纬编轴向织物的开发与应用

丛洪莲+雷惠

摘要：本文介绍了纬编轴向织物的特点及应用，比较了其与经编轴向织物、缝编轴向织物的性能和生产优势，分析了不同类型纬编轴向织物的生产原理及编织工艺，对比了目前纬编轴向织物生产过程中常用原料的特点和应用情况，阐述了影响纬编轴向织物性能的因素和指标，可为纬编轴向织物的开发和应用提供理论支持。

关键词：纬编轴向织物；产业用；工艺；原料；性能

中图分类号：TS186.5 文献标志码：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

轴向织物是指在织物中平直地衬入纱线的一类纺织品，又被称为无屈曲织物（noncrimp fabirc）。轴向织物使一些编织性能差的纤维得以在织物中应用，例如玻璃纤维、碳纤维等。轴向织物与树脂等复合形成的纺织基复合材料具有质轻价廉等优点，广泛应用于产业用领域，产品种类包括防弹头盔、防弹背心、防弹安全轿车、医用脚托、风力发电叶片、增强混凝土材料等。

目前纺织轴向织物中应用最多的是经编轴向织物，经编轴向织物中的衬纱可以保持伸直状态，最大限度地保留纱线的力学性能，国内外对经编轴向织物的研究众多；与其相比纬编轴向织物在生产效率、工艺便捷性方面存在一定劣势，但是在织物性能方面，纬编轴向织物除了拥有经编轴向织物的性能优点之外，在织物成型性和延伸性方面具有独特优势，成为产业用领域的新宠。国内外对纬编轴向织物的重视程度不断提高，着力研究其工艺及设备的改进，提升产品的科技含量和附加值，来满足特殊领域的要求。

1 纬编轴向织物的优点

根据编织方式不同，轴向织物分为经编轴向织物、纬编轴向织物和缝编轴向织物。缝边织物一般在马里莫缝编机上编织，它的缺点是衬纬纱线不能以90°进行铺放，且不同层衬纬纱线相互交替。经编轴向织物中衬纱呈直线状态铺覆，是良好的板材基布，但当用作复杂曲面制品模压成形时，其成形性能却不理想，会出现起拱现象，且当衬纱层数较多时，织针编织过程中难免会损伤铺层的衬纱。与其它类型的轴向织物相比，纬编轴向织物具有以下优点：（1）原料适应性广、编织工艺灵活、可设计性强；（2）试样编织时门幅的设定灵活度高、机号改变方便；（3）无须进行整经，可以采用较少的纱管数直接编织；（4）织物的弹性和延伸性好，适宜加工复杂外形的成形产品，具有极好的模压成型性；（5）可以进行成形编织，生产三维立体结构。

2 纬编轴向织物的类型

纬编轴向织物按照编织机器类型分为圆纬编轴向织物和横编轴向织物，不同编织方式具有不同的特点。横编轴向织物的优点是织物衬垫厚度可以任意调节，最大厚度可以达到 5 层（8 mm），横机强大的收放针功能使其能够进行成型编织，在编织形状复杂和组织结构特殊的针织物方面有独特优势，无需裁剪即可编织三维全成型织物，如三通管、弯管等；但是横机机头采用直线往复编织，机速难以提高，编织效率比较低。圆纬编轴向织物可以解决横编织物编织效率低的缺点，在编织圆筒形时具有得天独厚的优势，但是圆纬编织物呈螺旋形，在一定程度上削减了纱线的力学性能，受到针筒直径的限制，幅宽较小。目前开发比较多的纬编轴向织物有：筒形双轴向纬编织物、多层双轴向纬编织物、多层多轴向纬编织物以及双轴向纬编间隔织物。

2.1 筒形双轴向纬编织物

筒形双轴向纬编织物是在圆纬机上编织的一类连续的圆筒材料。以平针组织作为绑缚系统，在经向和纬向衬入纱线形成稳定结构，图 1 为该织物的几何结构图。编织时经纱通过固定在针筒上的经纱导纱管输入，纬纱通过固定在三角座上的纬纱导纱管随着三角的转动衬入。经纱和纬纱都垫入织针的针背处，织针上升穿过衬经衬纬纱线层，垫纱成圈编织的新线圈将衬纱固定在织物中，形成稳定的织物结构，图 2 为筒形双轴向织物的编织原理图。

由于织物的筒径大于织物内壁，导致织物发生起拱现象，织物起拱引发织物发生织缩，在织物表面产生褶皱。为了解决织物在编织过程中容易发生起拱和起皱现象，需要采用曲线针筒内壁的方法和间隙式感应卷布法对圆纬编机器进行改进。

2.2 多层双轴向纬编织物

多层双轴向纬编织物通常在横机上进行生产，横机的编织方式与经编相似，因此在编织的便捷性方面要优于圆纬编机，只需要采用改进的导纱器和衬纱装置，即可生产出性能优异的轴向织物。采用 1 + 1 罗纹组织编织捆绑系统，织物中包含 3 层衬纬纱和 2 层衬经纱，衬纱位于罗纹前后表层之间，每层衬纱的原料可以不同。罗纹组织具有良好的弹性和延伸性，因此织物的成形性好。可以作为模压头盔，医用脚拖等复杂曲面结构复合材料的基材。

2.3 多层多轴向纬编织物

多层多轴向纬编组织的绑缚系统采用平针组织，衬纱除了0°和90°外还加入了±45°方向的衬纱，因此织物可以分担各个方向的负荷，提升了织物的整体力学性能。图 3 所示为多轴向增强纬编针织物几何结构。

2.4 双轴向增强纬编间隔织物

双轴向增强纬编间隔织物是在改进的横机上进行编织的，实现了轴向增强织物与间隔织物的有机结合。织物在前后针床分别编织平针组织，前后 2 片通过特殊的导纱器进行连接，经纱和纬纱平直地衬入前后针床的平针组织中。图 4 所示为双轴向增强纬编间隔织物结构图侧视图。织物的厚度可以通过前后针床之间的位置进行调节。由于采用了全新的间隔方式，可以编织不同厚度的间隔织物，用于质量轻、强度高的夹心结构复合材料。

3 纬编轴向织物的原料

纬编轴向织物中存在绑缚纱和衬纱。绑缚纱所用原料种类比较多，有常规化纤低弹丝、网络丝、牵伸丝，还有高性能纤维，通常情况下采用涤纶低弹丝或高强涤纶丝。衬纱应用较多的是高性能玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维以及高强度涤纶等，其中玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维的应用较多。在最近的应用研究中，高强聚乙烯纤维的研究比重在不断上升。在织物结构、复合方式相同的情况下，衬纱的类型对纬编轴向织物及其增强复合材料的性能影响较大。

3.1 玻璃纤维

玻璃纤维是一种脆性材料，强度高、绝缘性和保温性好，通常利用玻璃纤维作为衬纱编织纬编轴向织物作为复合材料增强体，复合树脂形成性能优良的结构材料，一般用作制造风力发电叶片。按照组分和性质的差异，玻璃纤维可以分为不同级别，目前常用的是E级玻璃纤维，但是其密度大，不利于叶片转速的提高，且易被无机酸腐蚀。随着S级玻璃纤维生产工艺的改进，E级玻璃纤维终将被S级玻璃纤维取代。玻璃纤维编织的纬编轴向织物通常应用于风力发电叶片、增强混凝土材料等。

3.2 碳纤维

碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维。碳纤维的轴向强度和模量高、耐疲劳性能好、热膨胀系数小，耐腐蚀性好、密度小，是新一代优良增强纤维，其价格也远远高于玻璃纤维。随着纳米技术的发展，碳纳米结构材料应运而生，碳纳米材料具有更好的抗冲击性、抗弯强度和导电性，使碳纤维在复合材料领域发展的空间更加广阔。

3.3 超高分子量聚乙烯纤维

聚乙烯纤维由线型聚乙烯纺制而成，韧性较好，具有良好的耐化学药品性、耐腐蚀性和电绝缘性，耐热性差但耐湿热性较好，耐光性较差但价格较低。在纬编轴向织物中一般作为衬纱衬入织物系统内，其织物可应用于防弹背心、医用脚拖等对织物延伸性、成形性要求较高的产品中。

3.4 芳纶

芳纶是一种新型合成纤维，具有超高强度和高模量，耐高温、耐酸碱腐蚀、质量轻、绝缘性好、生命周期长等优良性能，价格相对较高。在纬编轴向织物中，芳纶纤维既可以作为衬纱，衬入织物中，也可以作为编织纱线形成捆绑系统。芳纶纤维纬编轴向织物多用于防弹背心、防弹头盔、安全头盔等军用领域。

4 纬编轴向织物的性能特点

纬编轴向织物的衬纱呈平直状态绑缚在织物中，织物具有良好的结构稳定性和力学性能。由于衬纱的组分、容纱量和线密度可以根据实际需要进行设计改变，因此纬编轴向织物的力学性能可以在一定范围内变化。

4.1 弯曲性能

纬编双轴向织物增强复合材料具有良好的弯曲性能。对于衬纱采用单一纤维的纬编轴向织物增强复合材料，玻璃纤维增强复合材料的弯曲比强度和弯曲比模量高于高强聚乙烯纤维增强复合材料，玻璃纤维与高强聚乙烯纤维层间混合织物增强复合材料的比强度和比模量介于两者之间。

4.2 拉伸性能

纬编轴向织物中的衬纱处于平行伸直状态，其对高强高模纱线力学性能的利用率达90%，远远高于机织物。双轴向纬编复合材料具有很好的拉伸性能，较高的拉伸强度和弹性模量，且横向拉伸性能优于纵向。在拉伸破坏过程中主要破坏模式为纤维抽拔断裂和各层增强织物之间分层，层内有少部分的分层出现，其拉伸断裂为脆性断裂。采用芳纶纤维作为衬纱生产复合材料时，其拉伸性能优于玻璃纤维。

4.3 剪切性能

纬编轴向织物中的绑缚系统通常采用罗纹组织或者平针组织，其在织物的任意方向上均具有延伸性。衬纱在织物中分层平铺，无交织屈曲，在受到外力作用时，会发生滑移和转动，产生自由剪切，衬纱可沿±45°方向发生集束，因而抗剪切性能良好；而且其变形性比经编轴向织物更加灵活，模压成形性良好，避免了起拱现象。

4.4 冲击性能

冲击性能指的是复合材料吸收冲击能量的性能。不同材料的冲击性能由大到小为：高强聚乙烯纤维复合材料>芳纶纤维复合材料>玻璃纤维复合材料。利用 2 种纤维混合编织的增强复合材料的冲击性能介于 2 种单一纤维编织的增强复合材料之间。

4.5 平压性能

平压性能是衡量双轴向增强纬编间隔织物性能的一个重要指标。采用E型玻璃纤维作为衬纱和连接纱，高强涤纶丝作为编织纱编织的纬编间隔织物作为增强体形成的复合材料与泡沫夹层复合材料的平压性能对比可以发现，其平压强度是泡沫夹层结构的 2 倍，平压弹性模量是泡沫夹层结构的 4 倍。因此双轴向增强纬编间隔织物具有良好的力学性能和稳定性。

5 结论

纬编轴向织物不仅具有经编轴向织物的优点，而且其原料适应性广、幅宽变化灵活、打样方便、成形性好，在产业用领域具有独特的用途。目前开发较多的纬编轴向织物有筒形双轴向纬编织物、多层双轴向纬编织物、多层多轴向纬编织物以及双轴向纬编间隔织物。不同结构的织物有各自的优缺点，在生产实践领域，可以根据实际需要，趋利避害加以利用。纬编轴向织物中对织物性能影响较大的是衬纱的原料，常用的衬纱原料有玻璃纤维、碳纤维、芳纶以及超高模量聚乙烯纤维等。随着科技的不断进步，更多的新型纤维将应用于纬编轴向织物的生产中，提高其科技含量和附加值。

参考文献

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[17] 乔东，胡红.新型双轴向增强纬编间隔织物复合材料的制造及平压性能研究[J].山东纺织科技，2007（6）：48-50.

5 结论

纬编轴向织物不仅具有经编轴向织物的优点，而且其原料适应性广、幅宽变化灵活、打样方便、成形性好，在产业用领域具有独特的用途。目前开发较多的纬编轴向织物有筒形双轴向纬编织物、多层双轴向纬编织物、多层多轴向纬编织物以及双轴向纬编间隔织物。不同结构的织物有各自的优缺点，在生产实践领域，可以根据实际需要，趋利避害加以利用。纬编轴向织物中对织物性能影响较大的是衬纱的原料，常用的衬纱原料有玻璃纤维、碳纤维、芳纶以及超高模量聚乙烯纤维等。随着科技的不断进步，更多的新型纤维将应用于纬编轴向织物的生产中，提高其科技含量和附加值。

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5 结论

纬编轴向织物不仅具有经编轴向织物的优点，而且其原料适应性广、幅宽变化灵活、打样方便、成形性好，在产业用领域具有独特的用途。目前开发较多的纬编轴向织物有筒形双轴向纬编织物、多层双轴向纬编织物、多层多轴向纬编织物以及双轴向纬编间隔织物。不同结构的织物有各自的优缺点，在生产实践领域，可以根据实际需要，趋利避害加以利用。纬编轴向织物中对织物性能影响较大的是衬纱的原料，常用的衬纱原料有玻璃纤维、碳纤维、芳纶以及超高模量聚乙烯纤维等。随着科技的不断进步，更多的新型纤维将应用于纬编轴向织物的生产中，提高其科技含量和附加值。

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