样品整经工艺对安全气囊用织物抗滑移性能的影响

庄建国 李永贵 陆振乾

1．可隆(南京)特种纺织品有限公司，江苏 南京 210046；2．闽江学院 福建省新型功能性纺织纤维及材料重点实验室，福建 福州 350108；3．盐城工学院纺织服装学院，江苏 盐城 224051

随着汽车消费进入大众化时代，我国的汽车销量屡创新高[1]，汽车的安全性能也备受重视。安全气囊是汽车行业普遍认可的一个重要的安全配置。当汽车受到撞击时，传感器触发电子点火装置点燃气体发生剂，短时间内即可展开的安全气囊可充当乘客的缓冲枕，减轻乘员头部和胸部所受冲击，从而起到保护乘员安全的作用。相关统计数据表明，在重大交通事故中，安全气囊的使用可减少30%的人员伤亡[2]。

安全气囊特殊的工作原理和应用环境对气囊用织物提出了很高的性能要求。首先，气囊用织物需能够承受来自高温、高速气体的瞬时冲击,该织物要具有强力高、伸长大、耐高温等性能。其次，为确保气囊用织物瞬间展开的同时不会对乘员身体造成过度撞击,气囊用织物还必须具有一定的气密性[3-4]和抗滑移性能。因此，抗滑移性能是评价气囊织物安全性能的一个重要指标。

抗滑移性是衡量气囊用织物爆破时缝制部位在高温、高压下的滑移程度。在气囊用织物的制备过程中，织造工艺参数是影响其使用性能的重要因素。其中，整经是织造前准备的关键工序之一，其定义是将经纱(丝) 按一定数量、密度、幅宽和技术要求卷绕到经轴上。常规的整经方法包括分批整经、分条整经、分段整经、球经整经和特种整经等。对于新产品的小样试织而言，这些整经方法既浪费原料，又延长了打样时间。样品整经法因可用一只或几只原纱或浆纱筒子纱线加工织轴，能大幅减少整经筒子量、简化工艺流程并缩减出样时间和生产成本[5]49-50，[6]25-33，[7]，故受到织造企业的青睐。

本文将采用样品整经法在喷水织机上织造气囊用织物，并对该织物的形态结构进行研究，与传统的分批整经法制备的气囊用织物的抗滑移性能进行对比和分析，探究样品整经法织造安全气囊用织物的适用性。

1 气囊用织物的设计

1.1 原料

选用规格为52 tex/140f的FDY锦纶66长丝为气囊用织物的原料。该长丝具有良好的物理力学性能和化学稳定性，热焓值和沸水收缩率较高[5]49-50，可满足气囊用织物的基本性能要求。

1.2 织物设计

气囊用织物的抗滑移性能主要受经纬纱的线密度、经纬向密度和织物组织结构等因素的影响，且与织物紧度密切相关。研究表明，不同组织结构可达到的织物紧度不同。其中，平纹组织的平均浮长最小，同支持面的平纹织物布面较为紧密，平纹织物的气密性较好[8]。本文选用平纹组织制备安全气囊用织物，经纬向密度均设定为209根/(10 cm)， 钢筘筘号为24.6齿/(25.4cm)，每筘齿经纱穿入数为2根。

1.3 工艺流程

安全气囊用织物的成型工艺主要分为织造和精炼热定型两个阶段，工艺流程如下。

1.4 织造

整经前将FDY锦纶66长丝丝饼在温度为5～45 ℃、相对湿度为45%～80%的环境中放置24 h，以减少长丝间的张力差异。分别采用GA193型样品整经机和津田驹TW-N型分批整经机对长丝经纱进行整经，整经和并轴工序中的相关工艺参数设置如表1所示。

表1 整经和并轴工序中的相关工艺参数

整经完成后，采用津田驹ZW-408型喷水织机对经样品整经和分批整经法得到的经纱进行安全气囊用织物的织造。织机运行速度为550 r/min，单丝张力为176.4 cN/根，卷取张力为7350 N。以线密度为2.2 tex的尼龙长丝为边丝。布面幅宽为205 cm，全幅边撑直径8 mm。喷水织机用水为经过软化处理的水。

坯布下机后需经过精炼和清洗工序以去除表面的污迹。精炼工序采用两个温度为90 ℃、运行速度为24 m/min的药剂槽。再水洗去除织物表面精炼剂的残迹，3个水洗槽的温度分别设定为90、90和65 ℃。烘箱为8节，每节长为3 m，干燥辊温度为120 ℃。热定型温度为130 ℃。经精炼热定型的样品整经和分批整经气囊用织物表面的SEM图像(50倍率)分别如图1和图2所示。

图1 样品整经安全气囊用织物

图2 分批整经安全气囊用织物

2 结果与分析

2.1 力学性能

用于评估安全气囊用织物力学性能的主要技术指标为断裂强度、断裂伸长率、撕裂强度和抗滑移性能。本文参照ISO 13934-1：2013《纺织品 织物的拉伸 第一部分：条样法断裂强力和断裂伸长率的测定》、ISO 13937-2：2000 《纺织品 织物撕破特性 第二部分：裤形试样撕破强力的测定(单舌法)》、ASTM D 6479-2015《测定充气缓冲物用机织织物的边梳抗性标准试验方法》，采用Instron 3366型强力仪分别测试经样品整经和分批整经法制备的两种安全气囊用织物的断裂强力、断裂伸长率、撕裂强力和抗滑移性能。其中，试样大小为300 mm×50 mm，夹具间距为200 mm，样品边缘与夹具边缘对齐，夹头移动速度为 200 mm/min。两种整经法织造的安全气囊用织物的主要力学性能指标测试结果对比如表2所示。

表2 气囊用织物的主要力学性能指标测试结果对比

由表2可知，与采用分批整经法制备的气囊用织物相比，样品整经法得到的气囊用织物的断裂强度和断裂伸长率无显著差异，撕裂强力略有增强，但其经、纬向的抗滑移性提高了2倍多，分别达792.4 N和685.3 N。对于同一试样而言，纬向的抗滑移性能小于经向。

2.2 抗滑移性能

2.2.1 取向度

根据样品整经机的工作原理，在整经过程中，滚筒和固定筒子架纱线为水平放置。滚筒转动会对筒子架上的纱线有一定的牵伸作用，甚至会造成纱线的意外牵伸[6]28-33，从而增强经纱的取向度，纱线的内应力变大，纱线滑移过程中抵制外力的能力增强，织物的抗滑移性能提高。

本文分别在分批整经和样品整经法制备的气囊用织物的经向连续取15根长丝，将其放在偏光显微镜下，观察自然状态下各长丝的状态及其头端出现的黑色弧形个数(图3)。采用Senarmont法测量每根经纱的取向度，对比分析两种整经法织造的安全气囊织物中长丝的内应力。长丝的取向度按式(1)计算。

图3 偏光显微镜下的经向长丝

式中：∏——取向度，%；

N——黑色弧形个数；

π——起偏角，(°)；

γ——补偿角，(°)；

λ——使用GIF滤光片时的波长,为546 nm；

d——纤维直径，nm。

长丝取向度的值越大，表明长丝所受拉伸力消除后残留的内应力越大。由表3两种整经法制备的织物的经纱取向度测量和计算结果可知，样品整经法得到的织物经纱的取向度(58.8%)大于分批整经法制备织物的经纱取向度(55.2%)。因此，样品整经法所制备织物经纱的内应力N较大。内应力越大，摩擦力F(F=μN)则越大。当摩擦系数μ一定时，试样的抗滑移性能也越大。因此，样品整经机所制备的安全气囊用织物的抗滑移性能较大。

表3 经纱取向度

2.2.2 包围角

为分析安全气囊用织物纬向抗滑移性能较差的原因，对两种整经法制备织物的纬向横截面中经纱对纬纱的包围角进行测试。首先，沿着织物的经向切割得织物的纬向横截面(图4)。SEM图像(50倍率)观察两种安全气囊织物的纬向横截面，测量连续15根经纱对纬纱的包围角，根据Euler公式[式(2)和式(3)][9]计算并记录其平均值。

图4 织物纬向横截面中经纱对纬纱形成的包围角

(2)

式中：Ty——纱线最大的抗滑移性能，N；

a——经纬纱摩擦系数；

P——纬纱所受经纱的压力，N；

β——纬纱所受的横向张力比；

N——纬纱根数；

θ——经纱对纬纱的包围角，(°)。

结果表明，样品整经织物中经纱对纬纱包围角为78.6°，高于分批整经织物的71.4°。这是由于在样品整经过程中，圆盘转动对筒子架上的纱线有牵伸作用，同时因纱线的特殊排列，上下层纱线易滑移并交错排列[6]28-33，导致织造过程中，经纱所受外力增大，扁平度提高，从而对纬纱形成较大的包围角。

对于织物中的纬纱而言，当引纬张力一致、密度一致、摩擦系数一定时，纬纱所受经纱的压力和经纱对纬纱的包围角会影响纬纱的抗滑移性能。经纱对纬纱的包围角越大，纬纱所受的横向张力越大。纬纱所受压力和横向张力相结合，会进一步增强纱线抵制外力的能力，从而增强织物的抗滑移性能。

3 结论

本文以FDY锦纶66长丝为原料，分别采用样品整经和分批整经法，在喷水织机上设计并制备了两种安全气囊用织物。通过性能测试和分析得如下结论。

(1)两种安全气囊用织物的断裂强度和断裂伸长率差异较小。样品整经气囊用织物的撕裂强力略高于分批整经气囊用织物。样品整经气囊用织物的抗滑移性能显著提高，其经、纬向抗滑移性能较分批整经气囊用织物均提高了2倍多。

(2)样品整经气囊用织物抗滑移性能高于分批整经气囊用织物，究其原因可能是样品整经气囊用织物中经纱的取向度较高，经纱对纬纱形成的较大包围角提高了该织物整体的抗滑移性能。