圆弧形三维机织物的设计与织造

吕 丽 华， 张 雪 飞， 李 丛 滩， 欧 阳 学 燕

( 大连工业大学 纺织与材料工程学院, 辽宁 大连 116034 )



圆弧形三维机织物的设计与织造

吕 丽 华， 张 雪 飞， 李 丛 滩， 欧 阳 学 燕

( 大连工业大学 纺织与材料工程学院, 辽宁 大连 116034 )

对原有的横向变截面正交立体机织物进行改进，设计出了圆弧形三维机织物。根据圆弧形三维机织物的经向截面图，设计其上机图，在普通小样织机上进行试织，展示了上机织造的最终产品，并总结其上机参数及上机织造要点，对圆弧形三维机织物的应用作了合理的预测。

三维机织物；圆弧形；普通织机；设计；织造

0 引 言

传统的机织物由经、纬两个方向的纱线相互交织而形成，厚度主要是由经纬纱的粗细以及他们之间存在的缝隙决定，所以织物厚度有限。随着科技的发展和进步，纺织复合材料逐渐兴起，三维机织物作为纺织复合材料的增强体，凭借其优良的性能，应用前景广阔。三维机织织物是由三个或者三个以上系统的纱线在X-Y-Z三个方向上取向，三个方向的纱线在不同的平面交织或者连接，最终形成一个三维整体结构[1-3]。三维机织物凭借其良好的整体结构性、力学性能优良等特点备受关注，但是用专门的三维织机织造成本太高，难以推广，所以在普通小样织机上开发三维织物有很好的发展前景[4]。

杨小侠[5]论述了角联锁结构三维织物的设计方法，并以正则角联锁和空口角联锁结构为例，分析了这两种结构的贯穿方式，构成参数的计算，组织图与上机图的特点以及织造时遇到的特殊问题等，其研究结论指出，通过合理的设计组织结构及上机参数可以实现在普通二维织机上织造三维机织物。苏州大学的顾平[6]对多重纬角联锁机织物的结构特点和设计要点作了分析，并介绍了该组织的设计方法。杨彩云等[7]提出了角联锁结构的分类方法、角联锁结构的演变规律和设计理论。聂建斌[8]、卢士艳[9]等重点对角度联锁三维机织物及其变化织物的交织原理进行分析，对其织物组织结构、织物组织的设计要点以及织物形成过程进行了探讨。万明达等[10]利用多臂小样织机以玻璃纤维和芳纶为原料设计织造四层角联锁织物，并采用真空辅助成型法和手工成型法加工复合材料。唐予远等[11]指出，对1511S型织机进行改造，用来生产三维机织预成形件是可行的。马崇启等[12]通过对织物组织设计过程中各相关因素的综合分析，详细介绍了玻璃纤维高厚布的织物组织设计方法。Huang等[13]发明的织造方法采用两组经纱，即分别由两个纱轴供应纱线，以满足不同送经量的要求。

基于当前的研究现状，作者设计了圆弧形三维机织物，并在普通小样织机上试织。

1 圆弧形三维机织物的结构设计

1.1 横向变截面立体正交织物

圆弧形三维机织物的设计灵感来源于已有的横向变截面正交立体机织物，其织造原理是织物根据厚度方向变化的不同来选择经纱的层数，同时引入纬纱与之交织，形成织物[14]。

图1为横向变截面正交立体机织物结构图，图1中横向截面总共分成3段，各层的纬纱分别为7、5、4层，经纱则为6、5、3层。如此纱线层数依次呈递减趋势，实现了织物截面的相应变化，形成了变层数的三维机织物。在此基础上，本实验设计了圆弧形三维机织物。

图1 横向变截面正交立体机织物结构图

1.2 圆弧形三维机织物的经向截面图设计

图2为一种圆弧形三维机织物的经向截面图。图中圆弧形三维机织物的一个完全组织循环由六根经纱组成，其中纱线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为地经纱，1、2为接结经纱(也称缝经纱)。图中的圆圈代表组织循环内的纬纱，圆弧形织物的纬纱按比例递增到最高层数时，再按比例递减，形成一个圆弧形。接结经纱与纬纱按正交的方式交织在一起形成三维正交式的织物。

贯穿正交结构突破了传统多层织物的概念，但是同二维织物一样可以改变纱线的交织形式，产生不同的三维立体效果。从织物的经向剖面图可以推想，当织物的厚度较小时，长度方向的地经纱与厚度方向的接结经纱实质上均可以沿织物的长度方向延长，因而可以在普通的小样织机上进行织造。

图2 圆弧形三维机织物的经向截面图

2 圆弧形三维机织物织造

2.1 圆弧形三维机织物的上机图设计

机织物的上机图是指导织物上机织造的重要图解，可以对织物的上机织造起到一定的指导作用。上机图主要包括组织图、穿筘图、穿综图和纹板图。

图3为一种圆弧形三维机织物的上机图。其组织图根据织物经向截面图作出。一个组织循环共有6根经纱，30根纬纱。

穿综图穿筘图302928272625242322212019181716151413121110987654321组织图纹板图

图3 圆弧形三维机织物的上机图

Fig.3 Looming draft of arc-shape of three-dimensional

2.2 圆弧形三维机织物的上机工艺参数设计

穿综：顺穿法穿综，把该循环的经纱逐一顺次的穿在每一页综框上。

穿筘：每筘一入。

经纬纱循环数：

Rj=(N-1)+2；Rw=N(N+1)

式中：N表示纬纱的层数；Rj表示完全组织中经纱循环数；Rw表示完全组织中纬纱循环数。

总经根数：所包含的组织循环数与该循环的经纱数的乘积。

2.3 圆弧形三维机织物小样试织

(1)将经纱卷绕到经轴上；

(2)将经轴上的经纱依次取下按照组织图，穿入相应的综框内，根据经密和织物的要求按一定的筘入数进行穿筘；

(3)按照纹板图钉植纹钉，并放入织机；

(4)调节经纱张力，准备打纬织造。

2.4 圆弧形三维机织物的上机织造要点

圆弧形织物的截面通过每层经纱层数的变化来形成一种变化，纱线层数的变化使得织物形成一个圆弧形状。理论上圆弧形织物属于平板状织物，上机织造要点：

(1)经纱张力。在普通小样织机上最难实现经纱张力均匀的控制，因为普通小样织机上只有一个经轴，而三维织物织造时由于有的经纱浮长线长，特别是贯穿正交三维织物，有的地经纱不参与纬纱的交织，而接结经纱需要贯穿整个织物厚度方向，因此所需要的接结经纱长度比地经纱要长很多，经纱张力必不均匀。本设计通过改造普通织机进行双轴织造或者接结经纱用筒子架送经，来实现经纱张力的均匀。

(2)开口清晰度。织造过程中因为经纱分的层数较多，经纱密度过大，经纱在交织的时候会出现与相邻的纱线重叠、交缠、黏结现象，织造高强低伸型纱线时显得特别严重。为解决这一问题，可以在上机织造前对纱线进行处理，如上浆、包缠等方法，提高高性能纤维的可织造性。

2.5 圆弧形三维机织物小样试织成品

圆弧形三维机织物的上机织造成品如图4所示。将图4(b)中未参与交织的地经纱浮长线剪掉就是一个圆弧形状。

图4 圆弧形三维机织物小样试织成品图

3 圆弧形三维机织物的应用

圆弧形三维机织物织造成功的实质是通过改变纱线的层数实现的，每一截面中织入的纱线数量不同，厚度就不同，厚度差是实现圆弧形三维机织物织造的关键技术。通过合理设计织物厚度织造的圆弧形三维机织物为增强材料，浇筑树脂高分子材料形成复合材料，其可应用于房屋覆盖材料代替传统的瓦片、琉璃瓦等装饰材料。此种复合材料的强度高、耐腐蚀，日晒雨淋都不容易被破坏。 另一方面，若选用较细的特种纱线织造，调节织物织造的厚度和圆弧的弯曲程度，形成很细的小拱形，该类织物有望应用于人造血管。

[1] 黄故,马崇启,林国财,等.三维机织复合材料的研制[J].纺织学报,1999,20(1):4-6.

[2] 易洪雷,丁辛.三维机织复合材料力学性能研究进展[J].力学进展,2001,31(2):161-171.

[3] 王美红.三维机织预型件的织造技术[J].产业用纺织品,2013,31(4):1-9.

[4] 王静,王瑞.三维机织预型件织物设计及其织造的探讨[J].产业用纺织品,2005,23(2):9-12.

[5] 杨小侠.角联锁结构三维织物的设计[J].棉纺织技术,2011,39(9):4-7.

[6] 顾平.多重纬角联锁三维机织物结构设计[J].上海纺织技,2002,30(4):24-27.

[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,2006,31(5):53-58.

[8] 聂建斌,卢士艳.角联锁织物的组织设计[J].纺织学报,2006,27(3):90-91.

[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):8-11.

[10] 万明达,李亚滨.三维机织角连锁织物复合材料的加工与弯曲性能测试[J].山东纺织科技,2012,53(3):5-9.[11] 唐予远,赵连胜,丁辛.三维机织预成形件的设计与试织[J].棉纺织技术,2009(9):5-7.

[12] 马崇启,黄故.高厚玻璃纤维布的织物组织设计[J].天津纺织工学院学报,1997,16(2):32-36.

[13] HUANG G, ZHONG Z L. Tensile behavior of 3D woven composites by using different fabric structures[J]. Materials and design, 2002, 23(7):671-674. [14] 祝成炎,田伟,申小宏.横向变截面立体机织物结构及其组织设计[J].浙江工程学院学报,2003,20(3):160-163.

张鸿,房艳萍,祝国富,邢阳阳,郭萍,焦玉龙,徐海涛.聚丙烯/海藻酸钙/二氧化硅杂化材料的制备与性能[J].大连工业大学学报,2016,35(6):468-472.

Design and weaving of arc shaped three-dimensional woven fabric

LYU Lihua, ZHANG Xuefei, LI Congtan, OUYANG Xueyan

( School of Textile and Material Engineering, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China )

Arc-shaped 3D woven fabric was designed by improving the variable cross section orthogonal woven fabric. The drawing of machine was designed according to the cross sectional drawing of arc-shaped 3D woven fabric, and the final product weaving was showed in the ordinary loom. Its machine parameters and weaving points were summarized and the application of arc-shaped 3D woven fabric was predicted reasonably.

three-dimensional woven fabric; arc-shape; normal loom; design; woven

2015-04-15.

辽宁省高等学校优秀人才支持计划(LJQ2012047).

吕丽华(1978-)，女，副教授.

TS105.1

A

1674-1404(2016)06-0465-03

LYU Lihua, ZHANG Xuefei, LI Congtan, OUYANG Xueyan. Design and weaving of arc shaped three-dimensional woven fabric[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2016, 35(6): 465-467.