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2.5D 芳纶机织物的机合安排与织制

  2.5D芳纶机织物的结构设计与织造 李静杨彩云(天津工业大学纺织学院,天津,300387) 摘要:介绍2.5D 机织复合材料的特点及其应用现状,研究厚度均为2 mm 种典型2.5D机织物结构的设计与织造过程,探讨织物设计过程中织物层 数、经纬纱密度、织物厚度等相关参数的确定方法,分析织造过程中出现的问题。 关键词:2.5D,芳纶,复合材料,结构设计,织造 中图分类号:TS105.1文献标志码:A文章编号:1004 -7093(2013)06 -0005 -04 三维织物复合材料的应用研究可追溯到20 纪60年代 随着社会的发展,人们对承力构件的强力、质量、整体性、耐老化性等提出了更高的要 求,而易于满足更高要求的三维织物复合材料便得 到了快速的发展。 三维织物可通过机织、针织、编 织、缝合、细编穿刺等方法获得 2.5D(即角联锁)机织物是三维织物的重要组成部分,其特点是 整体性好,层间连接强度高,避免了复合材料承力 过程中因分层而造成力学性能的下降甚至破坏。 2.5D 机织物是指将多个纱层按层交织而构成的纱 层集合体 ,根据接结纱的朝向和接结层数的不同分为12 种常用类型 有关2.5D机织物结构 设计的文章已有多篇 [810] ,但至今没有发现带衬经 2.5D 结构设计的文章。 本文设计了4 种典型2.5D 结构的机织物,并 对其设计和织造过程中相关参数的确定进行了研 究和探讨,为2.5D 机织物的结构设计和上机织造 提供了有益的参考,并为2.5D 机织物力学性能的 进一步研究奠定了基础。 1参数的设计 1.1织物层数的确定 织物层数、织物组织结构、经纬纱密度、纱线 作者简介:李静,女,1982 年生,在读硕士研究生。 主要研究方 向为2.5D 芳纶机织物的力学性能。 密度等都会影响织物的厚度,而其中起决定性作用 的是织物层数。 由于影响织物厚度的因素较多,已 知织物厚度确定织物层数,目前尚未见到直接的计 算公式,只能在参考已有数据的基础上进行大量的 尝试。 1.2结构参数的确定 从生产实际出发,我们设计了4 种常用的2.5D 结构。 它们的共同特点是:均是层—层正交角联 锁,区别在于是否有衬经或衬纬。 为了避免织物厚 度对复合材料力学性能的影响,4 种结构的厚度设 计均为2 mm。 为了避免经密和经向纤维体积含量 对复合材料力学性能的影响,在保证4 种结构接结 经纱密度为每层10 根/cm 不变的前提下,通过改 变织物的层数来实现经向纤维体积含量相近,最后 通过调节上机张力和打纬力度来满足厚度的要求。 具体参数见表1,原料均为158 tex 的Kevlar 49。 1.3总经根数的确定 根据标准JT/T 531—2004枟桥梁结构用芳纶纤 维复合材料枠、GB/T 3354—1999枟定向纤维增强塑 料拉伸性能检验方法枠、GB/T 5258—2008枟纤维增 强塑料面内压缩性能试验方法枠、 GB/T 1446— 2005枟纤维增强塑料性能试验方法总则枠和 GB/T 3356—1999枟单向纤维增强塑料弯曲性能试验方 法枠中规定的复合材料拉、压、弯试验的试样个数 与试样尺寸,幅宽定为300 mm。 种结构的设计参数序号 织物层数 织物厚度/ mm 单层密度/(根 cm -1 接结经纱衬经纱 纬纱 总密度/(根cm -1 接结经纱衬经纱 纬纱 ———经纱密度(根/cm);d———幅宽(cm); N———织物层数。 22.5D 机织物的组织设计 2.1正交角联锁 (1)确定一个组织循环,并对一个完整的组织 循环中的经、纬纱进行编号,如图1 所示。 层正交角联锁上机图(2)先画出第1 根经纱的交织规律,然后由飞数画出其他经纱的交织规律,从而得到织 物的组织图。 其上机图如图2 所示。 2.2带衬纬的正交角联锁 带衬纬的正交角联锁的组织设计与2.1 正交角联锁的组织设计相似。按纬纱的织入顺序 进行编号,其结构图与上机图如图3 层正交角联锁上机图2.3带衬经的正交角联锁 衬经在织物中呈直线状态,对提高该方向的力 学性能具有很大的贡献。 衬经与接结经纱的比值 结构。对衬经纱和接结经纱分别进行编号,若改变 经纬纱的编号顺序,则上机图会略有改变,但不会 改变织物的组织结构。 画出1、6、11 根经纱的交织 规律,然后按飞数画出其他经纱的交织规律。 层正交角联锁上机图2.4带衬经和衬纬的正交角联锁 既带衬经又带衬纬的结构设计是带衬经结构 设计和带衬纬结构设计的结合。 层正交角联锁上机图2.5衬经与接结经纱比值为11 的结构 为了进一步了解带衬经的2.5D 机织物的组 织结构,现以带衬经的5 层正交角联锁结构为例, 介绍衬经纱与接结经纱比为11 的结构。 此结构 中经纱在纬向以上经纱、衬经、下经纱、衬经作为一 个完整的经纱循环,由于两组衬经的交织规律完全 相同,因此在截面图5 中只对其中一组衬经进行了 编号。 分别画出1、6、11 根经纱的交织规律,然后按 飞数画出其他经纱的交织规律。 应特别注意的是, 未进行编号的另外一组衬经在组织图中的位置及 穿综情况。 其上机图如图9 所示。 层正交角联锁上机图32.5D 机织物的织造 3.1织前准备 (1)整经:所用原料为Kevlar 49 无捻长丝纱, 要求整经后的纱线张力均匀,不能刮毛、刮伤纤维, 尽量避免毛羽的产生。 (2)穿综:采用顺穿,便于记忆和操作。 产业用纺织品产品开发(3)穿筘:采用公制25 号筘,正交角联锁和带 衬纬的正交角联锁结构中14 根经纱为一组织循 环,称为一组。 带衬经的正交角联锁和既带衬经又 带衬纬的正交角联锁结构中 15 根经纱为一组, 3.2织造本试验采用天津工业大学自主研发的半自动 小样机进行织造。 将织物的纹板图输入小样机的 电脑中,即可开始织造。 3.3织造过程中应注意的问题 (1)因为所用原料芳纶为无捻长丝束,在织造 过程中容易刮毛、黏连,造成开口不清晰。 因此,在 织造过程中应喷洒适量的蒸馏水,在不引入杂质和 不影响织物性能的前提下,尽量减少纤维刮毛和织 造过程中的黏连,在必要时也可采用人工辅助开口。 (2)由于芳纶强力很大,而弹性极小,所以开 始织造时容易产生松紧纱,开口不清晰。 因此,开 始织造时应适量增加垫纱的量,提高经纱张力或采 用多轴送经。 4结语 2.5D 机织物的结构复杂,可设计性强,成本 低,生产周期短。 随着2.5D 机织物需求量的增 加,对2.5D 机织物的设计和织造进行研究是很有 实际意义的。 本文对正交角联锁、带衬纬的正交角 联锁、带衬经的正交角联锁、既带衬经又带衬纬的 正交角联锁4 种结构的设计和织造进行了探讨,为 进一步研究2.5D 芳纶机织物的力学性能奠定了 基础。 S.Thestructural mechanics fibers[J].Journal PolymerScience PolymerSymposia,1967,20(1):215251. [2]COX DADKHAHMS.The macroscopic elasticity 3Dwoven composites [J].Journal CompositeMa terials,1995,29(6):785819. [3]朱建勋.细编穿刺织物的结构特点及性能[J].宇航 材料工艺,1998(1):4143. 材料力学性能测试及破坏机制[J].复合材料学报,2012,29(2):115120. [5]焦亚男,李嘉禄,董孚允.纺织结构复合材料预型件 的新进展[J].产业用纺织品.2000,18(10):1518. [6]杨彩云.2.5D 机织物[J].产业用纺织品,1993,11 (2):44. [7]杨彩云,李嘉禄.复合材料用3D 角联锁结构预制件 的结构设计及新型织造技术[J].东华大学学报:自 然科学版,2005,31(5):5358. 机织复合材料的设计与织造[J].上海纺织科技,2009(1):12. [9]卢士艳,聂建斌.角度联锁三维机织物的设计与生产 [J].棉纺织技术,2005,33(2):7275. [10] 聂建斌,卢士艳.角联锁织物的组织设计[J].纺织学 报,2006,27(3):9091. The design 2.5Daramid woven Li Jin, Yang Caiyun (School Textiles,Tianjin Polytechnic University) Abstract: The characteristics 2.5Dwoven composites applicationstatus were introduced .The struc ture design weavingprocess fourkinds typical2.5D woven mmthick, namely, bothwarp weft,without warp werestudied.The determination fabricplies number, warp weftdensity, fabric thickness otherrelated parameters weavingprocess were also studied .Meanwhile, problemsconcerned weavingprocess were analyzed. Keywords: 2.5D, aramid fiber, composite material, structure design, weaving

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