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76 多轴向经编织物编织工艺探讨 2010年5月 多轴向经编织物编织工艺探讨 顾璐英,蒋高明 (江南大学,江苏无锡214122) 摘要:本文在对多轴向经编织物的生产设备、编织原理等深入研究的基础上,进一步探讨了多轴向经编织物的编织工艺, 包括常用原料、织物组织、工艺规格等。多轴向经编织物是一种采用高性能纤维作为增强衬纱,在多轴向经编机铺纬运动和成 圈运动的协调配合下,利用编链、经平或变化经平组织将多层纱线绑缚成一个整体的多层织物。多轴向经编织物平行伸直、可 调节角度变化的轴向衬纱结构使织物具有多种优异性能,作为复合材料的骨架材料拥有广阔的应用领域和无限的商业前景。 关键词:经编;多轴向;经编机;编织工艺 中图分类号:TS184.3 文献标识码:A — —— 文章编号:10030999(2010)03007605 多轴向技术是一种于20世纪70年代后期在国 外迅速发展起来的新型制造技术,2O世纪80年代 中期开始成熟,到20世纪90年代多轴向技术得到 了广泛研究和推广应用。目前多轴向经编技术研究 开发较先进的国家有美国、德国、法国、英国、挪威等 发达国家,而我国尚处于起步阶段。多轴向经编织 物以其优良的成型性、固有的悬垂性、良好的抗冲击 性和能量吸收特性,以及相对其它纺织增强结构低 廉的生产本和简单的工艺流程,作为一种理想的 三维结构增强材料,是目前最有效、较经济的预设计增强织物¨ l2J,其产品已应用于航空航天、风力发电 叶片、交通运输、建筑等领域。编织工艺是多轴向经 编织物能否发挥多种优异性能的前提和基础,因此 对其的研究也就显得尤为重要。本文主要针对多轴 向经编织物的编织工艺进行探讨,为多轴向经编织 物的生产提供了一定的理论依据和实践指导。 1多轴向经编织物的生产设备与编织 原理 1.1生产设备 1.1.1卡尔迈耶多轴向经编机 目前,世界上大多数多轴向经编机主要由德国 KarlMayer(卡尔迈耶)公司和Liba(利巴)公司生 产J。卡尔迈耶作为世界上先进经编机械生产商, 其生产的MalimoMultiaxial型设备技术含量高,最 高机速可达1400r/rain。该类机型最大机号为14F (针/25mm),工作幅宽有三种规格:40~62英寸、79~ 102英寸、102~132英寸。 卡尔迈耶机器在生产过程中,衬经纱和成圈纱一 起经正向传动的送经系统喂给成圈机件,如图1 所示,采用sT导纱片(针),有利于拉紧布面,也利 于梳理和分开衬经纱,防止编织时刺伤纤维层。卡 尔迈耶机器常采用的铺纬头纹数为72,其铺纬纱的 角度可在_45。到+45。之间变化,标准配置是六层,± 45。/0。/90。,一层短切毡(机后喂入),一层无纺布 (机前喂入)。在生产克重较轻,铺纬角度为-4-45。 方向的织物时,卡尔迈耶机器生产的织物布面效果 较利巴好,然而在生产克重较重的织物时,卡尔迈耶 机器对针的损伤较大,布面质量稍差。在对织物进 行剪边时,由于卡尔迈耶和利巴两机器的铺纬运动 的不同,使得前者的布边损失量较后者多,约为后者 的1.4倍。此外,卡尔迈耶机器在生产碳纤维多层 增强织物时使用了带有单纱张力补偿装置的特殊筒 子架,纬纱引入织物时保证纱线平行而几乎无损伤, 张力较均匀,保证了布面质量。 图1尔迈耶Malimo成圈机件 Fig.1LoopingmechanismofKarlMayerMalimo — 收稿日期:2009-0526 作者简介:顾璐英(1983一),女,硕士研究生,主要从事经编复合材料方面的研究。 FRP/CM2010・No.3 2010年第3期 玻璃钢/复合材料 77 1.1.2利巴多轴向经编机 1981年世界上第一台Copcentra多轴向经编机 在Liba问世,随着技术的进步,其相关产品已更新 换代,目前使用较为广泛的一种机型是Copcentra MAX3CNC系列,如图2所示。 图2利巴CopcentraMAX3CNC多轴向经编机 — Fig.2Multiaxialwarp-knittedmachineofLiba CopcentraMAX3CNC 1一复合针床2一针芯3一沉降片4一编链板5.导纱梳栉 图3LibaCopcentraMAX3CNC成圈机构 Fig.3LoopingmechanismofLibaCopcentraMAX3CNC 与卡尔迈耶机速相比,利巴的最高机速可达 1200r/min,其机号为E3~El2,工作幅宽有50英寸 和100英寸两种。利巴CopcentraMAX3CNC机器 的成圈机件(见图3)和卡尔迈耶一样,都采用sT导 纱针,与卡尔迈耶不同的是,利巴机器采用了独特的 移动复合针系统,移动复合针系统使复合针除了在 垂直上下运动外,还在水平方向(即织物喂人方向) 运动,在一定程度上减少了织针对纬纱进入编织区 域的干扰,降低了穿刺造成孔洞的可能性,织物质量 有所提高。此外,由于在编织过程中针与布一起运 动,织针所受的阻力减少,织针使用寿命延长,织物 生产效率提高,经济效益好。利巴机器采用三个数 字伺服驱动的衬纬系统,各个衬纬系统可以独立由 程序控制,可以在-20。到+20。之间调整(见图4), 角度可调范围大,无需像卡尔迈耶机器那样进行机 械调节,变化灵活。该机标准传送架可以生产两个 45。衬纬和一个90。衬纬,也可按需要进行长度延 伸,延伸后的传送架可供七个衬纬使用。此外,该机 的衬纬铺层的上下都配有纤维网传送装置,可按需 要进行选择,织物品种丰富。 “ 图4ba机器角度变化范围 Fig.4TheanglechangerangeofLibamachine 目前,利巴公司在CopcentraMAX3CNC系列 机型的基础上,已成功推出了CopcentraMAX5CNC Carbon机型,该机型是一种用于碳纤维生产的新型 多轴向经编机,已获得专利的新型铺层系统能够精 确平直地铺放碳纤维,铺层损伤较少,可用较低本 生产轻型或重型多轴向衬纬铺层织物(每层80~ 300g/m)。 1.1.3润源多轴向经编机 多轴向经编机的生产技术在国内起步较晚,20 世纪90年代由天津纺织工学院与武进纺织机械厂 协作,研制成功国内第一台圆型多轴向经编机,但因 铺纬层数少、机器结构复杂、生产效率低,现已被淘 汰。2008年,我国常州润源经编机械有限公司成功 “ 研发了第一台国产智能化控制的RCD.1型多轴向” 经编机,该设备集电脑控制的多轴向铺纬技术、多 连杆式可移动(织针坯布随动)成圈技术、织物恒张 力收卷技术、多速电子送经技术等于一体,它的诞生 极大地推动了我国对多轴向生产设备的研发。 润源多轴向经编机常用的工作幅宽有:50英寸 (1270mm)、100英寸(2540mm),机号为:E5、E6、 EIO、El2等多种型号,机速最高可达lO00r/min,其 铺纬角度变化范围为一20。~+20。,已接近国外先 进铺纬水平。在铺纬角度的合成方面,润源机器 与卡尔迈耶多轴向经编机的铺纬运动合成略有不 同,卡尔迈耶是传输链运动和铺纬小车运动两个运 动的合成,而润源多轴向经编机是铺纬滑轨运动、传 R』E'/CM2010;NO.3 78 多轴向经编织物编织工艺探讨 2010年5月 输链运动、铺纬小车运动三者的合成,能比较方便地 改变铺纬角度。但是,在生产过程中,润源多轴向经 编机的动程较卡尔迈耶大,这样使得纬纱的损伤较 大,织物布面质量稍差。 我们相信,随着信息社会的不断发展和科学技 术的不断进步,新一代的多轴向经编机必将会克服 卡尔迈耶、利巴和润源机器的缺点,融合三者的诸多 优势,向着更好、更快、更优的方向发展。 1.2编织原理 — 多轴向经编(MultiaxialWarp.Knitted,简称为 MWK)织物由经纱(0。)纬纱(90。)和轴向纱(0)组 成,衬纱角度(0在-200~+200之间变化)可按织物 的用途进行变化。在编织过程中,用于编织的纱线 在成圈机构的作用下,穿过整个织物,在厚度方向将 所有预先铺设好的承载纱精确地束缚在一起J,如 图5所示。 图5多轴向经编织物编织原理示意图 Fig.5Knittingprincipleschematicdiagramofthe multi・-axialwarp・-knitted ̄bfic 从图5中可以看出,在编织过程中,可以把纤网 和MWK织物有效结合起来,纤网的加入能够控制 织物的很多物理性能,如强度和伸长,同时也可以改 变织物的覆盖系数、密度、透气率、透水率、刚度、厚 度和初始抗撕裂阻力,提高了织物的抗撕裂性能,减 少了织物中纱线的滑移,使得MWK织物和纤网的 优点都能体现出来。此外,在MWK织物的生产过 程中,通过束缚纱和承载纱将纤网连结起来,而不是 刚性地胶合在一起,这就允许MWK纤网结构有许 多形式,使设计者拥有更大的设计空间J。 2多轴向经编织物的编织工艺 2.1原料 经编多轴向织物的原料范围十分广,衬纱通常 采用力学性能良好的高性能纤维,如玻璃纤维 (GF),碳纤维(CF)、Kevlar纤维、超高分子量聚乙— 烯纤维(UHMWPE)等J,可以是低捻度的柔性短 纤纱,也可以是无捻的高性能长丝。用作增强纱线 FPd'/CM20l0.No.3 时,一般采用高性能无捻长丝,有时为了便于织造, 纱线可以稍加捻。纱线一般较粗,最粗可达约 2500tex。地纱通常采用价格低廉的普通纤维,纱支一 般为160dtex左右。如产品沿厚度方向的性能要 求较高,则使用便于成圈的高性能纤维,如高强涤 纶。同时,单根纱线的密度以及它们的取向角可随 载荷的类型而发生变化。 2.2组 织 在多轴向织物中,通常使用的衬纱角度为一 45。、90。、+45。和0。,如衬纱角度为一45。、0。和 +45。;一45。、90。和+45。,则可以形成三轴向经编 织物。编织纱(及绑缚系统)的组织通常采用编链、 经平或变化经平(编链+经平)。具体采用何种组 织结构,需根据增强纱线的铺设情况而定。当有0。 衬经纱时,若采用编链结构,由于编链组织无针背横 移,将无法有效地把0。衬经纱固结起来,此时的绑 缚组织则需用到经平组织或变化经平组织。在实际 生产中,变化经平组织是一种最佳组合,此种组织结 构对衬经纱束缚小,当织物作为复合材料基布进行 树脂渗透时,树脂渗透较快,有利于复合制品性能的 提高。编织纱的存在提高了层间的剪切强度和各个 方向上的尺寸稳定性,将分层的可能性降低到最低, 使第三方向也就是z方向得到了增强。但是编织纱 并不是越多越好,编织纱过多时,将影响复合成型时 树脂的渗入,使最终产品易出现分层现象。 2.3工艺举例 2.3.1三轴向经编织物 (1)机器参数 机型:Liba多轴向经编机;机号:E6;幅宽:” 100;带有纬纱衬人系统。 (2)原料 斜向衬纬纱一45。,300tex玻璃纤维纱;斜向衬 纬纱+45。,300tex玻璃纤维纱;衬经纱0。,2400tex 玻璃纤维纱;编织纱,167dtex涤纶。 (3)组织 地组织,变化经平;织入顺序,一45。/+ 45。/0。//。 (4)织物参数 送经量,6075mm/raek;织物克重,1208g/m。 2.3.2带有纤网的三轴向经编织物 (1)机器参数 机型:Muhiaxial多轴向经编机;机号:F5;幅宽:” 50;带有纬纱衬人系统和纤维网衬人装置。 2010年第3期 玻璃钢/复合材料 79 (2)原料 斜向衬纬纱+45。,6000dtex玻璃纤维粗纱;衬 纬纱90。,6000dtex玻璃纤维粗纱;斜向衬纬纱一 45。,6000dtex玻璃纤维粗纱;编织纱,140dtex涤 纶710。 (3)组织 地组织,编链; 织入顺序,纤维网/+45。/90。/一45。//。 (4)织物参数 缝迹长度,2.5mm;织物克重,1130g/m。 3多轴向经编织物的结构与性能 3.1结构特点 多轴向经编织物是一种由编链、经平或变化经 平组织将多层衬纱绑缚在一起的多层织物,最多可 达8层纱线(7层纬纱,1层经纱),再加纤网J。图 6所示为一种典型的多轴向经编织物三维结构展示 图,图中绑缚组织为经平组织,四组衬纱的衬人次序 和方向为:9O。/0。/+45。/一45。。多轴向经编织物① 的结构特点主要有以下几个方面:在相同的生产 ② 设备上,衬纱角度、织物密度可进行调整;纱线完 全平行伸直排列,各层取向度很高,具有较好的机械③ 性能;增强纱线层最多可以达到8层,织物的整体④ 性较好;织物结构较疏松,可以与纤维网和短切毡⑤ 结合,提高了织物结构设计的灵活性;每个增强纱 线层可使用不同的纱线种类,扩大了织物结构的复 … 合性能。 图6多轴向经编织物三维结构展示图 — Fig.6Threedimensionaldisplayofthemulti・-axia lwarp・-knittedfabric 3.2多轴向经编织物的性能与应用 由于经编多轴向织物可以在织物的纵向、横向 或是斜向按照使用要求以一定角度平行伸直地衬人 纱线,再用编织纱将其编织成一个整体,从而克服了 铺层结构层间无联系、剪切强度差、易分层的缺陷, 同时也克服了传统机织物纱线屈曲、强力利用率低、 纤维损伤大的缺点,使增强纱线的力学性能得到充 分利用1。此外,多轴向经编织物还具有较低的生 产成本、较高的生产效率,设计灵活性、铺设性和预 成型性好等优点,在产业用领域拥有广阔的市场。 多轴向经编织物作为骨架材料与高性能树脂复 合后制得的纤维增强复合材料在许多行业中有着非 常广泛的应用。早在1992年,这种碳纤维增强复合 材料就已经用于空客A320上,与以往使用的金属 材料相比较,使用这种纤维复合材料能使机身重量 减轻约20%。近年来,除了在航天航空领域,多轴 向经编增强材料还大量应用于造船业中的游艇、舰 艇,沿海或草原中风能发电机组的叶片,运输业中的 火车机车壳体,车用夹芯板,建筑业中的雷达天线 罩、增强混凝土,军用工程中的防弹衣和防弹头 盔等。 4结语 随着纺织产业的战略转移与产业升级,产业用 纺织品的开发和应用已成为世界各国关注的热点。 多轴向经编技术在产业用领域,特别是在复合材料 领域还是一个相对较新的课题,在发达国家,此技术 的应用已比较广泛,在我国则起步较晚,但是该技术 在国内外已引起广泛的重视,表现出巨大的发展潜 力。因此,对多轴向经编技术,尤其是对该技术的关 键一多轴向经编织物编织工艺的研究,具有深远的意 义。它能在很大程度上提高多轴向经编织物的经济 效益,扩大多轴向经编织物的应用领域,表现出重要 的学术价值和广阔的商业前景。 参考文献 [1]陈南梁.我国产业用经编织物发展的广阔前景[J】.玻璃纤维, 2007,(2):34-37. 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