緯編軸向織物的開發與應用

叢洪蓮+雷惠

摘要：本文介紹了緯編軸向織物的特點及應用，比較了其與經編軸向織物、縫編軸向織物的性能和生產優勢，分析了不同類型緯編軸向織物的生產原理及編織工藝，對比了目前緯編軸向織物生產過程中常用原料的特點和應用情況，闡述了影響緯編軸向織物性能的因素和指標，可為緯編軸向織物的開發和應用提供理論支持。

關鍵詞：緯編軸向織物；產業用；工藝；原料；性能

中圖分類號：TS186.5 文獻標志碼：A

The Development and Application of Axial Weftknitted Fabric

Abstract： The article introduces the characteristics and application of axial weft-knitted fabric， compared it with axial warp-knitted fabric in terms of performance and production advantages， analyzed production principles and knitting processes of different types of axial weft-knitted fabric and discussed both advantages and disadvantages of popular materials used for axial weft-knitted fabric. The performance of axial weft-knitted fabric produced with different materials is compared. The article also expounds the factors influencing the performance of axial weft-knitted fabric， providing theoretical support for the development and application of axial weft-knitted fabric.

Key words： axial weft-knitted fabric； industrial application； process； raw material； performance

軸向織物是指在織物中平直地襯入紗線的一類紡織品，又被稱為無屈曲織物（noncrimp fabirc）。軸向織物使一些編織性能差的纖維得以在織物中應用，例如玻璃纖維、碳纖維等。軸向織物與樹脂等復合形成的紡織基復合材料具有質輕價廉等優點，廣泛應用于產業用領域，產品種類包括防彈頭盔、防彈背心、防彈安全轎車、醫用腳托、風力發電葉片、增強混凝土材料等。

目前紡織軸向織物中應用最多的是經編軸向織物，經編軸向織物中的襯紗可以保持伸直狀態，最大限度地保留紗線的力學性能，國內外對經編軸向織物的研究眾多；與其相比緯編軸向織物在生產效率、工藝便捷性方面存在一定劣勢，但是在織物性能方面，緯編軸向織物除了擁有經編軸向織物的性能優點之外，在織物成型性和延伸性方面具有獨特優勢，成為產業用領域的新寵。國內外對緯編軸向織物的重視程度不斷提高，著力研究其工藝及設備的改進，提升產品的科技含量和附加值，來滿足特殊領域的要求。

1 緯編軸向織物的優點

根據編織方式不同，軸向織物分為經編軸向織物、緯編軸向織物和縫編軸向織物?？p邊織物一般在馬里莫縫編機上編織，它的缺點是襯緯紗線不能以90°進行鋪放，且不同層襯緯紗線相互交替。經編軸向織物中襯紗呈直線狀態鋪覆，是良好的板材基布，但當用作復雜曲面制品模壓成形時，其成形性能卻不理想，會出現起拱現象，且當襯紗層數較多時，織針編織過程中難免會損傷鋪層的襯紗。與其它類型的軸向織物相比，緯編軸向織物具有以下優點：（1）原料適應性廣、編織工藝靈活、可設計性強；（2）試樣編織時門幅的設定靈活度高、機號改變方便；（3）無須進行整經，可以采用較少的紗管數直接編織；（4）織物的彈性和延伸性好，適宜加工復雜外形的成形產品，具有極好的模壓成型性；（5）可以進行成形編織，生產三維立體結構。

2 緯編軸向織物的類型

緯編軸向織物按照編織機器類型分為圓緯編軸向織物和橫編軸向織物，不同編織方式具有不同的特點。橫編軸向織物的優點是織物襯墊厚度可以任意調節，最大厚度可以達到 5 層（8 mm），橫機強大的收放針功能使其能夠進行成型編織，在編織形狀復雜和組織結構特殊的針織物方面有獨特優勢，無需裁剪即可編織三維全成型織物，如三通管、彎管等；但是橫機機頭采用直線往復編織，機速難以提高，編織效率比較低。圓緯編軸向織物可以解決橫編織物編織效率低的缺點，在編織圓筒形時具有得天獨厚的優勢，但是圓緯編織物呈螺旋形，在一定程度上削減了紗線的力學性能，受到針筒直徑的限制，幅寬較小。目前開發比較多的緯編軸向織物有：筒形雙軸向緯編織物、多層雙軸向緯編織物、多層多軸向緯編織物以及雙軸向緯編間隔織物。

2.1 筒形雙軸向緯編織物

筒形雙軸向緯編織物是在圓緯機上編織的一類連續的圓筒材料。以平針組織作為綁縛系統，在經向和緯向襯入紗線形成穩定結構，圖 1 為該織物的幾何結構圖。編織時經紗通過固定在針筒上的經紗導紗管輸入，緯紗通過固定在三角座上的緯紗導紗管隨著三角的轉動襯入。經紗和緯紗都墊入織針的針背處，織針上升穿過襯經襯緯紗線層，墊紗成圈編織的新線圈將襯紗固定在織物中，形成穩定的織物結構，圖 2 為筒形雙軸向織物的編織原理圖。

由于織物的筒徑大于織物內壁，導致織物發生起拱現象，織物起拱引發織物發生織縮，在織物表面產生褶皺。為了解決織物在編織過程中容易發生起拱和起皺現象，需要采用曲線針筒內壁的方法和間隙式感應卷布法對圓緯編機器進行改進。

2.2 多層雙軸向緯編織物

多層雙軸向緯編織物通常在橫機上進行生產，橫機的編織方式與經編相似，因此在編織的便捷性方面要優于圓緯編機，只需要采用改進的導紗器和襯紗裝置，即可生產出性能優異的軸向織物。采用 1 + 1 羅紋組織編織捆綁系統，織物中包含 3 層襯緯紗和 2 層襯經紗，襯紗位于羅紋前后表層之間，每層襯紗的原料可以不同。羅紋組織具有良好的彈性和延伸性，因此織物的成形性好?？梢宰鳛槟侯^盔，醫用腳拖等復雜曲面結構復合材料的基材。

2.3 多層多軸向緯編織物

多層多軸向緯編組織的綁縛系統采用平針組織，襯紗除了0°和90°外還加入了±45°方向的襯紗，因此織物可以分擔各個方向的負荷，提升了織物的整體力學性能。圖 3 所示為多軸向增強緯編針織物幾何結構。

2.4 雙軸向增強緯編間隔織物

雙軸向增強緯編間隔織物是在改進的橫機上進行編織的，實現了軸向增強織物與間隔織物的有機結合?？椢镌谇昂筢槾卜謩e編織平針組織，前后 2 片通過特殊的導紗器進行連接，經紗和緯紗平直地襯入前后針床的平針組織中。圖 4 所示為雙軸向增強緯編間隔織物結構圖側視圖?？椢锏暮穸瓤梢酝ㄟ^前后針床之間的位置進行調節。由于采用了全新的間隔方式，可以編織不同厚度的間隔織物，用于質量輕、強度高的夾心結構復合材料。

3 緯編軸向織物的原料

緯編軸向織物中存在綁縛紗和襯紗。綁縛紗所用原料種類比較多，有常規化纖低彈絲、網絡絲、牽伸絲，還有高性能纖維，通常情況下采用滌綸低彈絲或高強滌綸絲。襯紗應用較多的是高性能玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維以及高強度滌綸等，其中玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維的應用較多。在最近的應用研究中，高強聚乙烯纖維的研究比重在不斷上升。在織物結構、復合方式相同的情況下，襯紗的類型對緯編軸向織物及其增強復合材料的性能影響較大。

3.1 玻璃纖維

玻璃纖維是一種脆性材料，強度高、絕緣性和保溫性好，通常利用玻璃纖維作為襯紗編織緯編軸向織物作為復合材料增強體，復合樹脂形成性能優良的結構材料，一般用作制造風力發電葉片。按照組分和性質的差異，玻璃纖維可以分為不同級別，目前常用的是E級玻璃纖維，但是其密度大，不利于葉片轉速的提高，且易被無機酸腐蝕。隨著S級玻璃纖維生產工藝的改進，E級玻璃纖維終將被S級玻璃纖維取代。玻璃纖維編織的緯編軸向織物通常應用于風力發電葉片、增強混凝土材料等。

3.2 碳纖維

碳纖維是含碳量高于90%的無機高分子纖維。碳纖維的軸向強度和模量高、耐疲勞性能好、熱膨脹系數小，耐腐蝕性好、密度小，是新一代優良增強纖維，其價格也遠遠高于玻璃纖維。隨著納米技術的發展，碳納米結構材料應運而生，碳納米材料具有更好的抗沖擊性、抗彎強度和導電性，使碳纖維在復合材料領域發展的空間更加廣闊。

3.3 超高分子量聚乙烯纖維

聚乙烯纖維由線型聚乙烯紡制而成，韌性較好，具有良好的耐化學藥品性、耐腐蝕性和電絕緣性，耐熱性差但耐濕熱性較好，耐光性較差但價格較低。在緯編軸向織物中一般作為襯紗襯入織物系統內，其織物可應用于防彈背心、醫用腳拖等對織物延伸性、成形性要求較高的產品中。

3.4 芳綸

芳綸是一種新型合成纖維，具有超高強度和高模量，耐高溫、耐酸堿腐蝕、質量輕、絕緣性好、生命周期長等優良性能，價格相對較高。在緯編軸向織物中，芳綸纖維既可以作為襯紗，襯入織物中，也可以作為編織紗線形成捆綁系統。芳綸纖維緯編軸向織物多用于防彈背心、防彈頭盔、安全頭盔等軍用領域。

4 緯編軸向織物的性能特點

緯編軸向織物的襯紗呈平直狀態綁縛在織物中，織物具有良好的結構穩定性和力學性能。由于襯紗的組分、容紗量和線密度可以根據實際需要進行設計改變，因此緯編軸向織物的力學性能可以在一定范圍內變化。

4.1 彎曲性能

緯編雙軸向織物增強復合材料具有良好的彎曲性能。對于襯紗采用單一纖維的緯編軸向織物增強復合材料，玻璃纖維增強復合材料的彎曲比強度和彎曲比模量高于高強聚乙烯纖維增強復合材料，玻璃纖維與高強聚乙烯纖維層間混合織物增強復合材料的比強度和比模量介于兩者之間。

4.2 拉伸性能

緯編軸向織物中的襯紗處于平行伸直狀態，其對高強高模紗線力學性能的利用率達90%，遠遠高于機織物。雙軸向緯編復合材料具有很好的拉伸性能，較高的拉伸強度和彈性模量，且橫向拉伸性能優于縱向。在拉伸破壞過程中主要破壞模式為纖維抽拔斷裂和各層增強織物之間分層，層內有少部分的分層出現，其拉伸斷裂為脆性斷裂。采用芳綸纖維作為襯紗生產復合材料時，其拉伸性能優于玻璃纖維。

4.3 剪切性能

緯編軸向織物中的綁縛系統通常采用羅紋組織或者平針組織，其在織物的任意方向上均具有延伸性。襯紗在織物中分層平鋪，無交織屈曲，在受到外力作用時，會發生滑移和轉動，產生自由剪切，襯紗可沿±45°方向發生集束，因而抗剪切性能良好；而且其變形性比經編軸向織物更加靈活，模壓成形性良好，避免了起拱現象。

4.4 沖擊性能

沖擊性能指的是復合材料吸收沖擊能量的性能。不同材料的沖擊性能由大到小為：高強聚乙烯纖維復合材料>芳綸纖維復合材料>玻璃纖維復合材料。利用 2 種纖維混合編織的增強復合材料的沖擊性能介于 2 種單一纖維編織的增強復合材料之間。

4.5 平壓性能

平壓性能是衡量雙軸向增強緯編間隔織物性能的一個重要指標。采用E型玻璃纖維作為襯紗和連接紗，高強滌綸絲作為編織紗編織的緯編間隔織物作為增強體形成的復合材料與泡沫夾層復合材料的平壓性能對比可以發現，其平壓強度是泡沫夾層結構的 2 倍，平壓彈性模量是泡沫夾層結構的 4 倍。因此雙軸向增強緯編間隔織物具有良好的力學性能和穩定性。

5 結論

緯編軸向織物不僅具有經編軸向織物的優點，而且其原料適應性廣、幅寬變化靈活、打樣方便、成形性好，在產業用領域具有獨特的用途。目前開發較多的緯編軸向織物有筒形雙軸向緯編織物、多層雙軸向緯編織物、多層多軸向緯編織物以及雙軸向緯編間隔織物。不同結構的織物有各自的優缺點，在生產實踐領域，可以根據實際需要，趨利避害加以利用。緯編軸向織物中對織物性能影響較大的是襯紗的原料，常用的襯紗原料有玻璃纖維、碳纖維、芳綸以及超高模量聚乙烯纖維等。隨著科技的不斷進步，更多的新型纖維將應用于緯編軸向織物的生產中，提高其科技含量和附加值。

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5 結論

緯編軸向織物不僅具有經編軸向織物的優點，而且其原料適應性廣、幅寬變化靈活、打樣方便、成形性好，在產業用領域具有獨特的用途。目前開發較多的緯編軸向織物有筒形雙軸向緯編織物、多層雙軸向緯編織物、多層多軸向緯編織物以及雙軸向緯編間隔織物。不同結構的織物有各自的優缺點，在生產實踐領域，可以根據實際需要，趨利避害加以利用。緯編軸向織物中對織物性能影響較大的是襯紗的原料，常用的襯紗原料有玻璃纖維、碳纖維、芳綸以及超高模量聚乙烯纖維等。隨著科技的不斷進步，更多的新型纖維將應用于緯編軸向織物的生產中，提高其科技含量和附加值。

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5 結論

緯編軸向織物不僅具有經編軸向織物的優點，而且其原料適應性廣、幅寬變化靈活、打樣方便、成形性好，在產業用領域具有獨特的用途。目前開發較多的緯編軸向織物有筒形雙軸向緯編織物、多層雙軸向緯編織物、多層多軸向緯編織物以及雙軸向緯編間隔織物。不同結構的織物有各自的優缺點，在生產實踐領域，可以根據實際需要，趨利避害加以利用。緯編軸向織物中對織物性能影響較大的是襯紗的原料，常用的襯紗原料有玻璃纖維、碳纖維、芳綸以及超高模量聚乙烯纖維等。隨著科技的不斷進步，更多的新型纖維將應用于緯編軸向織物的生產中，提高其科技含量和附加值。

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