不同組織結構對玻璃纖維織物性能的影響

楚楠 劉原圣 張培枚

摘要：玻璃纖維織物作為一種被廣泛應用于多個領域的工程材料，其性能在很大程度上受織物組織結構的影響。本文旨在深入探究不同組織結構對玻璃纖維織物性能的影響。

關鍵詞：組織結構；玻璃纖維織物；性能

DOI：10.12433/zgkjtz.20241244

玻璃纖維織物作為一種重要的工程材料，在熱防護、降噪、建筑材料等眾多領域得到廣泛應用。然而，國內關于不同組織結構對玻璃纖維織物性能影響的研究卻相對較少。在實際調研中發現，研究大多集中在玻璃纖維織物的基本性能測試和應用領域的探索上，而對于織物的組織結構是如何影響其性能的，則缺乏深入探討。因此，進行不同組織結構對玻璃纖維織物性能影響的相關研究，可為玻璃纖維織物的優化設計提供技術支持。

一、材料與方法

（一）試驗用材料和儀器

試驗采用山東玻纖集團股份有限公司生產的玻璃纖維紗線，所用的儀器主要有ASL2300型劍桿織機、YG461H型全自動透氣量儀、YG606型平板式保溫儀、YG141D型數字式織物厚度儀、酒精噴燈、DM6801A型數字溫度表和A1100型數碼相機。

（二）織物的織造過程

玻璃纖維織物的織造過程是本研究的重點，它直接影響了織物的組織結構和性能。在織造過程中，選擇ASL2300型劍桿織機，這是一種用于織造玻璃纖維織物的專用機器。織造過程可以分為以下幾個步驟：

1.整經。在織造開始前，將玻璃纖維紗線從紗錠上放置到織機的經筒上，確保紗線的正確供給。

2.穿綜。將玻璃纖維紗線穿過綜筒，以便后續的織造。

3.穿筘。將玻璃纖維紗線穿過織機上的筘桿，這個步驟是織造中的關鍵環節，其決定了織物的組織結構。

4.織造。織機開始工作，根據預定的編織方式和筘桿的設置，玻璃纖維紗線交織在一起，逐漸形成織物。

在織造過程中，需要確保織機的工作環境保持適當的濕度，以免影響織物的平整度和手感。織造完成后，可得到不同組織結構的玻璃纖維織物樣品，這些樣品將用于后續的性能測試和分析。

（三）隔熱性能測試方法

本研究使用了一系列測試方法評估玻璃纖維織物的隔熱性能，以便研究不同組織結構對其性能的影響，具體如下：

1.常溫熱傳遞性能測試

使用YG606型平板式保溫儀進行常溫熱傳遞性能測試，主要用于評估織物在常溫條件下的隔熱性能。在測試過程中，將織物樣品放置在測試儀器中，確保其與外界環境隔離。然后，控制測試條件，包括空氣溫度、相對濕度和試驗板溫度，以符合《紡織品生理舒適性穩態條件下熱阻和濕阻的測定》（GB/T11048-2008）規范的要求。通過監測織物樣品上下溫度的變化，可以計算出織物的傳熱系數，從而評估其常溫隔熱性能。

2.高溫熱傳遞性能測試

使用酒精噴燈燒蝕試驗評估織物在高溫條件下的隔熱性能。在這個測試中，將織物樣品裁剪成直徑為4cm的圓片，并將其放置在火焰下方。通過使用數字溫度計，可實時測量織物樣品背部的溫度變化。這個測試方法模擬了織物在高溫火焰環境下的性能，可以根據溫度—時間曲線評估織物的高溫隔熱性能。

二、不同組織結構的影響

（一）組織結構的選擇和分類

組織結構是指纖維在織物中的排列方式和交織方式，它直接影響了織物的性能特點。本研究選擇了五種常見的組織結構進行分類和比較，分別是平紋、2/1斜紋、2/2斜紋、2/3斜紋和3/3斜紋。

第一，平紋。其特點是經緯紗線交替，每個經紗交織于每個緯紗的上下方。這種結構具有較高的強度和耐磨性，但透氣性相對較差。

第二，2/1斜紋。其特點是每兩根經紗交織一根緯紗。這種結構通常比平紋更緊密，具有較好的強度和透氣性，適用于一些需要平衡強度和透氣性的應用。

第三，2/2斜紋。這是一種較為緊密的斜紋結構，每兩根經紗交織兩根緯紗。它比2/1斜紋更緊密，具有更好的隔熱性能，適合用于需要較高隔熱性的場合。

第四，2/3斜紋。這是一種相對松散的斜紋結構，每兩根經紗交織三根緯紗。這種結構透氣性較好，但強度相對較低，通常用于需要透氣性而不需要高強度的應用。

第五，3/3斜紋，每三根經紗交織三根緯紗。它具有很高的強度和隔熱性能，適用于需要高強度和隔熱性的領域。

通過這五種不同的組織結構，可以全面了解它們對玻璃纖維織物的隔熱性能、透氣性、強度等性能的影響，從而更好地指導玻璃纖維織物的設計和應用。這一分類和選擇為研究提供了有力的基礎，使研究人員可深入研究不同組織結構在隔熱性能方面的差異，并為織物領域的進一步發展提供有益的參考。

（二）傳熱系數與組織結構的關系

平紋組織的玻璃纖維織物具有較高的傳熱系數，這是因為在平紋結構中，紗線之間的交叉點相對較多，導致織物中的空隙較少，靜止空氣的儲存量有限。由于玻璃纖維的導熱系數高于空氣，平紋組織中的傳熱更為迅速，相對的靜止空氣無法提供足夠的隔熱性。因此，平紋組織的玻璃纖維織物的隔熱性能較差。雖然它可能具有一定的強度和耐磨性，但對于需要隔熱性能的應用而言，平紋組織可能不是最佳選擇。

（三）透氣性與組織結構的關系

平紋組織在透氣性方面較差，這是因為平紋結構中的經紗和緯紗交織方式非常規則，紗線之間的交叉點較多，導致織物中的空隙較小。這種規則性排列減少了空氣穿透的通道，限制了空氣的流動，導致透氣性下降。平紋組織的玻璃纖維織物適用于一些需要較低透氣性的應用，如隔熱服裝或防護材料。相比之下，斜紋組織在透氣性方面表現更好。斜紋結構中的交叉點較多，但交織方式的斜角使得空氣更容易穿透織物。這種斜向排列的結構增加了空氣通道，使空氣能夠更自由地通過織物，從而提高透氣性，這使得斜紋組織的玻璃纖維織物在需要通風和透氣性的應用中具有優勢。

三、織物厚度的影響分析

（一）織物厚度與傳熱系數的關系

調整織物的厚度來滿足所需的隔熱性能。織物厚度的增加通常會導致更低的傳熱系數，從而提高織物的隔熱性能。這一研究結果為玻璃纖維織物的定制和應用提供了指導，特別是在需要保持溫度穩定性或隔熱的工程和裝備中。

（二）高溫燒蝕試驗下的結果

較厚的織物在高溫燒蝕試驗中表現出更好的抵抗火焰穿透的能力，這是因為，較厚的織物內部包含更多的玻璃纖維層和靜止空氣，形成了更為復雜的結構，這種結構可在高溫下提供更長時間的保護，減緩織物表面溫度的上升速度，有助于防止火焰穿透。另外，隨著織物厚度的增加，織物在高溫下的燒蝕速度也進一步減小。較厚的織物需要更多的時間和熱量才能被火焰穿透，因此，在相同條件下，其燒蝕速度較慢。這意味著，織物的耐火性能在一定程度上取決于其厚度，較厚的織物更能抵抗高溫環境下的火焰燒蝕。

（三）最優厚度的確定

最優織物厚度的確定需要綜合考慮多個因素，包括織物的具體用途、所處環境的溫度、火焰暴露時間等。一般來說，如果需要更好的隔熱性能，較厚的織物更為合適，較厚的織物內部包含更多的靜止空氣，能夠提供更好的絕熱效果，從而降低傳熱系數。此外，如果需要在高溫火焰下抵御火焰燒蝕，那么較厚的織物更為理想，在火焰穿透時需要更多的時間和熱量，因而具有更好的抗火焰燒蝕性能。然而，這也可能會增加織物的重量和不透氣性，因此，需要在特定情況下權衡和考慮。

四、經密度的影響

（一）經密度與傳熱系數的關系

經密度與傳熱系數之間呈現出一定的負相關關系，隨著經密度的增加，織物的傳熱系數會逐漸減小。這一現象可以解釋為，較高的經密度意味著更多的玻璃纖維紗線被緊密排列在單位面積內，減少了織物中的空隙。由于玻璃纖維的導熱系數較高，這種密集排列減少了空氣在織物中的自由流動，導致傳熱系數降低。因此，較高的經密度通常對應著更好的隔熱性能。根據所需的隔熱性能，可以通過調整經密度來優化織物的傳熱性能。較高的經密度可以降低傳熱系數，提高織物的隔熱性能，其適用于需要保溫和隔熱的應用。

（二）經密度的影響機制

經密度對玻璃纖維織物性能的影響機制涉及多方面因素。

首先，較高的經密度意味著更多的玻璃纖維紗線被排列在單位面積內，導致織物更加緊密。這種緊密排列減少了織物內部的空隙，限制了空氣在織物中的流動。由于空氣的導熱系數較低，意味著較少的熱量傳遞，從而減小了傳熱系數。這就是為什么較高的經密度通常對應著更低的傳熱系數，進而提高了織物的隔熱性能。其次，較高的經密度也意味著更多的玻璃纖維紗線交織在一起，形成了更為復雜的織物結構。在高溫火焰環境下，這一特性尤為重要，因為它可以減緩火焰穿透織物的速度，提供更多的時間防止火焰的擴散和燒蝕。最后，經密度還與織物的重量和厚度有關。較高的經密度通常會增加織物的重量，因為更多的紗線被使用，增加了織物的密度和厚度，這也可能會影響織物的柔軟性和透氣性，需要綜合考慮。

（三）最佳經密度的選擇

在實際應用中，最佳經密度的選擇依賴多方面因素，包括所需的隔熱性能、透氣性、重量、具體應用環境等。

首先，需要明確隔熱性能。如果應用要求的隔熱性能較高，通常會選擇較高的經密度，這可以有效降低傳熱系數，提供更好的絕熱效果。相反，如果透氣性是一個關鍵因素，可以考慮較低的經密度，以便空氣能夠更自由地流通，提高織物的透氣性。其次，需要考慮應用環境。如果織物將在高溫或火焰環境下使用，較高的經密度通常更為合適，它可以提供更好的抗火焰燒蝕性能。在這種情況下，經密度的選擇應能夠確保織物具有足的夠耐高溫性能，以防止被火焰穿透。最后，還需權衡織物的重量和厚度。較高的經密度通常會增加織物的重量和厚度，這可能會在某些應用中帶來不便。因此，在選擇最佳經密度時，還需要平衡隔熱性能和織物的輕便性。

五、紗線密度的影響

（一）紗線密度與織物厚度的關聯

紗線的線密度與織物的厚度呈正相關，也就是說，較高的紗線密度通常對應更厚的織物，意味著每單位長度內的紗線更多，因而在織造過程中需要更多紗線，從而增加了織物的厚度。與此同時，較低的紗線密度通常對應著較薄的織物。根據應用需求，可以通過調整紗線密度控制織物的厚度。較高的紗線密度導致較厚的織物，這有助于提高隔熱性能，較低的紗線密度可以產生較薄的織物，其適用于需要輕便性和透氣性的應用。

（二）1300℃火焰燒蝕試驗結果

紗線密度較低的織物在火焰燒蝕試驗中更容易受到火焰侵蝕，這是因為紗線密度較低的織物通常具有較薄的織物構造，火焰更容易穿透并影響其內部結構。相反，紗線密度較高的織物具有更復雜的織構和較大的厚度，使其更能抵抗高溫火焰的侵襲，表現出更好的抗火焰燒蝕性能。其次，紗線密度的增加也使得織物背部的升溫速度減緩。較高紗線密度的織物在火焰燒蝕試驗中背部升溫更為緩慢，能夠提供更長的時間防止火焰的擴散和燒蝕，這對于在高溫環境中使用的織物至關重要，因為它們需要具備出色的抗火焰性能。

總之，1300℃火焰燒蝕試驗結果表明，紗線密度對織物的抗火焰性能有顯著影響。較高的紗線密度通常對應著更好的抗火焰燒蝕性能，這對于一些高溫環境下的應用至關重要。因此，在設計和選擇織物時，紗線密度是一個重要參數，可以根據具體需求予以優化，以滿足不同應用領域的要求。這一研究結果可為織物性能的提升提供有力的依據。

（三）紗線密度與隔熱性能的關系

較高的紗線密度通常對應著更好的隔熱性能，而這一關系主要是織物內部的結構和空氣含量的變化引起的。

首先，較高的紗線密度意味著織物中的紗線更加緊密地編織在一起，形成了致密的織物結構。這使得織物內部的孔隙更小，同時也減少了空氣流通的通道，更有效地阻擋熱量的傳導，具備更好的絕熱性能。其次，較高的紗線密度導致織物的厚度增加。更厚的織物能夠容納更多的靜止空氣，因為織物內部的紗線交織形成了更多小隔間，這些隔間內的空氣是絕熱材料的一種。靜止空氣具有較低的導熱系數，因此，它們能夠有效減少熱量傳遞，提高織物的隔熱性能。

六、結語

綜上所述，不同的組織結構對玻璃纖維織物性能的影響研究是一項綜合性的系統工作。通過深入研究和分析，相關人員可以更好地理解這些影響機制，從而為工程領域提供更具性能優勢的玻璃纖維織物材料，推動這一領域的技術創新和發展。

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