碳纤维织造的技术

第1页共8页碳纤维织造的技术织造技术的发展早在公元前5000年，世界文明发源地就有了纺织品生产，例如非洲尼罗河流域的亚麻纺织、我国黄河、长江流域的葛纺织和丝绸纺织等。公元前500年我国就有了脚踏织机。早在150年前，有梭织机开始逐步代替手工织布，其产量比手工织布的产量高出一倍，1844年开始出现无梭织机，剑杆织机发明于1870年，我国20世纪60年代中期开始研制剑杆织机，并成功地应用在有梭织机的技术改造上。20世纪末，计算机被应用到织造机械，许多电子引纬和开口装置及系统应用到众多织机总，使剑杆织机的转速和入纬率大大提高。挠性剑杆织机的速度和入纬分别到了700rpm和1500rpm。进入21世纪后，剑杆织机的发展已不再单纯追求速度和入纬率，研究重点转向提高织机的产量及运转性能、提高织造效率及产品质量。织机制造商所努力的方向为对应各种各样纬纱，织造高附加值织物。新型剑杆织机已基本实现了电子技术、变频调速技术、传感技术与织机机械的完美结合，使得剑杆织造技术达到了一个崭新水平。近年来，在航空航天工业发展的推动下，发达国家的高性能纤维纺织装备技术取得了突破性进展，电子化自动控制的剑杆织机、多轴向经编机等关键技术装备的研制获得成功，碳纤维织物的品质和性能得到大幅度提升。我国高性能复合材料技术研究始于20世纪70年代，经过30多年的发展，工艺装备技术水平有了很大的发展，计算机控制的纤维剑杆织机、缝边机、编织机等现代化纺织预成型设备国内已有引进。虽然我国碳纤维织物的研究在国家重大科技专项需求的牵引下得到了迅速的发展，取得了一定的成绩，但是与发达国家相比，目前我国碳纤维设备依旧落后很多。织造工艺织造是一种基本的纺织工艺，能够使两条以上纱线在斜向或纵向互相交织形成整体结构的预成形体。根据不同的织造手法，可分为以下四种织造工艺。1、梭织（weaving）：使用梭子（shuttle）的运动来配送纬纱而交织经纱。第2页共8页2、编织（braiding）：以携纱器（carrier）的运动来配送编织纱以交织轴向纱，在没有轴向纱的情况则编织纱互相交织。3、针织（knitting）：以钩针的运动来使纱线形成环结构，套环的交织便形成织物。4、针缝（stiching）：以缝线的方式将两轴以上的平面不交织的结构缝合在一起。第3页共8页织造设备梭织可以说是最古老的织布技术，至今许多手工织布事实上就是一种简化的梭织发。梭织的目的不外乎将两套垂直的纱线互相交织而形成一块平面织物。从梭织的表面说明就是使用梭子来回在纬向运动，从而带入纬纱。以下为简单的梭织机平面示意图，其中包括了几个重要部分，经纱（warpyarn）从盘头伸出，穿过综框（harness），再经钢筘（reedorbatter）到织口与纬纱（weftyarn）交织，成形的织物卷取后完成。综框的结构包含总是（heddle），综丝上有综丝眼（heddleeyelet），经纱穿过综丝眼，由综框的上下运动形成经纱的开口，开口的目的就是使梭子能通过，梭子来回运动交织纬纱。综框的数目至少是两个以上，例如，平纹织物中，单数的经纱穿过一综框而双数穿过另一综框。更复杂的织造，则需要更多的综框与综丝上下运动来控制。钢筘的作用是打纬（beatup），使刚由梭子带过的纬纱能整齐排列并增加织物密度。其运动方式是钢筘先是后退，待梭子通过后则钢筘向前将纬纱推至织口，再后退等下一次打纬。这种传统的技术事实上几乎完全被无梭织机取代了，例如喷水式及喷气式织机和剑杆式织机，从而大大提升织布速度。机电一体化技术使无梭织机生产自动化达到很高水平，对提高织机的速度和生产效率、扩大品种、提高产品质量发挥了重要作用。根据引纬方式的不同，无梭织机又可分为喷气织机、喷水织机、片梭织机和剑杆织机。喷气织机以压缩空气为动力，靠气流将纬纱引入织口，选色最多可达8色，适用于织制批量大、品种翻改少的织物的织机。但该类织机能源消耗较大，一次性投资大，一般用于织造棉织物、牛仔织物、防羽绒织物等。喷水织机以喷出水柱为动力，靠水压将纬纱引入织口，纬纱的选色最多为4色，只能适应疏水性织物的织造，导致产品织造的局限性。且由于全球水资源受到保护，所以使得喷水织机的推广及应用受到很大的限制。片梭织机是目前无梭织机中适应范围最广的，但由于其材质和制造精度要求非常高，织机价格昂贵是缺点。片梭织机引纬是依靠投梭棒撞击小梭子的单向运动引纬，最大幅宽可达5400mm，纬纱的选色最多为6色。在产业用纺织品领域，尤其是特宽幅产品，尤其独特的优势。剑杆织机则通过剑杆带着剑头将纬纱引入织口。剑杆的类型一般可分为刚性剑杆、挠性剑杆和可伸缩式三大类，剑杆织机主要应用于服装、装饰用面料，以及部分产业用纺织品的织造。相比较与其他无梭织机引纬方式，剑杆织机有如下特点：（1）适用于多色引纬，可以生产16色引纬的多式花样图案的织物产品；（2）积极式的剑杆驱动，还可以对许多引纬比较困难的纱线进行引纬；（3）品种更改比较灵活，适应小批量、多品种织物的织造；（4）一次性投入小，能耗低，可小规模投入生产。碳纤维织造第4页共8页碳纤维是一种具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性的高性能纤维。碳纤维具有高强度、刚度的特点，但是延伸率小、表面不耐磨，其纺织工艺性较差，对纺织工艺设备的依赖程度高。采用编织、梭织、针缝等纺织工艺，将碳纤维材料交叉、排列、组合，相互作用而形成的具有实用结构、性质和形状的碳纤维织物。常见的碳纤维织物种类有平纹织物、斜纹织物和绸纹织物。最常见的是平纹织物，即纬纱上下交替穿过每一根经纱。平纹布的稳定性高和一定的孔隙率，但是随形性较差，而且由于波纹较多也会影响机械性能。特别是对于高密度纤维波纹更为明显，因此这种织法较少用于制造高密度纤维织物。斜纹织物中一支或多支纬纱按照固定的穿插方式上下交替穿过两根以上的经纱。在表面形成连续或间断的斜纹图案。斜纹织物随形性，浸润性均优于平纹织物，但稳定性不如平纹织物。同时由于波纹较少，表面较平纹织物更为平滑，机械性能也高于平纹织物。缎纹织物指纬纱按照某种顺序穿过几根经纱，按照每个织纹重复单元的纱线数目分类，主要有4-通，5-通和8-通沙缎。缎纹织物波纹少性能高，浸润性和随形性好，但稳定性较差。由于缎纹织物的不对称性导致一侧经纱较多，而另一侧纬纱较多。特别是在制作多层织物时需要注意防止由于不对称而产生的应力集中。第5页共8页碳纤维织机原理碳纤维织机原理为：经纱从织轴（经轴、纱架）上退绕下来，通过张力补偿装置，纱线穿过综丝眼，由综丝控制其运动，通过综丝的上下运动形成梭口，与纬纱在织口处交织成织物，最后通过卷取装置被引至卷取辊而形成布卷。织机由送经、开口、引纬、打纬和卷取5大机构组成。（1）送经机构在织造过程中，经纱与纬纱交织形成的织物被引离织口，为保证织造过程的持续进行，织轴上应送出一定长度的经纱，使织机上的经纱张力严格控制在一定范围内。送经机构的工艺要求如下：确保从纱架均匀送出经纱，以适应织物形成；保证经纱符合工艺要求的上机张力，并保持在织造过程中张力稳定，波动小；保证经纱送出量并与卷取运动配合协调，使织造顺利进行；品种适应性强，故障小，维修和调节方便。（2）开口机构开口机构的作用就是根据织物的交织规律，在规定的时间内，按序带动经纱，将经纱分为上下2层，形成梭口，以便引纬，等纬纱引入后，梭口闭合，使经纱与纬纱形成交织状态。开口机构必须具备两个基本作用：一是要使综框或综线作升降运动，另一个就是根据织物组织要求来控制综框升降顺序。开口机构形式很多，有四连杆开口，共轭凸轮开口机构，凸轮开口机构，多臂开口和提花开口机构等。四连杆开口和共轭凸轮开口只能织平纹织物，凸轮开口可以配置不同的凸轮，织平纹、斜第6页共8页纹、绸纹等织物，这些开口所能织的织物的综框页数，最多只能达到6-8页。多臂开口机构可以织小提花织物，一般配16也综框，最多为32页。这些开口机构都是由综框的运动来带动挂在每页综框上的经纱上下运动，每页综框上的经纱运动规律必须是相同的。（3）引纬机构引纬机构的作用就是在开口机构将经纱分成上下两层形成梭口后，将纬纱及时引入梭口，使纬纱与经纱形成交织。碳纤维织机使用的是刚性剑杆引纬机构，分为单剑杆引纬和双剑杆引纬。对于宽幅小的织物，通常采用单剑杆引纬机构，剑杆从一边穿入梭口，将纬纱引出梭口后，完成一次引纬。双剑杆引纬机构包含一个送纬剑和一个接纬剑，当送纬剑带着纬纱运动到梭口中间，接纬剑将纬纱接住，然后引出梭口，完成一次引纬。（4）打纬机构打纬机构的作用就是将已经引入梭口的纬纱打入梭口，以形成织物。常用的打纬机构有四连杆打纬机构，共轭凸轮打纬机构，六连杆打纬机构，其中四连杆的打纬机构简单，容易制造，但筘座后心没有停顿时间；共轭凸轮打纬机构可以使筘座在因为期间静止不动，延长引纬时间，但制造难度大，精度要求高，达不到精度要求的话振动大；六连杆打纬机构可以使钢筘在后心有接近停顿的时间。本织机采用四连杆打纬机构，由伺服电机直接控制，保证筘座在后心位置停止，使筘垂直于布面将一个断面的纬纱平推入织口。（5）卷取机构卷取机构的作用就是把已经织好的织物引离织口，卷到卷取辊上，以保证连续生产织物，同时使织物达到一定的纬密。一般轻薄的织物采用卷绕式卷取机构，保证连续生产织物；较厚或异形截面织物采用平移式，由几组罗拉相对运动平移牵引织物。第7页共8页高品质碳纤维织物的织造碳纤维织物的品质取决于碳纤维的品质、织造设备的先进水平和织造者的娴熟程度。从外观上高品质的碳纤维织物看起来平整、没有色差和毛丝，手触光滑、经纬交织形成的屈曲波大小一致。仅从碳纤维织造设备方面考虑的话，要织造高品质的碳纤维织物，需要从减少摩擦和张力控制两个方面下工夫。碳纤维是一种不耐磨的材料，织造过程中的摩擦容易造成毛丝和单丝断裂，降低碳纤维织物的品质。而在碳纤维织造过程中，纤维与纤维之间、纤维与编织机构之间均会发生摩擦。因此，在设备设计中出处需要体现低磨损的设计理念，在经向和纬向碳纤维所经过的通道上，均采用光滑的陶瓷导眼，各个转动轴表面镀硬铬，非常光滑，不对碳纤维造成伤害。并通过控制纱线的织造张力、织造机构的表面处理、机构运动的优化设计等措施，减少碳纤维在织造过程中的磨损，提高织物性能。张力控制是织造高品质碳纤维织物的关键因素。一条完整的碳纤维编织布生产线由一台现代化的织机，一个纱架和一台用于织物收卷的收卷机组成。在碳纤维的织造过程中，张力控制分为3个区间：从纱架到张力机的区间；张力机到织机后梁的区间；织机后梁到卷取辊的区间。纱架在织造过程中对碳纤维施予第一个张力。每个纱架上面有好几百锭碳纤维同时放卷，光是依赖简单的刹车装置无法保证不同经纱可以得到相同的张力。得益于现代化的电子技术，用传感器检测每根纱线的张力，并用一个中央制动系统进行统一调控，对所有纱筒进行同时、集中、无级进行张力调节，实现经纱之间的张力一致。在织造的过程中，织机对碳纤维织物的质量起到最大的作用。经纱经过进入织机时需要有足够的张力补偿，织口开合的过程中经纱的张力也要可控并一致，形成织物后要平整地引出织机，整过过程对张力的控制需要十分精确，才能织出高品质的碳纤维织物。收卷机的收卷力矩是要可调的，控制织物的收卷面平直。收卷的过程中的张力需要不断调整，对织物卷进行压实，避免层数堆积而造成内层的织物被压变形。纱架、织机、收卷机之间承前启后却又互相独立运行，无缝连成一体需要经过一定程度的改造。配备电控系统让编织、碳纤维张力控制及织物的收卷变得更简单高效。安装电子同步装置实现整条生产线电子化，同步驱动，全自动控制。上述的是对经向纱的张力控制，要获得高品质的碳纤维织物，同时需要对纬向纱进行张力控制。最常用的碳纤维织机宽幅为1米至1.5米，为什么不用更大宽幅的织机以提高织造效率呢？因为张第8页共8页力控制不好。纬纱越长，可控性越差，在织造的过程中可能翻转、折弯，由于张力不够而造成屈曲，影响织物质量。小宽幅的织机一般采用伸缩性的刚性单剑杆，引纬打纬保证有足够的张力使纬纱处于绷直状态，打纬的时候不接触经纱，没有摩擦，对碳纤维的损伤达到最小程度。双剑杆送纬