平面四轴向机织物的顶破性能研究

陈培伟 李毓陵 陈旭炜

(东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海，201620)

近年来，因以平面多轴向织物为骨架的复合材料具有薄壁化、轻量化、各向均匀性好以及高韧性、耐冲击、形态稳定等优点，其产品已应用于航空航天、风力发电、交通运输、建筑、汽车、体育、休闲等领域［1-2］。

一般的多轴向织物是采用黏合法或缝编法制得的。由两块常规机织物呈45°角黏合而成的织物，称之为叠层四向机织物，如图1所示。叠层四向机织物存在层间界面的黏合情况不确定，力学性能不够稳定，层间强度低，抗冲击性能差，以及易发生分层等缺陷［3］。

多轴向缝编织物是用若干层不同角度的纱片或若干条斜条织物一起缝编而成，使产品厚度方向为整体且有强力，如图2所示。多轴向缝编织物的主要优点是密实度高，各层纱线的取向可控，而且各层纱布因缝编而交错在一起。其主要缺点为缝编时纱的刺穿位置不固定，以致强力降低，结构密度也差［4］。

图1 黏合法多轴向织物

图2 多轴向缝编织物

图3 平面四轴向机织物示意图

平面四轴向机织物是指四组纱线以45°角相互交织，在交织点处呈“米”字形结构的织物，如图3所示。平面四轴向机织物由于四组纱线相互交织，使作用于织物上的力分散在四个轴线上，在任何方向上均具有较均匀的强力，耐斜拉伸，可挠性大，经久耐用。这种平面四轴向机织物不需要黏合，克服了叠层四向机织物的抗冲击性差、层间分离等缺陷。它既可应用于树脂复合材料基材、风力发电机叶片、防弹衣等高端用途，还可用于劳动裤、运动鞋、运动衣、军服等服用织物领域［1，5］。

本文利用自制的平面四轴向织机，设计并制备出具有一定结构的平面四轴向机织物。通过与相同面密度的常规机织物以及叠层四向机织物的厚度和顶破性能的对比，进一步探讨平面四轴向机织物的独特性能。

1 试样准备

1.1 平面四轴向机织物

图4(a)为自制的平面四轴向机织物示意图，包括一组90°经纱、一组0°纬纱、一组45°斜纱和一组－45°斜纱。四组纱线在“米”字形交织点处由于相互沉浮的关系不同而形成不同的结构，称为“米”字结构。本文自制的平面四轴向机织物“米”字结构有两种。一种结构如图4(b)所示，其特征为:90°经纱始终位于 0°纬纱之上，45°斜纱和－45°斜纱之下;0°纬纱始终位于90°经纱之下，45°斜纱和－45°斜纱之上;45°斜纱始终位于0°纬纱之下，90°经纱和 －45°斜纱之上;－45°斜纱始终位于0°纬纱和45°斜纱之下，90°经纱之上。另一种结构如图4(c)所示，其特征为:90°经纱始终位于45°斜纱、－45°斜纱和0°纬纱之下;0°纬纱始终位于45°斜纱和 －45°斜纱之下，90°经纱之上;－45°斜纱始终位于90°经纱和0°纬纱之上，45°斜纱之下。上述两种“米”字结构沿纵向循环交替，构成平面四轴向机织物，如图4(d)所示。

1.2 常规机织物和叠层四向机织物

常规机织物为平纹织物，考虑到要与平面四轴向机织物的面密度一致，因此其经纬纱密度为平面四轴向机织物的90°经纱和0°纬纱密度的2倍。叠层四向机织物用的常规机织物也是平纹织物，其经纬密度与平面四轴向机织物的90°经纱和0°纬纱的密度相同。三种机织物均采用相同的纱线织制而成，具体的织物组织参数见表1。

图4 自制平面四轴向机织物

在叠层四向机织物用常规机织物的织造过程中，由于经密、纬密均比较小，织物的交织阻力较小，织物结构不稳定，很难成形，如图5(a)所示。为解决上述问题，采用了边织造边上浆的方法，在交织点处将经纬纱黏在一起，以确保织物的结构稳定，如图5(b)所示。用两块上浆后的织物，呈45°角黏合制得叠层四向机织物，如图6。

表1 织物组织参数

图5 叠层四向机织物单层实物图

图6 叠层四向机织物

2 顶破性能测试

2.1 测试仪器及方法

测试仪器为HD026N+型电子织物强力仪、YG141N型数字式织物测厚仪。顶破性能测试采用弹子式顶破法(FZ/T 01030—1993)，试验机顶破速度为100 mm/min。厚度测试采用GB 3820—1983规定的试验方法。

2.2 结果和分析

图7为三种织物的厚度对比图。可以看出，平面四轴向机织物的厚度大于常规机织物，而小于叠层四向机织物。

图7 三种织物的厚度对比图

设纱线的直径为d。由图4(b)和图4(c)可以看出，在平面四轴向机织物的交织点处，最多有三组纱线汇于一点，三组纱线在交织点处紧密结合，使得平面四轴向机织物的厚度约为三组纱线的直径之和3d。常规机织物为单层织物，其厚度约为2d。叠层四向机织物由两层常规机织物叠合而成，其厚度约为两层常规机织物厚度之和，即4d。因而，平面四轴向机织物的厚度大于常规机织物，小于叠层四向机织物。

图8为三种织物的顶破性能对比图。可以看出，相同面密度条件下，平面四轴向机织物的平均顶破强力和顶破功都明显大于叠层四向机织物和常规机织物。因此，平面四轴向机织物的顶破性能明显优于叠层四向机织物和常规机织物。可以预见，用平面四轴向机织物作为骨架的复合材料，厚度可以更薄，耐冲击性能也一定具有明显的优势。

图9为三种机织物顶破前后的对比图。在顶破过程中，三种织物的受力变形基本相似。由于织物的密度都比较小，组织结构松散，导致顶破失效主要为纱线发生滑移。

图8 三种织物的顶破性能对比图

图9 三种机织物顶破前后的对比图

叠层四向机织物由于其常规机织物上浆后才稳定，且叠合时也需要黏合剂。因此，它的顶破强力主要来源于机织物内组织点处的浆料以及机织物之间的黏合剂(或浆料)，可以认为本试验中的叠层四向机织物的顶破性能极低。此外，在顶破过程中，黏合在一起的两层常规机织物间还发生了分层现象，更预示叠层四向机织物的应用局限性。

在常规机织物的顶破过程中，由于经纬纱呈正交状态，经纱容易沿纬纱滑动，同时纬纱也容易沿经纱滑动，因此容易顶破失效。而平面四轴向机织物由于四组纱线相互交织，在非常小的纱线密度下也可形成稳定的结构，且不存在层间分离问题。从图4(b)也可以看出，顶破过程中任何一组纱线产生滑移时，至少会受到另外一组，有时多达三组纱线的阻拦。因此，平面四轴向机织物的顶破性能优于叠层四向机织物和常规机织物。

3 结论

(1)平面四轴向机织物由于四组纱线特殊的相互交织关系，即使在面密度非常小的情况下，也能保持非常好的结构稳定性。

(2)平面四轴向机织物的四组纱线相互交织时，不会出现四组纱线在交织点处完全重叠的现象，因此其厚度大于常规机织物，而小于叠层四向机织物。

(3)平面四轴向机织物由于四组纱线相互交织，顶破过程中任何一组纱线产生滑移时，至少会受到另外一组，有时多达三组纱线的阻拦，因此平面四轴向机织物的顶破性能明显优于叠层四向机织物和常规机织物。

［1］李毓陵.产业用纺织品概述(续论)［J］.纺织学报，1994，15(4):37-39.

［2］叶鼎铨.玻璃纤维多轴向布［J］.玻璃纤维，2006(3):21-30.

［3］黄六三.多轴向织物［J］.产业用纺织品，1988(Z1):55-56.

［4］王洪燕，张守斌，潘福奎.多轴向经编织物的性能及应用［J］.现代纺织技术，2008(4):58-60.

［5］DINI M.四轴向织物的生产和用途［J］.陈廷，译.国际纺织导报，1998(3):46-47.