组合式三维机织物制备及其截面观察与分析

康凌峰，李艳清，翁浦莹，祝成炎

(浙江理工大学 “纺织纤维材料与加工技术”国家地方联合工程实验室，杭州　310018)



组合式三维机织物制备及其截面观察与分析

康凌峰，李艳清，翁浦莹，祝成炎

(浙江理工大学 “纺织纤维材料与加工技术”国家地方联合工程实验室，杭州310018)

摘要：为了探究组合式三维机织物的纱线交织情况，设计制备了6种芳纶正交/准正交组合式三维机织物，利用树脂包埋三维机织物，通过显微镜观察，分析组合式三维机织物的结构特征。结果发现:正交/准正交组合式三维机织物的垂纱贯穿织物上下表层，纬纱呈挺直排列，经纱呈屈曲状态。

关键词：组合式三维机织物；切片；观察；结构特征

0　引　言

典型的三维立体机织物的结构形式主要有正交结构、准正交结构和角联锁结构3种，这3类结构中经纱，纬纱和垂纱的交织关系有较大不同。前期对3种典型三维立体机织物的结构研究表明，正交结构的各组纱线在三维立体机织物内部大多保持挺直状态，垂纱在表层与纬纱交织形成表层结构，转向的垂纱将织物内部交错的纱线连接成一个整体[1-2]；准正交结构与正交结构十分相似，但其三组纱线都具有一定的屈曲，同样是通过垂纱连接织物整体[3-5]；角联锁结构则只存在两组纱线，其特点是各层纱线的经纱呈一定的倾斜角[6-7]。祝成炎等[8-9]研究认为，单一的三维组织结构构成的复合材料无法全方位的满足复合材料的性能要求，有多种变化、更加复杂的三维组合结构具有更好的综合性能。本文在以上研究基础上，利用树脂包埋三维机织物，通过显微镜观察，直观地分析组合式三维机织物的结构特征。

1　组合式三维机织物结构设计

如图1(a)、(b)所示的结构即为典型的五层贯穿正交和贯穿准正交结构，其结构特点是：经纱和纬纱交替重叠多层，以此增加织物厚度。其中正交结构的经纱和纬纱不交织，呈无弯曲、伸直状态，承载时变形小强力大；而准正交结构的经纱和纬纱相互交织，尺寸稳定性强，纱线抽拔力大。两者经、纬纱的相对位置，利用了一组起到连接作用的垂纱沿织物厚度方向反复贯穿，使各层经纬纱连接为一个整体。

图1(c)—(f)所示的结构为结合正交和准正交结构而形成的组合式结构。图1中的点代表纬纱，线1-10代表经纱，线Ⅰ、Ⅱ代表垂纱。为了方便描述，用A、B分别代表如图2(a)和图2(b)所示的正交结构单元和准正交结构单元，那么5A、5B、1A4B、2A3B、3A2B、4A1B分别表示图1(a)—(f)6种结构。这6种结构是正交结构单元和准正交结构单元按数量比5∶0、0∶5、1∶4、2∶3、3∶2和4∶1的比例重叠，采用一组垂纱Ⅰ和Ⅱ，贯穿五层织物连接成一个整体。

图1　三维机织物经向结构

图2　三维机织结构单元

2　实验部分

2.1原材料

芳纶无捻线(线密度122.22tex，杜邦公司)，双酚A环氧乙烯基树脂(上海富晨化工有限公司)，过氧化钾乙酮(上海富晨化工有限公司)，环烷酸钴(上海富晨化工有限公司)。

2.2实验设备

HKV-151花色捻线机(浙江精工科技股份有限公司)，SL800半自动织样机(天津隆达机电科技发展有限公司，经简易改造)，JK-2200DB型超声波清洗机(合肥金尼克机械制造有限公司)，HGD-205数码显微镜(深圳市传奇视觉科技有限公司)。

2.3芳纶包缠线制备

为了提高纱线的可织性，通过HKV-151花色捻线机对芳纶无捻线进行包缠处理。以一根122.22tex的芳纶为芯纱，一根122.22tex的芳纶为包缠纱，以320r/min的外包缠筒子转速，20m/min的包缠纱卷绕速度，制备得到236.20tex的芳纶包缠线，包缠线的捻度为160捻/m，捻向为S捻。

2.4组合式三维机织物制备

采用双经轴织造制备组合式三维机织物，可在通过双经轴改造的SL800半自动织样机上制织出如图1所示的6种结构，织物上机示意图如图3所示。

1-经纱织轴；2-垂纱织轴；3-经纱；4-垂纱；5-垂纱张力控制装置；6-后动后梁；7-综框；8-钢筘；9-胸梁；10-织物；11-压辊；12-卷取辊；13-卷布辊图3　三维机织机上机示意图

以图1(d)2A3B结构为例，对应的织物上机图如图4所示。完全组织经纱循环数Rj=10，其中经纱8根，垂纱2根；纬纱循环数Rw=12。上机穿综采用一顺穿。

所制备的组合式三维织物规格如表1所示。

图4　织物上机图

试样幅宽/cm经密/(根/10cm)纬密/(根/10cm)最大厚度/cm最小厚度/cm面密度/(kg/m2)5A20.11143982.2342.0801.3444A1B20.01204212.4282.1521.3553A2B20.31244512.5422.2201.5912A3B20.01284612.6542.1921.6131A4B20.61304493.1642.3861.5495B20.31334322.8842.0941.601

2.5三维织物树脂切片制备

树脂胶液以双酚A环氧乙烯基树脂、过氧化钾乙酮促进剂和环烷酸钴固化剂的质量比为100.0∶2.0∶1.8混配，控制适当粘度以便能渗透到织物内部。将织物置于铺有脱膜布的模具中，添加树脂胶液后，放入超声波清洗机中，在25℃下工作30min。将固化好后的树脂包埋三维机织物脱模后，常温下放置1周，裁剪成5cm×5cm的切片，使用砂纸打磨切面便于观察。

3　结果与讨论

图5为三维机织物经、纬向截面图。从图5中可以发现织物在经、纬方向上存在着一定厚度，经向方向上织物厚度一致，均匀，而纬向方向上织物表面呈现凹凸波浪形，且凹凸程度随准正交结构数量增加而增加。

图5　三维机织物经、纬向截面图

经向结构特征：图5中(a)、(c)、(e)、(g)、(i)、(k)分别为5A、4A1B、3A2B、2A3B、1A4B、5B结构的经向、截面结构图，如图5(a)中Ⅰ区域所标示的为呈椭圆形的纬纱截面形状；图中贯穿织物上下表面的白色波浪线为垂纱，连接五层结构，屈曲状态明显；而经纱屈曲程度较小，如图5(e)中Ⅲ区域所标示的白色线条为经纱，正交结构中经纱几乎呈现挺直状态排列，而准正交结构中经纱呈现一定的屈曲程度，且屈曲程度随着准正交单元结构数量得增加而增加。

纬向结构特征：图5中(b)、(d)、(f)、(h)、(k)、(l)分别为5A、4A1B、3A2B、2A3B、1A4B、5B结构的纬向截面结构图，如图5(b)中Ⅱ区域所标示的为呈凸透镜形的经纱截面形状；纬纱呈现一定的屈曲状态，表层纬纱屈曲波波峰出现在其与经纱交织处，波谷出现在其与垂纱交织处，且随着组织中准正交结构单元的增多，屈曲程度也不断增加。

4　结　论

本文研究结果表明：组合式三维机织物呈现出一定厚度，表面平整度不一，凹凸程度随准正交结构单元增加而增加；垂纱贯穿织物上下表面，连接五层结构，屈曲状态明显；大多数经纱呈挺直状态排列；纬纱呈现一定的屈曲状态，屈曲程度随着准正交结构单元的增加而增加，且表层纬纱屈曲波波峰出现在其与经纱交织处，波谷出现在其与垂纱交织处。

参考文献：

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[2] TAN P, TONG L Y, STEVEN G P, et al. Behavior of 3D orthogonal woven CFRP composites. Part ⅠExperimental investigation[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing(Incorporating Composites and composites Manufacturing), 2000,31(3):259-271.

[3] CALLUS P J, MOURITZ A P, BANNISTE M K, et al. Tensile properties and failure mechanisms of 3D woven GRP composites[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 1999,30(11):1277-1287.

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[5] BELINGARDI G, VADORI R. Low velocity impact tests of laminate glass-fiber-epoxy matrix composite material plates[J]. International Journal of Impact Engineering, 2002,27(2):213-229.

[6] TSAI K H, CHIU C H, WU T H. Fatigue behavior of 3D multilayer angle interlock woven composite plates[J]. Composites Science and Technology, 2000,60(2):241-248.

[7] 栾坤.三维角联锁机织复合材料弹道倾彻破坏细观结构尺度研究[D].上海：东华大学,2014:3-4.

[8] 祝成炎,高祯云，朱俊萍.组合式3D机织物复合材料的拉伸性能[J].纺织学报.2005,26(5):14-19.

[9] 李艳清,祝成炎，申小宏.组合式3D机织物的经向截面结构与设计[J].浙江理工大学学报,2006,23(3):274-278

(责任编辑：许惠儿)

收稿日期：2015-09-06

基金项目：浙江省国际科技合作专项(合作研究)项目(2012C24013)；浙江省高校重中之重学科开放基金(2013YXQN02)；浙江理工大学研究生创新研究项目(11110032481408)

作者简介：康凌峰(1990-)，男，浙江安吉人，硕士研究生，主要从事现代纺织技术及新产品方面的研究。 通信作者：祝成炎，E-mail：cyzhu@zstu.edu.cn

中图分类号：TS106.68

文献标志码：

文章编号：1009-265X(2016)03-0023-04

Preparation of Combined Three-Dimensional Woven Fabric and Observation and Analysis on its Cross Section

KANGLingfeng,LIYanqing,WENGPuyin,ZHUChengyan

(National Engineering Lab for Textile Fiber Materials and Processing Technology(Zhejiang), Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

Abstract：In order to explore the yarn interweaving of combined three-dimensional woven fabric, 6 Kevlar orthogonal/quasi-orthogonal combined three-dimensional woven fabrics were designed and made. The structural characteristics of the combined three-dimensional woven fabric were analyzed by observing the fabric resin slice. The results show that the vertical yarns in the combined three-dimensional woven fabrics penetrate through all the layers of fabric; besides, the weft yarns of the fabrics are straight while the warp yarns are bending.

Key words：combined three-dimensional woven fabric; slices; observation; structural characteristics