碳纤维织物的织造工艺现状及织机结构特点

季 兵

(天津昂林贸烽高新材料有限公司 天津 300308)

0 引 言

碳纤维材质除了具备传统碳材料的固有特点之外，还具备较强的抗拉、耐低温和纺织纤维柔软可编织特性[1]，已被认为是复合增强材料的首选。碳纤维干布或预浸料是构成碳纤维复合材料的最基本要素，在其得到广泛应用的各领域中，以碳纤维作为重要增强体的各类制品制件是其产品的主要应用方式[2]，对纤维材料的应用和相关行业发展具有重要指导意义。碳纤维纬向编织工艺是编织布成型过程中的重要环节，应给予高度重视。

1 碳纤维编织工艺现状

近年来，随着科学技术的飞速发展，碳纤维复合材料已经被广泛应用在现代工业、新能源、医疗器械、交通运输、船舶游艇、体育器械等高端领域，作为碳纤维复合材料的重要种类之一，碳纤维编织布的附加值更大。目前3K平纹布、斜纹布和缎纹布由于纹格规整、美观而受众广泛，但是由于碳纤维本身尚有的摩擦系数大、易脆易断等性能特点，在织造生产过程中会出现起毛刺、上下层粘连、易断丝等问题，编织起来比较困难，目前已推广的织机不能直接用于碳纤维编织布生产。因此，对碳纤维编织生产工艺提出了更高层次的要求。

已有学者通过试验研究碳纤维丝束的编织性能，得知丝束本身固有特性和编织生产工艺是影响碳纤维布编织性能的两大重要因素。碳纤维原材料分为进口和国产2种，企业可以根据实际需要直接采购。若想进一步改善碳化纤丝束的纺织特性，企业就必须从织布机的优化入手，而织布机的优化重点主要在于机械、电气2个方面的改善，其中织机机械方面的优化改善是较为关键的环节，重点聚焦在开口机构、引纬机构、打纬机构、送经机构和卷取机构5个必备机构部分[3]。本文针对碳纤维编织工艺的现状就编织布纬向编织工艺流程进行了研究，以期为碳纤维编织工艺及设备的优化提供更多可行借鉴。

2 纬向编织工艺流程

2.1 送纬机构

送纬机构一：使用簧片来进行张力感应调节。送纬纱线的长度和纬纱的张紧力可以利用簧片来自行调整，其工作原理为使用抱闸型的竖轴阻尼器通过调节运行时竖轴的多余旋转力所产生的长度变化不均匀实现张力的调整，最终使得放纬张力稳定。而张力是纤维编织环节中至关重要的控制因素，该类结构可减少张力不均造成的影响。

送纬机构二：使用重锤式牵拉机构控制放纬张力。如果重锤悬挂的位置不合适，则会造成单束纱线受力不均，进而导致织物薄厚不均。如果选用的重锤太轻，则会出现织物上浮的现象[4]。因此，编织时应将重锤直挂在纱轴中间，尽量使织物受力均匀，且选用重锤的重量还需根据整锭丝束的重量和丝织物的宽度有所变化，对人员技能要求较高。

从以上2种送纬机构的方式可以看出，对于纬纱张力的控制是目前送纬机构需攻克的难题，只有确保张力的稳定性，才可以保证纬纱的平整度。较为简单而成本低廉的机构可模仿经向式张力调节机构，在放纬纱架和出纱口之间增设多辊机构；或在放纬纱架和出纱口之间设置七辊组件，该类张力机构已经被证明均可达到对碳纤维织物生产时纬纱平整性能的需要。经验证比较，七辊机构较为简单且维修方便，能基本实现碳纤维丝束预张力大小的一致性，同时可满足不同规格碳纤维丝束(1、3、6、12、24K)和不同宽幅碳纤维编织布的机织工作，可以广泛应用。

2.2 引纬机构

引纬机构原理是利用载纬器携带纬纱将纬纱引入梭口，根据引纬方法的不同分为有梭织机和无梭织机两大类：有梭织机使用梭子引纬，但梭子有体型大而重、机械震动大且噪声高、速度慢且效率低等缺点；无梭织机包括片梭织布机、剑杆织布机、喷气织布机、喷水织布机，这些都已得到大量使用[5]。

剑杆织布机：利用刚性的剑杆头夹持、牵引纬纱，在织造织物时用剑杆将纬纱送入经纱交口，在打纬结束后重复上述动作。如此循环动作，并配合送纬机构的使用，保证了剑杆在夹取纬纱、牵引纬纱和交接纬纱过程中纬纱所受的张力变动较小。夹持纬纱的工具要确保对丝束的夹持力可靠，以防止纬纱松弛或掉落。

喷气织布机：利用喷射出的压缩气流牵引纱线，从而将纬纱送至梭口。此类织机的主要特点是操作简单，且使用较少的运动部件就实现了所需功能。喷气织机通常用于细纱织物的织造，也可用于轻薄织物和不同厚度带状织物的织造，且具有振动幅度小、噪声低的特点。

喷水织布机：使用水为工作介质，喷射水流对纬纱的摩擦形成牵引力，把固定在纱盘上的纬纱引向梭口，其优点是速度快，主要应用于化学纤维物料的制造。喷水还能够提高化纤的导电性，从而有效减少纺织中的静电现象，且该种方式生产噪音最低。

片梭织布机：使用带夹子的小片梭子夹持纬纱，实现了投射引纬的目的，其优点是引纬平稳、产品的整体品质较好，一般适用于各种细密度和各种厚密度和宽幅织造物料的制造。

综上所述，4类引纬方式的基本特征都是把纬纱从纱盘或纱锭中分离，并将仅夹持着单束纬纱的小而轻的引纬机构作为大而重的梭子机构的替代机构，均为高速引纬奠定了基石。纬纱从卷装轴，通过导引机构直接进入引纬机构。使用无梭织机引纬对提高织物组织结构、改善品质、减少对环境噪声污染等都具有重要意义。由于无梭织机生产速度一般较有梭织机效率高4～8倍，故无梭织机的使用将更加有利于行业的长远发展。

2.3 打纬机构现状

打纬机构的重要功能是将引入梭口的纬纱线推入织口内并打紧。目前的打纬方式一般有连杆打纬、凸轮打纬和筘片打纬3个类别，其中连杆打纬、凸轮打纬采用钢筘片实现打纬动作，而筘片打纬则是采用筘片运动实现打纬动作。

连杆打纬机构：其基本原理是使用杆件将织机中主轴部分的回转运动转变为钢筘的往复运动。连杆机构一般包括四连杆打纬机构和六连杆打纬机构，其中四连杆打纬机构因结构较为简单、加工生产更加方便和可满足高速运转的需求而得到广泛应用。

凸轮打纬机构：利用与凸轮轴、转子等机械元件的联动把主轴部分的运动传送给钢筘进行打纬动作。由于在打纬时筘座不动，而是进行了与筘座分离，使得织布机的抖动幅度降低、筘座重量降低，从而成为在无梭织机上使用最为普遍的一类打纬机构。共轭凸轮机构打纬在主轴同转速下输出的打纬力更大，更加适用于宽幅织机[6]。

筘片打纬机构：其基本原理是通过转动的多角型筘片径直把纬纱推向织口。其实例是在一个可转动的光轴上沿着纬纱长度方向布置与纬纱数量相等的正多角形筘片，经纱均匀分布于筘片之间的空隙中，当筘片随光轴转动后就可以径直把纬纱推入织口。其结构简单且运行稳定，但由于筘片制造的要求较高，目前还未得到广泛应用。

2.4 无打纬机构

部分织机目前并无打纬机构，使用半自动化工艺由人工完成将纬纱送入织口，其纬纱间隙部分由人为控制，且存在不均匀性。人力拉直纬纱无法确保纬纱的张力始终恒定，对织物质量的影响较大，人工织造速度无法与机器自动化速度相比，造成织物的成本较高。因此，此类设备现阶段一般只用于试验开发或样件的制作。

3 国内外发展现状对比

目前国外一些大型制造公司已在碳纤维织机领域取得了先进的成果，如德国多尼尔(Dornier)公司研发的剑杆织机，其结构坚固、设备运行平稳、生产效率高且产品质量较好，是目前应用最为广泛的设备；日本东丽公司和美国赫氏公司研制的碳纤维专用织机自动化水平非常高，但这些织机往往只适用于单一产品的织造，覆盖率较低。

国内目前并无批量生产碳纤维织机的厂家，因此，如何在现有设备结构的基础上做出优化和改进，从而提高编织机的速度、编织布的质量，是我们应该重点攻克的难关。本文从放纬机构、引纬机构、打纬机构等方面做出了阐述，通过对现阶段各类别结构性能的对比分析，预期可设计出最为适宜、且功能性最为完整的设备，能成功解决碳纤维编织布纬向编织的问题，进而提高碳纤维编织布的质量和性能。

4 结 语

由于碳纤维具有弯曲性能较差、脆且易断等缺点，导致碳纤维编织难度很大[7]，但碳纤维本身具备高强度、高模量等优异的性能，令其织物在增强复合材料中应用越来越广泛。各企业可根据自身的需要，并借鉴已有织机的性能，在控制好纱线张力的前提下充分将本文中提到的各项制造技术应用在织机的制造中，从而实现一台织机多用和高效率、高质量地完成碳纤维布的编织，以期在未来需求碳纤维布的建筑、民用、国防及其他新兴产业等诸多领域[8]都能得到充分应用。■