多层衬纬机织针织复合织物的拉伸性能

袁新林， 徐艳华， 王 妮

(1.常州大学 艺术学院，江苏 常州 213164；2.东华大学 纺织学院，上海 201620)

多层衬纬机织针织复合织物的拉伸性能

袁新林1， 徐艳华1， 王 妮2

(1.常州大学 艺术学院，江苏 常州 213164；2.东华大学 纺织学院，上海 201620)

为给多层衬纬机织针织复合织物的产业应用提供参考，衬纱和针织纱选用芳纶纤维编织出一种新型织物，并对该织物进行轴向的拉伸试验，分析比较织物纵向和横向的拉伸性能.研究表明：在多层衬纬机织针织复合织物拉伸过程中，先是衬纱结构和针织结构的整体拉伸，然后是衬纱的拉直伸长，直到衬纱结构拉断破坏，最后是针织纱的交替伸长和滑移，直到针织结构脱套破坏；针织结构的捆绑作用使得平直衬入的纬纱产生屈曲，屈曲程度与交织衬入的纬纱相当；衬纱的屈曲及针织纱的弯曲穿套均影响各自纱线强力的利用.

多层衬纬机织针织复合织物； 拉伸性能； 负载； 伸长率； 纱线强力； 破坏过程

在纬编组织中衬入经纱和纬纱可形成双轴向纬编针织物，将经、纬纱平直衬入形成纬编双轴向多层衬纱(MBWK)织物，将经、纬纱交织衬入则形成机织针织复合(CWK)织物[1-2].纬纱既有平直衬入又有交织衬入，则可形成多层衬纬CWK织物[3].国内自研制出CWK织物以来，对CWK织物及其增强复合材料性能的有关研究才渐见报道.高性能纤维编织的CWK织物兼有机织物和针织物的一些性能，其拉伸与撕裂性能与加载方向紧密相关[1，4-5]，而其复合材料有较好的拉伸性能，表现为脆性断裂[6-8]，拉伸性能对应变率敏感，因此CWK复合材料属轻质高吸能材料[9-11].CWK复合材料又有较好的轴向弯曲性能，且表现为韧性断裂[12-15].纱线衬入方式的不同，使得CWK织物增强复合材料的拉伸与弯曲性能稍逊于MBWK织物增强复合材料的[8， 14-15].在预测模型方面，有CWK织物增强复合材料几何模型及准静态拉伸弹性常数预测模型，根据模型计算的纱线长度、纤维体积分数和弹性常数均与实测值有很好的一致性[16-17]；也有高速拉伸性能的有限元模型及其简化模型，由模型预测的高应变率下拉伸强度和破坏形态与试验结果同样有很好的一致性[18-19].

但有关多层衬纬CWK织物的性能研究还鲜见报道，本文通过试验的方法对芳纶纤维多层衬纬CWK织物的轴向拉伸性能进行测试和分析，旨在为这种新型的多层衬纬CWK织物的设计和应用提供参考，扩大其潜在的应用范围.

1 试验部分

1.1 织物结构与规格

多层衬纬CWK织物的结构如图1所示，其与CWK织物[1， 4， 6-7]相比，除针织纱、经纱和交织衬入的纬纱相同外，增加了平直衬入的纬纱.针织纱、经纱和交织衬入的纬纱形成的结构分别与CWK织物相同，平直衬入纬纱则是平直衬在机织变化平纹组织和1+1罗纹线圈之间.平直衬入纬纱、交织衬入纬纱和经纱一起形成的结构可称为衬纱结构.因此，在织物的一个结构单胞中，增加的2根平直衬入纬纱衬于1+1罗纹线圈横列中，并由变化平纹组织隔开，上、下表面各衬1根.针织纱、经纱、平直衬入纬纱和交织衬入纬纱均选用芳纶纤维长丝纱，线密度依次为44，165，88和44tex，在机号为16针/25.4 mm专用横机[3]上编织出多层衬纬CWK织物.经纱、平直衬入纬纱和交织衬入纬纱的衬入密度依次为63.39， 142.86和285.71根/10 cm.

(a) 结构示意图 (b) 实物照片图1 多层衬纬CWK织物Fig.1 CWK fabric with multilayer weft insertion

1.2 拉伸试样及试验

由于多层衬纬CWK织物是在CWK织物的基础上增加两层平直衬入的纬纱而成，这是一种新型CWK织物，目前还没有相应的拉伸试验标准，在本文的拉伸性能测试中，参考GB/T 7689.5—2013《增强材料机织物试验方法(第5部分)》.考虑织物中经纱和纬纱的衬入密度较小，且要经纱和纬纱保持完整，试样加工尺寸如图2所示.

图2 拉伸试样尺寸及处理示意图Fig.2 Specification and treatment of the sample

取样后，将试样两端浸渍树脂，并进行固化粘贴铝片处理，如图2所示.夹头夹在铝片上，树脂对芳纶纤维起到保护作用，可使每根纱线所受夹持力一致，试验时纱线不会发生滑移，确保试验结果能正确显示织物的性能.试验仪器使用上海龙华测试仪器有限公司的微机控制电子万能试验机，夹距为170 mm，拉伸有效长度为100 mm，加载速度为50 mm/min，预加张力为10 N，用高速相机记录试样的拉伸变形.为确定针织结构在织物承受拉伸中所起的作用，设置拉伸停止条件为最大拉伸负荷的10%.纵向和横向试样各5块.

2 试验结果与分析

2.1 拉伸曲线特征分析

根据试验数据绘制出的多层衬纬CWK织物的拉伸负荷-伸长率曲线如图3所示.由图3可知，多层衬纬CWK织物轴向的拉伸负荷-伸长率曲线均表现为在伸长率较小时(纵向小于1.20%，横向小于0.20%)，曲线斜率较小，然后经历非线性区的转折点，曲线的斜率较大，且表现为较好的线性，经最大负荷后，曲线呈陡坡状下降，随后在较低的负荷下波动，并呈现较大的伸长，直到试样被破坏.

图3 多层衬纬CWK织物的拉伸负荷-伸长率曲线Fig.3 Load-elongation rate curves of CWK fabric with the multilayer weft insertion

在多层衬纬CWK织物纵向的拉伸初始阶段，即伸长率在1.20%之前，拉伸负荷与伸长率呈较好的线性关系，显示屈曲的经纱在被逐渐拉直的过程中.随后伸长率在1.20%～3.00%之间曲线斜率连续变化，显示经纱逐渐被拉直.在伸长率达到8.19%之前，曲线斜率大且保持不变，显示经纱被拉长.在伸长率8.19%后，曲线呈台阶式急剧下降，显示试样承受最大拉伸负荷后经纱发生断裂.当伸长率在8.19%～12.04%之间，曲线有多个细小的台阶，显示经纱逐批逐次被拉断.在伸长率12.04%后，曲线转为水平延伸，显示经纱均被拉断，衬纱结构被破坏，由针织结构独自承担负荷.在伸长率12.04%～56.69%之间，曲线总体呈略微下凹的更宽的平台状，细部呈密集的细齿形，负荷在小范围内(1.32～2.82 kN)波动，显示针织结构被拉长，不断发生伸长和纱线滑移，针织线圈从试样边缘往中间逐渐发生脱套.在伸长率56.69%后，曲线又呈台阶式下降，显示针织纱在发生伸长和滑移的同时逐次被拉断，衬纱对纱线滑移和线圈脱套起到阻碍作用，最终针织结构脱套被破坏，伸长率为64.27%.

在多层衬纬CWK织物横向的拉伸初始阶段，即伸长率在0.20%之前，拉伸负荷与伸长率呈较好的线性关系，显示屈曲的纬纱在逐渐被拉直过程中.随后伸长率在0.20%～0.50%之间曲线斜率连续变化，显示平直衬入纬纱和交织衬入纬纱均被逐渐拉直.在伸长率达到8.35%之前，曲线斜率大且保持不变，显示纬纱被拉长.在伸长率8.35%后，曲线呈较陡斜线下降，显示试样承受最大负荷后纬纱发生断裂.在伸长率8.35%～10.71%之间，曲线总体线性较好，但也有细小的台阶，显示纬纱逐批逐次被拉断.在伸长率10.71%后，曲线转为上凸式上升，显示纬纱均被拉断，衬纱结构被破坏，由针织结构独自承担负荷，且仍在被拉伸.在伸长率10.71%～31.88%之间，曲线总体呈略微下凹的宽平台状，细部呈密集的细齿形，负荷在小范围内(2.27～3.38 kN)波动，显示针织结构被拉长，不断发生伸长和纱线滑移，针织线圈从试样边缘往中间逐渐发生脱套.在伸长率31.88%后，曲线又呈台阶式下降，显示针织纱在发生伸长和滑移的同时逐次被拉断，衬纱对纱线滑移和线圈脱套起到阻碍作用，最终针织结构脱套被破坏，伸长率为35.44%.

由以上分析可见，多层衬纬CWK织物的轴向拉伸过程包括4个阶段.第1阶段是较小拉伸负荷作用下的衬纱结构和针织结构的整体拉伸，也即经纱或纬纱由弯曲到拉直，在轴向分布的针织纱由弯曲被逐渐拉直；第2阶段是在较大拉伸负荷作用下被拉直的衬纱结构的伸长直至最大负荷；第3阶段是在最大负荷后，经纱或纬纱逐渐被拉断至衬纱结构的破坏，针织结构继续被拉伸；第4阶段是在中等拉伸负荷作用下交替进行的针织纱的伸长和滑移，直到针织结构被破坏.

对比试样纵向和横向拉伸曲线可知，第1阶段织物纵向的整体拉伸长度高于横向.这是由于多层衬纬CWK织物在机上编织时主要是纵向受力，因而织物在纵向有更大的伸长，下机后纵向就有更大的回缩，则在拉伸时表现为更大的整体伸长.第2阶段横向的最大拉伸负荷约为纵向的2倍，这是由于试样宽度内纬纱线密度总值约为经纱的2倍.由此可见，多层衬纬CWK织物轴向最大拉伸负荷由衬纱结构中该方向衬纱的线密度总值决定.第3阶段织物纵向和横向拉伸曲线均呈细小台阶式断裂，两者区别不大.但值得注意的是：衬纱结构中经纱全部是交织衬入，而纬纱既有交织衬入，又有平直衬入.如果平直衬入的纬纱是平直的，则在横向拉伸时其会先于交织衬入的纬纱被拉直，也会先于交织衬入的纬纱被拉断，这样在拉伸曲线的第3阶段上就会出现较大的台阶.而在图3所示拉伸曲线上，横向具有与纵向一样的细小台阶.这说明平直衬入的纬纱在织物中也是屈曲的，且其屈曲程度与交织衬入的纬纱相差不大.图4所示为多层衬纬CWK织物增强复合材料板沿拉伸方向的截面照片，图4(a)所示充分说明平直衬入的纬纱在织物中有屈曲.由图1也可见，针织结构的捆绑作用使得平直衬入的纬纱产生屈曲.

图4 复合材料板中经纬纱的屈曲Fig.4 Buckling of warp and weft yarn in composite

2.2 纵横向伸长率对比

多层衬纬CWK织物在机上编织时，在牵拉张力和给纱张力的共同作用下，经纱、纬纱和针织纱均处于张紧状态，下机后各纱线在织物轴向均产生一定的回缩.对于单纯的针织结构和衬纱结构而言，针织结构的回缩要比衬纱结构大，且针织结构纵向的回缩又要比自身横向的大.因此，多层衬纬CWK织物下机回缩后，织物纵向的回缩比横向的回缩大，经纱的屈曲也要比纬纱的大，如图4所示.横向试样在伸长率为0.50%时，纬纱就被拉直，伸长率为8.35%时，纬纱逐渐被拉断；而纵向试样在伸长率为3.00%时，经纱才被拉直，伸长率为8.19%时，经纱逐渐被拉断.

多层衬纬CWK织物的轴向拉伸过程各个阶段试样伸长率及各纱线拉伸断裂情况如表1所示.

表1 多层衬纬CWK织物拉伸各阶段伸长率对比

由表1可见：多层衬纬CWK织物拉伸第4阶段的伸长率远大于第3阶段的，说明织物中衬纱结构的伸长率远小于针织结构；第4阶段纵向伸长率约为横向的2倍，说明针织结构纵向的伸长率也大于其横向；第3阶段纵向和横向伸长率变化值分别为3.85%和2.36%，说明经纱和纬纱均不是同时断裂的，纵向伸长率变化值约为横向的1.6倍，说明纬纱断裂整齐度要好于经纱；第2阶段纵向的伸长率与横向的相差不大，说明衬纱结构纵向伸长率与横向基本相当；而第1阶段纵向的伸长率约为横向的2倍，说明衬纱结构中经纱的屈曲程度比纬纱的高(如图4所示).

2.3 拉伸强力分析

从上文分析可知，在多层衬纬CWK织物拉伸过程的第2阶段，主要由变形较小的衬纱结构来承担较高的拉伸负荷，在拉伸过程的第4阶段由变形较大的针织结构来承担中等的拉伸负荷.据此可以分析试样中各系统纱线在拉伸过程中的强力利用情况.试样中各系统纱线在拉伸方向分布根数可由各自分布密度和试样宽度获得.

图5所示为多层衬纬CWK织物中衬纱结构和针织结构在拉伸后的变形，据此可确定试样在拉伸方向分布的针织纱根数：横向按一个线圈纵行在试样宽度内沉降弧根数计算，纵向按一个线圈横列在试样宽度内圈柱根数计算.图5中1个1+1罗纹结构单元纵向拉伸为4根(4根圈柱)、横向拉伸为1根(1根沉降弧+1根针编弧).

图5 多层衬纬CWK织物拉伸示意图Fig.5 Diagram of tensile for CWK fabric with multilayer weft insertion

由于芳纶纤维长丝纱在上机编织前都经过络纱，而络纱对其拉伸强力有一定影响，故对络纱后芳纶纤维长丝纱的拉伸强力进行了测定.多层衬纬CWK织物拉伸强力实测值与预测值如表2所示.

表2 多层衬纬CWK织物拉伸强力实测值与预测值比较

由表2可见，多层衬纬CWK织物中横向和纵向各系统纱线拉伸强力均未充分利用，其实测值与预测值的百分比均在80%以下.其原因有3个方面：(1)编织时各系统纱线与编织机件之间的作用造成强力损伤；(2)织物中各系统纱线均有不同程度的屈曲而影响其强力的利用；(3)在试样拉伸第3阶段，同一系统纱线不是同时断裂和同时承担拉伸负荷.

表2中针织结构横向拉伸强力实测值与预测值的百分比低于纵向拉伸，这是由于拉伸状态下，在横向分布针织纱的屈曲高于纵向分布针织纱，即图5(a)中1+1罗纹线圈的沉降弧从织物一面连接到织物另一面，其屈曲要高于图5(b)中只在织物表面的圈柱.衬纱结构纵向拉伸强力的实测值与预测值的百分比低于横向拉伸，这是由经纱的屈曲比纬纱的高所导致的.

在多层衬纬CWK织物受到单轴向拉伸时，该方向的纱线由屈曲状态被拉直，另一轴向纱线的屈曲程度会相应地变大，但两个轴向的纱线之间存在很大的挤压，使得拉伸方向的纱线并不能完全伸直，对拉伸方向纱线的强力利用有较大影响.在衬纱结构被破坏之后，则由针织结构承担负荷，针织纱的弯曲穿套也影响了其强力的利用，正如表2显示针织纱在两个轴向所承担的负荷均小于其强力预测值.

2.4 破坏过程分析

用高速相机记录多层衬纬CWK织物试样拉伸变形过程，结果如图6所示，各图中虚线框表示相同大小的视野.由图6(a)可见，在纵向拉伸过程中，经纱被拉直，交织衬入纬纱弯曲程度增加，针织结构在纵向被拉长，线圈针编弧和沉降弧向圈柱转移，针织结构在横向产生收缩，从而使衬纱结构在横向同步收缩，由针织结构捆绑住的平直衬入纬纱在线圈纵行间逐渐拱起，交织衬入的纬纱逐渐有小的拱起，衬纱的阻碍作用则使针织纱的转移逐次进行.当经纱被拉断(9.80 s)后，试样的横向收缩和纬纱的拱起加剧，经纱随针织结构的拉长而发生抽拔；随着针织纱的转移，收缩较大部位边缘的针织线圈开始脱套，松绑衬纱结构的边缘，经纱和纬纱露出；当边缘的脱套沿线圈横列逐渐向中间发展时，针织结构发生脱套破坏，并可见经纱的抽拔.

(a) 纵向拉伸

(b) 横向拉伸

由图6(b)可见，在横向拉伸过程中，交织衬入的纬纱和平直衬入的纬纱均被拉直，经纱弯曲程度增加，针织结构在横向被拉长，线圈圈柱向沉降弧转移，针织结构在纵向产生收缩，从而使衬纱结构在纵向同步收缩，经纱逐渐有小的拱起，衬纱的阻碍作用则使针织纱的转移逐次进行.当纬纱被拉断(10.02 s)后，试样在横向的收缩和经纱的拱起加剧，纬纱随针织结构的拉长而发生抽拔；随着针织纱的转移，收缩较大部位逆编织方向边缘的针织线圈开始脱套，松绑衬纱结构的边缘，经纱和纬纱露出；当边缘的脱套沿线圈纵行逐渐向中间发展时，针织结构发生脱套破坏，并可见纬纱的抽拔.

3 结 论

本文介绍一种新型多层衬纬CWK织物，并探讨其拉伸性能，通过试验分析得到如下结论：

(1) 在拉伸过程中，多层衬纬CWK织物先是较小拉伸负荷作用下衬纱结构和针织结构的整体拉伸，然后是较大拉伸负荷作用下经纱或纬纱的拉直伸长直至衬纱结构被破坏，最后是中等拉伸负荷作用下交替进行的针织纱的伸长和滑移，直到针织结构被破坏；

(2) 在多层衬纬CWK织物中，针织结构的捆绑作用使得衬纱结构中平直衬入的纬纱产生屈曲，屈曲程度和交织衬入的纬纱相当，衬纱对针织结构纱线的转移起阻碍作用；

(3) 在多层衬纬CWK织物中，平直衬入的纬纱与交织衬入的纬纱、经纱一样是屈曲的，经纱、纬纱的屈曲及针织纱的弯曲穿套均影响各自纱线强力的利用；

(4) 在拉伸过程中，多层衬纬CWK织物在拉伸方向被逐渐拉长、垂直于拉伸方向逐渐收缩的同时，先是衬纱结构被拉断破坏，后是衬纱的抽拔和针织结构在线圈横列或纵行方向发生脱套破坏.

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(责任编辑： 徐惠华)

Tensile Properties of Co-woven-knitted Fabric with Multilayer Weft Insertion

YUANXinlin1，XUYanhua1，WANGNi2

(1. College of Arts， Changzhou University， Changzhou 213164， China；2. College of Textiles， Donghua University， Shanghai 201620， China)

To provide some reference for industrial applications of co-woven-knitted fabric with multilayer weft insertion， aramid fiber filaments were used as insertion and knitting yarn to produce the fabric by different ways of yarn insertion. The axial tensile tests were carried out to investigate tension properties of the fabric. The results show that the fabric is the overall stretching， and then the straightening and stretching of the insertion yarns until tension damage of the yarn insertion structure， and finally the alternate stretching and slipping of knitting yarn until unravel damage of the knitting structural in the process of tensile. The bundle of the knitting structure brings buckling to weft yarn inserted straight into， which is similar to the weft yarn inserted interwoven. The buckling of insertion yarns and intermeshing of knitting yarn affect their strength utilization.

co-woven-knitted fabric with multilayer weft insertion； tensile properties； load； elongation rate； yarn strength； damage process

1671-0444(2017)01-0021-06

2015-08-27

江苏省高校自然科学研究面上资助项目(13KJB540001)；江苏省基础研究计划(自然科学基金)面上资助项目(BK20151258)；江苏省“六大人才高峰”资助项目(2015-XCL-033)

袁新林(1971—)，男，江苏姜堰人，副教授，硕士，研究方向为针织新结构及其复合材料性能.E-mail： xingling-1971@163.com 徐艳华(联系人)，女，教授，E-mail： xyh@mail.dhu.edu.cn

TS 181.8；TS 186.2

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