不同组织结构对玻璃纤维织物性能的影响

楚楠 刘原圣 张培枚

摘要：玻璃纤维织物作为一种被广泛应用于多个领域的工程材料，其性能在很大程度上受织物组织结构的影响。本文旨在深入探究不同组织结构对玻璃纤维织物性能的影响。

关键词：组织结构；玻璃纤维织物；性能

DOI：10.12433/zgkjtz.20241244

玻璃纤维织物作为一种重要的工程材料，在热防护、降噪、建筑材料等众多领域得到广泛应用。然而，国内关于不同组织结构对玻璃纤维织物性能影响的研究却相对较少。在实际调研中发现，研究大多集中在玻璃纤维织物的基本性能测试和应用领域的探索上，而对于织物的组织结构是如何影响其性能的，则缺乏深入探讨。因此，进行不同组织结构对玻璃纤维织物性能影响的相关研究，可为玻璃纤维织物的优化设计提供技术支持。

一、材料与方法

（一）试验用材料和仪器

试验采用山东玻纤集团股份有限公司生产的玻璃纤维纱线，所用的仪器主要有ASL2300型剑杆织机、YG461H型全自动透气量仪、YG606型平板式保温仪、YG141D型数字式织物厚度仪、酒精喷灯、DM6801A型数字温度表和A1100型数码相机。

（二）织物的织造过程

玻璃纤维织物的织造过程是本研究的重点，它直接影响了织物的组织结构和性能。在织造过程中，选择ASL2300型剑杆织机，这是一种用于织造玻璃纤维织物的专用机器。织造过程可以分为以下几个步骤：

1.整经。在织造开始前，将玻璃纤维纱线从纱锭上放置到织机的经筒上，确保纱线的正确供给。

2.穿综。将玻璃纤维纱线穿过综筒，以便后续的织造。

3.穿筘。将玻璃纤维纱线穿过织机上的筘杆，这个步骤是织造中的关键环节，其决定了织物的组织结构。

4.织造。织机开始工作，根据预定的编织方式和筘杆的设置，玻璃纤维纱线交织在一起，逐渐形成织物。

在织造过程中，需要确保织机的工作环境保持适当的湿度，以免影响织物的平整度和手感。织造完成后，可得到不同组织结构的玻璃纤维织物样品，这些样品将用于后续的性能测试和分析。

（三）隔热性能测试方法

本研究使用了一系列测试方法评估玻璃纤维织物的隔热性能，以便研究不同组织结构对其性能的影响，具体如下：

1.常温热传递性能测试

使用YG606型平板式保温仪进行常温热传递性能测试，主要用于评估织物在常温条件下的隔热性能。在测试过程中，将织物样品放置在测试仪器中，确保其与外界环境隔离。然后，控制测试条件，包括空气温度、相对湿度和试验板温度，以符合《纺织品生理舒适性稳态条件下热阻和湿阻的测定》（GB/T11048-2008）规范的要求。通过监测织物样品上下温度的变化，可以计算出织物的传热系数，从而评估其常温隔热性能。

2.高温热传递性能测试

使用酒精喷灯烧蚀试验评估织物在高温条件下的隔热性能。在这个测试中，将织物样品裁剪成直径为4cm的圆片，并将其放置在火焰下方。通过使用数字温度计，可实时测量织物样品背部的温度变化。这个测试方法模拟了织物在高温火焰环境下的性能，可以根据温度—时间曲线评估织物的高温隔热性能。

二、不同组织结构的影响

（一）组织结构的选择和分类

组织结构是指纤维在织物中的排列方式和交织方式，它直接影响了织物的性能特点。本研究选择了五种常见的组织结构进行分类和比较，分别是平纹、2/1斜纹、2/2斜纹、2/3斜纹和3/3斜纹。

第一，平纹。其特点是经纬纱线交替，每个经纱交织于每个纬纱的上下方。这种结构具有较高的强度和耐磨性，但透气性相对较差。

第二，2/1斜纹。其特点是每两根经纱交织一根纬纱。这种结构通常比平纹更紧密，具有较好的强度和透气性，适用于一些需要平衡强度和透气性的应用。

第三，2/2斜纹。这是一种较为紧密的斜纹结构，每两根经纱交织两根纬纱。它比2/1斜纹更紧密，具有更好的隔热性能，适合用于需要较高隔热性的场合。

第四，2/3斜纹。这是一种相对松散的斜纹结构，每两根经纱交织三根纬纱。这种结构透气性较好，但强度相对较低，通常用于需要透气性而不需要高强度的应用。

第五，3/3斜纹，每三根经纱交织三根纬纱。它具有很高的强度和隔热性能，适用于需要高强度和隔热性的领域。

通过这五种不同的组织结构，可以全面了解它们对玻璃纤维织物的隔热性能、透气性、强度等性能的影响，从而更好地指导玻璃纤维织物的设计和应用。这一分类和选择为研究提供了有力的基础，使研究人员可深入研究不同组织结构在隔热性能方面的差异，并为织物领域的进一步发展提供有益的参考。

（二）传热系数与组织结构的关系

平纹组织的玻璃纤维织物具有较高的传热系数，这是因为在平纹结构中，纱线之间的交叉点相对较多，导致织物中的空隙较少，静止空气的储存量有限。由于玻璃纤维的导热系数高于空气，平纹组织中的传热更为迅速，相对的静止空气无法提供足够的隔热性。因此，平纹组织的玻璃纤维织物的隔热性能较差。虽然它可能具有一定的强度和耐磨性，但对于需要隔热性能的应用而言，平纹组织可能不是最佳选择。

（三）透气性与组织结构的关系

平纹组织在透气性方面较差，这是因为平纹结构中的经纱和纬纱交织方式非常规则，纱线之间的交叉点较多，导致织物中的空隙较小。这种规则性排列减少了空气穿透的通道，限制了空气的流动，导致透气性下降。平纹组织的玻璃纤维织物适用于一些需要较低透气性的应用，如隔热服装或防护材料。相比之下，斜纹组织在透气性方面表现更好。斜纹结构中的交叉点较多，但交织方式的斜角使得空气更容易穿透织物。这种斜向排列的结构增加了空气通道，使空气能够更自由地通过织物，从而提高透气性，这使得斜纹组织的玻璃纤维织物在需要通风和透气性的应用中具有优势。

三、织物厚度的影响分析

（一）织物厚度与传热系数的关系

调整织物的厚度来满足所需的隔热性能。织物厚度的增加通常会导致更低的传热系数，从而提高织物的隔热性能。这一研究结果为玻璃纤维织物的定制和应用提供了指导，特别是在需要保持温度稳定性或隔热的工程和装备中。

（二）高温烧蚀试验下的结果

较厚的织物在高温烧蚀试验中表现出更好的抵抗火焰穿透的能力，这是因为，较厚的织物内部包含更多的玻璃纤维层和静止空气，形成了更为复杂的结构，这种结构可在高温下提供更长时间的保护，减缓织物表面温度的上升速度，有助于防止火焰穿透。另外，随着织物厚度的增加，织物在高温下的烧蚀速度也进一步减小。较厚的织物需要更多的时间和热量才能被火焰穿透，因此，在相同条件下，其烧蚀速度较慢。这意味着，织物的耐火性能在一定程度上取决于其厚度，较厚的织物更能抵抗高温环境下的火焰烧蚀。

（三）最优厚度的确定

最优织物厚度的确定需要综合考虑多个因素，包括织物的具体用途、所处环境的温度、火焰暴露时间等。一般来说，如果需要更好的隔热性能，较厚的织物更为合适，较厚的织物内部包含更多的静止空气，能够提供更好的绝热效果，从而降低传热系数。此外，如果需要在高温火焰下抵御火焰烧蚀，那么较厚的织物更为理想，在火焰穿透时需要更多的时间和热量，因而具有更好的抗火焰烧蚀性能。然而，这也可能会增加织物的重量和不透气性，因此，需要在特定情况下权衡和考虑。

四、经密度的影响

（一）经密度与传热系数的关系

经密度与传热系数之间呈现出一定的负相关关系，随着经密度的增加，织物的传热系数会逐渐减小。这一现象可以解释为，较高的经密度意味着更多的玻璃纤维纱线被紧密排列在单位面积内，减少了织物中的空隙。由于玻璃纤维的导热系数较高，这种密集排列减少了空气在织物中的自由流动，导致传热系数降低。因此，较高的经密度通常对应着更好的隔热性能。根据所需的隔热性能，可以通过调整经密度来优化织物的传热性能。较高的经密度可以降低传热系数，提高织物的隔热性能，其适用于需要保温和隔热的应用。

（二）经密度的影响机制

经密度对玻璃纤维织物性能的影响机制涉及多方面因素。

首先，较高的经密度意味着更多的玻璃纤维纱线被排列在单位面积内，导致织物更加紧密。这种紧密排列减少了织物内部的空隙，限制了空气在织物中的流动。由于空气的导热系数较低，意味着较少的热量传递，从而减小了传热系数。这就是为什么较高的经密度通常对应着更低的传热系数，进而提高了织物的隔热性能。其次，较高的经密度也意味着更多的玻璃纤维纱线交织在一起，形成了更为复杂的织物结构。在高温火焰环境下，这一特性尤为重要，因为它可以减缓火焰穿透织物的速度，提供更多的时间防止火焰的扩散和烧蚀。最后，经密度还与织物的重量和厚度有关。较高的经密度通常会增加织物的重量，因为更多的纱线被使用，增加了织物的密度和厚度，这也可能会影响织物的柔软性和透气性，需要综合考虑。

（三）最佳经密度的选择

在实际应用中，最佳经密度的选择依赖多方面因素，包括所需的隔热性能、透气性、重量、具体应用环境等。

首先，需要明确隔热性能。如果应用要求的隔热性能较高，通常会选择较高的经密度，这可以有效降低传热系数，提供更好的绝热效果。相反，如果透气性是一个关键因素，可以考虑较低的经密度，以便空气能够更自由地流通，提高织物的透气性。其次，需要考虑应用环境。如果织物将在高温或火焰环境下使用，较高的经密度通常更为合适，它可以提供更好的抗火焰烧蚀性能。在这种情况下，经密度的选择应能够确保织物具有足的够耐高温性能，以防止被火焰穿透。最后，还需权衡织物的重量和厚度。较高的经密度通常会增加织物的重量和厚度，这可能会在某些应用中带来不便。因此，在选择最佳经密度时，还需要平衡隔热性能和织物的轻便性。

五、纱线密度的影响

（一）纱线密度与织物厚度的关联

纱线的线密度与织物的厚度呈正相关，也就是说，较高的纱线密度通常对应更厚的织物，意味着每单位长度内的纱线更多，因而在织造过程中需要更多纱线，从而增加了织物的厚度。与此同时，较低的纱线密度通常对应着较薄的织物。根据应用需求，可以通过调整纱线密度控制织物的厚度。较高的纱线密度导致较厚的织物，这有助于提高隔热性能，较低的纱线密度可以产生较薄的织物，其适用于需要轻便性和透气性的应用。

（二）1300℃火焰烧蚀试验结果

纱线密度较低的织物在火焰烧蚀试验中更容易受到火焰侵蚀，这是因为纱线密度较低的织物通常具有较薄的织物构造，火焰更容易穿透并影响其内部结构。相反，纱线密度较高的织物具有更复杂的织构和较大的厚度，使其更能抵抗高温火焰的侵袭，表现出更好的抗火焰烧蚀性能。其次，纱线密度的增加也使得织物背部的升温速度减缓。较高纱线密度的织物在火焰烧蚀试验中背部升温更为缓慢，能够提供更长的时间防止火焰的扩散和烧蚀，这对于在高温环境中使用的织物至关重要，因为它们需要具备出色的抗火焰性能。

总之，1300℃火焰烧蚀试验结果表明，纱线密度对织物的抗火焰性能有显著影响。较高的纱线密度通常对应着更好的抗火焰烧蚀性能，这对于一些高温环境下的应用至关重要。因此，在设计和选择织物时，纱线密度是一个重要参数，可以根据具体需求予以优化，以满足不同应用领域的要求。这一研究结果可为织物性能的提升提供有力的依据。

（三）纱线密度与隔热性能的关系

较高的纱线密度通常对应着更好的隔热性能，而这一关系主要是织物内部的结构和空气含量的变化引起的。

首先，较高的纱线密度意味着织物中的纱线更加紧密地编织在一起，形成了致密的织物结构。这使得织物内部的孔隙更小，同时也减少了空气流通的通道，更有效地阻挡热量的传导，具备更好的绝热性能。其次，较高的纱线密度导致织物的厚度增加。更厚的织物能够容纳更多的静止空气，因为织物内部的纱线交织形成了更多小隔间，这些隔间内的空气是绝热材料的一种。静止空气具有较低的导热系数，因此，它们能够有效减少热量传递，提高织物的隔热性能。

六、结语

综上所述，不同的组织结构对玻璃纤维织物性能的影响研究是一项综合性的系统工作。通过深入研究和分析，相关人员可以更好地理解这些影响机制，从而为工程领域提供更具性能优势的玻璃纤维织物材料，推动这一领域的技术创新和发展。

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