（纺织工程专业论文）高模量纤维纱线针织可编织性能的研究[纺织工程专业优秀论文].pdf

摘要 高模量纤维纱线针织可编织性能的研究 摘要 复合材料的剐度和强力在很大程度上是由增强纤维的性质决定 的，通常采用高模量纤维作为增强结构。针织物由于结构设计灵活， 抗冲击，易于成型受到人们越来越多的关注。要使针织结构在复合材 料领域中得到进一步的广泛应用，必须解决高模量纤维纱线的针织可 编织性问题。国内外已有一些学者对高性能纤维的可编织性开展了一 些研究，但系统媳对高模量纤维可编织性能进行研究的文献资料仍然 很少，深度也不够。本课题的研究，目的在于进一步加深对高模量纤 维尤其是玻璃纤维编织性能的了解，在纬编工艺方面做出新的尝试。 本课题对玻璃纤维及纱线的各项性能指标进行了测试与分析，包 括拉伸强度、摩擦系数等，以掌握玻璃纤维纱线的特殊性质。通过纱 线的拉伸断裂强度和在织针上的圈状拉伸强度，选择适于编织的手摇 横机的机号，并采用不同规格的玻璃纤维纱线试织了几种具有代表性 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。 通过对已经编织好的玻璃纤维针织物进行各项尺寸参数的测试， 分析各种组织结构的玻璃纤维针织物的尺寸性能，包括织物密度参数 与线圈长度的关系，织物的尺寸稳定性等，力图实现织前对织物尺寸 的预测。同时仔细观察了织物中线圈的独特形态，并讨论了玻璃纤维 纱线的性质对线圈几何结构韵影响。 提出了玻璃纤维损伤程度的定量评价方法，分析讨论了在不同规 格的玻璃纤维纱线和不同组织结构的情况下，纤维损伤率( 或纱线损 伤率) 随线圈长度的变化趋势。通过研究发现，不管纱线和组织结构 如何，编织玻璃纤维纱线时都有一个最佳工艺点，在该点纤维的损伤 最小，这为选择合理的玻璃纤维纱线编织工艺提供了依据，具有很大 的实用价值。在对编织时线圈成形过程分析的基础上，理论估算出玻 璃纤维纱线可编织的最小线圈长度和最大线圈长度范围，以便在上机 编织之前对线圈长度的编织范围进行预测分析。另外，对成圈机件， 摘要 主要是织针和成圈三角的磨损进行了观察，以此来帮助评价玻璃纤维 纱线可编织性。结果发现编织玻璃纤维纱线更易造成编织机件如织针 和成圈三角的磨损，从而说明编织玻璃纤维纱线比较困难。 使用电脑横机试织了单面纬平针组织，利用在手摇横机上已得到 的编织经验，对电脑横机的各项具体编织工艺参数进行更为精确的设 置，从而制定出合理的编织方法和工艺。 关键词高模量纤维玻璃纤维可编织性纬编横机纤维损伤 i i a b s t r c t a s t u d y o 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 s f i b r ey a r n s a b s t r a c t t h es t i f f n e s sa n ds u e n g t ho fc o m p o s i t e sa r em a i n l yb a s e do nt h e p e r f o r m a n c eo f r e i n f o r c e df i b r e s h i g h - m o d u l u sf i b r e sa r cu s u a l l yu s e df o r r e i n f o r c e m e n t so fc o m p o s i t e s k n i r e df a b r i c sh a v e i n c r e a s i n g l y b e e n r e c o g n i z e da sa na t t r a c t e dk i n do f r e i n f o r c e ds u u c t u r e sb e c a u s eo ft h e i r f l e x i b i l i t y , i m p a c tr e s i s t a n c ea n de a s ym o l d a b i l i t y i no r d e r t om a k ek n i t t e d f a b r i c sb eu s e dm o r ew i d e l yi nc o m p o s i t e s ，t h ep r o b l e m so n k n i t t a b i l i t yo f h i g h - m o d u l ef i b r ey a m s m u s tb es o l v e d s o m er e s e a r c h e r sh a v es t u d i e dt h e k n i t t a b i l i t yo f h i g h - m o d u l u sf i b r e ，b u tl i t e r a t u r e so rm a t e r i a l sr e l a t e dt ot h i s t o p i c a g ol i m i t e d t h i st h e s i sa i m sa t g r a s p 崦t h ek n i t t a b i l i t y o f h i g h - m o d u l e f i b r e se s p e c i a l l yg l a s sf i b r em o r e d e e p l y a n d m a k i n g an e w t r y o nw e r - k n i t t e d t e c h n i q u e s s e v e r a lp r o p e r t i e so f g l a s sf i b r e sa n dy a m s s u c h 鹪t e n s i l e i n t e n s i t y , f i - i c t i o n a lc o e f f i c i e n te t c ，w o f ef i r s tc a r r i e do u ta n da n a l y s e d , a n dt h e nt h e k n o w l e d g eo fs p e c i a lp e r f o r m a n c eo fg l a s sf i b r e sc o u l db eo b t a i n e d t h e a p p r o p r i a t eg a u g eo fh a n df i a tk n i t t i n gm a c h i n ew a sc h o s e nb yt e n s i l e s t r e n g t ha n dl o o ps 廿e n g t h i na d d i t i o ms e v e r a lr e p r e s e n t a t i v es i n g l e - f a c e d f a b r i c sa n dd o u b l e - f a c e df a b r i c sw e r ek n i t t e db yu s i n gg l a s sf i b r ey a m s w i t hd i f f e r e n ts p e c i f i c a t i o n s t h ea u t h o ra l s or e p o r t e de f f e c t so fd i f f e r e n t k n i t t i n gp a r a m e t e r so n t h ep r o c e s so f k n i t t i n ga n da p p e a r a n c eo rq u a l i t yo f f a b r i c s + s o m ed i m e n s i o n a lp a r m n e t e r so ff a b r i c sk n i t t e da b o v e ，e 他t e s t e d a n dt h e i rd i m e n s i o n a lp r o p e r t i e sw e r es t u d i e d , i n c l u d i n gt h ed i m e n s i o n a l s t a b i l i t ya n d t h er e l a t i o n sb e t w e e nd e n s i t i e sa n d l o o pl e n g t h s i nt h i sw a y , t h ed i m e n s i o n so f t h ef a b r i c sc 越b e p r e d i c t e db e f o r ek n i t t i n g f u r t h e r m o r e t h ea u t h o ro b s e r v e dt h e s p e c i a ll o o ps h a p e si ng l a s sf i b r ef a b r i c sa n d d i s c u s s e dt h ee f f e c to f g l a s s f i b r e p e r f o r m a n c eo nl o o p g e o m e t r i c a l i i i a b s t r a c t s t r u c t u r e t h e q u a n t i t a t i v e m e t h o du s e df o r e v a l u a t i n g t h ef i b r e d a m a g e d e g r e ew 孙p i 踟t e d t h er e l a t i o n sb e t w e e nt h ef i b r ed a m a g ed e g r e ea n d t h el o o pl e n g t h sw e r ea l s oa n a l y s e d t h er e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h e r ei sa n o p t i m u mp o i n t a tw h i c ht h ef i b r ed a m a g ei sm i n l r n u m d u r i n gt h ek n i t t i n g p r o c e s s a n dt h i sc o n c l u s i o na f f o r d sb a s i sf o rs e l e c t i n gk n i t t i n gp a r a m e t e r s o fg l a s sf i b r e y a r np r o p e r l y t h ea v a i l a b l er a n g eo fl o o pl e n g t h sw a s c a l c u l a t e db a s e do n s t u d y i n gt h el o o p - f o r m i n g , w h i c hv c a sh e l p f u l t o c h o o s et h e r i g 址l o o pl e n g t h s b e f o r ek n i t t i n g m o r e o v e r , t h el o s sa n d d a m a g eo fk n i t t i n ge l e m e n t s ( n e e d l e sa n ds t i t c hc a m s ) w 嬲o b s e r v e d a sa r e s u l t , t h ea u t h o rh a sf o u n dt h a ti t i s e a s yt o m a k ek n i t t i n ge l e m e n t s d a m a g e d w h e n g l a s sf i b r e sa r ek n i t t e d a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i e n c eo nh a n df l a tk n i t t i n gm a c h i n e ，s i n g l e j e r s e y w a sf a b r i c a t e do na c o m p u t e r - c o n t r o l l c d f l a t k n i t t i n g m a c h i n e c o n s e q u e n t l yr e a s o n a b l ek n i t t i n gm e t h o da n dp r o c e s sc a nb ed e c i d e db y s e t t i n gu pe a c hp a r a m e t e rm o r e p r e c i s e l y z h u m e i ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db yp r o f e s s o rh uh o n g k e y w o r d sh i g h - m o d u l u sf i b r e ，g l a s sf i b r e ，k n i t t a b i l i t y , w e f tk n i t t e d f a b r i c ，f l a tk n i t t i n gm a c h i n e ，f i b r ed a m a g e 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。 学位论文作者签名：曼梅 日期：妒；年工月) ，v 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 不保密皿。 指导教师签名：1 嘱 二 日期：扣哆钳二月盈日 樯 枣棺 名 月 签 以 者 年 一 椰 位 勰 学 日 第一章绪论 第一章绪论 随着纤维增强复合材料在航空航天、交通运输、民用建筑、生物 医用和体育器材等领域的广泛应用，不仅要求复合材料具有很高的损 伤容限和可靠性，同时对其增强材料的结构完整性和适型性的要求也 更加严格。机织物和编结织物是传统纺织复合材料的增强结构，但近 十几年来，针织物由于结构设计灵活，抗冲击，易于成型制作复杂形状 的构件等优点而受到人们越来越多的重视。吲。要使针织结构在复合材 料领域中得到进一步的广泛应用，必须在针织结构中成功地应用各种 高性能纤维。针织结构中线圈编织成形的力学机理和成圈前后纱线力 学性能的变化，一直以来都是纺织科学领域的一个难点问题。由于高 性能纤维的离强度和高模量，造成了特殊的编织成圈工艺难度，而且 很容易对机器部件造成损伤。因此，高模量纤维的可编织性的研究已 成为针织增强结构复合材料领域一个重要的研究方向，它对于研制和 开发新型纺织复合材料具有重要的理论和实际意义。 第一节高模量纤维的特点与应用 复合材料的刚度和强度在很大程度上是由增强纤维的性质决定的， 通常采用高模量纤维作为增强结构。高模量纤维通常为力学性能同时 具有强度大于1 8 c n d t e x ( 2 0 9 d ) ，初始模量大于4 4 1c n d t e x ( 5 0 0 9 d ) 的特种纤维铷。这些纤维具有很高的阻燃性、很好的防化学药品腐蚀性， 和其它纤维相比具有很高的模量和坚韧度嘲。 目前先进国家和我国正在大力开发研究纺织复合材料中常用的几 种高性能纤维原料，它们除了已被广泛使用的高强度涤纶外，主要受 人关注的是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和高强度聚乙烯纤维等高性 能纤维。这些纤维材料制成的基布和树脂复合后产生的纤维增强复合 材料，具有高强高模、轻而耐高温的优异性能，使产业用纺织品进入 了传统的材料工业领域，为纺织工程材料开拓了许多新的工程应用领 第一章绪论 域。1 一玻璃纤维：由于弹性模量高、拉伸强度大、尺寸稳定性好等优 点，玻璃纤维和它们的产品代表了一种新的现代产业纺织品类，得到 了大量的、多种和有效的应用。 二碳纤维：碳纤维的增强针织物，可以取代合股增强或机织物增 强材料的作用。这种和热塑性基材结合的针织用纱，可以适应连续加 工工序中的反复牵伸，并且均匀地形成具有自由形态的表面，可广泛 应用于加工完美的产品外形。 三芳香族聚酰胺纤维：芳香族聚酰胺纤维中最有代表性的高强度、 高模量和耐高温纤维是p p t a 纤维，商品名“k e v l a r ”，它具有优良的 物理机械性能，应用范围十分广泛，如工业上的轮胎帘子线等j 军事 上的防弹衣等；航空航天上的飞机结构等。 四高强度聚乙烯纤维：8 0 年代，荷兰和日本合作开发制造了高 强度聚乙烯纤维，应用于船帆、过滤布、防护服装、头盔、土工布等 产业用纺织品领域。由于这种新纤维的柔软性好，它能很好地用于针 织加工，我国也已研制了高性能聚乙烯纤维。 五高模高强粘胶纤维：借助在增塑介质中的取向拉伸增强纤维的 方法的发现、调整纤维的超分子结构，以改进纤维物理机械性能方法 的研究和在介晶相转变过程中聚合物自动有序化现象的发现，从而生 产出的高强高模量粘胶纤维适用于汽车轮胎、输送带、研磨带和以热 塑性和热固性塑料为主的复台材料。 六高强丙纶纤维：高强丙纶强力高、比重轻、耐磨性好，具有很 高的抗张强度和抗冲击强度，其柔韧性和耐化学药剂性使之在产业用 领域具有较强的竞争能力，目前已广泛用于传送带、安全带、绳缆、 篷盖布等。 第二节高模量纤维可编织性的研究综述 由于复合材料中针织物结构的优点，重要性和不断增长的应用，国 际上已有一些学者对高性能纤维的可编织性开展了一些研究。英国 2 第一章绪论 u m i s t 的纺织部曾广泛研究了高模量纱线的可编织性。在电脑横机上进 行纬编织物的试验，探讨编织过程和高模量纱线之间的相互关系。国 外已有学者用新型导纱器的针织新工艺成功编织出了碳纤维织物“。 此外，澳大利亚学者也重点研究了对于一给定的针织结构，如何在机 器存在局限性的情况下编织出最紧密的织物( 即可编性研究) ，从而迸 一步提高对玻璃纱线在针织物中几何结构的了解。国内也积极展开研 究，对玻璃纱线的织造有一定的经验“。 2 1 高模量纤维可编织性问题的研究进展 目前，在复合材料中采用的纬编针织物结构有：单面的平针、变 化平针、衬垫；双面的罗纹、罗纹空气层、双罗纹、罗纹衬纬、半畦 编和全畦编等。其中研究较多的是平针，其次是罗纹，这两者也分别 是单面和双面织物中最具有代表性的针织物结构。 在编织增强织物对，对于采用尉度比较大，弯曲易折断的玻璃纤 维和碳纤维等原料，大多是在带压脚的横机或采用相对运动技术的单 面圆机上编织，机号一般在四至十二。由于这类机器编织时对纱线施 加较小的作用力，使成圈容易进行，比较适合该类纤维的编织“。 2 。1 1 高性能纤维的编织工艺难点 在编织区域，当纱线与针织机件接触时，张力会不断上升，直至 达到一个峰值。另外在套圈过程中，旧线圈由较细的针杆部分上移到 较粗的针钩部分，旧线圈扩大部分的纱线量约为原线圈的3 0 左右“”， 这样，纱线的弹性在编织过程中就显得很重要。然而高性能纤维由于 其线性张力弹性，尤其是在横机上编织时需使用间歇方式，易产生很 高的张力极值，导致编织困难o “。高性能纤维的断裂伸长一般均在5 以下，但在套圈过程中纱线伸长很容易超过5 ，同时由于纱线具有 很高的拉伸强度和模量，所以很容易发生纱线被拉断或织针被拉断的 情形。高强高模聚乙烯纤维因为柔软性好，链够较好的适应针织成圈 加工：高强丙纶纤维也具有很好的柔韧性，编织成圈也比较顺利。用 于织造的芳纶纤维一般较细，加工中常出现复丝劈裂、起毛起球、纱 线相互缠绕，可通过上浆和加捻来解决o “。玻璃纤维和碳纤维除了具 第一章绪论 有高模量高强度、断裂伸长低等高性能纤维的共有特点外，还具有摩 擦系数过高，纱线抗弯刚度大和脆性大的特性，从而造成其编织难度 更大。碳纤维比玻璃纤维模量更高，弯曲时更易断裂，因此，碳纤维 比玻璃纤维更难成圈编织。 2 1 2 高性能纤维可编织性的影响因素 研究表明，影响高性能纤维，尤其是玻璃纤维可编织性的因素主 要为以下两点“： 1 纤维的摩擦性能。纱线的摩擦系数对成圈过程的影响很大。在 退圈阶段，由于高性能纤维，尤其是玻璃纤维的摩擦系数一般较大， 当织针沿三角上升的时候，布面有可能随针起上升，旧线圈无法完 成退圈，最终还有可能导致布面冒出针床口，使编织无法顺利进行。 在脱圈阶段，因纱线较高的摩擦系数，致使新线圈从输入纱线以及相 邻线圈转移的纱线量比较困难，所以高性能纤维所成的线圈比正常的 要小且容易断裂。在弯纱时，纱线摩擦系数大，弯纱张力也大，疵点 形成的机会增多。同时，随着摩擦力的增大，会导致导纱器和成圈机 件上出现槽痕，增加编织机件的磨损程度。摩擦实验测试的结果显示： 虽然玻璃纤维纱线的摩擦系数可通过润滑而降低，但因为其脆性很大， 在编织过程中，单纤长丝会发生无规则摩擦断裂，要获得沿长度方向 上平稳的摩擦和成圈还是很困难的“”。 2 ，纤维的抗弯刚度和脆性。从对针织成圈过程的分析可知，纱线 在弯纱阶段的弯曲变形力对其可编织性会产生很大影响。纤维的高刚 度与固有的脆性一起，造成了玻璃纤维的低弯曲阻抗。在针织过程中， 纤维易于受到弯曲应力，即使是微小的变形也会大幅度断裂，这样就 使得玻璃纤维的编织更加困难。玻璃纤维等纱线的高弯曲刚度对织物 外观也产生明显影响，例如平钉织物的卷边比常规纱线织物的卷边要 严重得多，低捻纱线编织的大部分织物线圈呈圈弧状，没有明显的圈 柱段“。另外，弯曲过程中弯曲变形力的增加也容易导致织针的磨损 甚至断裂。 2 1 3 高性能纤维可编织性的评价“7 1 4 第一章绪论 除了通常采用的以编织顺利程度和织物外观来评价高性能纤维可 编织性的方法外，近来有学者还提出了以高性能纤维的损伤程度和织 针( 针踵) 的磨损程度作为评价高性能纤维可编性的客观评价方法， 但是对这方面的研究工作还有待于进一步深入开展。 以玻璃纤维为例因为缺少一种直接客观的测量长丝损伤程度的 方法，所以通过观察显微照片对玻璃纤维针织物的几何结构做出分析 评价，来研究玻璃纤维的损伤。大多数长丝的断裂发生在线圈的针编 弧上，且只有一些长丝断裂，这是由于和针钩表面直接接触的长丝弯 曲达到的曲率半径比那些跨过针钩的要小，因而前者就比后者更易断 裂，另外当纱线从纱简上退绕下来时，每根长丝的受力不均匀也会导 致部分断裂。从纱线测试结果可知，由于纤维脆性，线圈强力的大范 围降低很明显。而且随着针织机件尤其是织针的变细，线圈强力也降 低。预成型结构中，线圈变形和同一纵行上的左右倾斜，是由于纱线 与编织机件之间的摩擦以及纱线的加捻所导致的。但作为增强结构， 织物中的线圈歪斜将不会影响织物外观，若织物未受拉伸，这将有助 于提高增强复合材料组分的各向同性。 图像分析和电子显微技术研究结果表明：织针断裂是一瞬间动作， 是由摩擦系数、输入张力和织针疵点的变化而产生的张力峰值引起的。 从织针断裂的数目也可以看出用玻璃纤维纱线进行编织的难度较大， 但若考虑织物的紧度和具体的三角设置，成功编织出玻璃纤维织物还 是可行的。 2 2 改进高性能纤维可编织性的方法 根据国内外已进行的实验研究“2 “”嘲，目前改进高性能纤维可编 织性的方法主要是从纤维选择和针织机编织工艺两方面着手。 1 纤维参数的优化，主要是根据编织成圈要求，从纤维细度、捻 度和表面处理工艺上进行优化选择最佳的原料进行编织，下面以玻璃 纤维为例进行具体说明： ( 1 ) 纱线细度：相对来说，单纤细度较小的玻璃纤维纱线的比弯 曲剐度也较小，较易弯曲成圈，可以改善编织过程中弯曲变形力对纤 第一章绪论 维的影响。因而在没有特殊要求的情况下，尽可能采用单纤细度较 小的纱线进行编织。 ( 2 ) 纱线捻度：在保证纱线必要强度的前提下，尽可能采用捻度 较小的纱线进行编织。因为捻度较小的纱线比较松软，抗弯剐度小， 易于弯曲成圈，而且纱线捻度越低，树腊越容易浸渍到纤维中，从而 能够提高两者界面粘合力o ”。 ( 3 ) 表面处理工艺：根据k n a p t o n 的研究，纱线与金属间的摩擦 系数对最大编织张力的影响非常重要。因此在编织高性能纤维时 为达到获得合适的纱线摩擦系数并使其在纱线的整个编织过程中保持 稳定，应当采用合适的润滑剂进行表面处理，这将有助于织出符合要 求的织物并能提高编织过程的效率“。 2 编织工艺参数优化，主要是对织针、沉降片、喂纱张力、弯纱 深度和牵拉张力等针织机工艺参数进行优化，使商性能纤维能够顺利 编织成圈“2 1 5 , 1 8 - 1 9 , 2 。 ( 1 ) 织针和沉降片的优化选择。根据有关实验研究，建议织针针 钩的截面直径应达到一定值，此定值由纤维长丝的直径以及纱线强力 测试中所能达到的应力极限来具体确定“”。另外，舌针针钩采用锥形 圆截面比圆柱形截面优越，可减少切断纱线的次数。同时，针杆设计 成有利于纱线滑移的弯曲度，也会大大减小纱线附加张力9 ”。现代纬 编机上可以采用复合针来改善纱线张力，复合针还可配合采用双向沉 降片技术以提高编织质量“”。 ( 2 ) 喂纱张力优化。由欧拉公式可知，弯纱过程中同一弯纱点的 纱线张力与输入张力成正比关系，因此编织高性能纤维纱线时应尽量 采用积极式给纱以保证尽量小的纱线张力。对于横机，一般在保证挑 线弹簧能够充分吸收机头换向时产生的余线的前提下，张力装置设置 值应尽可能小。横机中由于带有导纱器的机头成不连续的往复运动， 最好采用带有回喂控制的纱线张力的步进马达将纱线喂入织针，以保 证最小且连续张力供纱。另外，可以考虑采取减少纱线与金属机件的 接触点的方法来减小摩擦，从而降低纱线张力。 6 第一章绪论 ( 3 ) 弯纱深度优化。弯纱深度是关系到能否正常编织，织物密度 是否得当和线圈结构是否均匀的关键因素。当弯纱深度增加时，线圈 长度增加，在编织区域纱线接触点的数目就增加，导致包围角总和增 加，从而导致编织区纱线张力的增加，当弯纱张力增大至纱线断裂强 力时，纱线就发生断裂。同时，弯纱时需纱线转移，若线圈长度越长， 则纱线紧贴针钩移动的路径就越长，由于纱线弯曲的曲率半径较大加 上玻璃纤维纱线的脆性大，导致纱线断裂部分增多，从而难以实现顺 利编织“”。所以，在保证线圈长度能够使织针顺利退圈和脱圈的情况 下，应使弯纱深度尽可能小o ”。 ( 4 ) 牵拉张力优化控制。编织碳纤维和玻璃纤维等高性能纱线时， 由于纱线摩擦系数和弯曲刚度较大，织物不易牵拉，所以必须施加比 普通纱线较大的牵拉张力。如果向下的牵拉张力不够，会对线圈的形 态与均匀性和布面的清晰度产生影响。但张力也不可过大，否则，纱 线与织针摩擦力较大，影晌织针上升，造成刮伤纱线，降低布面质量， 严重时甚至使织针断裂。电脑横机上编织织物，由于其装有握持沉降 片，在局部立体编织时可以替代牵拉辊进行辅助牵拉“”，但对于摩擦 系数和弯曲刚度都较大的高模量纤维纱线来说，仅靠握持沉降片而不 靠牵拉辊夹持进行牵拉，是难以顺利编织的。 2 3 目前研究中存在的问题 虽然国际上已有一些学者对高性能纤维的可编织性开展了一些研 究，但是由于高性能纤维的力学特性和编织成圈过程中的力学行为十 分复杂，使得高性能纤维编织成圈过程研究成为一个十分复杂的力学 问题。 因此，目前国际上进行的研究都是以实验研究为主，研究影响高 性能纤维可编织性能的因素及其影响趋势，并优化得到针对某一具体 原料的合理的编织加工工艺，而没能对编织成圈过程中纱线的受力情 况以及由机件和纱线相互作用引起的纤维损伤机理进行深入的理论分 析和研究，因而无法从根本上解决高性能纤维可编织性问题。而国内 对高性能纤维编织性能的研究只是刚刚开始，对高性能纤维成圈过程 的深入理论研究工作还未进行。 7 第一章绪论 第三节本课题的研究意义、内容和方法 3 1 本课题的研究意义 近十几年来，虽然国内外在高模量纤维纱线的性能和可编织性之间 的关系方面已作了大量的研究，但系统地对高模量纤维可编织性能进行 研究的文献资料仍然很少。而且这些研究多限于讨论如何编织，对于编 织工艺对织物性能的影响，特别是编织工艺对织后针织物中纤维的损伤 情况以及如何采用更合理的编织工艺降低纤维的损伤更没有深入地研 究。通过该选题的研究，进一步加深对高模量纤维尤其是玻璃纤维编织 性能的了解，在纬编工艺方面做出新的尝试。 由于高模量纤维编织较困难，尤其是碳纤维和玻璃纤维，且对机器 损伤程度大，成本较高，因而国内基本还没有产业化，特别是三维织物 的编织。针织物增强结构有利于规模效应复合材料的生产，因此针织增 强织物的发展有利于推动复合材料在大规模工业领域和民用工程中的 应用。该选题将在新型高强高模量纤维纱线在针织工业中的实际应用方 面进行探讨，从而有利予推动针织增强复合材料的发展。 3 2 本课题的研究内容和方法 为了实现本课题力求进一步掌握高模量纤维纱线可编织性的目 的，采用各种规格的玻璃纤维纱线为原料，从以下几个方面进行研究 工作： 1 玻璃纤维纱线性能的研究与分析：分析测试玻璃纤维及纱线的 各项性能指标，并与其它纤维纱线相比较。 2 玻璃纤维纱线上机编织与工艺参数调试：采用不同规格的玻璃 纤维纱线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。 3 织后织物尺寸稳定性( 几何性质) 的测试分析：利用几何模型 及理论公式对织后的织物密度进行测算，以期建立玻璃纤维织物中几 何尺寸的经验公式，从而实现织前对织物尺寸稳定性的预测。 第一章绪论 4 织后针织物的纤维损伤测试分析与评价：通过对玻璃纤维纱线 织后纤维强力损伤率的定量研究，来分析评价编织过程对纤维损伤的 影响，同时采用显微镜观察来加以定性描述。另外，通过理论分析来 估算出编织过程中对损伤影响较大的线圈长度的极限值。 5 结合手摇横机上的编织工艺制定电脑横机上的合理工艺：利用 在手摇横机上已得到的编织经验，在电脑横机上对编织工艺加以更为 精确的控制，从而制定出合理的编织方法和工艺。 9 第二章玻璃纤维及其纬编针织物的编织工艺研究 第二章玻璃纤维及其纬编针织物的编织工艺研究 高模量纤维中的玻璃纤维由于弹性模量高、拉伸强度大、尺寸稳 定性好且价格比较低廉等优点而得到大量的、多种和有效的应用，本 课题同样也选取玻璃纤维纱线开展研究工作。 本章主要介绍玻璃纤维纱线的性能，并围绕其特殊性分析讨论它 在手摇横机上的编织工艺。 第一节玻璃纤维及纱线的性质 i 1 玻璃纤维的性质 1 1 1 玻璃纤维的一般组成 通常玻璃是以二氧化硅( s i 0 2 ) 为主要成分，加入各种金属氧化物或 碳酸盐，经高温熔融，在未析出结晶时即被急剧冷却凝固而成的无定 形物质“1 。分子结构以硅( s i ) 为核心，周围有四个氧原子，组成s i0 4 的四面体，形成无规则三维网络结构，在网络间隙中以弱键力结合有 各种金属离子，这就是玻璃的基本骨架。1 。玻璃纤维的性质和一般玻璃 没什么不同，但是玻璃纤维是通过极细直径的喷嘴( 喷丝头) 于熔融 状态下急速拉伸，成为瞬间来不及结晶的急冷固化物。 1 i 2 玻璃纤维的种类和特性 玻璃纤维有许多种类啪1 ，如：e 一玻璃纤维、c 一玻璃纤维、a ，一玻 璃纤维、卜玻璃纤维、s 一玻璃纤维和y m 3 1 a - 玻璃纤维等。它们的 一般性质如下。“： ( i ) 吸湿性小。 ( 2 ) 尺寸稳定性好。 ( 3 ) 耐热性好，不燃烧。 ( 4 ) 耐老化性好。 ( 5 ) 电气绝缘性好。 ( 6 ) 耐药品性好。 ( 7 ) 弹性模量高，是完全弹性体。 1 0 第二章玻璃纤维及其纬编针织物的编织工艺研究 ( 8 ) 拉伸强度大，延伸率小。 ( 9 ) 剪切强度、耐磨损性差。 本文研究选择比较常用的e _ 一玻璃纤维，即无碱玻璃纤维，它是化 学成分中碱金属氧化物含量为o 2 的铝硼硅酸盐玻璃纤维。其特点是 具有良好的电绝缘性、耐老化性和机械强度，可以长期使用。 1 2 玻璃纤维加捻纱线的性能 专 1 2 1 玻璃纤维纱线规格 本课题主要使用了3 种无碱玻璃纤维长丝纱线a 、b 、c 。分别购自 于河南洛阳晶纬玻璃纤维有限公司、陕西玻璃纤维总厂和南京玻璃钢 研究所，纱线的规格如表2 1 所示。 表争l 玻璃纤维纱线规格 纱线编号单纤直径( um )纱线线密度( t e x )捻度( 捻米) a8 。01 4 49 1 2 b5 51 5 03 0 0 c5 5 2 4 x 61 1 0 为了减小编织过程中纱线与纱线、纱线与机件表面的摩擦力，从 而达到减小编织张力的目的，在纱线b 和c 表面用石蜡进行处理，由 于纱线a 还用于其它课题，需制作成复合材料，所以表面经硅烷偶联 剂的化学处理，以增加玻璃纤维和树脂界面之间的粘合力。 1 2 2 玻璃纤维纱线的力学性能 为了比较玻璃纤维和其它普通纤维力学性能的差异，本文采用 h d 0 2 1 电子单纱强力仪和f m e t e rw i n d e rr 1 0 8 3 型纱线动态摩擦系数 仪分别测试了玻璃纤维纱线、棉纱、毛腈混纺纱线和涤纶长丝的拉伸 强力、断裂伸长率以及与金属表面间的动摩擦系数，测试结果如表2 2 所示。 表2 - 2 几种纱线的有关参数 纱线种类线密度( t e x )断裂强度( n t e x )断裂伸长率( )动摩擦系数 玻纤纱线a1 4 40 5 72 1 70 6 2 玻纤纱线b 1 5 00 7 83 2 90 4 2 第二章玻璃纤维及其纬编针织物的编织工艺研究 玻纤纱线c 2 4 60 5 02 2 10 ，4 8 纯棉纱线 2 6 0 2 31 1 5 0 0 2 2 毛腈混纺纱线7 0o 1 21 4 3 10 1 8 涤纶长丝 2 1 2 0 3 62 0 4 50 3 9 不难发现，玻璃纤维纱线和普通纤维纱线相比，有较高的断裂强度， ，二 但断裂伸长率比较小，尤其是比毛腈混纺纱和涤纶长丝小很多，这也表明 其弹性、延伸性较差。即便玻璃纤维纱线的表面经过石蜡等处理，然而动 态摩擦系数仍然较大。三种规格的玻璃纤维纱线的捻度不同，其摩擦系数 也不同，从中可以看出，在一定范围内，玻璃纤维纱线的摩擦系数随着捻 度的提高而降低。此外，由其他学者所做的关于不同纱线的弯曲性能的比 较( 见表2 3 “3 3 ) ，可以知道玻璃纤维纱线的弯睦刚度很高。加上摩擦系数 较大和天生的脆性，使其表面粗糙、较硬而且不耐扭折，这就使得玻璃纤 维纱线的编织非常困难。 表2 - 3 几种纱线的弯曲性能比较 纱线种类线密度( t e x )比弯曲刚度( n x m m 2 t e x ) 棉纱 5 8 80 9 1 8 涤纶长丝6 2 61 2 5 腈纶纱线5 8 81 4 1 中捻玻璃纤维股线 1 5 0 6 7 8 本试验在测试玻璃纤维纱线的拉伸强力时，采用g b t7 6 9 0 3 - - 2 0 0 1 。在纱线拉伸过程中，发现纱线会在夹头之间打滑或者被夹头夹断， 为了克服这一缺点，将纱线两端先用树脂粘结固定，但树脂块不需太大， 只要能插入夹头中就可以，并注意树脂块的位置在试样夹持距离以外。图 2 一l 是玻璃纤维纱线a 的典型的拉伸曲线图。 1 2 第二章玻璃纤维及其纬编针织物的编织工艺研究 f 7 。 ， ， ， ， ， u u 0 20 40 60 8 1 01 21 41 61 8m m 图2 - 1 玻璃纤维拉伸特征曲线 由图2 一l 发现玻璃纤维纱线的拉伸曲线起始阶段的曲线斜率较小， 以后增大，这是由于纱线有一定的捻度，在拉仲初始阶段纱线中的纤 维还没有完全伸直。但是两者之间没有明显的分界，拉伸力与纱线伸 长之间近似地呈线性关系。另外，玻璃纤维的拉伸强度与直径和长度 有关：直径越小，拉伸强度越高；随着长度增加，拉伸强度显著下降【“。 但本实验的结果似乎有些出入：单纤直径5 5um 的纱线c 的断裂强度 却比单纤直径8 0 um 的纱线a 小。这是因为前者采用6 根纱线简单合 并编织而没有任何合股加捻措施，使得6 根纱线在拉伸时没有完全同 时拉直，所以纱线分批受力，导致总的强力降低。 第二节织物组织结构的设计与性能分析 为了研究玻璃纤维纱线的编织性能需要对不同的组织结构进行 具体测试分析与比较。本文选择五种组织结构，分别为：单面纬平针、 l x l 罗纹、满针罗纹、罗纹空气层和半畦编。三种规格的玻璃纤维纱线 所分配编织的组织结构如表2 4 所示。 第二章玻璃纤维及其纬编针织物的编织工艺研究 表2 4 编织的组织结构 纱线编号组织结构 a 纬平针、l x l 罗纹、满针罗纹、罗纹空气层、半畦编 b 纬平针、i x l 罗纹、满针罗纹 c 纬平针、l x l 罗纹、满针罗纹 下面介绍一下各种纬编织物组织的结构与性质。 2 1 纬平针组织 纬平针组织作为针织物的一个基本原组织，成为国内外针织学者 研究的首选。它是由连续的单元线圈相互串套而成，其编织图如图2 2 所示。纬平针组织在纵横向拉伸时均具有较好的延伸性，但也存在着 脱散性和卷边性。为了便于后面章节对织物几何形态的研究中能够观 察到织物的正反面，本文采用单面针床编织而不是双面针床编织圆筒 平针。虽然可以将圆筒平针剪开，但单面不可避免的卷边性和剪开后 线圈脱散会造成很多麻烦。为了有效降低卷边性的危害，可以在排针 时将布边几枚针排成罗纹配置。 llll 1 l 卜什 图2 - 2 单面纬平针编织图 2 2 罗纹组织 罗纹组织系双面纬编针织物的基本组织，它是由正面线圈纵行与反 面线圈纵行以一定组合相间配置而形成“。罗纹组织连接正反面线圈的 沉降弧弯曲比较大，力图伸直，使同一面上的相邻线圈彼此靠拢，当 受到拉伸力时，相互靠拢的线圈纵行会向拉伸力方向偏转，所以该组 织结构的横向延伸性比较好。本文采用满针罗纹和1x1 罗纹，编织图 见图2 3 。两种罗纹的实际结构是一样的，只不过前者采用满针排针， 后者采用1 隔1 排针。由于后者编织时纱线在织针之间跨越比较多， 所以织物的横向拉伸性比前者好。 1 4 第二章玻璃纤维及其纬编针织物的编织工艺研究 卅删 ( a ) 满针罗纹( b ) 1 1 罗纹 图2 - 3 罗纹编织图 2 3 罗纹空气层组织 罗纹空气层，也称“米兰诺组织”，它是由罗纹组织与单面平针组 织复合而成，编织方法见图2 - 4 。其一个完全组织需要三路编织形成， 在受到横向拉伸作用力时，单面线圈位于各自的线圈平面上，因而该 织物的横向延伸性比罗纹组织小小，尺寸稳定性也较好。第2 ，3 路编 织成的两个平针组织形成空气夹层，因而具有厚实、挺括的优点。同 时由于罗纹与单面平针的线圈结构不一样，最终形成的织物表面会有 凹凸条纹。所以在编织时要注意控制好密度，不然会使空气层处的横 线印迹很明显，并使间隔不规则。 扣广占告： iii | ii li 卜 什3 图2 4 罗纹空气层编织图 2 4 半畦编组织 为了能够考察不同线圈结构性质，需要编织带有集圈的组织结构， 同样为了能够清楚地比较两个针床编织组织的不同，本课题只选择一 边集圈的半畦编组织，其编织图见图2 5 。半畦编组织又称单鱼鳞或单 元宝针。织物下机后，弯曲的集圈悬弧力图伸直，将与此相邻的线圈 向两边推开，使得横密减小，同时纱线转移到两边线圈，使其线圈尺 寸变大，线圈蓬松。但要注意根据集圈时机头的运动方向，来配置两 针床的织针，以防止边针脱针丽影响编织。另外，若上抬某一个三角 集圈时，应将和它相对应的对面针床的成圈三角密度开松，以减少纱 线成圈时的张力，进而防止断纱，以利于编织。 第二章玻璃纤维及其纬编针织物的编织工艺研究 图2 - 5 半畦编编织图 2 第三节手摇横机上机编织工艺 上述这些纬编组织均可在圆机或横机上编织，因为横机可以编织 出成型织片而不需裁剪，使得织物布边整齐，而且成圈系统和纱筒数 量少，同时原料适应性强，翻改品种和变换工艺快而方便，故采用横 机编织。由于本课题研究的对象是玻璃纤维纱线，在编织时比较困难， 为了能清楚地观察并分析成圈过程，先期采用手摇横机进行编织。 3 1 对成圈机件尺寸的要求 3 1 1 织针针钩直径与线圈断裂强度的关系 玻璃纤维纱线在编织过程中极易在针钩处断裂，前人研究发现， 为了实现顺利编织，在编织成型过程中，纱线与之接触的针织元件的 直径应不得小于一定值o ”。为了找出玻璃纤维纱线的断裂强力与针织机 件截面大小的联系，作者选取不同机号上的织针，用针钩分别套住2 种规格的纱线进行拉伸试验，用于模拟成圈过程中纱线的受力情况。 该试验方法称为圈状拉伸试验，如图2 - 6 所示。 图2 - 6 圈状拉伸试验图 1 6 第二章玻璃纤维及其纬编针织物的编织工艺研究 不同机号上织针针钩的直径和2 种规格的玻璃纤维纱线在4 种不 同直径的织针上的拉伸断裂强度( 此强度可近似假设为弯纱时纱线的 断裂强度) 分别如表2 - 5 和2 - 6 所示。 表2 - 5 不同机号上织针针钩的直径 i针织机号 5 ，59l l1 6 _ j 针钩直径( m ) o 7 60 5 0o 4 20 ，3 6 表2 - 62 种规格的玻璃纤维纱线在4 种不同针钩直径的织针上的拉伸断裂强度 品淤j 0 ，7 60 50 4 2o 3 6 拉伸断裂强度、 纱线规格( n t e x ) 玻璃纤维纱线a 0 7 40 4 50 3 8o 3 1 玻璃纤维纱线b o 7 60 5 5o 5