碳纖維織造的技術(shù)

碳纖維織造的技術(shù)織造技術(shù)的開展早在公元前5000年，世界文明發(fā)源地就有了紡織品生產(chǎn)，例如非洲尼羅河流域的亞麻紡織、我國黃河、長江流域的紡織和絲綢紡織等。公元前500年我國就有了腳踏織機(jī)。早在150年前，有梭織機(jī)開場逐步代替手工織布，其產(chǎn)量比手工織布的產(chǎn)量高出一倍，1844年開場出現(xiàn)無梭織機(jī)，劍桿織機(jī)創(chuàng)造于1870年，我國20世紀(jì)60年代中期開場研制劍桿織機(jī)，并成功地應(yīng)用在有梭織機(jī)的技術(shù)改造上。20世紀(jì)末，計算機(jī)被應(yīng)用到織造機(jī)械，許多電子引緯和開口裝置及系統(tǒng)應(yīng)用到眾多織機(jī)總，使劍桿織機(jī)的轉(zhuǎn)速和入緯率大大提高。撓性劍桿織機(jī)的速度和入緯分別到了700rpm和1500rpm。進(jìn)入21世紀(jì)后，劍桿織機(jī)的開展已不再單純追求速度和入緯率，研究重點轉(zhuǎn)向提高織機(jī)的產(chǎn)量及運轉(zhuǎn)性能、提高織造效率及產(chǎn)品質(zhì)量?？棛C(jī)制造商所努力的方向為對應(yīng)各種各樣緯紗，織造高附加值織物。新型劍桿織機(jī)已根本實現(xiàn)了電子技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、傳感技術(shù)與織機(jī)機(jī)械的完美結(jié)合，使得劍桿織造技術(shù)到達(dá)了一個嶄新水平。近年來，在航空航天工業(yè)開展的推動下，興旺國家的高性能纖維紡織裝備技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，電子化自動控制的劍桿織機(jī)、多軸向經(jīng)編機(jī)等關(guān)鍵技術(shù)裝備的研制獲得成功，碳纖維織物的品質(zhì)和性能得到大幅度提升。我國高性能復(fù)合材料技術(shù)研究始于20世紀(jì)70年代，經(jīng)過30多年的開展，工藝裝備技術(shù)水平有了很大的開展，計算機(jī)控制的纖維劍桿織機(jī)、縫邊機(jī)、編織機(jī)等現(xiàn)代化紡織預(yù)成型設(shè)備國已有引進(jìn)。雖然我國碳纖維織物的研究在國家重大科技專項需求的牽引下得到了迅速的開展，取得了一定的成績，但是與興旺國家相比，目前我國碳纖維設(shè)備依舊落后很多?？椩旃に嚳椩焓且环N根本的紡織工藝能夠使兩條以上紗線在斜向或縱向互相交織形成整體構(gòu)造的預(yù)成形體。根據(jù)不同的織造手法，可分為以下四種織造工藝。1、 梭織〔weaving］:使用梭子〔shuttle〕的運動來配送緯紗而交織經(jīng)紗。2、 編織〔braiding］:以攜紗器〔carrier〕的運動來配送編織紗以交織軸向紗，在沒有軸向紗的情況則編織紗互相交織。3、 針織〔knitting］:以鉤針的運動來使紗線形成環(huán)構(gòu)造，套環(huán)的交織便形成織物。4、 針縫〔stiching〕：以縫線的方式將兩軸以上的平面不交織的構(gòu)造縫合在一起?？椩煸O(shè)備梭織可以說是最古老的織布技術(shù)，至今許多手工織布事實上就是一種簡化的梭織發(fā)。梭織的目的不外乎將兩套垂直的紗線互相交織而形成一塊平面織物。從梭織的外表說明就是使用梭子來回在緯向運動，從而帶入緯紗。以下為簡單的梭織機(jī)平面示意圖，其中包括了幾個重要局部，經(jīng)紗〔warpyarn〕從盤頭伸出，穿過綜框〔harness］，再經(jīng)鋼筘〔reedorbatter〕到織口與緯紗〔weftyarn〕交織，成形的織物卷取后完成。綜框的構(gòu)造包含總是〔heddle］，綜絲上有綜絲眼〔heddleeyelet］，經(jīng)紗穿過綜絲眼，由綜框的上下運動形成經(jīng)紗的開口，開口的目的就是使梭子能通過，梭子來回運動交織緯紗。綜框的數(shù)目至少是兩個以上，例如，平紋織物中，單數(shù)的經(jīng)紗穿過一綜框而雙數(shù)穿過另一綜框。更復(fù)雜的織造，則需要更多的綜框與綜絲上下運動來控制。鋼筘的作用是打緯〔beatup］，使剛由梭子帶過的緯紗能整齊排列并增加織物密度。其運動方式是鋼筘先是后退，待梭子通過后則鋼筘向前將緯紗推至織口，再后退等下一次打緯。這種傳統(tǒng)的技術(shù)事實上幾乎完全被無梭織機(jī)取代了，例如噴水式及噴氣式織機(jī)和劍桿式織機(jī)，從而大大提升織布速度。機(jī)電一體化技術(shù)使無梭織機(jī)生產(chǎn)自動化到達(dá)很高水平，對提高織機(jī)的速度和生產(chǎn)效率、擴(kuò)大品種、提高產(chǎn)品質(zhì)量發(fā)揮了重要作用。根據(jù)引緯方式的不同，無梭織機(jī)又可分為噴氣織機(jī)、噴水織機(jī)、片梭織機(jī)和劍桿織機(jī)。噴氣織機(jī)以壓縮空氣為動力，靠氣流將緯紗引入織口，選色最多可達(dá)8色，適用于織制批量大、品種翻改少的織物的織機(jī)。但該類織機(jī)能源消耗較大，一次性投資大，一般用于織造棉織物、牛仔織物、防羽絨織物等。噴水織機(jī)以噴出水柱為動力，靠水壓將緯紗引入織口，緯紗的選色最多為4色，只能適應(yīng)疏水性織物的織造，導(dǎo)致產(chǎn)品織造的局限性。且由于全球水資源受到保護(hù)，所以使得噴水織機(jī)的推廣及應(yīng)用受到很大的限制。片梭織機(jī)是目前無梭織機(jī)中適應(yīng)圍最廣的，但由于其材質(zhì)和制造精度要求非常高，織機(jī)價格昂貴是缺點。片梭織機(jī)引緯是依靠投梭棒撞擊小梭子的單向運動引緯，最大幅寬可達(dá)5400mm，緯紗的選色最多為6色。在產(chǎn)業(yè)用紡織品領(lǐng)域，尤其是特寬幅產(chǎn)品，尤其獨特的優(yōu)勢。劍桿織機(jī)則通過劍桿帶著劍頭將緯紗引入織口。劍桿的類型一般可分為剛性劍桿、撓性劍桿和可伸縮式三大類，劍桿織機(jī)主要應(yīng)用于服裝、裝飾用面料，以及局部產(chǎn)業(yè)用紡織品的織造。相比擬與其他無梭織機(jī)引緯方式，劍桿織機(jī)有如下特點：（1） 適用于多色引緯，可以生產(chǎn)16色引緯的多式把戲圖案的織物產(chǎn)品；（2） 積極式的劍桿驅(qū)動，還可以對許多引緯比擬困難的紗線進(jìn)展引緯；（3） 品種更改比擬靈活，適應(yīng)小批量、多品種織物的織造；（4） 一次性投入小，能耗低，可小規(guī)模投入生產(chǎn)。碳纖維織造碳纖維是一種具有碳材料的固有本征特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性的高性能纖維。碳纖維具有高強(qiáng)度、剛度的特點，但是延伸率小、外表不耐磨，其紡織工藝性較差，對紡織工藝設(shè)備的依賴程度高。采用編織、梭織、針縫等紡織工藝，將碳纖維材料穿插、排列、組合，相互作用而形成的具有實用構(gòu)造、性質(zhì)和形狀的碳纖維織物。常見的碳纖維織物種類有平紋織物、斜紋織物和綢紋織物。最常見的是平紋織物，即緯紗上下交替穿過每一根經(jīng)紗。平紋布的穩(wěn)定性高和一定的孔隙率，但是隨形性較差，而且由于波紋較多也會影響機(jī)械性能。特別是對于高密度纖維波紋更為明顯，因此這種織法較少用于制造高密度纖維織物。斜紋織物中一支或多支緯紗按照固定的穿插方式上下交替穿過兩根以上的經(jīng)紗在外表形成連續(xù)或連續(xù)的斜紋圖案。斜紋織物隨形性，浸潤性均優(yōu)于平紋織物，但穩(wěn)定性不如平紋織物。同時由于波紋較少，外表較平紋織物更為平滑，機(jī)械性能也高于平紋織物。緞紋織物指緯紗按照*種順序穿過幾根經(jīng)紗，按照每個織紋重復(fù)單元的紗線數(shù)目分類，主要有4-通，5-通和8-通沙緞。緞紋織物波紋少性能高，浸潤性和隨形性好，但穩(wěn)定性較差。由于緞紋織物的不對稱性導(dǎo)致一側(cè)經(jīng)紗較多，而另一側(cè)緯紗較多。特別是在制作多層織物時需要注意防止由于不對稱而產(chǎn)生的應(yīng)力集中。碳纖維織機(jī)原理碳纖維織機(jī)原理為：經(jīng)紗從織軸〔經(jīng)軸、紗架〕上退繞下來，通過力補(bǔ)償裝置，紗線穿過綜絲眼，由綜絲控制其運動，通過綜絲的上下運動形成梭口，與緯紗在織口處交織成織物，最后通過卷取裝置被引至卷取輥而形成布卷?？棛C(jī)由送經(jīng)、開口、引緯、打緯和卷取5大機(jī)構(gòu)組成。（1） 送經(jīng)機(jī)構(gòu)在織造過程中，經(jīng)紗與緯紗交織形成的織物被引離織口，為保證織造過程的持續(xù)進(jìn)展，織軸上應(yīng)送出一定長度的經(jīng)紗，使織機(jī)上的經(jīng)紗力嚴(yán)格控制在一定圍。送經(jīng)機(jī)構(gòu)的工藝要求如下：確保從紗架均勻送出經(jīng)紗，以適應(yīng)織物形成；保證經(jīng)紗符合工藝要求的上機(jī)力，并保持在織造過程中力穩(wěn)定，波動?。槐ＷC經(jīng)紗送出量并與卷取運動配合協(xié)調(diào)，使織造順利進(jìn)展；品種適應(yīng)性強(qiáng)，故障小，維修和調(diào)節(jié)方便。（2） 開口機(jī)構(gòu)開口機(jī)構(gòu)的作用就是根據(jù)織物的交織規(guī)律，在規(guī)定的時間，按序帶動經(jīng)紗，將經(jīng)紗分為上下2層，形成梭口，以便引緯，等緯紗引入后，梭口閉合，使經(jīng)紗與緯紗形成交織狀態(tài)。開口機(jī)構(gòu)必須具備兩個根本作用：一是要使綜框或綜線作升降運動，另一個就是根據(jù)織物組織要求來控制綜框升降順序。開口機(jī)構(gòu)形式很多，有四連桿開口，共軛凸輪開口機(jī)構(gòu)，凸輪開口機(jī)構(gòu)，多臂開口和提花開口機(jī)構(gòu)等。四連桿開口和共軛凸輪開口只能織平紋織物，凸輪開口可以配置不同的凸輪，織平紋、斜紋、綢紋等織物，這些開口所能織的織物的綜框頁數(shù)，最多只能到達(dá)6-8頁。多臂開口機(jī)構(gòu)可以織小提花織物，一般配16也綜框，最多為32頁。這些開口機(jī)構(gòu)都是由綜框的運動來帶動掛在每頁綜框上的經(jīng)紗上下運動，每頁綜框上的經(jīng)紗運動規(guī)律必須是一樣的。（3） 引緯機(jī)構(gòu)引緯機(jī)構(gòu)的作用就是在開口機(jī)構(gòu)將經(jīng)紗分成上下兩層形成梭口后，將緯紗及時引入梭口，使緯紗與經(jīng)紗形成交織。碳纖維織機(jī)使用的是剛性劍桿引緯機(jī)構(gòu)，分為單劍桿引緯和雙劍桿引緯。對于寬幅小的織物，通常采用單劍桿引緯機(jī)構(gòu)，劍桿從一邊穿入梭口，將緯紗引出梭口后，完成一次引緯。雙劍桿引緯機(jī)構(gòu)包含一個送緯劍和一個接緯劍，當(dāng)送緯劍帶著緯紗運動到梭口中間，接緯劍將緯紗接住，然后引出梭口，完成一次引緯。（4） 打緯機(jī)構(gòu)打緯機(jī)構(gòu)的作用就是將已經(jīng)引入梭口的緯紗打入梭口，以形成織物。常用的打緯機(jī)構(gòu)有四連桿打緯機(jī)構(gòu)，共軛凸輪打緯機(jī)構(gòu)，六連桿打緯機(jī)構(gòu)，其中四連桿的打緯機(jī)構(gòu)簡單，容易制造，但筘座后心沒有停頓時間；共軛凸輪打緯機(jī)構(gòu)可以使筘座在因為期間靜止不動，延長引緯時間，但制造難度大，精度要求高，達(dá)不到精度要求的話振動大；六連桿打緯機(jī)構(gòu)可以使鋼筘在后心有接近停頓的時間。本織機(jī)采用四連桿打緯機(jī)構(gòu)，由伺服電機(jī)直接控制，保證筘座在后心位置停頓，使筘垂直于布面將一個斷面的緯紗平推入織口。（5） 卷取機(jī)構(gòu)卷取機(jī)構(gòu)的作用就是把已經(jīng)織好的織物引離織口，卷到卷取輥上，以保證連續(xù)生產(chǎn)織物，同時使織物到達(dá)一定的緯密。一般輕薄的織物采用卷繞式卷取機(jī)構(gòu)，保證連續(xù)生產(chǎn)織物；較厚或異形截面織物采用平移式，由幾組羅拉相對運動平移牽引織物。高品質(zhì)碳纖維織物的織造碳纖維織物的品質(zhì)取決于碳纖維的品質(zhì)、織造設(shè)備的先進(jìn)水平和織造者的嫻熟程度。從外觀上高品質(zhì)的碳纖維織物看起來平整、沒有色差和毛絲，手觸光滑、經(jīng)緯交織形成的屈曲波大小一致。僅從碳纖維織造設(shè)備方面考慮的話，要織造高品質(zhì)的碳纖維織物，需要從減少摩擦和力控制兩個方面下工夫。碳纖維是一種不耐磨的材料，織造過程中的摩擦容易造成毛絲和單絲斷裂，降低碳纖維織物的品質(zhì)。而在碳纖維織造過程中，纖維與纖維之間、纖維與編織機(jī)構(gòu)之間均會發(fā)生摩擦。因此，在設(shè)備設(shè)計中出處需要表達(dá)低磨損的設(shè)計理念，在經(jīng)向和緯向碳纖維所經(jīng)過的通道上，均采用光滑的瓷導(dǎo)眼，各個轉(zhuǎn)動軸外表鍍硬鉻，非常光滑，不對碳纖維造成傷害。并通過控制紗線的織造力、織造機(jī)構(gòu)的外表處理、機(jī)構(gòu)運動的優(yōu)化設(shè)計等措施，減少碳纖維在織造過程中的磨損，提高織物性能。力控制是織造高品質(zhì)碳纖維織物的關(guān)鍵因素。一條完整的碳纖維編織布生產(chǎn)線由一臺現(xiàn)代化的織機(jī)，一個紗架和一臺用于織物收卷的收卷機(jī)組成。在碳纖維的織造過程中，力控制分為3個區(qū)間：①從紗架到力機(jī)的區(qū)間；②力機(jī)到織機(jī)后梁的區(qū)間；③織機(jī)后梁到卷取輥的區(qū)間。紗架在織造過程中對碳纖維施予第一個力。每個紗架上面有好幾百錠碳纖維同時放卷，光是依賴簡單的剎車裝置無法保證不同經(jīng)紗可以得到一樣的力。得益于現(xiàn)代化的電子技術(shù)，用傳感器檢測每根紗線的力，并用一個中央制動系統(tǒng)進(jìn)展統(tǒng)一調(diào)控，對所有紗筒進(jìn)展同時、集中、無級進(jìn)展力調(diào)節(jié)，實現(xiàn)經(jīng)紗之間的力一致。在織造的過程中，織機(jī)對碳纖維織物的質(zhì)量起到最大的作用。經(jīng)紗經(jīng)過進(jìn)入織機(jī)時需要有足夠的力補(bǔ)償，織口開合的過程中經(jīng)紗的力也要可控并一致，形成織物后要平整地引出織機(jī)，整過過程對力的控制需要十分準(zhǔn)確，才能織出高品質(zhì)的碳纖維織物。收卷機(jī)的收卷力矩是要可調(diào)的，控制織物的收卷面平直。收卷的過程中的力需要不斷調(diào)整，對織物卷進(jìn)展壓實，防止層數(shù)堆積而造成層的織物被壓變形。紗架、織機(jī)、收卷機(jī)之間承前啟后卻又互相獨立運行，無縫連成一體需要經(jīng)過一定程度的改造。配備電控系統(tǒng)讓編織、碳纖維力控制及織物的收卷變得更簡單高效。安裝電子同步裝置實現(xiàn)整條生產(chǎn)線電子化，同步驅(qū)動，全自動控制。上述的是對經(jīng)向紗的力控制，要獲得高品質(zhì)的碳纖維織物，同時需要對緯向紗進(jìn)展力控制。最常用的碳纖維織機(jī)寬幅為1米至1.5米，為什么不用更大寬幅的織機(jī)以提高織造效率呢？因