玻璃纤维衬经衬纬纬编管状织物的制备及其拉伸性能.pdf

第 44 卷 第 7 期2023 年 7 月纺 织 学 报Journal of Textile ResearchVol.44,No.7Jul.,2023DOI:10.13475/j.fzxb.20220309801玻璃纤维衬经衬纬纬编管状织物的制备及其拉伸性能周濛濛,蒋高明(江南大学 针织技术教育部工程研究中心,江苏 无锡 214122)摘 要为获得结构稳定且紧密的玻璃纤维衬经衬纬纬编管状(WKBT)织物,探讨了机上及机下因地组织捆绑线圈织缩造成衬纱弯曲起拱的衬纱露丝问题。采用添纱工艺及扩布装置制备了 4 种地组织结构及捆绑纱种类不同的 WKBT 织物,并分析了其外观形貌、横纵密及拉伸性能。结果表明:添纱组织可改善脱圈后捆绑线圈周向的织缩,但衬纱起拱现象仍存在;扩布装置的应用解决了衬纱起拱的问题,结合添纱工艺可制备结构稳定且紧密的WKBT 织物;4 种 WKBT 织物经扩幅后衬纱仍具有较高的拉伸模量和衬纱强力利用率,证明本文方法在消除织缩的同时,可制备性能优异的 WKBT 织物。关键词 纬编衬经衬纬管状织物;扩布装置;织缩;拉伸性能;衬纱强力利用率中图分类号:TS 183.4;TS 184.4 文献标志码:A 收稿日期:2022-03-29 修回日期:2022-05-12基金项目:泰山产业领军人才项目(20180224);江苏省研究生科研与实践创新计划项目(KYCX22_2353)第一作者:周濛濛(1996),女,博士生。主要研究方向为针织复合材料。通信作者:蒋高明(1962),男,教授,博士。主要研究方向为功能针织面料与针织结构材料。E-mail:jgm 。连续纤维增强管状复合材料因其避免了材料拼接导致的结构缺陷,具有优良的整体性、结构稳定性和力学性能,可用于油气输送管道、民用输水管道、消防水带、管状滤料等领域。管状纺织增强体多采用编织、机织、非织、针织 4 种方法制备,其中管状针织增强体可用于制备净成形/近净成形的直管、L 形管、U 形管、T 形管1、Y 形管2等,受到了产业领域的高度关注。相互穿套的线圈结构赋予管状针织增强体良好的弹性和适形性,但该类管状织物难以满足产业领域对高强高模、低延伸性的纺织管状增强体的要求。与传统的管状针织物相比,纬编衬经衬纬管状(WKBT)织物以纬平针、罗纹等为地组织,将高性能纱线沿织物的轴向和周向衬入,以增强织物的结构稳定性和力学性能3。捆绑纱和衬纱作为 WKBT织物的重要组成部分,其横纵密共同影响织物的成形性4和尺寸稳定性。刘梁森等5制备了地组织为纬平针的超高分子量聚乙烯衬经衬纬管状织物,结果表明捆绑线圈的织缩易导致衬经衬纬管状织物在针筒内壁筒径收缩处起拱起皱,曲线针筒内壁和间歇式感应卷布机构的设计可消除因织缩产生的褶皱,使所制备的织物布面纹路清晰、线圈均匀、衬纱挺直。田菲6制备了以 1+1 罗纹为地组织的聚酯衬经衬纬管状织物,结果表明衬经纱、衬纬纱的张力及捆绑线圈机下的织缩易导致衬经纱、衬纬纱的外露,可通过优化衬纬纱纱嘴位置、控制衬经纱和衬纬纱张力等进行改善。王震等7通过探究高性能纱线的抗弯刚度和弯曲回复性能发现,碳纤维、玻璃纤维、高强聚乙烯纤维、芳纶的抗弯刚度依次减小,碳纤维、玻璃纤维、芳纶的弯曲回复性能依次减小,高强聚乙烯纤维的弯曲回复性能存在一定的波动性,并提出针对性地选择衬纱可改善织物的成形性,从而制备满足应用要求的织物增强体。玻璃纤维因其高强度、高模量、高性价比成为制备管状纺织增强体的重要材料8-9,但其脆性大、断裂伸长率小、耐扭折性差等特性使其可编织性差10,较少用于针织物的制备。现有研究发现将玻璃纤维作为衬纱衬入针织结构11-12,可减少编织过程中玻璃纤维的断裂损伤,然而到目前为止,将脆性纤维作为衬经纱、衬纬纱衬入纬编管状织物的研究鲜有报道。本文从编织工艺、扩布装置 2 个方面探讨了地组织为 1+1 罗纹、衬经纱和衬纬纱为玻璃纤维的 WKBT 织物在制备成形时的织缩问题,并分析了所制备的 WKBT 织物的拉伸性能,以期为玻璃纤维衬经衬纬纬编管状织物的研发提供参考。第 7 期周濛濛 等:玻璃纤维衬经衬纬纬编管状织物的制备及其拉伸性能 1 实验部分1.1 原 料本文 WKBT 织物采用的捆绑纱分别为聚酯(PET)和聚四氟乙烯纤维(PTFE),衬纱采用玻璃纤维(GF)。纱线的性能参数如表 1 所示。表 1 纱线的性能参数Tab.1 Performance parameters of yarns纱线名称线密度/tex断裂强力/N断裂伸长率/%抗弯力/mNPET150.014.2623.074.93PET216.75.5818.301.65PTFE55.58.5811.4522.69GF222.0123.622.6038.011.2 WKBT 织物结构及制备 WKBT 织物以 1+1 罗纹组织为绑缚系统,在编织过程中衬经纱和衬纬纱沿织物的轴向和周向衬入形成管状结构,如图 1(a)所示。1+1 罗纹组织由 1 个正面线圈纵行和 1 个反面线圈纵行相间配置;衬经纱竖直衬入 2 个相邻的正面线圈之间,在反面线圈正前方;衬纬纱衬入每个线圈横列,被正面线圈的圈柱包覆在内,拦在衬经纱前方(见图 1(b)。WKBT 织物从前到后分别为正面线圈、衬纬纱、衬经纱、反面线圈。其中,衬纬纱、衬经纱被正面线圈和反面线圈所夹持,捆绑纱、衬纬纱沿织物的编织方向螺旋上升,形成封闭的管状结构。WKBT 织物中衬经纱沿纵向平行顺直,衬纬纱沿周向呈螺旋形(螺旋角很小),该类织物能较好地发挥衬纱的潜能。WKBT 织物采用衬经衬纬圆纬机制备,其参数为:筒径 127 mm,机号 E9.5,针数 150 针,路数1 路。针盘与针筒呈 90配置,针盘织针与针筒织针呈相间交错对位。WKBT 织物以 1+1 罗纹为地组织,由捆绑纱、衬经纱、衬纬纱 3 个系统的纱线组成,其中衬经纱、衬纬纱不参与编织。织物的编织原理如图 1(c)所示。在织物成形过程中,针盘、针筒固定不动,针盘三角、针筒三角、捆绑纱导纱器、衬纬纱导纱器同步转动。在传动机构的作用下,针盘织针和针筒织针上的旧线圈从针钩中退至针杆上,完成退圈;捆绑纱依次垫入针筒织针和针盘织针针钩;衬经纱沿针筒 2 枚织针针槽之间的空隙垫入编织区域;衬纬纱沿针筒织针针背垫入编织区域,被新线圈的圈柱挡住,拦在衬经纱前方;在牵拉机构的作用下,形成图 1(a)所示的管状结构6,13。由于玻璃纤维耐折性较差,故本文采用重锤牵拉。在织物制备过程中,保持弯纱深度和牵拉力相同。图 1 WKBT 织物结构及编织示意图Fig.1 Structure and knitting of WKBT fabric.(a)Tubularstructure;(b)Sheet structure;(c)Schematicdiagram of knitting1.3 测试与表征1.3.1 织缩率测试 捆绑线圈赋予 WKBT 织物良好适形性的同时,影响其尺寸稳定性和外观形貌。针筒口处,由于织针的定位作用,WKBT 织物周向受张力,线圈分布均匀、外观清晰;线圈脱圈后,WKBT 织物周向张力消失,力求回复到受力前的状态从而产生了变形,即WKBT 织物的尺寸(圈距与圈高,即横密与纵密)发生变化。本文采用经干松弛处理后的织物尺寸收缩率(织缩率)作为衡量指标,分析地组织结构及捆绑纱种类对 WKBT 织物尺寸稳定性的影响。在室温为(202)、相对湿度为(652)%的标准环境中,考察 WKBT 织物静置 24 h 后织物的密度变化。将静置 24 h 后的 WKBT 织物沿轴向剪开,以 5cm内 线 圈 纵 行 数 表 示 织 物 的 横密(纵行/(5 cm),以 5 cm 内线圈横列数表示织物的纵密(横列/(5 cm)。用密度测试法计算织物横向和纵向的织缩率,N 代表织物的横纵密的线圈数,M 代表织物的总织缩率,织缩率的计算公式为M0i=(N1i-N0i)/N1i 100%,i=1,2331 纺织学报第 44 卷M=(1-(N01N02)/(N11N12)100%式中:N01、N02分别为织物的机上横密和机上纵密;N11、N12分别为静置 24 h 后织物的机下横密和机下纵密;M01、M02分别为静置 24 h 后织物的横向织缩率和纵向织缩率,%;M 为静置 24 h 后织物的总织缩率,%。1.3.2 拉伸性能测试 参考 GB/T 3923.1 2013纺织品 织物拉伸性能 第 1 部分:断裂强力和断裂伸长率的测定(条样法),采用 MTS 万能材料试验机测试 WKBT 织物的 拉 伸 性 能,间 距 为 150 mm,拉 伸 速 率 为50 mm/min。将 WKBT 织物沿轴向剪开并制备 0和90的试样,其中 0为 WKBT 织物轴向衬纱方向(纵向),90为 WKBT 织物周向衬纱方向(横向)。拉伸试样尺寸及形状如图 2 所示。对 40 mm250 mm 的试样进行抽衬纱处理,确保宽度 25 mm 内无裁剪断裂的衬纱。图 2 WKBT 织物拉伸试样尺寸及形状Fig.2 Size and shape of tensile specimens of WKBT fabric采用衬纱强力利用率表征不同地组织结构及捆绑纱种类对玻璃纤维强力利用率的影响。衬纱断裂发生在 WKBT 织物拉伸断裂的第 1 个阶段,故本文取第 1 个阶段的衬纱拉伸断裂值进行计算。衬纱强力利用率14-15的计算公式为ef=PwPfNf 100%式中:ef为衬纱强力利用率,%;Pw为衬纱断裂的最大载荷,N;Pf为单根衬纱拉伸断裂的最大载荷,N;Nf为承受载荷的衬纱数量,根。同时,剪取长度为 300 mm 的 11 根玻璃纤维,两侧粘贴胶带并留有多余的纤维,采用万能材料试验机进行拉伸性能测试,间隔距离为 150 mm,拉伸速率为 50 mm/min。1.3.3 织物的基本性能测试 厚度测试。参照 GB/T 38201997纺织品和纺织制品厚度的测定,采用 YG141LA 数字式织物厚度仪测试织物厚度。压脚直径为 7.98 mm,压脚面积为 50 mm2,压力为 100 cN/cm2,加压时间为10 s。每个试样测试 10 次取平均值。面密度测试。参照 GB/T 46692008纺织品机织物 单位长度质量和单位面积质量的测定,采用高精度天平测试织物的面密度。采用切割器将每种试样切割成面积为 100 cm2的圆形试样,每个试样测试 3 次取平均值。形貌结构观察:采用 Dino-lite 工业显微镜将WKBT 织物放大 50 倍,采用 DinoCapture2.0 软件保存织物形貌图像。2 捆绑纱及地组织结构对织物织缩影响2.1 捆绑纱种类对织缩的影响 采用“捆绑纱-衬经纱-衬纬纱”的方式命名,制备了捆绑纱和衬纱不同的 3 种 WKBT 织物,分别命名为:PET1-PET1-PET1、PET1-GF-GF、PTFE-GF-GF。图 3 WKBT 织物实物图Fig.3 Physical images of WKBT fabrics2.1.1 WKBT 织物的外观形貌分析 WKBT 织物在机上及机下正反面的实物图如图 3 所示。在机上时,WKBT 织物轴向受牵拉力而伸直,此时 WKBT 织物的直径与衬纬纱沿织物周向的直径近似相等。针筒口捆绑线圈脱圈后,在牵拉力的作用下,捆绑线圈沉降弧向圈柱转移,线圈沿周向收缩而紧密排列,此时 WKBT 织物沿周向的直径变小;相邻捆绑线圈的收缩力迫使多余的衬纬纱弯曲在织物正面拱起,从而产生衬纱露丝的现象。相较于 PET1-PET1-PET1织物,纱支粗、刚度大的玻璃纤维在一定程度上阻止了周向织缩的发生,但线圈织缩的存在仍使得部分玻璃纤维衬纬纱弯曲外露。相较于 PET1-GF-GF 织物,捆绑纱采用硬挺且弹性小的 PTFE 时,织物正面衬纬纱外露的数量减少。WKBT 织物下机后轴向张力消失,织物沿轴向431第 7 期周濛濛 等:玻璃纤维衬经衬纬纬编管状织物的制备及其拉伸性能 和周向收缩导致衬经纱、衬纬纱在织物正面及反面拱起。正面露丝现象比织物反面