兩種異形3D管狀機織物的設計與試織

王觀桔 王晶晶 呂麗華

(大連工業大學，遼寧大連，116034)

1 研究背景

3D管狀機織復合材料以其優異的力學性能和結構優勢，越來越多地被應用在航空、航天、生物、醫學以及汽車工業等領域[1]；但在汽車領域的異形截面空心結構件[2]、工業領域的異形截面鋼管混凝土結構[3]、建材機械領域的異形管鋼筋骨架等領域[4]，規則的管狀織物就不能滿足要求，因此開發異形截面的3D管狀機織復合材料是非常有必要的。

3D機織工藝適合制作具有一定厚度、曲率較小的大尺寸板材和異形件，纖維基本呈正交排列。相對于針織和編織管狀織物來說，管狀機織物的研究相對較多。閆淑娟等應用正交方法結合管狀織物織造方法，將經向管狀織物和緯向管狀織物結合起來，進行了合理的截面圖設計、上機圖設計、上機參數選擇和織造要點分析等，設計織造了類似于三通管的三維T形管狀機織物，分析了三維T形管狀機織物的優點和應用方向[5]。黃河柳等采用分層正交法和接結法設計了T字形、工字形、三角形、矩形三維機織物的結構圖與上機圖，以高強低伸滌綸長絲為原料，在SGA598型半自動小樣織機上成功試織出了三維異形正交滌綸機織物[6]。董敬貴提供了三通管狀織物的設計方法和織物上機圖，分析了織造過程中的問題，并提出了解決方案，完成了三通管機織預成形件的結構與工藝設計，在小樣織機上進行反復試織，證實了設計方法的合理性[7]。朱紅等針對產業用多邊形孔管狀結構件的技術需求，分別制作了三角形、菱形、方形和類圓形的3D孔管狀結構件，并通過分析得出孔管狀結構件設計參數間的數學關系，研究結果為多排孔管類技術紡織品結構設計制作提供了技術支持[8]。呂麗華等探討了日字形間隔機織物織造要點，介紹了壓扁-織造-還原法織造日字形間隔機織物的方法，包括日字形的壓扁、投梭路徑的選擇、上機參數的選擇和織造要點等，繪制了日字形間隔機織物的上機圖，并在GU101型小樣織機上進行了試織，認為日字形間隔機織物較適合在小樣織機上織造[9]。崔婧蕊在Y100S型織機上，經合理設計，以800 tex有捻玻璃纖維紗為經紗，以2 000 tex無捻玄武巖纖維紗為緯紗，低成本織造了不同截面形狀(三角形、四邊形、六邊形)的蜂窩狀三維機織物，并以蜂窩狀三維機織物為增強材料，以不飽和聚酯樹脂作為基體，通過VARTM成形工藝制備了各種不同結構的蜂窩狀三維機織復合材料[10]。綜上所述，在普通織機上設計開發3D紡織結構織物具有可行性，為進一步開發異形3D管狀機織物奠定了一定基礎。

本文探討在SGA598型半自動小樣織機上，通過采用合理的設計方法，采用壓扁-織造-還原法，制備兩種異形3D管狀機織物，其中經、緯紗均為296.2 tex。兩種異形3D管狀機織物均為緯向管，首先根據設計的截面形狀采用分區織造，根據設計畫出各區的經向截面圖，確定合理的打緯順序，繪制相應的組織圖，再進行上機織造。

2 異形3D管狀機織物1的設計與試織

異形3D管狀機織物1為平板-四邊形管連接異形3D管狀機織物，模擬圖如圖1所示。將四邊形管狀部分模擬成四邊形管狀織物A2部分，將平板的部分模擬為平板部分A1和A3。

圖1 異形3D管狀機織物1的模擬圖

2.1 經向截面圖設計

平板-四邊形管連接異形3D管狀機織物的A1區、A3區的組織結構相同，均為四層角連鎖結構，經向截面設計圖如圖2所示。A2區的組織結構為正交分層結構，其經向截面設計圖如圖3所示。圖2和圖3中的曲線表示經紗，圓圈表示緯紗，圓圈里的數字表示引緯的次序，左邊數字代表綜框頁數。

圖2 A1區、A3區的經向截面圖

圖3 A2區的經向截面圖

2.2 組織圖設計

平板-四邊形管連接異形3D管狀機織物各區組織圖如圖4所示。由于織造四邊形管狀織物棱為特殊部分，所以四邊形管狀織物棱的部分采用了特殊的結構。由于其經向截面圖簡單，因此只做出了上機圖，如圖4(c)所示。織造時均采用順穿法上機織造。

(c)織物棱的組織圖

圖4 平板-四邊形管連接異形3D管狀機織物組織圖

2.3 試織小樣

織造時，總經根數240根，經紗分為4層，每層60根。筘號為30齒/10 cm。共使用8頁綜框，每筘8入，共穿30個循環。平板-四邊形管連接異形3D管狀機織物織造的小樣實物圖如圖5所示。

圖5 平板-四邊形管連接異形3D管狀機織物小樣實物圖

織造時，使用一把梭子，盡量避免斷緯；由于采用多層織造，如果布邊斷緯會導致層與層之間連接不緊密，甚至會導致布邊出現較多的緯浮長線，影響成品外觀及性能。織造織物棱時應注意減小張力，使其在織入緯紗后可以有凸起的效果，保證順利織出織物。

2.4 經驗總結

由平板-四邊形管連接異形3D管狀機織物試織成品實物圖可知，各區存在明顯的厚度差異，體現了各區在層數上的差異與結構上的差異；各區連接處成形完整，且連接緊密；由于紗線較粗，很好地體現了織物的立體感。但也有不足之處，例如：織造時，打緯力度不均勻，成形織物有明顯的紗線松弛，且織物有輕微歪斜。

3 異形3D管狀機織物2的設計與試織

3.1 經向截面圖設計

異形3D管狀機織物2為平板-六邊形管連接異形3D管狀機織物，模擬圖如圖6所示。

圖6 異形3D管狀機織物2模擬圖

平板-六邊形管連接異形3D管狀機織物的A1區、A3區的組織結構相同，均為四層角連鎖結構，經向截面設計圖如圖7所示。平板-六邊形管連接異形3D管狀機織物的A2區采用正交分層結構，其經向截面設計圖如圖8所示。圖7和圖8中的曲線表示經紗，圓圈表示緯紗，圓圈里的數字表示引緯的次序，左邊數字代表綜框頁數。

圖7 A1區和A3區的經向截面圖

圖8 A2區的的經向截面圖

3.2 組織圖設計

平板-六邊形管連接異形3D管狀機織物組織圖如圖9所示，均采用順穿法上機織造。織物的棱為特殊部分，與平板-四邊形管連接異形3D管狀機織物的管棱織造類似，因此采用相同的組織。

3.3 試織小樣

織造時，總經根數240根，經紗分為4層，每層60根。筘號為30齒/10 cm。共使用8頁綜框，每筘8入，共穿30個循環。平板-六邊形管連接異形3D管狀機織物織造的小樣實物如圖10所示。

圖10 平板-六邊形管連接異形

3.4 經驗總結

由圖10可知，織造的平板-六邊形管連接異形3D管狀機織物外觀完整，成形良好，布面平整且織物有一定的厚度，過渡階段的連接也較連續、完整和通暢，織物的整體性也較好。

4 結語

通過在小樣織機上設計與試織兩種異形3D管狀機織物，可以得出：通過應用正交分層和角連鎖結構以及結合管狀織物的織造方法，在SGA598型小樣織機上，可以織造出結構較好的異形3D管狀機織物；3D織物層數一般較多，在織造過程中，應適當減小經密，減少經紗之間的摩擦，同時也可以減少織疵；在織造過程中，梭子上緯紗應保證夠用，否則在織物的布邊會出現過多的浮線，影響織物的外觀和整體性能。