三维横编间隔织物的编织工艺及其性能

李晓英， 蒋高明， 马丕波， 聂小林

(1. 江南大学 教育部针织技术工程研究中心, 江苏 无锡 214122;2. 广东工业大学 艺术设计学院, 广东 广州 510090)

三维横编间隔织物的编织工艺及其性能

李晓英1,2， 蒋高明1， 马丕波1， 聂小林1

(1. 江南大学 教育部针织技术工程研究中心, 江苏 无锡 214122;2. 广东工业大学 艺术设计学院, 广东 广州 510090)

为开发适合不同应用领域的曲面复合材料，采用新型三维曲面间隔结构，在电脑横机上用芳纶纱编织了带有双层罗纹连接中间层的横编间隔织物，探讨了编织步骤和编织工艺。在此基础上通过在间隔织物纬向的2个表层衬入芳纶增强纱，改进了织物的力学性能。通过调整编织程序，开发出不同曲率的间隔织物。在英斯特朗电子万能材料试验机上测试有增强纱和无增强纱织物的横、纵向拉伸性能，比较分析这2种织物的应力-应变曲线。结果表明，在其他条件相同时，有增强纱的三维横编间隔织物横向、纵向拉伸应力增加明显，变形较少，织物尺寸稳定。

三维间隔织物； 电脑横机； 编织工艺； 芳纶纱

三维横编间隔针织增强结构是近年来出现的一种新型结构，可通过纱线或织物层将上下2片独立的织物层连接在一起而构成。在外形上间隔织物的独特之处就是具有较好的厚度，从而具有优良的性能，如结构整体性好，硬度高，质量轻，层与层之间连接更加稳定牢固。其间隔层有较高的耐冲击、耐热及隔音等优异性能，广泛应用于汽车、航空航天、储罐、船舶、桥梁、医学等领域[1]。三维横编间隔织物分为纱线连接与织物连接2种[2-4]。织物连接由于摆脱了针床间距对织物厚度的限制，具有更大的应用潜力和发展价值。目前，对于机织[5-6]、经编[7-9]间隔织物的研究较多，横编间隔织物的研究很少；对于间隔织物多采用高模量高摩擦因数的无机纤维编织(如玻璃纤维)[5-6]，有机纤维编织较少；对平面间隔织物开发较多[7,10-12]，对曲面间隔织物开发较少[1，13]。

本文从工艺技术的角度，应用芳纶纱线，通过编织实例，开发新型织物连接间隔结构、编织平面间隔织物及不同曲率的曲面间隔织物，为提升织物的力学性能，改进编织程序在织物表层纬向衬入增强纱；通过对2种结构(有增强纱和无增强纱)的织物样块进行拉力测试，对比2种结构织物的拉伸性能测试结果，为下一步曲面三维间隔织物增强体复合材料的研究奠定基础，以满足更高要求的工业生产需要。

1 试验部分

1.1 材 料

试验所用的是440 dtex/100 f芳纶(熔点为480～570 ℃)3根合股纱，由江苏无锡仪征化纤股份有限公司提供。

1.2 试验设备

试验采用STOLL电脑横机CMS350，机号为3.5.2。钩针号为4，织针密度为7，织针数量为349，可编织E3.5针～E7针的效果,有3个编织系统，其中2个系统编织，1个系统翻针，生产效率高。稳定的喂纱系统和先进的成圈技术，明显地降低了废纱率，同时也减少了机器的维修次数和相应投入。快速的编织速度缩短了织物编织时间，机头动程运行更优化，机头回转次数也更少。电脑横机特有的沉降片，在局部立体编织时代替牵拉辊进行辅助牵拉，为间隔层编织顺利进行提供了设备保证。

作为复合材料增强体的针织物编织不宜选择机号太大的横机，因过于细密的线圈由于孔隙不足使基体无法充分渗入，导致基体对织物的浸润性和界面黏结性不足。

1.3 编织工艺

1.3.1 横编三维间隔织物

三维横编间隔织物的2个表层和连接层都是混合纱线编织。由于芳纶纤维极易打结、起毛，因此适当延长纱线从纱筒到导纱器的距离，便于理顺纱线。在STOLL横机上，纱线从纱筒到编织区域需要经过很长的走纱路径，纱线和机器之间接触点较多，会产生较大的摩擦力，使得纱线到达导纱器进入编织区域的输入张力很大，因此，不用积极送纱器，可有效减少摩擦力，保证编织顺利进行；适当调小下拉力，尤其在编织区域不大的情况下。图1示出简化后纱线的走纱路径。图2示出三维间隔结构的形成过程。图3示出编织步骤。

步骤1，在前后针床分别编织平针组织R1、R2，达到要求高度H，此时到达S1、S2点。

步骤2，在前后针床1隔1选针轮流编织L1、L2，达到要求长度的二分之一。

步骤3，在P点编织罗纹组织将前后针床编织的中间层连接。

步骤4，在前后针床1隔1选针轮流编织L3、L4，回到S1、S2点。

在已有的研究中，织物连接三维横编间隔织物中间层的连接方法是单层罗纹连接(P处)[2-4]，经过试织发现，由于间隔层为双层，而单层罗纹处很容易折弯，破坏间隔的空间结构，不能满足要求。于是对此处进行改进，变成双层罗纹编织，效果很好，整个间隔层厚度均匀、坚实。

1.3.2 衬纬型三维横编间隔织物

作为复合材料增强体的三维间隔织物的改进，衬纬型三维横编间隔织物可有效提升织物在纬度方向的力学性能。图4示出在纬度方向衬入增强纱前后的织物图片。可以看到，增强纱可在2个表层衬入，也可在间隔层衬入。如果增强纱换成碳纤维或铜丝等具有导电性能的纤维，间隔织物可用作传感器网络[13]。当增强纱为其他高功能纤维时，此间隔织物可作为高功能面料使用，应用范围更广。图5示出只在表层衬入纱线的编织方法。

步骤1：在前后针床轮流编织平针组织。

步骤2：在前后针床织入浮线，为了避免浮线过长，可选择一定间隔在织针上做集圈，见图5(b)。步骤1、步骤2交替，达到要求高度。图5步骤3、4、5同图3步骤2、3、4。

1.3.3 曲面三维间隔织物

开发具有不同曲率的三维间隔织物，以满足对曲率要求更高的产业应用，并为下一步曲面三维间隔增强复合材料的制备打下基础。图6示出曲面三维间隔织物的编织。它由平面三维间隔织物而来，通过调整编织程序，使2个表面层的编织长度不同。为保持下拉重梳拉力的相对平衡，如果H1的长度小于H2，那么L1、L3的长度就要大于L2、L4。

1.4 织物拉伸性能测试方法

1.4.1 试样制备

织物采用芳纶编织，尺寸均为120 mm×50 mm样片(0°曲率)。有增强纱和无增强纱的2种结构分别从横、纵2个方向拉伸，相同试样测试3次，取平均值。图7示出试验前先对试样夹持端进行树脂浸润处理。因为夹持钳口过大的夹持力容易使夹持处的芳纶首先断裂；间隔织物结构复杂，拉伸仪器的夹持钳口不能保证每根纱线受力均匀，拉伸时会有部分纱线发生滑移，导致试验结果不能正确反映织物的性能。而织物两端经树脂固化后，有效地解决上述问题。酚醛树脂与固化剂质量比为100∶1.5。

1.4.2 拉伸性能测试

试验在英斯特朗3385H电子万能非金属材料试验机上进行，如图8所示。通过夹持钳夹具固定试样两端，分别从横、纵2个方向施加拉力，直至试样断裂，测出拉伸应力和拉伸应变，测试数据通过传感器传入计算机输出。试验条件为：拉伸速度10 mm/min，隔距长度60 mm，试验环境温度25℃，湿度50%。

2 结果与讨论

2.1 三维间隔织物及其不同曲率的效果

改进的双层罗纹连接层间隔织物受力明显增强，空间保型性好，不易变形。为了增强力学性能，在2个表层纬向衬入增强纱。在经向上弯曲角度从0°～360°都可编织，甚至可以不同曲率混合使用，满足不同需求。0°织物中空管道设计尺寸为15 mm×15 mm，弯曲后的织物由于间隔层倾斜导致高度不足15 mm，弯曲角度越大，高度越小。

2.2 织物双向拉伸性能对比分析

图9示出不同结构三维间隔织物应力与应变曲线，2组曲线共同特征：带增强纱织物的拉伸曲线高于不带增强纱织物的拉伸曲线；开始部分的拉伸曲线基本重合，随着拉伸应变增加，差异逐渐增大。在横向拉伸方向，由于增强纱在拉伸过程中逐渐伸直，带增强纱的织物横向增强效果明显，拉伸性能明显优于不带增强纱织物；在纵向拉伸方向，虽然增强纱在纵向没有互相穿套，但是有部分集圈与线圈重叠，随着纵向拉伸应变逐渐增强，线圈圈柱逐渐被拉直，增强纱转移到纵向的纱线也逐渐增多，增强效果越来越大，增强纱对织物纵向的力学性能有很大影响。

3 结 论

采用芳纶纤维编织横编三维间隔织物，双层间隔连接层，明显增强了间隔层的受力。通过对编织程序的不同变化，可开发出在经向上不同弯曲角度的织物。通过在纬向衬入纱线的方式，得到力学性能更好的三维间隔增强体。

织物的双向拉伸性能测试结果显示，衬入增强纱的织物不论纵向还是横向，拉伸性能都明显优于没衬增强纱的织物，尤其在横向，增强明显。说明带增强纱织物承受力大，形变小。

以此创新结构作为增强体的复合材料，大大扩宽了其应用领域。除了用于船舶制造(壳体、框架)、汽车工业(内外门板)、医用设备配件等，整体中空的复合材料可通过填蜡、布线、叠加芯层、嵌入电子元件等方式，针对材料的不同用途制作各种类型产品。

FZXB

[1] ABOUNAIM Md, DIESTEL Olaf, HOFFMANN Gerald, et al. Thermoplastic composites from curvilinear 3D multi-layer spacer fabrics[J]. Journal of Reinforced Plastics and Composites, 2010,29(24): 3554-3565.

[2] 宋广礼,韦艳华,吴嘉云.玻璃纤维纬编间隔织物的编织与结构研究[J]. 纺织学报, 2002，23(3): 262-264. SONG Guangli, WEI Yanhua, WU Jiayun. The study of knitting techniques and structural property of 3D weft-knitted space fabric from glass-fiber[J]. Journal of Textile Research,2002,23(3): 262-264.

[3] 宋广礼,韦艳华.集圈连接玻璃纤维纬编间隔织物的工艺和结构性能的研究[J]. 天津工业大学学报, 2002(4):30-32. SONG Guangli, WEI Yanhua. Stusy on the knitting techniques and structural property of weft-knitted spaced fabric with tuck-stitch made of glass-fiber[J].Journal of Tianjin Polytechnic University, 2002(4):30-32.

[4] UNAL A, HOFFNMANN G, CHERIF C. 用于复合材料的针织间隔织物的开发[J]. 国际纺织导报, 2006(8):40-43. UNAL A, HOFFNMANN G, CHERIF C. Development of weft knitted spacer fabrics for composite materials[J]. Melliand China, 2006(8):40-43.

[5] 曹海建,钱坤,盛东晓.2.5维机织复合材料结构与力学性能关系的研究[J]. 玻璃钢/复合材料,2009(3): 13-15.

CAO Haijian, QIAN Kun, SHENG Xiaodong. Study on the relationship between structure and mechanical properties of 2.5D woven composites[J].Fiber Reinforced Plastics Composites, 2009(3): 13-15.

[6] CAO Haijian, QIAN Kun, WEI Qufu, et al. Compression after impact of 3-D integrated hollow core sandwich composites[J].Tekstil ve Konfeksiyon, 2011,21(1): 16-21.

[7] YE Xiaohua, HU Hong, FENG Xunwei. Development of the warp knitted spacer fabrics for cushion application[J]. Jounal of Industrial Textiles, 2008,27(3): 213-223.

[8] 郭晓芳,龙海如.经编间隔织物的冲击性能[J]. 纺织学报,2013,34(4):45-52. GUO Xiaofang, LONG Hairu. Impact properties of warp knitted spacer fabrics[J].Journal of Textile Research, 2013,34(4):45-52.

[9] 缪旭红,葛明桥.衬垫用经编间隔织物的压陷性能[J]. 纺织学报,2009,30(5):43-47. MIAO Xuhong, GE Mingqiao. Indentation force deflection property of cushioning warp-knitted spacer fabric[J].Journal of Textile Research,2009,30(5):43-47.

[10] ZHANG Mingxing, SUN Baozhong, HU Hong, et al. Dynamic behavior of 3D biaxial spacer weft-knitted composite T-beam under transverse impact[J].Mechanics of Advanced Materials and Structures,2009,16:365-370.

[11] ZHANG Mingxing, HU Hong. Mechanical properties of novel different stitched density 3D hybrid basalt composite[C]//Proceedings of International Conference on Fibrous Materials. Beijing: China Textile & Apparel Press, 2009:12-16.

[12] ABUNAIM Md, HOFFMANN Gerald, DIESTEL Olaf, et al. Thermoplastic composites from curvilinear flat knitted 3D multi-layer spacer fabric using hybird yarn and the study of 2D mechanical properties[J].Composites Science and Technoligy, 2010(70): 363-370.

[13] ABUNAIM Md, CHERF Chokri. Flat-knitted innovative three-dimensional spacer fabrics: a competitive solution for lightweight composite applications[J].Textile Research Journal, 2012,82(3): 288-298.

Knitting processes and properties of three-dimensional computer flat-knitted spacer fabrics

LI Xiaoying1,2， JIANG Gaoming1， MA Pibo1， NIE Xiaolin1

(1.EngineeringResearchCenterofKnittingTechnology,MinistryofEducation,JiannanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China; 2.SchoolofArtandDesign,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou,Guangdong510090,China)

In order to develop curved composites, this paper designed an innovative curved three-dimensional (3-D) spacer structure. First a knitting technique of computer flat-knitted innovative 3-D spacer fabrics with double rib connection is introduced by using aramid fibers, then the aramid reinforcement yarns are integrated into two surface layers of 3-D spacer fabrics in the weft direction to enhance the tensile properties. By changing the weaving process, flat-knitted 3-D speacer fabrics curved in different angles(in the warp direction)were developed. Tensile tests on the universal material testing machine are carried out in the weft and warp directions of the two spacer fabrics(with and without reinforcement yarns), and their stress-strain curves are compared. The results revealed that reinforcement yarns reduced deformation, and improved tensile stress and dimensional stability of 3-D spacer fabrics at same experimental conditions.

three-dimensional spacer fabric; computer flat-knitting machine; knitting process; aramid yarn

10.13475/j.fzxb.20150603705

2015-06-18

2016-04-03

国家自然科学基金项目(11302085)；江苏省产学研项目(BY2014023-34，BY2014023-20)

李晓英(1978—)，女，讲师，博士生。主要研究方向为针织服装设计与纺织材料。蒋高明，通信作者，E-mail: jgm@jiangnan.edu.cn。

TS 184.4

A