 3 2 圆形截面立体织物的织造方法 e m e r s o n 等人【“l 将多个( 5 个) 提花龙头组合在一起，围成一个圆周状，生 产圆筒状织物。织物半径的大小由在中央的织造圆筒控