编织结构玻璃长丝缝合线的打结强度.pdf

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1、第3 0 卷第8 期 2 0 0 9 年8 月 纺织学报 J o u r n a l0 fT e x t i hR e s e a r c h V 0 1 3 0N o 8 A u g 2 0 0 9 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 9 ) 0 8 0 0 2 1 0 4 编织结构玻璃长丝缝合线的打结强度 焦亚男1 2 ，王东宁1 2 ( 1 天津工业大学复合材料研究所，天津3 0 0 1 6 0 ； 2 天津工业大学天津市和教育部先进纺织复合材料重点实验室，天津3 0 0 1 6 0 ) 摘要针对玻璃纤维丝束在纺织预制件或预浸料的缝合过程中易发生断裂的情况。设计了二

2、维管状编织结构的 玻璃纤维缝合线。采用I n s t r o n 电子万能试验机对不同编织工艺参数的缝合线试样分别进行了l o o p 结和k n o t 结的 拉伸强度测试，分析了拉伸断裂的机制和破坏模式。结果表明：编织结构玻璃长丝缝合线的打结强度和断裂伸长 率明显高于玻璃丝束；花节长度是影响打结性能的主要因素；试样在试验过程中受剪切和拉力共同作用，经历伸 直一受力一断裂几个阶段，试样断口基本平齐。 关键词二维编织；缝合线；玻璃纤维；打结强度 中图分类号：1 1 B3 3 2文献标志码：A K n o ts t r e n g t hi n v e s t i g a t i o no fb

3、 r a i d e dg l a s sf i l a m e n tf i b e rs e w i n gt h r e a d s p J I A OY a n a n l W A N GD o n g n i n 9 1 ” ( 1 C o m p o s i t eM a t e r i a l sR e s e a r c hI n s t i t u t e ，T i a n j i nP o l y t e c h n i cU n i v e r s a y ，T i a n j i n3 0 0 1 6 0 ，C h n a ； 2 T t a n j na n dM n

4、 s t r y 矿E d u o u o n 研L a b o r a t o r yo f 剧删C o m p o s t e s ，T a n j n 凡加撕U n v e r s t y ，T m n j n3 0 0 1 6 0 ，C h n a ) A b s t r a c t T w o d i m e n s i o n a lb r a i d e ds e w i n gt h r e a dm a d eo fg l a s sf i b e rw a st a i l o r e dt oc o n q u e rt h er u p t u r e p m b l

5、e mo ft h eg l a s st o wi ns t i t c h i n gp r o c e s so fc o m p o s i t ep r e f o r mo rp r e p r e g I n s t r o na p p a r a t u sW a su s e dt ot e s t t h et e n s i l es t r e n g t ho ft h ek n o ta n dl o o po fs p e c i m e n sw i t hd i f f e r e n tb r a i d i n gp a r a m e t e r s

6、，a n dt h eb r e a k i n g m e c h a n i s ma n dr u p t u r em o d ew e r ea n a l y z e d T h er e s u l t ss h o w e dt h a t2 - Db r a i d e dg l a s sf i b e rt h r e a dh a db e t t e r b r e a k i n gt e n a c i t ya n de l o n g a t i o nt h a nt h eg l a s st o w T h ek n o tp e r f o r m a

7、 n c eW a sm a i n l yi n f l u e n c e db yp i t c h l e n g t h S h e a ra n dt e n s i l e f o r c ew e r ea c t e do nt h e s p e c i m e n sj o i n t l yd u r i n gt h e t e s tt h a tm a d et h et h r e a d u n d e r g ot h r e ep h a s e s ：u n w i n d i n g ，f o r c eb e a r i n ga n db r e

8、a k i n g A n dt h eb r o k e ne n dW a ss e e nn e a r l yf l u s h K e yw o r d st w o - d i m e n s i o n a lb r a i d ；s e w i n gt h r e a d ；g l a s sf i b e r ；k n o ts t r e n g t h 缝合复合材料以其较高的层间断裂韧性、冲击 损伤容限和较低的制作成本受到越来越广泛的关 注，其制造过程主要包括纺织预制件成型、缝合和树 脂注入。在过去的十几年中，纺织预成型技术和树 脂注入技术已获得了长足的发展，但缝合技术

9、在复 合材料制造上的潜力仍可进一步挖掘，缝合技术的 发展有助于复合材料成型的自动化n q 】。 复合材料的缝合技术是采用缝合线使二维织物 构成准三维立体织物或使分离的数块织物连接成整 体结构的技术。工艺参数包括缝合线原料种类、缝 合密度、缝针、缝合方法和缝合速度等，其中缝合线 的几何结构和参数是一个很重要的因素。4 J 。对于 先进纺织复合材料构件，缝合线的选择有特定的标 准【引：1 ) 与树脂良好的兼容性，并且不会与树脂发生 反应；2 ) 与所缝合的预制件或预浸料的纤维种类尽 量相同，保持整体材料的性能一致；3 ) 良好的强度、 韧性和耐磨损性等，因此玻璃纤维、芳纶和碳纤维成 为缝合材料的首

10、选。其中碳纤维强度较高，但容易 断丝且成本较高，应用受到限制M 1 ；芳纶线柔韧性 好，强度和模量高，具有优良的耐热性和耐磨损性， 收稿日期：2 0 0 8 0 9 0 2修回日期：2 0 0 8 1 2 一0 1 基金项目：天津市重点自然科学基金项目( 0 8 J C Z D J C 2 5 7 0 0 ) 作者简介：焦亚男( 1 9 7 1 一) ，女，研究员博士。主要从事编织复合材料的研究。E - m a i l ：j i a 何n t j p u e d u c n 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWat

11、ermarkR to remove the watermark 2 2 纺织学报第3 0 卷 是常用的缝合线类型，但它与树脂的浸润性稍差。 如果考虑到与玻璃纤维复合材料的匹配性及较低的 成本，用玻璃纤维作缝线是比较合适的。现已标 准化的玻璃纤维缝纫线是原丝经退绕、并捻制成，主 要用于缝合滤袋等较薄的织物。航空航天领域常用 的预制件厚度较大且体积含量较高，对缝合线的抗 剪、耐磨等性能要求较高。尤其是近些年增加了对 预浸料织物的缝合，预浸料中的树脂增加了对缝合 线的摩擦力，也提出了对缝合线性能的新要求。因 此需要设计新的缝合线结构形式来满足玻璃纤维作 为缝合线的更广泛的应用。 二维编织结构在缝合线

12、领域的应用常见于手术 用缝合线q 】。关于复合材料用新结构玻璃长丝缝 合线的文献比较少，王荣荣等剖提出丙纶玻璃纤维 包芯纱的设计保护玻璃纤维，O g a l eA 等H 1 提出用针 织结构包芯的方法制作碳纤维长丝缝合线。传统的 二维管状编织技术具有低成本、高效率的优势，可以 批量化生产。本文采用二维编织技术制作了玻璃长 丝缝合线，研究工艺参数对l o o p 结和k n o t 结的打结 强度的影响，2 种打结形式反映了纱线在缝合过程 中的受力情况，为实际构件使用这种结构的缝合线 提供参考。 1 试验部分 1 1 缝合线试样制作 试验原料为江苏中新天马公司提供的无碱玻璃 纤维纱，线密度为7

13、6t e x ，捻度为1 1 0 捻m ，密度为 2 5 4g c m 3 ，断裂强力为1 4 7N 。 试样是在国产1 6 锭立式二维编织机上完成。 编织时，纱线分为2 组，一组中的所有纱线都在“8 ” 字型轨道盘上同时沿同一方向( 顺时针或逆时针) 做 S 型运动；另一组中的所有纱线的运动方向则与之 相反，形成2 组纱线的交织。其他参数相同情况下， 断裂强度一般随缝合线线密度的增加而增大，因此 为比较编织参数的影响，本文试验用纱线只选1 种 线密度。试样为6 根纱线交织，共制得不同花节长 度的4 种样品与无编织的合股纤维束进行比较。花 节长度指编织机运动1 个机器循环后织物所生成的 长度，

14、如图1 所示。 1 2 试验设备和方法 打结强度试验参照A S T MD3 2 1 7 2 0 0 1 a 线圈 式打结状人造纺织纤维断裂强度的试验方法，在美 国I n s t r o n 公司的3 3 6 9 台式双立柱电子万能材料试 图1二维编织结构缝合线试样 F i g 1 2 - Db r a i d e ds e w i n gt h r e a d 验机上完成。设置夹具间距为2 5 41 1 1 1 “ 1 1 ，加载速度为 2 5 4m m m i n ，每种试样根据打结形状的不同分为 k o n t 结试样和l o o p 结试样，如图2 所示。2 种打结方 式主要模拟缝合线在

15、针眼处受拉剪结合的力以及采 用锁式缝合时缝线在被缝织物内的受力情况，可以 很全面地考察缝合线的工艺性能。 ( 丑) I m o t 结l o o p 结 图2 试样的打结形式 F i g 2 C o n f i g u r a t i o no fs p e c i m e n s ( a ) K n o t ；( b ) L o o p 2 结果与讨论 2 1 花节长度对打结强度的影响 打结强度在一定程度上反映出缝合线的抗剪切 能力和柔韧性。试验得出花节长度与打结强度的关 系曲线，如图3 所示。无编织试样的花节长度为 0t o n i o o 型 醑 蟓 辂 花节长厦m m 图3 花节长度与

16、打结强度的关系 F i g 3R e l a t i o n s h i pb e t w e e nb r a i d i n gp i t c ha n d b r e a k i n gt e n a c i t yo fs a m p l e s 可以看出，花节长度对打结强度影响较大，编织 结构缝合线试样的打结强度明显高于纤维束试样。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第8 期 焦亚男等：编织结构玻璃长丝缝合线的打结强度 2 3 l o o

17、D 型试样中打结强度的最大值出现在花节长度为 2m n l 的试样中，而k n o t 型试样中花节长度为4 5l l l n l 的试样打结强度最大；但相同的是，花节长度为 7n l m 的试样的打结强度均较小，说明玻璃长丝束作 为缝合线的工艺性能较差。 分析结果认为：若将缝合线视为1 个圆柱体，将 其外表面展开，花节长度较长，则缝合线试样轴向单 位长度内的纱线较少，编织密度偏低，纤维抱合稀 松，在长度方向上粗细均匀度较差，易出现薄弱环 节，导致在较细处发生剪切断裂；如果花节长度过 小，在编织过程中粗细均匀度较难控制，且由于在缝 合线表面纤维的堆砌过于紧密，导致柔韧性和抗剪 切性能下降。本文

18、试样的花节长度在3 4 5n l l n 范 围内，其打结强度较高也较稳定，是比较理想的花节 长度。 2 2 花节长度对断裂伸长率的影响 图4 为试样花节长度与其断裂伸长率关系图。 从图可以看出，花节长度对断裂伸长率影响也较大。 在l o o p 型试样中，断裂伸长率随花节长度的增加先 下降然后有小幅度的上升；在k n o t 型试样中，断裂 伸长率基本上与花节长度呈反比关系。总体而言， 花节长度越小，编织密度越大，纤维之间抱合的越紧 密，打结部位承担剪切力的纤维越多，在一定程度上 可提高断裂伸长率( 在本文试验中，由于打结的存在 使断裂伸长率的测量值可能大于实际值，所以断裂 伸长率仅作为本文

19、试验试样之间的对比) 。 花节长厦n u n 图4 花节长度与断裂伸长率的关系 F i g 4 R e l a t i o no fu n i tl e n g t ha n db 陀a k i n gt e n a c i t y o fs a m p l e si nl o o pa n dk n o tc o n f i g u r a t i o n s 2 3 位移载荷曲线分析 图5 示出了k n o t 型和l o o p 型各5 个试样的位移 载荷曲线，图例编号G 为玻璃纤维，下标数字为试 样的花节长度。分析曲线可以发现：载荷基本上是 随位移的增加而增大，但二者之间的关系是非线性

20、 的。在拉伸初始阶段，由于玻璃纤维表面比较光滑， 打结部分较为松散，试样受拉力伸直，载荷增大缓 慢，曲线比较平直；随着位移的增加，大部分纱线伸 直并承受载荷，因此随位移的增大载荷迅速提高，曲 线斜率明显增加并基本保持线性；最后阶段，试样在 薄弱环节出现断裂，载荷达到最大值。在载荷有明 显下降后，试验机的拉伸终止。整个过程表明纱线 经历了受拉一伸直一受力一断裂的过程，符合柔性 织物类的拉伸破坏规律。 冬 柱 锚 位移m m ( 丑) k n o t 型试样 图5 试样的拉伸位移载荷曲线 F i g 5 T e n s i l ed i s p l a c e m e n t l o a dC U

21、 I V e 6o f k n o ts p e c i m e n s ( a ) a n dl o o ps p e c i m e n s ( b ) 2 4 打结拉伸破坏模式 图6 为不同结构典型试样的拉伸破坏状态照 片。由图6 ( a ) 、( b ) 可以看出，l o o p 结的破坏基本出 现在打结处，形成l o o p 的I 根试样受剪力在薄弱环 节首先断裂，造成试样失效，断裂面基本平齐，无纤 维抽拔现象。图6 ( c ) 、( d ) 示出k n o t 结破坏状态，长 丝试样在打结的一端断裂，纤维断口平齐；编织试样 未出现明显断裂面，纤维在打结处同时出现整齐断 裂和局部抽拔

22、现象。 纱线在打结拉伸的过程中，受力主要包括横截 面受剪力和沿长度方向受拉力2 部分。l o o p 结受力 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 2 4 纺织学报 第3 0 卷 图6 试样的典型拉伸破坏照片 F i g 6T y p i c a lf a i l u r ep a t t e r n ( a ) B r a i d e dl o o p s a m p l e s ；( b ) F i l a m e n tl o o ps a m p

23、 l e s ；( c ) B r a i d e dk n o t s a m p l e s ；( d ) F i l a m e n tk n o ts a m p l e s 以剪切力为主，纱线结构的紧密程度决定了载荷增 加后剪切力的作用效果。花节较小，结构紧密的纱 线，受力后其横截面的形状仍近似为圆形，2 根纱线 的接触面较小，整个受剪切断裂过程表现为层进式 多次完成；而结构松散的纱线如丝束，其横截面形状 容易转变为片状，所有纱线同时受力，断裂近乎一次 完成，因此造成编织结构纱线断裂强度高于丝束。 k n o t 结试样在拉紧后打结处纱线受力较大，纱 线间互相摩擦挤压。对于丝束试样，

24、所有纤维排列 平直，打结处纤维间摩擦力较小，主要是剪切力和拉 力作用，容易在结的两侧较薄弱的一端断裂。而编 织结构的纱线由于有倾斜交织，表面平整度略差，在 打结处拉紧后相互间摩擦力较大，造成不同位置的 局部断丝，载荷增加到一定程度后，在较薄弱处出现 大面积断纱，从而试样失效。 3结论 1 ) 二维编织技术具有低成本、高效率的优势，用 二维编织机制作玻璃长丝缝合线可以批量化生产， 为推广玻璃纤维缝合线的应用奠定基础。 2 ) 采用编织结构制作的玻璃长丝复合材料缝合 线与纤维束型缝合线相比，在打结强度和断裂伸长 率性能上有很大提高。 3 ) 花节长度参数对缝合线的打结强度性能影响 明显，合理调整参

25、数范围可以改善玻璃纤维缝合线 的表面结构，减少纤维断裂，提高玻璃纤维缝合线的 工艺性。 参考文献： W E I M E R C P r e f o r m e n g i n e e r i n g ：a p p l i e ds e w i n g t e c h n o l o g i e st Oi n c o r p o r a t ep a r ta n dp r o c e s sf u n c t i o n si n t o d r yt e x t d er e i n f o r c e m e n t s J C o m p o s i t e sS c i e n c

26、ea n d T e c h n o l o g y 2 0 0 3 ( 6 3 ) ：2 0 8 9 2 0 9 8 W E I M E RC M n 弓C H A N GP A s p e c t s o ft h es t i t c h f o r m a t i o np r o c e s so nt h eq u a l i t yo fs e w nm u l t i t e x t i l e - p r e f o r m s J C o m p o s i t e s ：P a r tA ，2 0 0 1 ( 3 2 ) ：1 4 7 7 1 4 8 4 焦亚男，李晓久，

27、董孚允三维缝合复合材料性能研 究 J 纺织学报，2 0 0 2 ，2 3 ( 2 ) ：9 6 9 8 J 1 A OY a n a n ，L I ) 【i a o j i u ，D O N GF u y u n I n v e s t i g a t i o no n3 - Ds t i t c h e dc o m p o s i t e sb e h a v i o r J J o u r n a lo fT e x t i l e R e s e a r c h ，2 0 0 2 ，2 3 ( 2 ) ：9 6 9 8 O G A L EA 。M I T S C H A N GP T

28、a i l o r i n go ft e x t d ep e r f o r m sf o r f i b e rm ir I f ：o m e d p o l y m e rc o m p o s i t e s J J o u r n a l o f I n d u s t r i a lT e x t i l e s ，2 0 0 4 ，3 4 ( 2 ) ：7 7 9 6 F R I E D R I C HK ，F A K I R O VS ，Z H A N GZ h o n g P o l y m e r C o m p o s i t e s ：F r o mN a n o -

29、 t oM a c r o - s c a l e M B e d i n ： s p n n g e r 。2 0 0 5 ：2 1 7 2 1 8 W H I T E S I D EJB ，D E L A S IRJ 。S C H U U 匝RL M e a s u r e m e n to f p r e f e r e n t i a lm o i s t u r ei n g r e s si nc o m p o s i t e w i n g s p a rj o i n t s J C o m p o s i t e sS c i e n c ea n dT e c h n o

30、 l o g y ， 1 9 8 5 ，2 4 ( 2 ) ：1 2 3 1 4 5 谢向利，赵龙缝纫对纤维增强复合材料性能的影 响 J 航空制造技术，2 0 0 3 ( 6 ) ：4 I 一4 3 X I E ) 【i a n 出，Z H A OL o n g E f f e c to fs t i t c h i n go np r o p e r t i e s o ff i b e rr e i n f o r c e dc o m p o s i t e s J A e r o s p a c eM a n u f a c t u r e T e c h n o l o g y ，2

31、 0 0 3 ( 6 ) ：4 1 4 3 K I Mj i n c h e l o ，L E Ey o n # e u n ，L I Mb u m s o o n ，e ta 1 C o m p a r i s o no ft e n s i l ea n dk n o ts e c u r i t yp r o p e r t i e so fs u r g i c a l s u t u r e s 【J JM a t e rS c i ：M a t e rM e d ，2 0 0 7 ( 1 8 ) ：2 3 6 3 2 3 6 9 王文祖，张佩华，刘伟强医用真丝编织缝合线的编 织工艺

32、研究 J 纺织学报，2 0 0 1 ，2 2 ( 2 ) ：3 4 3 7 W A N GW e n z u 。Z H A N GP e i h u a ，L I UW e i q i a n g As t u d y o nb r a i d i n gp a r a m e t e r so fm e d i c a ls i l kb r a i ds u t u r e 【JJ J o u r n a lo fT e x t i l eR e s e a r c h ，2 0 0 l ，2 2 ( 2 ) ：3 4 3 7 王荣荣，马崇启，黄故丙纶，玻璃纤维包芯纱的研 制 J 玻璃钢，

33、复合材料，2 0 0 7 ( 3 ) ：4 l 一4 4 W A N GR o n g r o n g ，M AC h o n g q _ i ，H U A N GG u I n v e s t i g a t i o n o fp o l y p m p y l e n e g l a s sC 0 1 “ es p i ny a r n J F i b e rR e i n f o r c e d P l a s t i c C o m p o s i t e s ，2 0 0 7 ( 3 ) ：4 1 4 4 1 J 1 J 1l-1J 1 J 1 J 1 J 1 l - 1 J 1 J l 2 3 4 5 6 7 8 9 m r L r L r L r L r L r L r L r L r L r L 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark