维纶纬编针织增强体的设计与性能研究
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引言在现代结构材料中，以纤维作为增强体始于约六十年前。
其中纺织物增强体占有相当比重，这是因为纺织加工过程具有控制纤维取向和提供近似于网状成型结构的优点圈，而且纺织物可通过巧妙的设计，满足增强体对尺寸稳定性、适应性和可成型性的不同要求。
纬编针织结构用作复合材料增强体仅仅二十几年的历史，但随着针织技术的发展与创新，许多生产设备被成功设计或改造，许多高性能纤维被用来生产平面的、半成型的和全成型的针织物，这也为树脂复合材料增强体提供了更大的选择空间。
对于针织增强体的研究，与其它纺织结构相比，有关纬编针织结构增强体的研究还相对较少。
虽然有较多的研究集中在纬编轴向增强体，以及基于线圈几何模型的纬平针织结构增强体的性能的理论分析，但多种纬编结构增强体的性能以及各种基本线圈结构对其性能的影响的研究仍然较少。
正因为如此，本论文把多种纬编针织结构增强体的设计和它们的性能作为主要的研究对象，分析各种针织组织结构单元和参数，如线圈长度、浮线、集圈等对增强体性能的影响，并对针织增强体的力学性能进行测试，并分析实验数据，了解到维纶纬编针织增强体的力学性能对复合材料的影响。
希望本论文的研究结果对纬编针织增强体应用具有一定参考价值。
第一章绪论1.1维纶的概述1.1.1维纶简介维纶是聚乙烯醇缩醛纤维的商品名称，也叫维尼纶。
其性能接近棉花,是现有合成纤维中吸湿性最大的品种。
维纶在30年代由德国制成，但不耐热水，主要用于外科手术缝线。
1939年研究成功热处理和缩醛化方法，才使其成为耐热水性良好的纤维。
生产维纶的原料易得，制造成本低廉，纤维强度良好，除用于衣料外，还有多种工业用途。
但因其生产工业流程较长，纤维综合性能不如涤纶、锦纶和腈纶，年产量较小，居合成纤维品种的第5位。
1.1.2维纶特性最大特点是吸湿性大，合成纤维中最好的。
强度比锦、涤差，化学稳定性好，不耐强酸，耐碱。
耐日光性与耐气候性也很好，但它耐干热而不耐湿热（收缩）弹性最差，织物易起皱，染色较差，色泽不鲜艳。
维纶是合成纤维中吸湿性最大的品种，吸湿率为4.5%～5%，接近于棉花（8%）。
维纶纺织布穿着舒适，适宜制内衣。
维纶的强度稍高于棉花，比羊毛高很多。
1.1.3维纶用途维纶的柔软及保暖性好，它的相对密度比棉花要小，因此与棉花相同重量的维纶能织出更多的衣料。
它的热传导率低，因而保暖性好。
维纶的耐磨性和强度也比棉花要好，因此维纶在很多方面可以与棉混纺以节省棉花。
维纶主要用于制作外衣、棉毛衫裤、运动衫等针织物，还可用于帆布、渔网、外科手术缝线、自行车轮胎帘子线、过滤材料等。
多和棉花混纺：细布，府绸，灯芯绒，内衣，帆布，防水布，包装材料，劳动服等。
1.2纬编针织增强体的概况作为增强体的针织物，主要有纬编针织物和经编针织物两种。
经编针织物具有尺寸较稳定和延伸率较小等特性，特别是双轴向和多轴向衬纬经编针织物进一步优化了这种性能。
虽然与其它纺织材料相比，纬编针织增强体的研究起步较晚，但由于它自身的特点，自二十世纪九十年代以来，国外在这方面的研究也日益增多和深入。
这对于研制与开发满足某些用途的新型纺织复合材料具有理论与实用意义。
作为产业用纺织品的一个重要分支，产业用纺织品的结构组成对定性的了解各类纺织增强复合体所占的比重具有一定的参考价值。
机织物是传统应用于产业的纺织品，并且一直在产业用纺织品中占有主导地位，但近年来其占有率下降很多，与此同时非织造布增长迅速，针织物目前的市场份额虽然还不是很高，但增长率在几种纺织品中却是最高的。
图1-1显示了应用于复合材料增强体的各类针织结构所占的比重。
图1-1作为复合材料增强体的各类针织结构所占的比重1.3纬编针织结构的特性纬编针织结构是由纱线弯曲成的线圈沿横向互相联系和纵向相串套而成的。
线圈的三维弯曲以及相邻线圈之间的相互联系方式，使纬编针织物作为复合材料增强体与其它增强体相比，具有下列优点:（a)延展性柔顺性较好，适宜树脂转移模压复合材料的加工，无褶皱变形保证了成品件的流畅成型。
深延伸、热冲压和无损耗网状成型等仿金属成型的技术，可为纬编针织复合材料开创新的应用。
(b)可通过三维全成型整体针织技术，制成形状复杂的构件，能避免因织物裁减与拼接造成的原料耗损和结构不均匀。
(c)线圈的三维几何结构可使纤维取向被立体地固定，保证了纤维取向的稳定和有明显热塑变形区域中纤维含量的均等，并可避免层压复合材料中易形成的片状结构和脱层。
(d)良好的抗冲击疲劳性能，纬编针织工艺流程短，生产效率高和生产成本低。
虽然纬编针织增强体具有上述优点，但也存在一些不足。
主要表现在:（a）在针织过程中纱线受到较大的弯曲，给高模量脆性纱线的成圈带来困难，并可能造成纤维的损伤。
(b)线圈结构使针织物中纱线的排列难以达到很紧密，从而影响到后来制备的复合材料中纤维的体积含量。
上述不足，可以通过在纬向衬入纱线、开发新型针织结构和优化编织工艺来改进。
1.4纬编针织增强体研究现状从前面的介绍中我们可知纬编针织结构作为复合材料增强体具有许多独特的性能，近十几年来国内外的许多学者对其研究越来越多，有了迅速发展。
但是由于发展历史较短，对其研究还不是很完善，表现在以下几个方面:（a)针对针织结构增强体的特点，许多学者建立了线圈几何模型，并对其进行了详尽的理论分析。
但某种具体的模型仅适用于某些特定的结构，并且与实验结果吻合程度不够理想。
（b)目前主要是针对某种针织结构多层复合的研究，对于层间破坏的研究较多，对单层结构的研究较少。
（c)对于具体的线圈结构单元和参数，如线圈长度、浮线、集圈等对复合材料性能影响的研究较少。
（d)纬编针织增强复合材料应用的范围虽然很广，但主要针对一些科研方面的高端产品，尚未达到大规模生产使用，其优越性未充分发挥出来。
1.5用于复合材料增强体的纬编结构目前国内外纬编针织物增强复合材料的研究和应用中所涉及的纬编针织结构归纳起来有以下几种:1.5.1基本结构国内外研究较多的纬编结构有平针、罗纹、米拉诺罗纹、双罗纹、集圈等结构。
它们都是纬编中的几个基本结构，共同特点是结构简单编织容易、应用方便。
1.5.2三维成型结构三维成型结构主要是指在电脑横机上编织的三维空心结构，其基本结构多使用纬平针、罗纹等。
形状有管形、箱形和曲面等。
三维成型的特点是整体编织，纱线在结构中的连续性好，结构的力学性能比较均匀，整体性好。
（a）间隔结构。
通过纱线或织物层将两片或多片独立的织物结构连接在一起。
根据连接结构的不同可分为纱线连接间隔结构和织物连接间隔结构。
（b）管形结构。
其基础结构常采用平针或衬垫结构。
（c）曲面结构。
1.6轴向增强结构纬编轴向增强结构是由纬编地组织针织纱来捆绑衬经、衬纬纱形成的。
针织纱多采用较细较柔的高强纤维纱，衬经、衬纬纱使用较粗较硬的高强纤维纱。
衬纱提高了地组织在衬经方向的强度，比经编轴向结构有更好的成形性。
地组织可以是单面平针、双面平针、罗纹、双罗纹等。
根据衬纱衬入的方向可以分为单轴向衬纬结构、双轴向衬经衬纬结构和多轴向结构。
如图1-2所示。
（a）单轴向衬纬结构（b）双轴向衬经衬纬结构（c）多轴向结构图1-2轴向增强结构1.7本课题研究的目的、意义与内容1.7.1本课题研究的目的及意义由于线圈几何模型的建立与理论分析，国内外学者已经做了较多的研究，所以本课题重点不是理论分析，而是实验研究。
实验设计的目的是考察基本的织物结构，如线圈长度、浮线、集圈等对增强体力学性能的影响。
本论文对进一步推广纬编针织增强体的应用具有一定的参考价值。
1.7.2课题内容综合考虑实验量和实验条件双方面的因素，本课题按照实验进程包括以下内容: (a)针织增强复合材料在手摇横机上的编织为探讨不同针织物组织结构单元和参数，主要是线圈长度、浮线、集圈等对复合材料力学性能的影响，本论文选择了平针、满针罗纹、半畦编组织、畦编组织、集圈组织组织结构，并且罗纹组织采用5种不同的股数的纱线进行编织。
(b)纬编针织增强体性能的实验测试增强体性能测试涉及到多个项目，本论文只对最基本的性能测试，如织物的顶破试验、织物的拉伸试验、透气量测试。
探讨不同的针织物结构单元对增强体性能的影响。
第二章维纶纱线的力学性能实验测试与分析本次试验选用棉线和维纶纱线的对比试验，为了能更直观地了解维纶纱线的性能。
通过对比，特地对其做了拉伸性能和纱线毛羽测试及对比分析。
2.1维纶纱线强力测试纱线的断裂强力根据GB/T3916—1997纺织品卷装纱单根纱线的断裂强力和断裂伸长的测定，采用南通宏大HD021N电子单纱强力仪进行测试。
2.1.1原料：维纶纤维纱线、棉线2.1.2设备：南通宏大HD021N电子单纱强力仪2.1.3数据：试验数据及分析表2-1维纶纱线的拉伸试验断裂强力断裂伸长断裂强度断伸长率裂断裂功断脱时间F（cN）L(mm)P(cN/tex)E（%）W(mJ)T(S)平均值458.6517.8945.188.9341.08 5.48最大值536.520.1552.8510.0751.03 6.09最小值37714.9537.147.4529.78 4.68均方差39.75 1.25 3.910.63 5.420.36变异系数（%）8.677.038.677.0613.2 6.62表2-2棉纱线的拉伸试验断裂强力断裂伸长断裂强度断伸长率裂断裂功断脱时间F（cN）L(mm)P(cN/tex)E（%）W(mJ)T(S)平均值765.8112.9856.72 6.4847.38 3.99最大值92216.2568.298.1265.12 4.95最小值6868.4550.81 4.2236.31 2.72均方差54.94 1.87 4.070.93 6.920.54变异系数（%）7.1714.477.1714.4814.6113.72由实验数据可以看出：（1）维纶纱线的断裂强力低于棉纱线,低于40%；（2）维纶纱线断裂功低于棉纱线，低于12%；（3）维纶纱线的断脱时间大于棉纱线1.49秒；（4）维纶纱线的断裂伸长率也大于棉纱线，大于2.45%。
下表是各种纱线的物理机械指标。
表2-3各种纱线的物理机械指标纱线锦纶维纶麻粗玻璃纤维单纱线密度tex16.89181.8288.78292.6单纱强度cN325.001953.902335.003493.75线密度强度cN/tex19.2410.9726.3011.94拉伸强度Mpa219.36137.61405.07298.4断裂伸长mm277.555.714.8 6.34断裂伸长率%55.18.93 2.96 1.27平均模量Gpa0.89 1.2413.6823.50实验分析：纱线的外形细而长，纱线的拉伸强力与构成织物的强力有直接关系，纱线的强力实际上反应了织物耐用性能的一个重要指标。
