Поиск


ЖУРНАЛ "ТЕХНИЧЕСКИЙ ТЕКСТИЛЬ" №37

                    ( читать ... )

ЖУРНАЛ "ТЕХНИЧЕСКИЙ ТЕКСТИЛЬ" №36

                    ( читать ... )

Ссылки партнеров

Трикотажные


Технологии/Трикотажные/Строение и проектирование основовязаных аукзетик полотен

Строение и проектирование основовязаных аукзетик полотен

23 октября 2008
Технический текстиль №17, 2008

Ким К. Йонг (Young K. Kim)
Угболу Ч. Сэмюэль (Samuel C. Ugbolue)
Уорнер Б. Стивен (Steven B. Warner)
Фан Куинго (Quinguo Fan)
Фенг Йани (Yani Feng)
Янг Чен-Лу (Chen-Lu Yang)

Введение.  Аукзетик полотна, которые занимают все более важное место в исследованиях и разработках в сфере технического текстиля, принадлежат к классу экстраординарных материалов, которые становятся шире при  растяжении 1. В настоящее время для их широкого распространения необходимо    синтезировать аукзетик полимеры, а затем  на их основе разработать технологические процессы производства пряжи 2 3 и композитов 4 5. Между тем, разработка  аукзетик тканых структур вызывает некоторые сложности. Было предложено несколько их геометрических конфигураций 5, но никто не сумел произвести  функциональную аукзетик текстильную структуру. 

Наша главная задача в этом исследовании - использовать знания структур и геометрических характеристик трикотажных полотен для создания аукзетик полотен и определить свойства таких текстильных материалов. В этой статье приведены результаты проектирования структур аукзетик трикотажных полотен из пряжи, которая не обладает аукзетик свойствами.

Несмотря на их исключительную способность к формованию трикотажные полотна характеризуется незначительными эксплуатационными качествами по сравнению с конвекционными ткаными композитами и материалами 6.  Процесс вязания чрезвычайно многообразен:  получено огромное количество разнообразных структур трикотажных полотен. Это не упрощает выбор полотен соответствующих структур. 

Для использования в композитных материалах, выбор структуры основан на трех  критериях:

  1. формовочной способности трикотажа, которая определяет, какие формы могут быть созданы
  2. результирующих механических (и других) свойствах трикотажа
  3. тактильных ощущених от контакта с полотном 7.

Стратегия.  Кен Эванс и Патрик Хук  из Университета Эксетере выбрали альтернативный подход к разработке технических аукзетик текстильных материалов. Они изготовили многофиламентную пряжу, в которой тонкая практически нерастяжимая нить обкручена вокруг более толстой растяжимой нити 1.  При этом ни одна из исходных нитей не имеет аукзетик свойств.  Последние проявляются при растяжении, когда нерастяжимая жесткая нить выпрямляется, а более толстая и менее жесткая обкручивается вокруг нее.

Такая многофиламентная структура может быть произведена на традиционном текстильном оборудовании,  например, крутильном. Объединение двух таких многофиламентных пряж в соответствующем порядке приводит к созданию аукзетик структуры.

Мы использовали такой же подход для получения нескольких аукзетик структур на основовязальной машине.  Эти аукзетик основовязаные структуры получаются путем комбинирования петельных столбиков цепочек и уточных нитей. Цепочки состоят из открытых петель и изготовляются из более толстых растяжимых нитей. Уточная более жесткая нить  ввязывается в виде продольного утка и свободно обвивает протяжки петель цепочки (рис.1).

Такая структура проявляет аукзетик свойства при вытягивании благодаря выпрямлению жесткой нити и изменению конфигурации остовов петель из менее жесткой нити (рис.2). Объединение нескольких таких цепочек в соответствующем порядке (рис.3) позволяет создать основовязаное полотно с высокими аукзетик свойствами. Однако для соединения отдельных цепочек в полотно необходимо в структуру трикотажа ввести дополнительные нити в виде поперечного утка, что значительно повлияет на проектируемые свойства.

Как известно, сетчатые текстильные структуры - наиболее предпочитаемые материалы для производства композитов.  Технология основовязального производства обеспечивает самое подходящее ноу-хау для получения сеток. Главным преимуществом основовязания является его многосторонность и большая производительность.  Действительно, огромное разнообразие структур трикотажа может производиться на основовязальном оборудовании, особенно с тех пор, как машину оборудовали двумя игольницами и множеством гребенок. Фактически, никакая другая технология не может соответствовать основовязанию в производстве сетчатых структур. Поэтому при правильном выборе переплетения и сырья можно связать сети с прямоугольной, ромбовидной, шестиугольный или почти круглой формой ячеек 8.

Для создания сетчатой структуры трикотажных полотен обычно используются филейные переплетения. Трикотажные полотна такой структуры обычно производятся на основовязальных машинах из одной или нескольких систем нитей при симметричной или несимметричной кладках. Дыры в филейном трикотаже обычно образуются по столбикам с поворотными петлями при неполной проборке гребенок. Симметричные отверстия получаются при зеркальной кладке нитей двумя гребенками, при этом нити одной гребенки дополняют другую,  и все иглы образуют петли.

Например, трикотаж, показанный на рис.4,  сформирован из двух систем нитей при частичной (|•|•|•) проборке гребенок. Обе гребенки производят триковую кладку в сочетании с цепочкой симметрично на соседних иглах. После вязания и релаксации ячейки сетчатого полотна приобрели форму шестиугольника. Ячейка состоит из вертикальных участков ab и de длиной h, образованных рядами трико, и диагональных участков bc, cd, ef и fa длиной l, образованных рядами цепочек. Диагональные участки расположены под углом α к горизонтали. Размер ячейки зависит, прежде всего,  от класса машины и линейной плотности нити. Вместе с тем,  длины h и l будут зависеть также от количества рядов трико и цепочки на каждом из участков.

Таким образом, на одной машине можно производить полотна филейных переплетений с различным размером ячеек, изменяя только параметры вязания. При растяжении таких полотен вдоль петельных столбиков  вертикальные участки ab и de будут сближаться,   следовательно,  будет уменьшаться ширина полотна. Для создания аукзетик материала необходимо изменить положение диагональных участков, как показано на рис.5 9.  При растяжении вдоль петельных столбиков:

  • расстояние между точками c и f увеличивается
  • диагональные участки bc, cd, ef и fa располагаются горизонтально
  • угол α приближается к 0
  • расстояние между вертикальными участками ab и de увеличивается, т.е. увеличивается ширина материала.

Таким образом, данная структура проявляет аукзетик свойства. 

Для достижения такого результата необходимо в основную структуру филейного трикотажа ввести дополнительно высокорастяжимую нить. Такая нить должна ввязываться в виде продольного утка при значительном вытягивании перед вязанием.   После релаксации напряжений, она,  сокращаясь, должна придавать ячейкам необходимую конфигурацию. Уточная нить располагается между остовами и протяжками петель трико и для большей стабильности структуры может обвивать протяжки в нескольких местах (рис.6).

Другая аукзетик текстильная структура показана на рис.7 5 10. Для ее реализации в основовязаном трикотаже предлагается использовать уточные переплетения. В такой структуре было бы предпочтительно использовать две системы уточных нитей: a - вертикальную и b - горизонтальную.  Но на существующих основовязальных машинах практически невозможно проложить уток на всю ширину полотна. Поэтому, мы предлагаем прокладывать уточную нить по определенному повторяющемуся закону (рис.8) при неполной проборке гребенок. В качестве грунтового переплетения в таком полотне мы предлагаем использовать цепочку, изготовленную при полной проборке гребенки. Для лучшего контакта двух соседних уточных нитей в точке  n (рис.7), а также для создания каркаса из них мы предлагаем в местах поворота уточной нити  провязывать ее в петли (рис.9).

Теоретическая модель такой структуры была разработана Смитом 5. Принципиальные предположения для деформации такой структуры следующие:

  • углы между сторонами деформируются эластично
  • никакое изменение длин сторон не допустимо
  • симметрия ячеек остается при деформации.

Результаты и их обсуждение. Для исследования свойств аукзетик полотен из нитей, не обладающих такими свойствами, было получено несколько типов филейного и уточного основовязаного трикотажа. Данные полотна производились на уточновязальной машине 10 класса с одной игольницей и 8 гребенками.

Для производства филейного трикотажа использовалась полиэфирная пряжа линейной плотностью 250 denier х 2 в качестве грунтовой нити. Как высокорастяжимый компонент применяли полиуретановую нить 40 denie , обкрученную многофиламентной полиэфирной нитью линейной плотностью 150 denier. Филейный трикотаж вязали при различном сочетании рядов трико (3, 5 или 7) и цепочки (от 1 до 3) в раппорте переплетения, что представлено в табл.

Для изучения влияния вида и линейной плотности пряжи на свойства трикотажа, при производстве уточного основовязаного полотна использовались два вида пряжи: полиэстеровая линейной плотностью 250 denier и арамидная Nomex линейной плотностью 200 denier. Для исследования влияния размера ячеек на аукзетик свойства предложенных уточных полотен использовалось несколько вариантов проборок гребенки уточной нитью, а именно один/один (|•|•|•), один/два (|••|••|••) и один/три (|•••|•••|•••)..

Основной характеристикой аукзетик свойств материалов является коэффициент Пуассона. Основная масса материалов имеет положительный коэффициент, в то время как у аукзетик материалов он принимает отрицательное значение.

Коэффициент Пуассона находится по формуле

nyx =  - (ex / ey) , где

  • ex - деформация поперек направления растягивающей силы
  • ey - деформация вдоль направления растягивающей силы.

Полученные результаты исследования (табл., рис.10) показывают, что все предложенные филейные основовязаные полотна имеют отрицательное значение коэффициента Пуассона, особенно на начальной стадии растяжения. Для уточных полотен в начальной стадии растяжения происходит некоторое уменьшение ширины, но при дальнейшем вытягивании наблюдается увеличение расстояния между вертикальными отрезками уточных нитей.

Заключение.  В статье описаны предложенные авторами основные подходы к созданию аукзетик основовязаных трикотажных полотен из нитей, которые не обладают такими свойствами. Полученные результаты подтвердили правильность  гипотез.

Благодарность. Авторы выносят благодарность Национальному текстильному центру США за грант 02-07400 в поддержку данного исследования.

ПРИМЕЧАНИЯ

Литература

1     Andy Alderson, Kim Alderson, Expanding materials and applications: exploiting auxetic textiles, Technical Textiles International, 777, September 2005, 29-34.

2 Ravirala N., Alderson K., Davies P., Simkins V., Alderson A., Negative Poisson's ratio polyester fibers, Textile Research Journal, 2006, 76(7),  540-546.

3     Philip J. McMullan, Satish Kumar, Anselm C. Griffin, Textile Fibres Engineered from Molecular Auxetic Polymers, Project M04-GT21 National Textile Center, Annual Report 2006, p1-10.

4     Mouritz A., Bannister M., Falson P., Leong K., Review of applications for advanced three dimensional fibre textile composites, Composites. Part : Applied Science and Manufacturing, 1999, 30, 1445-1461.

5  Smith C., Grima J., Evans K., A novel mechanism for generating auxetic behaviour in reticulated foam: Missing rib foam model, Acta Materiala, 2000, 48, 4349-4356.

6     Leong K., Ramakrishna S., Huang Z., Bibo G., The potential of knitting for engineering composites, Composites. Part A, 2000, 31, 197-220.

7     B. Gommers, I. Verpoest , P. Van Houtte, Analysis of knitted fabric reinforced composites: Part I. Fibre orientation distribution, Composites. Part : Applied Science and Manufacturing, 1998, 29,  1579-1588.

8     Rangaswamy Venkatraj, Net Fabrics. The Indian Textile Journal, 1996, Sept., 46-51.

9  Whitty J.P.M., Alderson A., Myler P., Kandola B., Towards the design of sandwich panel composites with enhanced mechanical and thermal properties by variation of the in-plane Poisson's ratios. Composites. Part : Applied Science and Manufacturing, 2003, 34,  525-534.

10   Gaspar N., Ren X.J., Smith C.W., Grima J.N., Evans K.E., Novel honeycombs with auxetic behaviour,  Acta Materiala, 2005, 53, 2439-2445.

11   Ugbolue, S.C., Warner, S. B., Kim, Y.K., Fan, Q., and Yang, Chen Lu, The Formation and Performance of Auxetic Textiles, NTC Project F06-MD09 , National Textile Center Annual Report, November 2006.

12   Ugbolue, S.C., Warner, S. B., Kim, Y.K., Fan, Q., and Yang, Chen Lu, Olena Kyzymchuk and Yani Feng, The Formation and Performance of Auxetic Textiles, NTC Project F06-MD09 , National Textile Center Annual Report, September 2007.

Журнальный вариант доклада. зачитанного на 44 конгрессе Международной трикотажной федерации.

СПРАВКА

The Design and Structure of Warp Knit Auxetic Fabrics
Samuel C. Ugbolue, Olena Kyzymchuk*, Yong K. Kim,
Steven B. Warner, Qinguo Fan, Chen-Lu Yang and Yani Feng
Department of Materials and Textiles
University of Massachusetts, Dartmouth, MA 02747, USA
*Olena Kyzymchuk, Kyiv National University of Technologies and Design, Ukraine. 

Abstract

Auxetic textiles belong to a class of extraordinary materials that become fatter when stretched and are increasingly attaining some prominence in many applications of technical textiles.  Sustained efforts to fabricate auxetic fabric structures are sparce.  The use of auxetic materials has also been limited because of problems with deploying them in their fabricated forms.  Auxetic materials based on fibers and fabrics may be able to circumvent these and other limitations.  The use of auxetic fibers in an engineered textile structure will be facilitated by the development of cost effective, productive processes in which large quantities of textile materials exhibit the very unusual, interesting and useful property of becoming wider when stretched and thinner when compressed.  Such a process will revolutionize the technical textiles and protective clothing industry.  Our thrust in this research is to combine our knowledge of geometry and fabric structural characteristics to engineer auxetic textiles and to determine the properties of such auxetic textile fabrics.  Our efforts to produce auxetic knit structures from non-auxetic yarns are described in this article.

ПОХОЖИЕ СТАТЬИ