三维间隔空芯可变提花织物的织造工艺设计_周志芳.pdf

第 44 卷 第 3 期2023 年 3 月纺 织 学 报Journal of Textile ResearchVol.44,No.3Mar.,2023DOI:10.13475/j.fzxb.20211107206三维间隔空芯可变提花织物的织造工艺设计周志芳,周 赳,彭 稀,黄锦波(浙江理工大学 先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室,浙江 杭州 310018)摘 要 为减少综框数量对三维机织物制备的限制,提高三维机织物结构和织造工艺的可设计性,提出一种空芯结构可变的三维间隔空芯提花织物的织造方法。对现有的电子提花织机进行改造,地组织经纱由 2 组综眼位置不同的综框控制,形成双梭口,纵向经纱由提花通丝控制,配合纹织 CAD,在托杆的辅助下与上下地组织纬纱进行交织,调换托杆的运动方向时,与托杆相连的纵向经纱就会出现交叉,将 2 层地组织连成一体,完成三维间隔空芯提花织物的织造。与三维实芯机织物的强力测试对比结果表明,本文织造方法可在织物强力损伤较小的前提下,实现空芯结构可变的三维间隔织物的织造。关键词 三维间隔织物;空芯结构;织造工艺;电子提花;双梭口中图分类号:TS 105.1 文献标志码:A 收稿日期:2021-11-16 修回日期:2022-08-17基金项目:中国纺织工业联合会应用基础研究项目(J201802)第一作者:周志芳(1988),男,博士生。主要研究方向为纺织材料与纺织品设计。通信作者:周赳(1969),男,教授,博士。主要研究方向为纺织材料与纺织品设计。E-mail:。随着材料和科技的发展,人们对三维织物复合材料的需求量逐步增加。三维织物在二维织物的基础上,增加了纵向经纱系统,纱线在三维空间中沿着多个方向分布并相互交织,形成不分层的整体结构。较二维织物具有更好的整体稳定性,优越的抗冲击性和力学性能,在民用、军用和医用等领域都得到了广泛的应用1-3。三维织物的织造方法主要有机织、针织和编织等。三维机织物的织造成本低,结构设计性好,树脂渗透性和抗冲击性能较好,可为各领域提供各式复合材料基体4-6。其中三维间隔机织物有空芯结构,较其它实芯三维机织物具有质轻、结构可设计、增加材料的空芯体积等优点,经纱、纬纱和纵向经纱呈直线交织,可充分发挥三维机织物本身的力学性能7-8。当前三维间隔机织物的织造大都基于对剑杆织机进行多综眼和多综丝的改造,自动化程度不高,受综框数量的限制,使得织物结构设计和织造工艺受限9-10。本文提出一种三维间隔空芯可变提花织物的织造方法,通过对电子提花织机进行改造,利用综眼位置不同的 2 组综框控制地组织经纱,完成双梭口的改造和地组织的织造,再配合纹织 CAD,利用通丝控制纵向经纱,织造出纵向经纱可控、空芯结构可变的三维间隔空芯提花织物。相较多臂织机,提花织机赋予织物更多的可设计性,可生产结构较为复杂的织物,不仅可改变间隔织物的空芯结构,同时具有更高的自动化程度。1 三维间隔空芯织物的机构设计 三维间隔机织物是由 2 个或 2 个以上系统的纱线相互交织而成,这些纱线系统可增强织物在各个方向上的性能11。本文三维间隔机织物的设计以 2 组地经和 1 组纵向经纱同纬纱交织而成。表层由 1 组纬纱和地组织经纱交织而成,纵向经纱垂直贯穿于织物厚度方向,将 2 层地组织连接一体12。1.1 织机设计 提花三维间隔织机的设计是在电子提花机的基础上开发来的,使用剑杆引纬。织机主要有卷取、开口、引纬、织边、打纬、送经 6 大部件,其中开口机构有电子提花和凸轮 2 种开口方式13。纵向经纱在提花通丝的控制下,与上下地经反复垂直交织。基于该原理提花三维间隔织机结构如图 1所示。纵向经纱 1 从筒子架上牵引出来,穿过导纱板 2,居于上地经 3 和下地经 4 中间,上地经和下地经从经轴上牵引出来,为了减少经纱间的交叉,3 组经纱分别按照上中下的顺序依次穿过相应停经装置 5,综平时纵向经纱位于上下地经中间位置。上下地经由综框 6 控制,织机主轴转 1 周地经综框形 纺织学报第 44 卷1纵向经纱;2导纱板;3上地经;4下地经;5停经装置;6综框;7通丝;8提花龙头;9钢筘;10压辊;11卷取装置。图 1 提花三维间隔织机结构简要示意图Fig.1 Schematic diagram of structure of jacquard three-dimensional interval loom成 2 个梭口,纵向经纱由提花通丝 7 控制,配合纹织CAD 和提花系统,与上下层纬纱交织,完成三维织物的织造。在实际生产中,纵向经纱放置在筒子纱架上,上下地经由经轴传动,单独开口。纵向经纱和地组织经纱以不同的速率运动,经纱和机器接触点较多,受到摩擦力较大,地组织经纱采用积极传动,纵向经纱采用消极送经,可减少经纱的摩擦力,便于织造。1.2 双梭口设计 本文中对提花织机进行双梭口改造,织机主轴转 1 周,综框连杆形成 2 个相同的经向梭口,同时引入 2 根纬纱。对综框和综丝进行改进较对传动系统进行改造更容易实现双梭口织造,本文地组织采用2 组综眼高度不一的综丝,主轴转 1 周同时形成2 个纵向的梭口。提花通丝由托杆辅助开口,每根通丝都单独与托杆相连,托杆由综框开口凸轮驱动,托杆往上运动,其连接的提花通丝则在上部地组织完成开口,托杆向下运动,与相连的提花通丝则参与下梭口的纬纱交织。三维织机双梭口开口示意图如图 2 所示。综平时,纵向经纱位于上下地经中间,3 组经纱处于不同的水平位置上,如图 2(a)所示。随着织轴转动,地经综框形成上下 2 个梭口如图 2(b)所示。同时提花通丝在托杆的辅助下,一半向上运动,一半往下运动,向上运动的提花通丝与上地经开口上部平齐,往下运动的提花通丝与下地经开口下部平齐。紧接着地组织综框保持开口不动,上部提花通丝开下梭口,下部通丝开上梭口,托杆保持不动,同时引入 2 组纬纱,完成一次交织,如图 2(c)所示。图 2(d)中托杆仍然不动,地组织经纱再次开口,纵向经纱在提花通丝的控制下分别在上、下地组织单独开口,同纬纱交织。随后托杆往中间运动,使得提花通丝恢复到综平位置(如图 2(e)所示),综平时地组织经纱同纵向经纱是分层排列。调换托杆的运动方向,则纵向经纱就出现交叉,将上下 2 层地组织连接在一起,如图 2(f)所示,如此往复,根据工艺和组织设计,可以织造出空芯结构可变的三维间隔织物。1,2提花通丝;3,4上地经综框;5,6下地经综框;7纬纱;8纵向经纱;9上地经;10下地经;11托杆。图 2 三维织机双梭口开口示意图Fig.2 Schematic diagram of double shed opening of three-dimensional loom.(a)Heddle balancing 1;(b)Shedding 1;(c)Shedding 2;(d)Shedding 3;(e)Heddle balancing 2;(f)Shedding 486第 3 期周志芳 等:三维间隔空芯可变提花织物的织造工艺设计 2 三维间隔空芯织物的织造工艺 提花三维间隔织物的上机织造准备与二维机织物类似,主要包含整经穿综穿筘准备纬纱输入上机参数织造。三维织物经纱较多,经纱有2 种上机方式,纵向经纱是筒纱,经过络筒工序后直接放在筒子架上备用,减少对纵向经纱的损伤14。上下地经通过整经获得张力以及卷绕密度均匀、表面光滑平整的织轴。2.1 上机图设计 上下地经分开穿综,前 4 页综框控制上地经开口,后 4 页综框控制下地经开口,提花通丝位于综框前端,纵向经纱需从综丝间隙穿过,再从右向左依次穿入通丝,在穿经前根据通丝穿入目板的顺序将垂综进行编绞,以普通 V 型正交接结组织为例,上机图如图 3 所示。图 3 上机图Fig.3 Machine diagram.(a)Gound weave warp draft plan;(b)Plate pattern;(c)Denting plan;(d)Weft selection plan将设计好的纹板文件导入提花机织造程序软件。穿筘如图 3(c)所示,因为经纱较多,所以采用一筘四入。地组织为平纹组织,上下地经通过综框传动,开双梭口,每次开口都在对应梭口引入 1 根纬纱,选纬图和纹板图如图 3(b)、(d)所示。2.2 织物结构设计 三维间隔织物由 3 组纱线构成,地组织经纱构成织物长度方向,表层纬纱构成织物宽度方向,纵向经纱则构成织物厚度方向。表层地组织一般采用平纹组织,相同密度下平纹结构的织物较缎纹和斜纹组织更为紧密,织物结构稳定14。交织结构示意如图4 所示。图 4 中上地经 9 和下地经 10 分别由综框 3、4和 5、6 控制,开双梭口,每个梭口引入 1 根纬纱 7,完成地组织的织造,纵向经纱 8 在提花通丝 1、2 的控制下,参与上下地组织经纱的开口。图 4(a)中,纵向经纱分成 2 组,均匀地与上下地组织纬纱依次交织,形成实芯的三维间隔织物,纵向经纱分布均1,2提花通丝;3,4上地经综框;5,6下地经综框;7纬纱;8纵向经纱;9上地经;10下地经。图 4 提花三维间隔织物纵向经纱与纬纱交织图Fig.4 Schematic diagram of interweaving of longitudinal warp and weft of jacquard three-dimensional spacer fabric.(a)Structure of three-dimensional solid core fabric;(b)Structure of three-dimensional hollow core fabric匀。图 4(b)中,纵向经纱由提花通丝控制,根据纹织 CAD 设计,在托杆的辅助下可以不同形式参与上下地组织纬纱交织,形成空芯结构可变的三维间隔织物,由纵向经纱单独与 4 组纬纱交织,然后再随着托杆运动在地组织间上下交织形成空芯结。3 试织结果与强力分析3.1 试织结果 按照上机图完成织造准备、穿综、穿筘,工艺参数如表 1 所示。地组织经纱分别有 2 个织轴单独传动,地经和纵向经纱数量为 1:1,纵向经纱从地经综丝间穿过。纵向经纱的纹织 CAD 如图 5(a)所示。“”表示纵向经纱在托杆的辅助下均匀地分成 2 组,单独与上下地组织纬纱完成交织,形成空芯结果。“”表示纵向经纱随着托杆在地组织间垂直运动,托杆改变运动方向时,纵向经纱也随之运动,完成纵向位置的交换,将上下 2 层地组织连接成一个整体。织物表层地组织为平纹结构,交织紧密,侧截面为空芯结构和实芯结构交错连接,中空部分为正方形结构(如图 5(b)所示)。96 纺织学报第 44 卷表 1 织造参数Tab.1 Weaving parameters结构经纱规格纬纱规格地组织纬密/(根cm-1)地组织经密/(根cm-1)幅宽/cm间隔距离/mm总经根数空芯结构28 tex 涤纶28 tex 涤纶22247554 950实芯结构28 tex 涤纶28 tex 涤纶22247554 950图 5 空芯织物和实芯织物的结构Fig.5 Structure of hollow and solid fabrics.(a)Weave pattern;(b)Structure of hollow core;(c)Side section of hollow fabric;(d)Side section of solif fabric 本文织造方法一体成形,织物整体性能优良,可通过纵向经纱的送经量和托杆运动的高度来调节三维织物的间隔距离,直接织造出间隔距离可调和空芯结构可设计的三维间隔提花织物。同时织造了实芯的三维间隔机织物,纵向经纱和表层纬纱的交织结构类似“V”形正交组织,如图 5(d)所示,用于强力测试。3.2 强力分析 利用多功能电子织物强力机对试样织物的强力进行测试,结果如表 2 所示。表 2 织物强力测试结果Tab.2 Fabric strength test results织物断裂强力/N断裂伸长率/%经向纬向经向纬向实芯织物924.971 439.5742.7843.94空芯织物854.731 177.9748.8649.26相同间隔距离的实芯织物比空芯织物的断裂强力高,断裂伸长率小,纬向强力大于经向强力,空芯织物的断裂强力减少 20%左右,断裂伸长率增加约8%。2 种织物的地组织均为平纹结构,理论上强力应该相差不大,实际上实芯间隔织物,纵向经纱与表层纬纱交织更为紧密,增加了经纬接结点的牢度,强力较大,织物整体性较强。空芯织物中纵向经纱接结点更少,再者空芯结构使得织物在受到拉伸时受力不均,导致强力下降,同时空芯结构也增强了间隔织物的形变能力。织物拉伸性能测试如图 6 所示。从拉伸实验中发现,断裂的是间隔织物地组织的纱线,表层纱线断裂使织物解体,纵向经纱由屈曲变成伸直状态,拉伸实验结束后纵向经纱并未断裂。图 6 织物拉伸性能测试Fig.6 Fabric tensile test;(a)Warp direction;(b)Weft direction4 结束语 本文提出一种空芯结构可设计的三维间隔提花织物的生产工艺方法。采用综眼高度不同的 2 组综框控制地组织经纱,完成织机的双梭口设计,提花通丝控制纵向经纱,在托杆的辅助下参与地经的开口,与表层纬纱交联形成三维空芯织物,通过纹织 CAD来控制纵向经纱的运动,实现空芯结构的可设计性。实际生产中可通过纵向经纱的送经量和托杆的运动高度来调节三维织物的间隔距离。与实芯间隔织物的强力对照结果表明,空芯间隔织物经向和纬向的强力都有所下降,强力损伤在20%左右,应变略有增加。本文方法可在强力损伤较小的前提下制备空芯结构可变的三维织物,增加三维间隔织物可设计性和应用领域。本文织造方法可使用不同高度综眼的综丝来设计三梭口或者多梭口的织造工艺,完成多层间隔空芯织物的织造。FZXB参考文献:1 涂莉,孟家光.三维纺织复合材料研究进展J.上海纺织科技,2019,47(6):4-7,24.TU Li,MENG Jiaguang.Research progress of three-07第 3 期周志芳 等:三维间隔空芯可变提花织物的织造工艺设计 dimensional textile composites J.Shanghai Textile Science&Technology,2019,47(6):4-7,24.2 FAZELI M,HUBNER M,LEHMANN T,et al.Development of spatially branched woven node structures on the conventional weaving loomJ.Textile Research Journal,2016(88):1453-1465.3 ZHENG L,AOURAGHE M A,ZHANG K,et al.Ultra-light 3D fabric reinforced composite with distinct thermal insulation and superior sound-absorbing propertiesJ.Journal of Physics:Conference Series,2021,1790(1):1-6.4 胡慧娜,裴鹏英,胡雨,等.三维机织物的分类、性能及织造J.纺织导报,2017(12):26-30.HU Huina,PEI 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Textile Materials and Manufacturing Technology,Ministry of Education,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou,Zhejiang 310018,China)AbstractObjectiveIn order to bypass the limitation of the number of heald frames on the preparation of three-dimensional woven fabric and improve the design-ability of three-dimensional woven fabrics and weaving process,a weaving method of three-dimensional spaced jacquard fabric with variable spacer core structures is proposed.Method An electronic jacquard loom was modified for weaving spacer fabrics.The ground warp is controlled by two groups of heald frames with different heald eye positions to form double sheds and the longitudinal warp was controlled by jacquard together with the use of weaving CAD.With the aid of the support rod,the longitudinal warp was interwoven with the weft to form the ground fabrics.When the movement direction of the support rod was changed,the longitudinal warp would cross between the two ground fabrics and connect the ground fabrics into one three-dimensional structure,so as to complete the weaving of three-dimensional spacer Jacquard fabric.Results A three-dimensional spacer fabric is composed of three groups of yarns,where the ground weave warp yarn constitutes the fabric length direction,the surface weft yarn forms the width direction of the fabric,and the longitudinal warp yarn constitutes the fabric thickness direction.The weaving structure suggested that the longitudinal warp yarns are divided into two groups,and the yarns are interlaced with the upper and lower weft yarns in turn to form a three-dimensional spacer fabric with solid core.The longitudinal warp yarn is controlled by 17 纺织学报第 44 卷jacquard.According to the jacquard CAD design,with the assistance of the support bar,the weft yarn can be interweaved in different ways,forming a three-dimensional spacer fabric with variable hollow core structure.The longitudinal warp can be evenly divided into two groups with the help of the supporting shaft,and the yarn can be interwoven with the upper and lower weft separately.The longitudinal warp can also move vertically with the supporting stem between the ground tissues.When the supporting rod changes the direction of movement,the longitudinal warp will also move with it,completing the exchange of longitudinal positions,connecting the upper and lower layers of ground tissues into a whole.The surface texture of the test fabric is plain weave structure,the side section is hollow core structure and solid core structure are interlaced(Fig.5(c),and the hollow part is square structure(Fig.5(b).Through the tensile test of solid/hollow three-dimensional spacer fabric,as shown in Tab.2,the breaking strength of hollow fabric is reduced by about 20%,and the breaking elongation is increased by about 8%compared to the solid fabric,because there are fewer longitudinal warp junction points in the hollow fabric.Moreover the hollow structure makes the fabric bear uneven force when being stretched,resulting in a decrease in strength.The hollow structure also enhances the deformability of the spacer fabric.ConclusionThis paper proposed a production process of three-dimensional spaced jacquard fabric with variable hollow core structure.In actual production,the spacing distance of three-dimensional fabric can be adjusted by the warp let off of longitudinal warp and the movement height of the supporting rod.Using this weaving method,healds of different heights can be adopted to design the weaving process of three-shed or multi-shed,so as to complete the weaving of multi-layer spacer hollow core fabric.Compared with the strength of solid core spacer fabric,the strength of hollow core spacer fabric in both warp and weft directions decreased,and the strain increased slightly.This process can produce three-dimensional fabric with variable hollow core structure under the premise of less strength damage,and increase the designability and application field of three-dimensional spacer fabrics.Keywords three-dimensional spaced woven fabric;hollow core structure;weaving process;electronic jacquard;double shed27