网状结构织物制备与应用研究进展

杨 萍， 严 飙， 马丕波

(1. 江南大学 针织技术教育部工程研究中心， 江苏 无锡 214122; 2. 上海宇航系统工程研究所, 上海 215123)

网状结构织物由于质量轻、强度大且网孔可设计等特点，其产品已被广泛应用于海洋、建筑、医疗和航空航天等领域。随着网状结构织物在纺织品应用领域中所占比例逐渐增加，网状结构织物的性能和应用研究也随之增加[1-3]。网状结构织物的力学性能和稳定性直接决定着其制品的使用功能。研究不同编织方法网状结构织物的制备及其性能与应用具有现实意义[4-5]。本文总结了网状结构织物材料的制备和研究现状，重点分析了机织网孔布、针织网孔布和编织网孔布的力学性能、应用现状等内容的研究进展，对网状结构织物进一步研究与应用具有一定的参考意义。

1 网状结构织物制备方法

网状结构织物主要为机织网孔布、针织网孔布和编织网孔布。机织物是一种片纱集合方式，采用平行于织物边缘处或相对于织物边缘处成一定角度的经纱，和与织物边缘处垂直的纬纱交织而成。机织网眼布的经纬线按一定规律相互沉浮。与针织网状结构织物不同，机织网眼布的经纬纱线间易产生滑移，因此这种设备织出的网孔一旦受力极易发生变形，一般用于江河堤坡加固网、纱窗、过滤网等[6]。针织物是利用织针将纱线弯曲成圈，纵向串套、横向衔接形成的织物,其中经编网眼织物由线圈纵向方向串套而成且网孔尺寸可调节，现已在蚊帐、渔网、运动服装方面广泛普及，在航空航天领域也得到广泛应用。编织物是采用纱线缠绕而成的集合体，编织技术主要应用于编织传统织物以及现代异形编织结构。目前编织已被用作一种自动化的复合材料预成型件制造技术，大多数编织复合材料采用封闭网状结构来加强结构刚度和强度[7]。

1.1 机织网状结构织物制备

机织物中常见网眼布的形成方法有纱罗和假纱罗。纱罗先采用地经与绞经彼此扭绞后形成梭口，再与纬纱交织而成；假纱罗采用机织工艺中提花工艺或变化穿筘织出网状结构织物，其网孔结构同样不牢固，易产生滑动。由经纬交织形成的网状结构织物，主要是采用一上一下的织物组织，大多形成90 ℃的四边形网孔。制备机织物时首先分别处理经纱和纬纱，经纱要经管纱、络筒、整经、浆纱和穿结经一系列工序；纬纱要经管纱和卷纬2个工序，然后进行上机织造。Vo等[8]使用开放式钢筘编织(ORW)技术获得具有整体网状织边的机织物，能在织造过程中剪裁轮廓且达到边缘牢固的效果。德国Lindauer Dornier GmbH公司的ORW剑杆织机PTS4/SOD被用来织造具有网状布边的二维机织物。在特殊的轴上有2个可独立控制的侧向移动系统，每个系统梭子间距离为5 mm。在织造中每个系统每次引纬可移动5或10 mm，总共可移动300 mm。1 200 tex玻璃粗纱制成的平纹织物经密为4根/cm，纬密为3.5根/cm。此方法的优势在于纱线在形成织物结构过程中始终能保持拉伸状态，可减少织造过程中的纱线损伤，不再需要过大的切割和成型后的手工修剪，防止织物边缘磨损，有助于减少材料浪费、周期时间和预成型件制造成本。树脂传递模塑更具成本效益，可设计给定图案的常规网眼织物，如平纹织物，但对于实际实施，还需注意技术可行性和产品要求所限制的边界条件。

1.2 针织网状结构织物制备

针织物中常见网孔布的主要结构是经编网眼。经编网眼一般有经缎类菱形网、衬纬类方格网、经平经缎类柱形网等。经编网眼结构织物制备原料主要为锦纶、涤纶等，特殊的采用金属丝制备网状织物。金属网面是航空航天领域卫星天线的重要部件，该网状材料发展方向主要在提高材料编织性能与扩大产业领域2个方面。针织网状结构织物的制备首先需进行编织前准备，如并线、整经，然后再上机织造，需选择合适的经编机型号、织针、梳栉、起头方式和上机工艺。应芬等[9]在机号为E16的拉舍尔经编机上将超细不锈钢单丝织制成5种不同密度的金属网，网孔均为六边形，研究了不锈钢等高性能纤维的编织工艺及可编织性，并对金属网织物的测试方法和力学性能进行探索。邵光伟等[10]采用两梳经绒平组织，制备镀金钼丝和不锈钢丝空间可收展卫星天线网并进行性能研究，对减少网状天线反射体结构的拉伸变形、测试地面展开过程中其网面精度和力学性能、研究空间开展后的网面形态保持等具有重要的意义。另一种特殊类型夹层结构针织间隔织物的三维网状织物，由2个独立的网状复丝外层和一层间隔单丝连接而成。由于其良好的吸能性能和通风性能，主要应用于家用纺织品和汽车工业。医疗手术中外科网是一种多孔织物，其主要是由聚合物单丝使用经编织法制成，具有良好的生物相容性，是治疗疝气的一种重要人体修复材料。

1.3 编织网状结构织物制备

编织物织造的原理是纱线相互盘旋按一定规律抱合，使织物表面形成一定纹路，如手工编织棉麻网[11]。在20世纪40年代运用脚踏织网机器生产有结渔网，后来开始通过机器装备对纱线进行编织从而提高编织效率[12]。随着化纤的发展，逐步以化纤作为渔网材料。编织工艺又分为有结和无结2种，有结网状编织物采用打结机将几股绳拧在一起打结后构成网状织物，如防护网。无结网状编织物[13]包括股绳编织而成的网脚与网结，由网结数目决定编织物的网孔形状，6个网结可构成六边形无结网孔编织物。目前二维编织已被用作一种自动化的复合材料预成型件制造技术，大开孔网状编织结构由于刚度要求严格，在医疗领域应用广泛[14]。三维编织织物通过缠绕2种或多种编织纱线来制造，以形成整体结构，编织复合材料可通过多种方式编织，例如矩形编织、三轴编织、圆形编织和其他置换编织的两步或四步方法技术[15-16]。

2 网状结构织物性能及应用

2.1 机织网状结构织物性能及应用

机织物网状织物由于密度低，纱线抗滑移性差，经纱容易沿纬纱左右滑动，纱孔宽度易变形。在实际生产过程中，机织物网状织物的孔径大小一般为经纱直径的6～7倍，高密的机织网状织物孔径可达到经纱直径的0.1倍。闫星月等[17]设计了不同组织结构与孔眼大小机织网眼布，采用梯形撕裂法研究得出在相同条件下，多组绞纱的织物撕裂强力大，密度越大的织物撕裂强力越大，稳定性越好。Yang和Wang等[18-19]先后对芳纶网在中速冲击下和不锈钢丝网在低速冲击下的失效方式和破坏形态进行建模和验证，Yang将纱线直径最细的网眼放置在冲击中心，织物边界使用密度逐渐减小的网眼，此方法被用于创建混合网眼织物模型，并采用有限元对变形、应力分布和波传播进行了评估，表明宏观模型更适合于大型仿真，此方法对不锈钢、芳纶等高性能纤维编织网的性能研究具有一定的指导意义。Masumi等[20]在超高速冲击下用X射线拍摄碎片云进而研究金属网的防护能力，冲击速度为3 km/s。分析发现，碎片云在云重心处的速度比冲击头的撞击速度慢35%，当金属网的面密度增加时，碎片速度降低，证明金属网是一种良好的防护材料，可开发一种新的缓冲器从而减少国际空间站免受空间碎片的影响。Boscariol等研究了液体滴落不同孔径金属网的全过程，Kumar等在此基础上探索了液滴撞击超疏水铜网回弹的影响[21-22]，用高速摄像机拍摄水滴撞击网状结构织物的过程，通过计算时间发现金属丝直径的影响较大，即使在较低的韦伯数下撞击铜网也会出现微反弹，使接触时间减少，同时使用柔性网状织物也会减少喷射射流造成的体积损失。采用流体力学与纺织相结合有助于开发设计在冲击情况下的机织物网状织物，如喷墨印刷、喷涂、涡轮磨损等方面。

片梭织机幅宽较大，能制备1幅或同时制备2幅及以上幅宽不同的织物面料，故生产较宽面料和筛网面料是片梭引纬的特点；但生产的网状织物由于受到片梭织机的扭轴投梭机构和片梭引纬的限制，其实际产出量达不到计算最大产出量。此外，为防止纱线滑动或纱线错位，纱罗组织多因经纬密度较小而纱孔均匀分布应用于窗帘以及工业筛网。

此外，在海洋领域中研究者们尝试采用数值分析方法仿真渔网在不同深度、不同水流速度的变化，渔网网孔扩张大小由于深海复杂情况产生的随机性变化很大，故实验值与理论值的误差较大，其可能原因是升力帆布动力学模型还存在较大的问题，在此方向还有较大提升，还需研究者们收集大量实验数据。随着轻型飞行器的精细设计与开发，对运送货物阻拦网柔性结构的研究得到较高关注。如波音、空客等大型飞机将阻拦网作Ⅰ级限动安装，故有必要研究编织超过2种非线性高性能纤维纱线的柔性拦网，并通过非静态仿真研究建立阻拦网载荷强度计算模型，为根据载荷强度要求确定阻拦网的种类提供强力支持。

2.2 针织网状结构织物性能及应用

经编技术相比较其他编织技术最大的优势是生产效率高、网孔结构稳定。针织物的线圈结构可设计性强，成形性好，与机织物相比具备更好的延展性和透湿舒适性，经编网眼结构造型多样，艺术感强，质地轻薄，被大众青睐。Lee[23]通过研究干热处理对涤纶/氨纶经编网状织物拉伸长度和收缩率的影响，比较了温度和处理时间对弹力网的影响。当温度从100 ℃升高到140 ℃时，网状结构织物的收缩率也增加了大约10%；处理时间的影响规律也类似，随着时间的延长，纵向收缩率比横向收缩率增加得更多。李楠、邵慧奇等[24-25]分别采用聚丙烯单丝、金属丝制备了不同网格形状的经编织物，金属与化纤制成的网状织物力学性能趋势大致相同，在单向拉伸时，经编网状织物的横向和纵向力学性能差异较大，当密度增加时横向断裂强力也增加；在双向拉伸时，织物网孔的每条边均匀受力，其纵向横向都趋于各向同性，可为柔性织物选择合适的网状结构提供方便。经编间隔织物由于防震感强、具备良好的透气性、压缩回弹性，优良的隔音性等被广泛使用[26-27]。垫纱方向一致更有利于经编间隔织物的收缩变形，孔较小的织物具有较高的拉伸强度，且随着织物厚度变得越来越小，由于间隔纱的不稳定性，模量值越来越大。Ghorbani等[3]利用实验和理论方法进行证明，常玉萍等[26]通过经编间隔工艺与建模结合，仿真出一种负泊松比效果较好的立体结构，沿x轴方向拉伸时负泊松比值最小可达到-1.0左右，该种结构可在工程领域发挥较大的潜力。此外，随着计算机图形设计技术的开展，纺织品的计算机辅助设计和纺织品的计算机模型也得到发展。使用NURBS曲线和曲面来为经编面料创建模型，闭口编链建模通过改变开口编链的现有模型获得，研究衬纬类方格网状织物的结构特征，构建了编链和衬纬相结合的三维几何模型[28-30]，可为分析针织物受力变形、吸湿、热传递、电辐射性能等模型仿真提供了研究基础。由于针织物成圈是由纱线串套而成，受力变形比较复杂，针织网眼布建模一直存在特征点与弯曲规律难找等问题，有限元作为一种计算工具，与计算机图形学结合对于织物三维几何模型分析具有重要意义。

经编网孔织物的用途广泛，在服装、家纺和产业用领域都有涉及。伴随着高性能纤维的快速发展，经编技术在航天、海洋、建筑、交通运输、医疗卫生、空间科学等领域的应用越来越广泛，如网状反射面天线的特种金属丝网、复合材料增强体、功能性补钙等结构。结合针织服装外衣化、时装化的基本需求，拉舍尔经编机编织的弹力网结构、色织提花织物倍受消费者青睐，例如鞋带和弹力网。其中弹力网在四杆高性能拉舍尔经编机上进行编织，该织物加入一定量的氨纶纱后，广泛应用于紧身衣，鞋面、女性胸罩，舞蹈服装，泳衣和运动服。六角网孔间隔织物因其良好的透气性、透湿性、压缩性、弹性适用于汽车坐垫，沙发垫等领域。经编网状结构织物的网眼尺寸大小可随上机工艺参数调整，且织物无结头，光滑，不易滑移脱落。金属丝具有延展性低、不易弯曲、硬度大等特征，将金属丝与经编网眼技术结合大大提高了织物的力学性能，但该方法成本昂贵，目前只在航空航天高科技领域有所发展。

大网壳空间结构由于质量轻，强力高，造型美观，结构稳定被广泛应用。迄今为止研究的焦点在落锤对网孔空间结构的破坏过程，通过探索冲击物体形状、冲击速度、冲击高度和侧面冲击对单层球面网壳的影响，并结合有限元模型可为模型设计师设计产品提供有力的理论依据，有助于提高设计效率、节约流程。

2.3 编织网状结构织物性能及应用

传统的编织产品主要包括缆绳、管状机件和扁平组织机件和绳子。目前编织成为一种自动化制造复合材料预成型件的技术，大多数编织复合材料应用都需要封闭的网状结构来增大刚度和强度，如编织结构柱，压力容器，航空应用，运动器材等。由于刚度的要求，大开孔网状编织结构在医疗领域应用广泛，如编织管、编织复合导管和编织支架，另外还用作编织软管[31]。为了对可成形性和力学性能进行预测，需要对纺织增强材料建模，Zhai等[32]提出了利用柔性系绳网系统进行在轨捕获的新概念，广泛应用于在轨组装、在轨维护和碎片减缓等，与刚性机械臂相比，使用柔性绳网系统进行在轨捕获更有前景。由于影响编织物网状织物的力学性能的因素较多，如编织角、波动长度、样品厚度等，且管状结构的模型易于构建，目前研究者们对编织管状结构的研究偏多，且大多数研究都是通过改变1～2参数来此解释影响，有望采用计算机图形工具对编织物网状织物的力学性进行更进一步的探索。同时根据所需改造编织机，优化织机机构，实现产品优质，通过模拟纱线移动而仿真出编织网成形过程，使其进一步成为可行方案。

玻璃幕墙索网是一种柔性网，具有轻盈美观，可移动，强度高等优良性能，在建筑幕墙工程中使用普及，故对正交索网结构计算、受力、变形分析的进一步研究具有重要的实用价值。

3 结语与展望

结合网状结构织物结构特点与当前科技发展重点方向，工程用网在目前市场中占很大比例，且经编结构由于变化形式和织造工艺多种多样，可设计性强，延伸性好，网孔稳定，更能实现网状织物在一定领域内的实用性能。本文总结了机织网孔布、针织网孔布和编织网孔布的力学、应用等研究现状，得出如下结论。

1)机织物网状结构织物的网孔形状为方孔形时较稳定，且孔眼越小稳定性越好。为解决纱线抗滑移性差的问题，可采用涂层、浸胶、变形纱做纬纱或与纬纱并线应用，在工业过滤纱窗、农林防护等领域应用广泛。

2)针织物网状结构织物目前使用最为广泛，主要是经编网状织物，编织工艺种类多样。对组织结构和线圈变形的研究较多，利用计算机图形工具分析来达到织物变形更好的仿真效果，可提前预测网孔线圈变形的程度、为网状结构织物的研发者提供更完善的理论依据，提高生产效率。

3)编织物网状结构织物是采用预成型件制造技术制成的一种自动化复合材料，在工业领域应用较为广泛。目前需要解决的是生产效率问题，还需要与材料学、信息学、工业设计、机械工程和产业用工程的深入配合，从而提高编织物网状织物的使用寿命、抗紫外线、耐酸碱等功效。

4)高性能纤维在网状结构织物上的应用目前还处于起步阶段。同时网状结构织物在不同使用环境下的动态力学性能等基础研究还较少。加强这两方面的研究对于推动网状结构织物的进一步应用具有指导作用。