（纺织工程专业论文）玻璃纤维纱线经编网格织物可编织性研究[纺织工程专业优秀论文].pdf

摘要 玻璃纤维经编网格织物可编织性研究 摘要 玻璃纤维由于其优越的耐热性、耐老化性以及电气绝缘性和耐 药品性等性能，在复合材料的应用中占有及其重要的地位。针织物 由于结构设计灵活，抗冲击，易于成型受到人们越来越多的关注。 要使针织结构在复合材料领域中得到进一步的广泛应用，必须解决 玻璃纤维纱线的针织可编织性问题。国内外已经有一些学者对玻璃 纤维的可编织性开展了一些研究，但系统地对玻璃纤维可编织性进 行研究的文献资料仍然很少。本课题的研究，目的在于进一步加深 对玻璃纤维纱线编织性的了解，在经编方面做出新的尝试。 本文主要是通过对玻璃纤维纱线的物理机械强力的测试、硬度 测试、以及耐磨性测试，来评价玻璃纤维纱线的编织性能的好坏。 本课题通过对使用不同浸润剂配方的玻璃纤维纱线性能，包括 纱线的勾结强力、纱线的硬度、纱线耐起毛性以及耐磨断性进行一 系列的测试，用来评估预测其可编织性的优劣与否；并对测试结果 进行分析，得到了浸润剂配方的纱线性能的影响趋势，对用于经编 织造的玻璃纤维原料的生产提供了一定依据。 为了检验可编织性测试的准确性，我们搭建了一个模拟编织装 置，主要用来模拟玻璃纤维纱线在经编机上的编织过程中的主要摩 擦，看试验后纱线的外观以及强力损耗程度；试验结果表明我们的 预测可编织性准确性非常好。 在对经编机的各部件进行挑选调整之后，包括机号的选择、织 针的选择、送经方式的选择、送经张力的调整以及经编机的编织速 度的调整，我们将前面选择出来的编织性能比较优越的玻璃纤维纱 线进行浸润剂配方、纱线各项工艺参数的进一步的优化，然后上机 进行了成功的试织。 并研究发现在送经张力不断调小的过程中，网格织物的结点强 力先减后增，而网片的强力却是递增的。该现象的产生是由于织物 内部的纱线断裂不一致性以及纱线起毛现象导致的单根纱线断裂 摘要 强力的损耗的综合作用。 由于试织的织物线圈有点偏大，为了研究线圈长度偏大的原因 在原料上还是在经编机上，我们拟在今后的研究工作中进行最小线 圈的理论计算。 关键字：玻璃纤维可编织性经编网格织物柔软性耐磨性 a b s t r a c t a s t u d y o nt h ek n i t t a b i l i t yo fw a r p k n i t t e df i s hn e t f a b r i co fg l a s s f i b r ey a r n s a b s t r a c t g l a s sf i b r eh a s8 1 1e x t r a o r d i n a r i l yi m p o r t a n tp o s i t i o ni nf r p b e c a u s eo fi t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c ei nh e a t d u r a b i l i t y , g o o da g i n g ，a n d p e r f e c t i n s u l a t i o ns oo n k n i t t e df a b r i c sh a v e i n c r e a s i n g l y b e e n r e c o g n i z e da sa na t t r a c t e dk i n do f r e i n f o r c e ds t r u c t u r e sb e c a u s eo f t h e i r f l e x i b i l i t y , i m p a c tr e s i s t a n c ea n de a s ym o l d a b i l i t y i no r d e rt om a k e k n i t t e df a b r i c sb eu s e dm o r ew i d e l yi nc o m p o s i t e s ，t h ep r o b l e m so n k n i t t a b i l i t yo fg l a s sf i b r ey a r n sm u s tb es o l v e d s o m er e s e a r c h e r sh a v e s t u d i e dt h ek n i t t a b i l i t yo fg l a s sf i b r ey a r n si nt h ew o r l d ，b u tl i t e r a t u r e s o rm a t e r i a l sr e l a t e dt ot h i st o p i ca r el i m i t e d t h i st h e s i sa i m sa t g r a s p i n gt h ek n i t t a b i l i t yo fg l a s sf i b r ey a r n sm o r ed e e p l ya n dm a k i n ga n e wt r yo nw a r p k n i t t e dt e c h n i q u e s t h et h e s i sm a i n l ya i m sa tp r e d i c t i n gt h ek n i t t a b i l i t yo fg l a s sf i b r e y a m sw i t ht h e i rp l i a b i l i t ya n dw e a r a b i l i t y t h ea u t h o rt e s t e das e r i a lo fp e r f o r m a n c e sr e l a t e dt ot h e k n i t t a b i l i t yo ff i v ek i n d so fg l a s sf i b r ey a r n sw i t hd i f f e r e n ts i z e s ，a n d p r e d i c t e dt h e i rk n i t t a b i l i 够t h e n ，t h ea u t h o rc o n c l u d e dt h a th o wt h e s i z e sa f f e c tt h ey a m sp e r f o r m a n c e ss u c ha sp l i a b i l i t yt h r o u g ha n a l y z e d t h et e s t i n gr e s u l t s ，w h i c hm a yp r o v i d ea g i s tf o rf u r t h e rs t u d y i no r d e rt op r o v et h ec o r r e c t n e s so ft h ea b o v et e s t i n gr e s u l t s ，t h e a u t h o rb u i l tat e s t e rt h a ti su s e dt os i m u l a t et h em a i ny a m sm o v e m e n t s d u r i n gt h e i r r e a lk n i t t i n g t h e n ，t h ea u t h o r d i de x p e r i m e n t so nf i v e k i n d so f y a r n s t h er e s u l t st a l l i e sw i t ht h ep r e v i o u sp r e d i c t i o n a f t e r s e l e c t i n g t h e p a r a m e t e r s o f w a r p k n i t t e d m a c h i n e ， i n c l u d i n gn e e d l e ，y a r n s t e n s i o na n dk n i t t i n gs p e e d ，e t c ，t h ea u t h o r f u r t h e ra a j u s t e dt h ek i n d s o ft h r e em a i ns i z ei n g r e d i e n t si n c l u d i n g 1 i i f i l m f o r m e r ，c o u p l i n g a g e n t a n dl u b r i c a n t ，a n dt h ey a m s s o m e p a r a m e t e r s t h e ns u c c e s s f u l l yk n i t t e ds o m ew a r pn e tf a b r i c sw i t ht h e i m p r o v e dy a m s w h a t sm o r e ，t h ea u t h o rf o u n dt h a tt h em e s hb r e a k i n g f o r c ew a sd e c r e a s i n ga tf i r s t ，a n dt h e ni n c r e a s i n ga st h ey a m s t e n s i o n w a sb e e nd e c r e a s e dg r a d u a l l y ；w h i l eb r e a k i n gf o r c eo fn e tp i e c ew a s s t e a d i l ye n h a n c i n g h o w e v e r ，t h el o o pi sb i g g e rm o r et h a ng o o df o ru s a g e ，t h ea u t h o r w i l lc a r r yo u tt h er o u g hc a l c u l a t i n gf o rt h em i n i m u ml o o pl e n g t h si n t h e o r y , w h i c hw i l lh e l pr e s e a r c h e r s t oc o n f o r mw h i c hf a c t o rm a k e s i n c o r r e c tf a b r i cd i m e n s i o n l o n gl i ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db yp r o f e s s o rc h e nn a n l i a n g k e y w o r d s ：g l a s sf i b r e ，k n i t t a b i l i t y ，w a r p k n i t t e df a b r i c ，n e t ， p l i a b i l i t y , w e a r a b i l i t y 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被套阅 或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文。 保密酎，在上塑年解密后适用本版权书。 本学位论文属丁 不保密口。 学位论文作者签名 日期：抽。奉年。朗】帕 龙子j指导教师签名：e 童尚易 日期：弘叶年1 ，月蝎日 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所早交的学位论文， 是本人在导师的指导下，独立进行研究 作所取得的成果。除文中己明确注 明和引用的内容外r 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：龙寺i 】 日期：2 d 啤年i 土月土，日 第一章绪论 第一章绪论 随着纤维增强复合材料在航空航天、交通运输、民用建筑、生 物医用和体育器材等领域的广泛应用，不仅要求复合材料具有很高 的损伤容限和可靠性，同时对其增强材料的结构完整性和适型性的 要求也更加严格【l 】。机织物和编结织物是传统纺织复合材料的增强 结构，但近十几年来，针织物由于结构设计灵活，抗冲击，易于成 型制作复杂形状的构件等优点而受到人们越来越多的重视2 1 。要使 针织结构在复合材料领域中得到迸一步的广泛应用，必须在针织结 构中成功地应用各种高性能纤维。 航空和航天工业始终是先进材料发展的巨大推动力之一【3 1 。 “减轻重量”和“降低成本”是航空航天材料的关键问题。复合材 料由于其高的比强度和比刚度，因而在减轻重量方面具有巨大的潜 力。碳纤维和k e v l a r 纤维在某些性能方面具有特别优良的特性， 但目前的成本还很高，应用范围受到一定的限制。玻璃纤维【4 1 1 5 6 】 成本相对较低，玻璃纤维增强塑料已达到符合现代工艺规定的水 平，在飞机、导弹、卫星、航船等领域的应用已经相当广泛。如某 些军用飞机使用复合材料构件的重量，已经达到5 0 以上，这种发 展也激励着其它领域使用复合材料7 1 。 例如，国际上在空间站和飞船太阳电池阵的研究方面，普遍采 用半刚性和柔性太阳基板技术。从7 0 年代开始，国外在中低轨道 运行的航天器也开始大量的采用了半刚性太阳电池阵作为主要的 能源系统。 半刚性基板指面板采用柔性的、面密度相对较小的网状面板， 加上刚性的边框组成，部件包括碳纤维增强复合材料框架、中间梁、 玻璃纤维编织网、铰链支座、连接接头和压紧块组成。 采用半刚性基板较之刚性基板的主要优点如下： 可有效防止原子氧、拉弧及热疲劳的损伤，特别适用于低轨道； 基板结构重量轻3 0 4 0 ； 太阳电池板光照时工作温度可降低十几度，提高了光电转换效 第一章绪论 率，并且可以利用地球的反照光实现太阳电池的双面发电，使太阳 电池阵平均功率提高1 5 以上。 目前，在复合材料中采用的针织物结构有：单面的平针、变化 平针、衬垫；双面罗纹、罗纹空气层、双罗纹、罗纹衬纬、半畦编 和全畦编等。其中研究较多的是平针，其次是罗纹，这两者也分别 是单面和双面织物中最具有代表性的。本课题研究的是玻璃纤维纱 线经编网格织物的编织，目前在国内尚属首次尝试。因此，本课题 研究的经编网格的可编织性技术对于推进我国的玻璃纤维纱线可 编织性技术有着重要的里程意义。 第一节玻璃纤维经编网格织物编织技术研究综述 由于复合材料中针织物结构的优点、重要性和不断增长的应用 和需求，国际上已有一些学者对高性能纤维的可编织性开展了一些 研究。u m i s t ( 英国曼彻斯特理工学院) 的纺织部曾广泛研究了高 模量纱线的可编织性。在电脑横机上进行纬编织物的试验，探讨编 织动作和高模量纱线之间的相互关系。国外已有学者用新型导纱器 的针织新工艺成功编织出了碳纤维织物 8 j 。此外，澳大利亚学者也 重点研究了对于给定的针织结构，如何在机器存在局限性的情况下 编织出最紧密的织物( 即可编织性研究) ，从而进一步提高对玻璃 纱线在针织物中几何结构的了解。国内也积极展开研究，对玻璃纱 线的织造有了一定的经验f 9 。 但是关于用玻璃纤维纱线编织经编网格织物，在国内没有成功 经验可以借鉴。国外的相关技术我们所知的也不多i 。目前国内大 多数厂家做的都是双轴向或多轴向的经编复合增强材料，材料中的 玻璃纤维纱线只用作衬纬或者衬经，编链线都采用涤纶等普通纱 线；而本课题研究的经编网格织物中的玻璃纤维纱线却要参与成圈 运动。这对于玻璃纤维纱线的性能要求变得非常高。 1 1 玻璃纤维经编网格织物编织技术研究现状 目前，无论是国内还是国外，在研究玻璃纤维编织技术时，往 第一章绪论 往选择了容易开展实验研究的纬编针织物，对纬编各种组织结构、 各种密度、各种工艺参数的针织物进行了极其详尽的研究：而对于 玻璃纤维经编针织物的可编织性研究，一般局限于双轴向玻璃纤维 纱线经编织物或多轴向经编织物，而这些经编组织的编织对玻璃纤 维纱线的弯曲性能、柔软性能要求都不高，这和本课题研究的玻璃 纤维纱线经编网格织物的编织技术有着本质的不同。 在国外，已经出现了成熟运用的玻璃纤维纱线经编网格织物 ( 比如俄罗斯航天器上的半刚性基板、柔性基板) ，但是其编织技 术我们无从得知。这也正是本课题的研究意义所在。 1 1 。1 玻璃纤维编织难点 在编织区域，当纱线与针织机件接触时，张力会不断上升，直 至达到一个峰值。另外在套圈过程中，旧线圈从较细的针杆部分上 移到较粗的针钩部分，旧线圈扩大部分的纱线量约为原线圈的3 0 左右j ，这样，纱线的弹性在编织过程中就显得很重要。玻璃纤维 的断裂伸长一般均在5 以下，但在套圈过程中纱线伸长很容易超 过5 ，同时由于玻璃纤维具有很高的拉伸强度和初始模量，所以 很容易发生玻璃纤维纱线被拉断或织针被拉断的情形。玻璃纤维除 了具有高模量高强度、断裂伸长低等高性能纤维的共有特点外，还 具有摩擦系数过高，抗弯刚度大和脆性大的特性，从而造成其编织 难度更大。 在玻璃纤维新纱线跟随织针下降，要穿过沉降片，完成与旧线 圈的串套时，往往由于其本身的高模量高强度以及低断裂伸长导致 断纱：摩擦系数过高，会导致编织机件损伤严重，而且本身单丝断 裂数量较多，引起纱线强力损耗大，从而增加了编织难度；织针的 横截面如果选择不当，也会割断正在编织的纱线。 1 1 2 玻璃纤维可编织性的影响因素 研究表明影响玻璃纤维可编织性的因素主要为以下两点 9 i 1 2 】 1 、纤维的摩擦性能。纱线的摩擦系数对成圈过程的影响很大。 第一章绪论 在退圈阶段，由于高性能纤维，尤其是玻璃纤维的摩擦系数一般较 大，当织针沿三角上升的时候，布面有可能随针一起上升，旧线圈 无法完成退圈，最终还有可能导致布面冒出针床口，使编织无法顺 利进行。在脱圈阶段，因纱线较高的摩擦系数，致使新线圈从输入 纱线以及相邻线圈转移的纱线量比较困难，所以玻璃纤维所成的线 圈比正常的要小且容易断裂。在弯纱时，纱线摩擦系数大，弯纱张 力也大，疵点形成的机会增多。同时，随着摩擦力的增大，会导致 导纱器和成圈机件上出现槽痕，增加编织机件的磨损程度。摩擦实 验测试的结果显示：虽然玻璃纤维纱线的摩擦系数可通过润滑而降 低，但因为其脆性很大，在编织过程中，单根纤维长丝会发生无规 则摩擦断裂，要获得沿长度方向上平稳的摩擦和成圈还是很困难的 1 2 】。 2 、纤维的抗弯刚度和脆性。从对针织成圈过程的分析可知， 纱线在弯纱阶段的弯曲变形力对其可编织性会产生很大影响。纤维 的高硬度与固有的脆性一起，造成了玻璃纤维的低弯曲阻抗。在针 织过程中，纤维易于受到弯曲应力，即使是微小的变形也会大幅度 断裂，这样就使得玻璃纤维的编织更加困难。玻璃纤维纱线的高弯 曲刚度对织物外观也产生明显影响，例如平针织物的卷边比常规纱 线织物的卷边要严重得多，低捻纱线编织的大部分织物线圈呈圈弧 状，没有明显的圈柱段 9 1 。另外，弯曲过程中弯曲变形力的增加也 容易导致织针的磨损甚至断裂。 1 1 3 玻璃纤维可编织- 陛的评价m 】 除了通常采用的以编织顺利程度和织物外观来评价玻璃纤维 可编织性的方法外，近来有学者还提出了以玻璃纤维的损伤程度和 织针( 针锺) 的磨损程度作为评价玻璃纤维可编织性的客观评价方 法，但是对这方面的研究工作还有待于进一步深入开展。 对于玻璃纤维纱线在纬编上的可编织性，可以直接上横机上试 织，以编织顺利和织物外观来评价。哪怕缺少直接客观的测量长丝 损伤程度的方法，也可以通过观察显微照片对玻璃纤维针织物的几 第一章绪论 何结构做出分析评价，来研究玻璃纤维的损伤。大多数单根纤维长 丝的断裂发生在线圈的针编弧上，且只有一些长丝断裂，这是由于 和针钩表面直接接触的长丝弯曲达到的曲率半径比那些跨过针钩 的要小，因而前者就比后者更易断裂，另外当纱线从纱筒上退绕下 来时，每根长丝的受力不均匀也会导致部分断裂。从纱线测试结果 可知，由于纤维脆性，线圈强力的大范围降低很明显，而且随着针 织机件尤其是织针的变细，线圈强力也降低。图像分析和电子显微 技术研究结果表明：织针断裂是一瞬间动作，是由摩擦系数、输入 张力和织针疵点的变化而产生的张力峰值引起的。从织针断裂的数 目也可以看出用玻璃纤维纱线进行编织的难度较大，但若考虑织物 的紧度和具体的三角设置，成功编织出玻璃纤维织物还是可行的。 具体到玻璃纤维纱线在经编上的可编织性，由于需要原料数量 不像在纬编上只要几个纱筒就可以开展编织试验，而是需要至少整 整一个经轴的纱线；还由于国内合适编织的经编机器的必须进行改 装；即使找到空闲的合适编织经编机器，操作对于我们来说也是不 简单的。所以为了本课题的顺利进行，也为了方便后来的研究者， 本课题试图通过检测玻璃纤维纱线的各项关于可编织性的物理机 械性能，以此来预测该规格的玻璃纤维纱线上机织造的可能性或者 织物的品质好坏。 1 2 玻璃纤维经编网格织物的编织方法 根据国内外己进行的实验研究嘲【12 1 【，目前改进玻璃纤维可编 织性的方法主要是从纤维选择和针织机编织工艺两方面着手。 l 、纤维参数的优化，主要是根据编织成囤要求，从纤维细度、 捻度和表面处理工艺上进行优化选择最佳的原料进行编织： ( 1 ) 纱线细度：相对来说，单纤细度较小的玻璃纤维纱线的 比弯曲刚度也较小，较易弯衄成圈，可以改善编织过程中弯曲变形 力对纤维的影响1 5 】。因而在没有特殊要求的情况下，尽可能采用 单纤细度较小的纱线进行编织。 ( 2 ) 表面处理工艺：在编织高性能纤维时，为达到获得合适 第一章绪论 的纱线摩擦系数并使其在纱线的整个编织过程中保持稳定，应当采 用合适的浸润剂进行表面处理，这将有助于织出符合要求的织物并 能提高编织过程的效率。 2 、编织工艺参数优化，主要是对织针、沉降片、喂纱( 或送 经) 张力、弯纱深度和牵拉张力等针织机工艺参数进行优化，使玻 璃纤维纱线能够顺利编织成圈9 1 2 “1 6 1 。 ( 1 ) 织针和沉降片的优化选择。根据有关实验研究，建议织 针针钩的截面直径应达到一定值，此定值由纤维长丝的直径以及纱 线强力测试中所能达到的应力极限来具体确定 13 1 。另外，舌针针钩 采用锥形圆截面比圆柱形截面优越，可减少切断纱线的次数。同时， 针杆设计成有利于纱线滑移的弯曲度，也会大大减小纱线附加张力 1 7 】。现代经编机上可以采用复合针来改善纱线张力，复合针还可配 合采用双向沉降片技术以提高编织质量。 l i r 自 ( 2 ) 喂纱张力优化。由欧拉公式t 1 = t z e 可知，纱线张 力tz 与输入张力t 2 成正比关系，因此编织玻璃纤维纱线时应尽量 采用积极式给纱以保证尽量小的纱线张力。可以考虑采取减少纱线 与金属机件的接触点的方法来减小摩擦，从而降低纱线张力。 ( 3 ) 弯纱深度优化。弯纱深度是关系到能否正常编织，织物 密度是否得当和线圈结构是否均匀的关键因素。当弯纱深度增加 时，线圈长度增加，在编织区域纱线接触点的数目就增加，导致包 围角总和增加，从而导致编织区纱线张力的增加，当弯纱张力增大 至纱线断裂强力时，纱线就发生断裂。同时，弯纱时需纱线转移， 若线圈长度越长，则纱线紧贴针钩移动的路径就越长，由于纱线弯 曲的曲率半径较小加上玻璃纤维纱线的脆性大，导致纱线单丝断裂 数量增多，从而难以实现顺利编织【l2 1 。所以，在保证线圈长度能够 使织针顺利退圈和脱圈的情况下，应使弯纱深度尽可能小。 ( 4 ) 牵拉张力优化控制。编织玻璃纤维纱线时，由于纱线摩 擦系数和弯曲刚度较大，织物不易牵拉，所以必须施加比普通纱线 较大的牵拉张力。如果向下的牵拉张力不够，会对线圈的形态与均 第一章绪论 匀性和布面的清晰度产生影响。但张力也不可过大，否则，纱线与 织针摩擦力较大，影响织针上升，造成刮伤纱线，降低布面质量， 严重时甚至使织针断裂。对于摩擦系数和弯曲刚度都较大的高模量 玻璃纤维织物来说，仅靠握持沉降片而不靠牵拉辊夹持进行牵拉， 是难以顺利编织的。 第二节目前研究工作存在的问题 虽然国际上已有一些学者对玻璃纤维的可编织性丌展了大量 的研究，但是由于玻璃纤维的力学特性和编织成圈过程中的力学行 为十分复杂，使得玻璃纤维编织成圈过程研究成为一个十分复杂的 力学问题。 因此，目前国际上进行的研究都是以实验研究为主，研究影响 玻璃纤维纱线可编织性能的因素及其影响趋势，并优化得到针对某 一具体原料的合理的编织加工工艺，而没能对编织成圈过程中纱线 的受力情况以及由机件和纱线相互作用引起的纤维损伤机理进行 深入的理论分析和研究，因而无法从根本上解决玻璃纤维可编织性 问题。而国内对玻璃纤维编织性能的研究只是刚刚丌始，对玻璃纤 维成圈过程的深入理论研究工作还未进行。 对于玻璃纤维经编网格织物可编织性的研究来说，上机试织受 到诸多客观条件的限制，只有通过对玻璃纤维纱线的几项重要的关 于可编织性的物理机械性能指标进行测试，然后预测其可编织性。 本课题的难点就在于合理的测试方法的选择以及测试仪器装 置的选择。因为课题比较新颖，可借鉴的试验方法以及仪器较少。 第三节本论文的研究意义、内容与方法 3 1 本课题的研究意义 近十几年来，虽然国内外在玻璃纤维纱线的性能和可编织性之 间的关系方面已作了大量的研究，但系统地对玻璃纤维可编织性能 第一章绪论 进行研究的文献资料仍然很少，尤其是对经编编织工艺的研究更 少。而且这些研究多限于编织工艺本身，和局限于纬编针织工艺， 对于编织工艺对织物性能的影响，特别是编织工艺对织后针织物中 纤维的损伤情况以及如何采用更合理的编织工艺降低纤维的损伤 更没有深入地研究。然而，经编针织物具有尺寸稳定和延伸率小等 特性，比如双轴向和经编衬纬在生产刚性增强骨架材料方面已经发 挥了主要作用。通过该选题的研究，进一步加深对玻璃纤维纱线编 织性能的了解，在经编网格面料工艺方面做出新的尝试。 由于玻璃纤维编织较困难，且对机器损伤程度大，成本较高， 因而国内基本还没有产业化，特别是经编织物的编织。针织物增强 结构有利于规模效应复合材料的生产，因此针织增强织物的发展有 利于推动复合材料在大规模工业领域和民用工程中的应用。该选题 将在玻璃纤维纱线在针织工业中的实际应用方面进行探讨，从而有 利于推动针织增强复合材料的发展。 本课题将解决经编可编织性研究上机试织的困难，实现通过测 试玻璃纤维纱线的一系列相关性能来判断该纱线能否进行编织以 及编织质量的好坏的问题。 3 2 本课题研究的内容与方法 为了实现本课题经编网格面料研制的目的，采用各种规格的玻 璃纤维纱线为实验原料，从以下几个方面进行研究工作： 1 、不同浸润剂对玻璃纤维纱线性能的影响研究与分析：分析 测试使用不同浸润剂的玻璃纤维纱线的各项性能指标，并预测其可 编织性。 2 、为了对使用不同浸润剂的玻璃纤维纱线进行模拟上机织造 过程中的磨损试验，研究试制模拟上机试验装置。并对不同纱线进 行模拟试验，然后对试验后的纱线进行强力损耗测试以及外观起毛 测试，做出编织性评价。 3 、通过对做过模拟试验的纱线的外观起毛、强力损耗进行测 试，来检验模拟试验的可编织性评价和通过测试纱线各项物理机械 第一章绪论 性能做出的可编织性评价是否吻合。 4 、玻璃纤维纱线上机编织与工艺参数调试：采用性能最为优 越的玻璃纤维纱线在国产经编机上编织2 梳变化编链组织和4 梳 变化编链衬纬组织结构，考察不同的工艺参数对编织过程和织物外 观与质量的影响。 5 、对织物各项物理机械性能的测试分析：对2 梳变化编链组 织和4 梳变化编链衬纬组织织物的各项物理机械性能测试比较，以 及4 梳变化编链衬纬组织在不同编织张力下编织的针织物的各项 物理机械性能的测试比较，得到比较适合本课题需要的织物组织以 及编织张力参数。 6 、对织物的纤维损伤测试分析与评价：通过对玻璃纤维纱线 的磨损情况采用显微镜观察来加以定性描述；同时进行纱线强力损 耗的定量研究，来分析评价编织过程对纤维损伤的影响。 第二章玻璃纤维原料的制各 第二章玻璃纤维原料的制备与选择 第一节一般玻璃纤维的各成分及性质特点 1 1 玻璃纤维的一般组成 通常玻璃是以二氧化硅( s i o 。) 为主要成分，加入各种金属氧化 物或碳酸盐，经高温熔融，在未析出结晶时即被急剧冷却凝固而成 的无定形物质1 9 。分子结构以硅( s i ) 为核心，周围有四个氧原子， 组成s i o 。的四面体，形成无规则三维网络结构，在网络间隙中以弱 键力结合有各种金属离子，这就是玻璃的基本骨架 “】。 1 2 玻璃纤维的种类和特性 玻璃纤维有许多种类，分述如下 1 6 ： ( 1 ) e - 玻璃纤维 这种玻璃纤维也叫无碱纤维，指化学成分中碱金属氧化物含量 为o 2 的铝硼硅酸盐玻璃纤维。其特点是具有良好的电绝缘性、 耐老化性和机械强度，可以长期使用。 ( 2 ) c - 玻璃纤维 这种玻璃纤维也称耐化学玻璃纤维，它含碱，耐酸性好，可用 作酸性液体过滤及耐酸容器用纤维增强复合材料的增强材料。 ( 3 ) a 一玻璃纤维 这种玻璃纤维与平板玻璃、玻璃瓶等成分相同，耐老化性差， 耐酸性比c 一玻璃纤维差。 ( 4 ) l - 玻璃纤维 这种玻璃纤维含铅量高，主要用于放射性的屏蔽。 ( 5 ) s - 玻璃纤维 这种玻璃纤维是为提高玻璃纤维拉伸强度而被开发的，与e 一 玻璃纤维相比较，比重小2 0 ，拉伸强度高3 5 ，弹性模量高2 0 。 ( 6 ) y m 一3 1 一a 一玻璃纤维 这种玻璃纤维具有高的弹性模量，可用作高弹性模量的纤维增 强复合材料的增强材料。 ( 7 ) 耐碱性玻璃纤维 1 0 第二章玻璃纤维原料的制备 这种玻璃纤维用于增强水泥制品，可作为石棉代替品。 1 3 玻璃纤维的一般性质 玻璃纤维的性质和一般玻璃没什么不同，但是玻璃纤维是通过 极细直径的喷嘴于熔融状态下急速拉伸，成为瞬间来不及结晶的急 冷固化物。它的一般性质如下 1 6 ： ( 1 ) 吸湿性小。 ( 2 ) 尺寸稳定性好。 ( 3 ) 耐热性好，不燃烧。 ( 4 ) 耐老化性好。 ( 5 ) 电气绝缘性好。 ( 6 ) 耐药品性好。 ( 7 ) 弹性模量高，是完全弹性体。 ( 8 ) 拉伸强度大，延伸率小。 ( 9 ) 剪切强度、耐磨损性差。 为了比较玻璃纤维和其它普通纤维力学性能的差异，已经有研 究者采用h d 0 2 1 电子单纱强力仪和f - m e t e rw i n d e rr 1 0 8 3 型纱线 动态摩擦系数仪分别测试了玻璃纤维纱线、棉纱、毛腈混纺纱线和 涤纶长丝的拉伸强力、断裂伸长率以及与金属表面间的动摩擦系数 1 2 0 ，测试结果如表2 1 所示。 表2 - 1 第二二章玻璃纤维原料的制各 不难发现，玻璃纤维纱线和普通纤维纱线相比，有较高的断裂强 度，但断裂伸长率比较小，这也表明其弹性、延伸性较差。即便玻璃 纤维纱线的表面经过石蜡等处理，然而动态摩擦系数仍然较大。三种 规格的玻璃纤维纱线的捻度不同，其摩擦系数也不同，从中可以看出， 在一定范围内，玻璃纤维纱线的摩擦系数随着捻度的提高而降低。此 外，由其他学者所做的关于不同纱线的弯曲性能的比较( 见表2 - 2 2 ”) ， 可以知道玻璃纤维纱线的弯曲刚度很高。加上摩擦系数较大和天生的 脆性，使其表面粗糙、较硬、而且不耐扭折，这就使得玻璃纤维纱线 的编织非常困难。 表2 - 2 几种纱线的弯曲性能比较 本试验在测试玻璃纤维纱线的拉伸强力时，采用g t 3 t7 6 9 0 3 - - 2 0 0 1 。在纱线拉伸过程中，发现纱线会在夹头之间打滑或者被夹头夹 断，为了克服这一缺点，通常将纱线两端用树脂粘结固定，树脂块不 需太大，只要能插入夹头中就可以，并注意树脂块的位置在试样夹持 距离以外。图2 1 是玻璃纤维纱线a 的典型的拉伸曲线图。 f ， ， ， 图2 - 1 玻璃纤维拉伸曲线图 由此发现玻璃纤维纱线的拉伸曲线基本上可以分成两部分，起 1 2 第一章玻瑙纤维胤料的制备 始阶段的曲线斜率较小，以后增大，但两者之问没有明显的分晃， 且前后斜率差别不大，拉伸力与纱线伸长之间近似地呈线性关系。 另外，玻璃纤维纱线的拉伸强度与直径和长度有关：单丝直径 越小，拉伸强度越高；随着长度增加，拉伸强度显著下降。但本 实验的结果似乎有些出入：单丝直径5 5u1 1 1 的纱线e 的断裂强度 却比单丝直径8 0 pm 的纱线a 小。这是因为前者采用6 根纱线简 单合并而没有任何合股加捻措施，使得6 根纱线在拉伸时不是同时 拉直，所以纱线分批受力，导致总的强力降低。 1 4 高强玻璃纤维 这种纤维2 0 世纪6 0 年代由美国首先研制成功，称为$ - 9 9 4 纤 维，强度4 2 0 0 4 8 0 0 m p a ，弹性模量8 3 g p a 。8 0 年代初，发过报到 s 高强纤维投入生产，它是s i 0 2 、a 1 2 0 3 、c a o 、m g o 系统。 我国6 0 年代中期着手研制，高强l ”，7 0 年代中期高强2 ”投 入工业生产，已为军工和民用部门所采用，制作火箭发动机壳体、 飞机的螺旋桨叶和起落架、航空气瓶或汽车用天然气气瓶等高压容 器、增强尼龙船用螺旋桨叶等等。 第二节玻璃纤维浸润剂 2 ，1 玻璃纤维的外观以及浸润剂 在显微镜下观察，玻璃纤维表面是平滑的圆柱形，其横截面是 完整的圆形，而有机纤维的表面都带有很深的皱纹( 见图2 - 2 ) 1 9 1 。 b 吣 爹( 1 0 棉花玻璃纤维有机纤维 图2 - 2 几种有代表性纤维截面图 玻璃纤维的几何特征说明了两个特点：由于圆形的断面，能使 纤维间的空隙填充得较为密实；表面光滑使纤维的抱合力小，不利 于与树脂的粘结f 1 9 】。事实上，在玻璃纤维增强复合材料中，树脂和 玻璃纤维之闻的粘结状况，对复合材料的力学性能、耐蚀性能和耐 第二章玻璃纤维原料的制各 久性能等有着重大的影响。为了增加树脂和纤维之间的粘结，除了 从工艺上改进树脂对玻璃纤维的浸润性外，一个重要的措施就是用 各种增强型浸润剂( 含偶联剂) 对玻璃纤维进行表面处理。 物理学上，对浸润这一名词定义如下：“当液相与固相接触时， 液相可以沿着固相表面不断扩展而相互融合，此现象称为浸润：反 之，液相表面不断收缩，则称之为不浸润。” 在玻璃纤维拉丝过程中，需要在玻璃表面涂覆一种以有机物乳 状液或溶液为主体的多相结构的专用表面处理剂。这种涂覆物既能 有效地润滑玻璃纤维表面，又能将数百根乃至数千根玻璃纤维单丝 集成一束，还能改变玻璃纤维的表面状态，这样不仅满足了玻璃纤 维后道工序加工性能的要求，而且在复合材料中还能促进玻璃纤维 与被增强的高分子聚合物的结合。对这些有机涂覆物统称为玻璃纤 维浸润剂。 浸润剂的基本要求： 对玻璃纤维表面有良好地粘附性能； 有足够地润滑性能： 粘度适中； 良好的稳定性； 价廉、易得、无毒、五刺激性。 2 2 浸润剂的作用 2 2 1 浸润剂对玻璃纤维的生产和应用都是非常重要的，如果在高速 拉制直径极细的玻璃纤维过程中，不在纤维表面涂敷这种具有润滑 性、粘结性的物质，不仅会因磨损严重造成断丝、飞丝，致使拉丝 作业无法进行，而且由数百根乃至数千根表面光滑又分散的、性脆 易折断的单丝，加工成某种实用产品是不可想象的。 浸润剂能有效地改变玻璃纤维某些缺陷和表面性质，使玻璃纤 维及其制品得到更广泛应用。对各种不同地玻璃纤维增强材料地成 型工艺，同样必须有专门地浸润剂与之配套，赋予玻璃纤维制品各 种加工工艺及玻璃纤维增强树脂( f r p ) 、增强水泥( g r c ) 、增强 4 第= 章玻璃纤维原料的制备 橡胶等制品所必需地技术性能，如穿透性、浸透性、硬挺性、切割 性、分散性、成带性、短切纱的流动性等等。可以说，浸润剂技术 地发展是玻璃纤维工业及f r p 工业发展的先决条件之一。 在玻璃纤维生产和应用中，浸润剂的作用可概括为5 个方面。 ( 1 ) 润滑一保护作用 在拉丝和纤维加工的过程中，润滑作用包括原丝拉丝过程中的 “湿润滑”及原丝筒后加工过程中所需要的“干润滑”二种，在拉 丝过程中，浸润剂“湿润滑组分”使玻璃纤维原丝与涂油器、集束 槽及排线孑l 之间保持一定的润滑作用，避免二者间摩擦系数过大而 引起原丝张力过大，造成飞丝、丝束打毛及退解困难等。但是，如 果润滑剂用量过多，使张力过小，则易造成原丝筒变形等。 原丝筒干燥后( 自然干燥或烘干) ，在络纱等后道工序中，浸 润剂中的“干润滑组分”可使原丝具有良好的滑爽性，防止因机械 摩擦而产生的毛丝。一般来讲一种润滑组分可同时起到湿润滑和干 润滑二种作用。但在相当荔的情况下，必须两种或数种润滑组分相 配合才能达到上述效果。 ( 2 ) 粘结一集束作用 粘结组分可使玻璃纤维单丝粘结成一根玻璃纤维原丝，使原丝 保持其完整性，避免应力集中于一根或数根单丝上，以减少散丝及 断丝便于无捻粗纱的退解及玻璃纤维纱的纺织加工。并在短切加工 中纱线不开纤，保持纤维束的完整性、流动性、减少短切时的产生 的毛团。 增加原丝的集束性有利于提高玻璃纤维对树脂的穿透性，但也 会降低树脂对玻璃纤维的浸透性，因为树脂中的溶剂溶解集束非常 紧密的玻璃纤维表面成膜剂时，需克服很大的力学上的阻力。 ( 3 ) 防止玻璃纤维表面静电荷的积累 浸润剂中抗静电剂可降低玻璃纤维表面电阻并形成导电通道。 ( 4 ) 为玻璃纤维提供进一步加工和应用所需要的特性 这些特性包括短切性、成带性、分散性等，特别时纤维在热固 第二章玻璃纤维原料的制备 性或热塑性树脂，以及橡胶，石膏，水泥等基材中被迅速浸润的性 能。 ( 5 ) 使玻璃纤维获得与基材有良好的相容性及界面化学结合 或化学吸附等性能 以上五种作用的最终结果是使玻璃纤维能顺利生产和进一步 加工，并使f r p 制品具有理想的物理、力学、化学、电学以及耐 老化等应用性能。 2 3 浸润剂分类1 2 2 玻璃纤维浸润剂大致可以分成三大类： 增强型浸润剂、纺织型浸润剂、增强纺织型浸润剂。其中，纺 织型浸润剂是玻璃纤维纺织加工而使用的浸润剂，该浸润剂具有良 好的拉丝、掘捻、合股、整经、织造等纺织加工性能。由予纾维上 那股涂覆的浸润剂会妨碍纤维与被增强基材之间的粘合，因此一般 需通过热清洗和后处理工艺，将玻璃纤维表面的浸澜剐除去，再经 偶联剂处理后方可使用。 在此类浸润剂中，国外使用淀粉一油类型为多，热清洗容易， 布面残碳量低。现在国内中小型企业仍使用石蜡型浸润剂，由于配 方中使用双氰胺一甲醛缩聚物为粘结成膜组分，热清洗困难，布面 易发黄，有明显的褐色条纹。 从9 0 年代起，国内新建的池窑法生产的纺织用细纱，均采用 了淀粉油剂浸润剂。 增强型浸润剂1 2 3 】只要指可直接用于热固性塑料、热塑性塑料和 橡胶、聚氨酯弹性体等增强玻璃纤维制品生产的浸润和。该浸润剂 组分中含有偶联剂，起到了玻璃纤维与基体树脂粘结的桥梁作用， 可提高复合材料的电学、力学、及耐老化性能。 增强纺织型浸润剂是针对以往增强型浸润剂纺织性能不适应 加工细纱薄布，丽一般的纺织型浸润荆又必需经热清洗处理后方髓 使用的矛盾，国外又研制出增强纺织型浸润剂，其特点为既可以满 足细纱薄布拉丝、加捻、合股、织造等技术要求，又不需经后处理 第二章玻璃纤维原料的制备 工序可直接使用，与各种基体树脂具有良好的浸透性和结合力。 2 4 浸润剂的组分1 2 2 】 浸润剂是多种有机物和无机物混合而成的体系，从外观看，可 以是溶液、乳状液、触变型胶体或膏体。因其作用和性能多样，故 其组分亦相当复杂。浸润剂中主要组成为粘结成膜剂、润滑剂、抗 静电剂及偶联剂。在某些浸润剂配方中还可以使用下列辅助组分， 如润湿剂、p h 调节剂、防腐剂、增塑剂、交联剂、消泡剂、颜料 等。 ( 1 ) 粘结剂亦称成膜剂或集束剂。它是实现单丝集束，并 保护原丝完整性的主要组分，它决定了原丝硬挺度或柔软性，以满 足不同品种玻璃纤维制品的工艺要求。 ( 2 ) 润滑剂亦称平滑剂。这里只指在湿态和干态起润滑玻 璃纤维表面，减少磨损作用的物质，在浸润剂组成中其用量一般为 0 5 ，不同用途的浸润剂，其润滑剂的类型和用量有较大的差别。 ( 3 ) 抗静电剂可以有效地降低玻璃纤维在加工及过程中的 静电作用，特别在需短切加工的玻璃纤维浸润剂中使用。 ( 4 ) 偶联剂亦称表面处理剂。偶联剂是通过本身的两种不 同反应性质，把玻璃纤维与树脂等高分子聚合物结合起来，起到一 个桥梁作用，实现无机物之间良好的界面结合。使玻璃纤维获得满 意的应用效果。在浸润剂组成中，用量为o 2 1 2 ，使用偶联 剂是增强型纺织浸润剂的特征之一。 ( 5 ) 辅助成分包括润湿剂、p h 值调节剂、增塑剂、交联剂、 防腐剂或杀菌剂、消泡剂、颜料等等。 2 5 纺织型浸, f 司n t 2 2 】 由于纺织型浸润剂功能比较单一 2 4 1 ，所以纺织型浸润剂的配方 数量少于增强型浸润剂。按照国内玻璃纤维行业的习惯分法，可将 纺织型浸润剂分为石蜡型浸润剂、淀粉型浸润剂和增强型纺织型浸 润剂三大类。 2 5 1 石蜡型浸润剂【2 2 】 第二章玻璃纤维原料的制各 在纺织型浸润剂中，石蜡型浸润剂是我国玻璃纤维当前生产中 使用的主要配方。这种浸润剂主要原料来源丰富、价格较低、同时 拉丝、纺织性能较好。 石蜡型浸润剂主要由两种不同功能的组分构成，一种是粘接、 集束单丝，被称为成膜剂；另一种是柔软润滑纤维，通常被称为润 滑剂。这两种相互矛盾又相互制约的性能和作用，支配着该浸润剂 的全部性能。 该浸润剂的组分为： ( 1 ) 石蜡。石蜡的主要成分为含碳原子数在1 6 个以上的饱和 烃类。其主要作用是在玻璃纤维表面成膜，从而起到润滑并且保护 纤维的作用。同时还有一定的粘结集束作用。 ( 2 ) 凡士林。凡士林的主要成分为碳原子数从8 到2 0 的混合 烃类。凡士林的主要作用是浸润纤维。 ( 3 ) 矿物油类。机油、变压器油、锭子油统称为矿物油，主 要成分为9 1 6 个碳原子的混合烃类。机油在浸润剂配方中起到润 滑和增塑作用。 ( 4 ) 硬脂酸。化学名称为十八烷酸，其分子式为c 1 7 h 3 s c o o h 。 其乳状液油相当的润滑性。在乳化时与石蜡等油组分一起使用，主 要起调节混合油乳化所需的h l