聚酰亚胺长丝二维编织工艺与性能

秦佳莹， 邵慧奇， 陈南梁， 蒋金华

(东华大学 a.产业用纺织品教育部工程研究中心, b.纺织学院， 上海 201620)

随着空间绳系系统、卫星张力索、飞艇用绳、系泊绳等航空航天用绳需求的日益增长，加强对高性能纤维编织绳性能的研究是十分必要的[1-2]。聚酰亚胺(polyimide，PI)纤维作为高性能纤维的典型代表之一，具有高强高模、耐辐照等优异性能，一直是航空航天的首选材料之一[3-4]。然而PI纤维在绕纱及编织过程中表面易起毛,受损甚至断裂，并且磨损编织元件，导致编织难度大，因此在编织前对PI长丝的可编织性进行探究是极为重要的。目前关于高性能纱线可编织性的表征仍然没有统一的标准，比较常见的是通过测试纱线的基本性能以及编织过程中纤维的损伤进行表征[5]。

编织绳的原料及编织工艺参数决定产品的最终性能。在各种编织工艺中，二维编织对纤维的力学损伤较小且工艺简单、生产效率高、可设计性好，但织物组织结构变化较少，主要通过改变节距、编织股数等对二维编织绳进行设计[6]。国内关于PI纤维可编织性的探究及针对特殊应用环境的小直径编织绳编织参数与力学性能的研究还较少，主要针对其他高性能纤维编织绳进行一些探索研究。马晓红等[7]通过拉伸及磨损试验探究了碳纤维的可编织性并探索二维编织工艺。丁许等[8]研究发现：芳纶纤维二维编织绳的拉伸断裂强力和断裂伸长率随着编织角的增加分别呈上升和下降的趋势；在3种编织结构(1×1、2×2、1×1+2×2混杂)中，2×2编织结构的拉伸断裂强力及断裂伸长率最大。Flory等[9]研究发现，超高相对分子质量聚乙烯绳的强度不受张力及拉伸循环影响，最终会回复初始状态。Msalilwa等[10]使用图像分析技术表征编织结构参数，研究双层管状编织绳在拉伸载荷下的力学行为并建立真实拉伸应力模型。目前中国科学院长春应用化学研究所、江苏先诺新材料有限公司申请了PI纤维编织绳的相关专利[11-12]，探讨了高强耐磨型PI纤维绳带及其制备方法。

不论是对原料的选择还是对编织工艺的探究，都是为了更好地满足编织绳特定终端用途的性能要求。本文基于空间应用的编织绳强力和直径目标设计要求，选择3种PI长丝作为原料，通过拉伸和耐磨损试验探究了PI长丝的可编织性，在C12型高速编织机上编织13种不同工艺参数的PI编织绳并进行对比分析，从而挑选符合编织工艺要求且力学性能良好的编织绳，同时研究了编织绳工艺参数间的相互关系、编织工艺对拉伸性能的影响并建立回归方程，以期对PI长丝的编织产品开发及实际生产提供指导与借鉴。

1 试验与方法

1.1 试验原料

采用江苏先诺新材料有限公司提供的3种线密度(22.2、55.5、111.1 tex)的高性能PI长丝。

1.2 编织方案

为了满足空间应用张力绳轻质、高强、低延伸率的性能要求，设计编织绳直径为1 mm，绝对误差不超过0.1 mm，同时强力大于600 N，伸长率越小越好。为了达到近似相同编织绳直径，选用2种不同线密度的PI长丝以不同股数组合进行设计。编织机器为东莞市冠博精密机电有限公司制造的C12型高速编织机，因材料及机器的限制，不同线密度PI长丝的编织数量有所不同，编织绳编织方案如表1所示。其中：B系列代表线密度55.5 tex编织绳12股编织，设计7种节距；C系列代表线密度111.1 tex编织绳6股编织，设计6种节距。最终设计制备的13种编织绳成品如图1所示。

图1 PI长丝编织绳成品照片Fig.1 Photos of finished PI filament braided ropes

表1 上机编织方案Table 1 Machine braiding program

1.3 PI长丝可编织性测试

1.3.1 拉伸性能

对3种不同线密度的PI长丝进行拉伸测试，参照GB/T 19975—2005《高强化纤长丝拉伸性能试验方法》，夹持间距为500 mm，拉伸速度为250 mm/min，每种规格PI长丝分别测试10次，预加张力为(0.05±0.01)cN/dtex。

1.3.2 耐磨损性能

纱线二维编织的路径通常为经过走马锭、穿过孔眼、绕过导轮及滑轮，最后卷绕在线盘上。在这一过程中，纱线不仅与编织元件接触发生摩擦，还被拉伸和弯曲成环状结构。PI长丝在编织过程中的可编织性难以评价，因为长丝的张力会随编织元件的运动发生变化。但是，在编织过程中纱线承受的整体力和相互作用力可以高度简化为拉伸、弯曲以及摩擦作用的组合，如图2所示。简化模型与实际编织工艺的差别仅在拉伸方向、弯曲角度、磨损主体和物体等参数上，对纱线二维可编织性评价没有显著影响。自制纱线摩擦仪构造示意图如图3所示。测试前使纱线从织针(50.75G 01型德国格罗茨拉舍尔机针)穿过，测试时摩擦部分往复摆动实现摩擦。为了模拟PI长丝在实际编织时线密度、编织速度以及牵引力对纱线磨损的影响程度，选择长丝线密度、推动连杆往复运动的电机转速以及砝码质量3个因素进行研究，摩擦次数为100次，运用L9(34)正交试验对方案进行优化设计，因素水平表如表2所示。

图2 编织简化模型与走马锭中纱线路径Fig.2 Braiding simplified model and yarn path in the horse spindle

图3 自制纱线摩擦仪构造示意图Fig.3 Schematic diagram of the self-made yarn friction tester

表2 因素水平表Table 2 Factor level table

1.4 PI编织绳测试

1.4.1 工艺参数

编织绳参数包括直径和编织角。直径测试：在不受明显张力的情况下，测量编织绳自然伸直状态下的直径，同一个样品测试10次，试样上的取样点至少间隔0.5 m。编织角测试：通过体式显微镜拍摄编织绳放大后的图片，再用图像处理软件测出编织角。编织绳的直径和编织角的测试结果如表3所示。

表3 编织绳的直径和编织角测试结果

1.4.2 拉伸性能

测试仪器为 YG026 MB-250型多功能电子织物强力机(温州方圆仪器有限公司)，测试方法参照GB/T 8834—2016《纤维绳索 有关物理和机械性能的测定》，夹持间距为200 mm，拉伸速度为250 m/min。由于PI纤维拉伸过程中易打滑，在测试前将试样两端用牛皮纸包覆。具体方法为：制作5 cm×5 cm牛皮纸并涂上百得快干胶水，将编织绳粘在牛皮纸的中心位置，如图4所示。

图4 PI编织绳拉伸试样Fig.4 The tensile sample of PI braided rope

2 结果与讨论

2.1 PI长丝可编织性能分析

2.1.1 拉伸性能

3种线密度PI长丝的断裂强度和断裂伸长率如表4所示，伸长率与负荷关系如图5所示。

表4 PI长丝拉伸断裂性能Table 4 Tensile breaking performance of PI filaments

图5 3种线密度PI长丝的拉伸性能Fig.5 Tensile properties of PI filaments withthree kinds of linear density

由表4可以看出，线密度为22.2和55.5 tex的PI长丝的断裂强度相同，而线密度为111.1 tex的PI长丝的断裂强度稍小。这可能是由拉伸时纤维断裂的不同时性导致的，断裂总是发生在纤维强力最薄弱的一节，而纤维根数越多，断裂不同时性越明显，测得的强力越偏小，换算成单纤维强度时数值会减小。观察图5可以看出，随着长丝线密度的增加，拉伸曲线的斜率也在增大，即初始模量不断增大。由此表明，PI长丝的线密度越大，越不容易发生变形，即纱线的刚性越大，因而编织难度越大。

2.1.2 耐磨损性能

为了探究编织过程中不同PI长丝与机件发生摩擦时编织速度和牵拉力对纱线损伤的影响程度，用自制的摩擦仪摩擦PI长丝一定次数后在纱线强力仪上测试断裂强力，以磨损前后长丝的断裂强力之差与磨损前长丝的断裂强力百分比值(即强力损失率)来表征纱线的损伤情况。正交试验方案和极差分析以及方差分析结果如表5和表6所示。

表5 正交试验方案和极差分析Table 5 Orthogonal experiment scheme and range analysis

表6 正交试验方差分析表Table 6 Orthogonal test analysis of variance table

表5中极差R可反映对应因子对试验结果影响的程度，R值越大则影响程度越大，反之影响越小。通过比较极差R可知，工艺参数对纱线磨损的影响程度大小排序为长丝线密度>砝码质量>电机转速，即长丝线密度>牵引力>编织速度。由表6可知，在本试验范围内，3种因素对断裂强力损伤率并没有显著性影响，相对而言，长丝线密度的影响程度最大，其次是砝码质量，电机转速的影响程度最小，这与上述极差分析结果一致。

由表5还可知，PI长丝在上机编织时，线密度为111.1 tex的PI长丝表面磨损程度相对22.2和55.5 tex的PI长丝要小得多，也就是说在其他条件不变的的情况下，线密度为111.1 tex的PI长丝的强度利用率更高。而电机转速即编织速度的改变对长丝的磨损几乎没有影响，砝码质量即牵伸力对长丝的磨损也有一定影响。牵伸力越小则长丝的磨损程度越小。但在实际编织时牵伸力过小会引起编织物表面不够紧密、均匀，影响最终成品质量，因此牵伸力的大小要考虑编织实际情况，并非越小越好。

2.2 编织绳节距与直径、编织角关系分析

2.2.1 节距对直径、编织角的影响

B、C两种系列的PI编织绳在不同节距下的直径与编织角的拟合曲线如图6所示。

图6 编织绳B、C系列的直径、编织角测量结果Fig.6 The measurement results of the diameter and braid angle of braided rope B and C series

从图1和图6可以看出，同一种线密度长丝的编织绳，随着编织节距的增大，直径和编织角逐渐减小，编织的紧密程度越来越低。这是因为编织节距越大，纤维与绳索轴向偏离的角度越小，绳索在相同长度内的交织点越少、股纱越长，直径和编织角就越小。从编织实际效果来看，编织绳B6、B7、C4、C5、C6的结构比较松散，编织效果较差；B1和C3的区别为编织结构，B1为2×2编织结构，C3为1×1编织结构，可以看出2×2编织结构的编织绳在相同编织节距下比1×1编织的直径要小。在本试验范围内，若要编织紧密、均匀的编织绳，使用12股线密度为55.5 tex的PI长丝编织时，编织节距应控制在16 mm以内，使用6股线密度为111.1 tex的PI长丝编织时，编织节距控制在7 mm以内。因此，符合本文直径编织要求的编织绳为B3、C1、C2。

2.2.2 直径-节距、编织角-节距拟合方程

采用Origin软件对编织绳直径、编织角与节距进行拟合，拟合回归方程如表7和表8所示。通过拟合回归方程得到直径、编织角与节距的关系。其中，R2表示总离差平方和中可以由回归平方和解释的比例，R2介于0和1之间，越接近1，拟合效果越好，一般认为超过0.8的模型拟合优度比较高。

表7 编织绳B、C系列直径与编织节距拟合回归方程

表8 编织绳B、C系列编织角与编织节距拟合回归方程

2.3 编织节距与编织绳拉伸性能关系

2.3.1 编织节距对编织绳断裂强力的影响

编织节距对B、C系列PI编织绳断裂强力的影响如图7所示。

图7 编织绳B、C系列断裂强力测试结果Fig.7 Test results of breaking strength of braided rope B and C series

从图7可以看出，同种线密度的PI编织绳，随着编织节距的增加，断裂强力不断增加，但增加程度逐渐减小，当编织节距增加到一定值时，曲线趋于平缓。这是因为编织节距增大使得编织角减小，从而分散到编织绳轴向的抗拉强力增大，编织绳的强力也增大。对比编织绳B和C系列，当节距相同时，C系列断裂强力大于B系列，表示1×1编织结构的编织绳的强度大于2×2编织结构，原因可能是相同长度内1×1编织结构的交织点更少，因而束纤维的强度利用率更高。以上方案中，编织绳C2的断裂强力为1 226 N，在直径为0.9～1.1 mm的编织绳中强力最高。

2.3.2 编织节距对编织绳断裂伸长率的影响

编织节距对B、C系列PI编织绳断裂伸长率的影响如图8所示。

图8 编织绳B、C系列断裂伸长率测试结果Fig.8 Test results of breaking elongation of braided rope B and C series

从图8可以看出，随着编织节距的增大，编织绳的断裂伸长率逐渐减小，断裂伸长率与编织节距呈负相关关系，并趋于一定值。这是因为编织绳的伸长是股纱中单丝的伸长以及纤维自身大分子滑移产生的伸长的总和，随着编织节距的增大，编织绳的紧密程度降低，相同长度的编织绳包含的股纱长度较短，在受力拉伸时，伸长率逐渐减小，最终趋于一定值。在相同编织节距下，编织绳C系列的断裂伸长率明显小于编织绳B系列的断裂伸长率。以上方案中，编织绳C2的断裂伸长率为5.73%，在直径为0.9～1.1 mm的编织绳中断裂伸长率最小。

2.3.3 断裂强力-节距、断裂伸长率-节距拟合方程

采用Origin软件进行不同线密度PI编织绳断裂强力、断裂伸长率与编织节距的拟合，拟合回归方程如表9和表10所示。

表9 编织绳B、C系列断裂强力与编织节距拟合回归方程

表10 编织绳B、C系列断裂伸长率与编织节距拟合回归方程

3 结 论

(1)长丝线密度越大则其刚度越大且越不易编织。耐磨损试验发现，111.1 tex的PI长丝在编织过程中的表面磨损最小，在保证正常编织前提下，牵伸力不宜过大，编织速度对长丝性能几乎没影响。

(2)随着编织节距的增加，长丝排列的紧密程度下降，编织绳直径和编织角逐渐减小，最终趋于一定值；对直径-节距、编织角-节距进行线性函数拟合，拟合程度超过0.9。

(3)当编织节距增加时，断裂强力增加，断裂伸长率减小，当编织节距增大到一定值时，断裂强力和断裂伸长率趋于一定值，对拉伸性能与编织节距进行指数型函数拟合，拟合程度超过0.9。同种编织节距下，对比B和C系列编织绳，C系列的断裂强力更大，断裂伸长率更小，力学性能更好。

(4)综合直径为0.9～1.1 mm的编织绳，当PI长丝线密度为111.1 tex和编织节距为5 mm时，编织绳强力为1 226 N，断裂伸长率为5.73%，编织绳结构紧密且力学性能最优。