捻度對石英纖維縫合線磨損行為的影響

吳 寧 ，楊宏宇 ，朱 超 ，陳 利

（1.天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387）

20 世紀(jì)80 年代中期，美國航空航天局（NASA）啟動(dòng)了“先進(jìn)復(fù)合材料計(jì)劃（ACT 計(jì)劃）”，成功地將縫合技術(shù)應(yīng)用于機(jī)身、機(jī)翼的制造。此后，縫合作為一種低成本三維織物成形技術(shù)，在航空航天、船舶、交通等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前使用較多的縫合方式包括鎖式縫合、鏈?zhǔn)娇p合、改進(jìn)的鎖式縫合、暗縫、Tufting縫合及雙針縫合等[1]。不同的縫合方式之間有所差異，需要根據(jù)制品的要求來進(jìn)行選擇，但其工作原理大致相同，即：縫合針經(jīng)過穿刺、退針運(yùn)動(dòng)，在織物的厚度方向引入Z 向紗線，將織物的層與層之間進(jìn)行連接，形成三維縫合織物，再經(jīng)過樹脂固化成型，得到縫合復(fù)合材料。通過這一技術(shù)制得的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可以顯著提高二維層合板的抗損傷容限[2]。

石英纖維是一種二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過99%的玻璃纖維，具有優(yōu)異的介電性能，是一種理想的高頻透波材料，在飛行器雷達(dá)天線罩上有著廣泛的應(yīng)用。采用縫合技術(shù)制備的天線罩，可以有效節(jié)約人力、物力，提高織造工藝水平。然而，由于石英纖維模量高、脆硬等特性，縫合過程會(huì)對石英纖維縫合線造成不可避免的磨損，降低制品的性能。針對這一問題，當(dāng)前的解決方案主要包括兩個(gè)方面：一方面是通過上漿[3-7]、二維管狀編織結(jié)構(gòu)[8-9]、包芯紗[10]、加捻[11-12]等方法改善縫合線的耐磨損性；另一方面，還需要考慮縫合線的工藝適用性，包括縫合線與縫合針的匹配性、縫合參數(shù)的適應(yīng)性等[13]。由于二維管狀編織結(jié)構(gòu)和包芯紗結(jié)構(gòu)工藝較為復(fù)雜，成本較高，故研究較少[5]。纖維上漿是一種傳統(tǒng)而有效的辦法，縫合線在出廠時(shí)一般都需要經(jīng)過上漿處理，以提高縫合線的耐磨性。此外，在選用縫合線時(shí)，考慮到其與縫合針、縫合工藝的適應(yīng)性，往往還需要對紗線的捻度結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)選。加捻能夠改變紗線的截面形態(tài)，改善纖維的機(jī)械性能，提高縫合線的抱合力，使得纖維形態(tài)穩(wěn)定，進(jìn)一步減少縫合過程中縫合線的損傷。

已有學(xué)者研究了捻度對縫合線浸潤性、拉伸性能或縫合復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。例如，陳吉平等[14]對不同捻度的凱夫拉29 縫合復(fù)合材料進(jìn)行拉伸、彎曲、層間剪切實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鏈?zhǔn)娇p合中，凱夫拉29縫合線的捻度在80 捻/m 時(shí)，縫合復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)到788 MPa，當(dāng)捻度低于200 捻/m 時(shí)，不影響樹脂的浸潤。文獻(xiàn)[15-16]認(rèn)為雙股或三合股的碳纖維縫合線的捻度在250 ～300 捻/m 較為合適，能夠降低縫合線截面積，減少穿刺過程中的摩擦損傷。閆小兵等[17]研究了不同捻度國產(chǎn)碳纖維的拉伸性能，發(fā)現(xiàn)在單紗捻度一定的情況下，股線捻度為單紗捻度的1.4～1.6倍時(shí)，其拉伸強(qiáng)力最大。另有學(xué)者評估了縫合過程中縫合線的損傷情況。例如，Hui 等[18]觀測了縫合過程中碳纖維縫合線的損傷情況，并提出了一種改進(jìn)縫合線損傷的方法，通過拉伸測試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新方法能夠使縫合線的損傷減少30%。Xuan 等[19]提出了一種改進(jìn)的縫合方法，通過將縫合針穿入毛細(xì)管的方式，成功制備了無縫合線損傷的縫合復(fù)合材料。劉曉明等[20]采用自制的摩擦儀模擬上機(jī)對紗線的摩擦，研究并討論了影響紗線摩擦性能的各種因素，包括紗線成分、捻度、線密度、浸潤劑、退并捻等參數(shù)。Verma 等[21]使用玻璃纖維、碳纖維、凱夫拉纖維作為縫合線，對不同厚度的預(yù)制件進(jìn)行縫合，從織物損傷、紗線損傷、斷針等方面分析了Tufting 縫合速度對縫合質(zhì)量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，縫合線的損傷量總是表現(xiàn)為碳纖維＞玻纖＞芳綸。

以上文獻(xiàn)對縫合線捻度及其性能、縫合線摩擦損傷結(jié)果進(jìn)行了較為充分地分析。然而，縫合過程中，縫合線的磨損行為跟其自身的捻度結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。針對捻度引起的縫合線輪廓形貌結(jié)構(gòu)變化，對其磨損程度及損傷模式的影響尚未見諸報(bào)道。本文通過3D輪廓分析，表征了不同捻度縫合線在摩擦前后的凸出峰部面積、表面粗糙度的變化規(guī)律；通過拉伸性能測試及毛羽灰度值分析，表征了捻度對其磨損行為的影響。本文旨在為石英纖維縫合線的低損傷工程化應(yīng)用提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

石英纖維縫合線，2×195 tex，雙合股Z 向加捻，湖北菲力華石英玻璃股份有限公司產(chǎn)品，參數(shù)見表1；AGS-J1KN 型萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)，日本島津產(chǎn)品；3D 輪廓測量儀VR5200，日本基恩士公司產(chǎn)品，測量最小精度0.4 μm，采用光學(xué)相干層析成像（optical coherence tomography，簡稱OCT）技術(shù)，在低相干干涉原理的基礎(chǔ)上，通過采集參考平面的參考光和被測物件的散射光形成的干涉信號來還原被測樣件的深度信息[22]。

表1 石英纖維參數(shù)Tab.1 Parameters of quartz fibre

1.2 石英纖維縫合線輪廓表征

取 50、80、100、120、150、200 捻/m，2×195 tex 的石英纖維縫合線，長度均為500 mm，在3D 輪廓測量儀上放大12 倍，分別對其進(jìn)行輪廓形貌掃描，隨機(jī)提取10 處測量紗線的捻回角β、最大直徑D、最小直徑d，平均直徑，取平均值，如圖1 所示。

圖1 石英纖維縫合線輪廓示意圖Fig.1 Schematic diagram of quartz sewing thread outline

根據(jù)紗線平均直徑計(jì)算紗線體積質(zhì)量[23]：

式中：d 為紗線直徑（mm）；Nt為紗線細(xì)度（tex）；δ 為紗線的體積質(zhì)量（g/cm3）。

令d=d′代入式（1）可得紗線體積質(zhì)量：

紗線的凸出峰部面積和粗糙度是在輪廓儀下放大12 倍觀測的，其曲線示意圖如圖2 所示。

圖2 紗線粗糙度輪廓曲線示意圖Fig.2 Diagram of yarn roughness profile

為便于區(qū)分，本文將未與摩擦棒接觸的紗線標(biāo)記為UD，與摩擦棒接觸未摩擦的紗線標(biāo)記為UF，50 次摩擦后的紗線標(biāo)記為FR。對不同捻度的UD、UF、FR 3種狀態(tài)紗線粗糙度和凸出峰部面積進(jìn)行測量并統(tǒng)計(jì)。將紗線一端固定，另一端懸掛5 g 砝碼，以紗線一端為起點(diǎn)，沿著紗線軸向中位線做一水平線，測量區(qū)間長度在23.5 mm 左右，在多線條粗糙度選項(xiàng)中設(shè)置11 根線條，間隔1 個(gè)像素，取平均值。粗糙度可用11根線條掃過的輪廓曲線的算數(shù)平均高度的平均值來表示：

式中：Ra稱為算數(shù)平均粗糙度，表示在基準(zhǔn)長度上的絕對值的平均值；lr為基準(zhǔn)長度。

紗線凸出峰部面積的測試對象為紗線表面基準(zhǔn)線以上部分形狀與閾值所圍起來的立體空間，用于估計(jì)紗線的實(shí)際接觸面積，如圖3 所示。

圖3 紗線凸出峰部面積測量示意圖Fig.3 Schematic diagram of measurement of yarn convex peak area

1.3 耐磨性能測試

耐磨性測試參照FZ/T01058—1999《紗線耐磨試驗(yàn)方法往復(fù)式磨輥法》進(jìn)行。選用砂紙規(guī)格為400 目，纖維束式樣的長度為600 mm，一端由偏心轉(zhuǎn)輪（天津工業(yè)大學(xué)自制）握持，另一端使用5 g 砝碼控制張力，偏心轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速為100 r/min，如圖4 所示。

圖4 耐磨裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of wear-resistant device

前期的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，不同捻度紗線的平均磨斷次數(shù)均在100～150 次之間。因此，本實(shí)驗(yàn)對不同捻度FR 組紗線進(jìn)行拉伸性能測試，計(jì)算其50 次摩擦后的強(qiáng)度保持率。用3M 定型劑對摩擦區(qū)域的紗線表面進(jìn)行噴灑，定型2 h，在3D 輪廓測量儀上觀察紗線磨損形貌，并用Image J 軟件對紗線磨損面毛羽進(jìn)行圖像處理和灰度值量化統(tǒng)計(jì)[24]。

紗線摩擦后的拉伸性能能夠從側(cè)面反映出縫合線磨損程度的大小，測試方法參照GB/T14344-2008《化學(xué)纖維長絲拉伸性能試驗(yàn)方法》和GB/T7690.3-2013《增強(qiáng)材料紗線試驗(yàn)方法第3 部分：玻璃纖維斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長的測定》。采用平板式夾具，試樣有效長度為500 mm，拉伸測試速率為50 mm/min，測20組，記錄不同捻度FR 的剩余拉伸強(qiáng)力，并取平均值，計(jì)算其50 次摩擦后的強(qiáng)度保持率。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同捻度石英纖維縫合線結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

測得的不同捻度縫合線的捻回角β、最大直徑D、最小直徑d，平均直徑d 如表2 所示。

表2 不同捻度縫合線的測量參數(shù)Tab.2 Measurement parameters for sewing thread with different twists

由表2 可以看出，雙合股加捻的紗線中，其最小直徑等于單股線的直徑，而最大直徑總是為最小直徑的1.4～1.6 倍。隨著捻度的增加，紗線中纖維的傾斜角度增加，捻回角增大，紗線的平均直徑降低，股線加捻后，進(jìn)一步增加了纖維的堆砌和緊密程度，紗線的體積質(zhì)量隨著捻度的增加而增大。

2.2 捻度對縫合線凸出峰部面積和粗糙度的影響

圖5 為不同捻度UD 組多線條粗糙度測量示意圖。

圖5 不同捻度UD 組多線條粗糙度測量示意圖Fig.5 Schematic diagram of measurement of multi-line roughness for different twists of UD groups

由圖5 可以發(fā)現(xiàn)，紗線的表面是由若干個(gè)凸出峰部和凸出谷部組成，加捻紗線的表面呈現(xiàn)出周期性波動(dòng)狀態(tài)。由于紗線捻度不同所造成的凸出峰部的頻率波動(dòng)周期不同，紗線內(nèi)的單絲間距也不同，因此粗糙度的測量結(jié)果只在同一捻度下進(jìn)行比較。隨著捻度的增加，凸出峰部和凸出谷部出現(xiàn)的頻率也增加，纖維在紗線軸向由較平直狀逐漸變成螺旋狀，低捻度紗線內(nèi)部的纖維排列松散，存在較大的縫隙和空洞，造成凸出峰部和凸出谷部的變異系數(shù)較高。

紗線的凸出峰部面積、表面粗糙度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 不同捻度UD、UF、FR 3 種狀態(tài)下紗線的形貌參數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.6 Statistics of morphological parameters of yarns for different twists of UD，UF and FR groups

由圖 6（a）可見，隨著捻度的增加，UD、UF、FR 組的凸出峰部面積呈現(xiàn)出減小趨勢，且UD 組＜UF 組＜FR 組。這是由于紗線在較低捻度時(shí)，纖維之間排列較為松散，在張力的作用下，摩擦過程中紗線內(nèi)部的單絲和斷纖會(huì)在任意截面處發(fā)生嵌入運(yùn)動(dòng)，纖維發(fā)生重排，容易在摩擦棒上鋪展開。摩擦表面的接觸實(shí)際上是由無數(shù)細(xì)微的小凸起組成[25]，隨著捻度的增加，紗線內(nèi)部單絲之間抱合緊密，纖維體積質(zhì)量增加，使得UF、FR 組紗線的凸出峰部面積降低。因此，同一捻度內(nèi)，低粗糙度紗線的凸出峰部面積大于高粗糙度紗線的凸出峰部面積[26]。

由圖 6（b）可見，同一捻度內(nèi)，UD、UF、FR 組表面粗糙度與凸出峰部面積呈現(xiàn)出相反的變化趨勢，紗線的形貌發(fā)生改變。與UD 組紗線相比，UF 組紗線的表面粗糙度降低了6%～20%，而FR 組表面粗糙度降低了27%～47%。這說明UF、FR 組紗線接觸表面更加平整，UF 組紗線在一定的張力下，受到摩擦棒的反作用力，與摩擦棒接觸部分的紗線受到擠壓被壓平，紗線的粗糙度降低。FR 組紗線在往復(fù)摩擦運(yùn)動(dòng)的過程中，最先接觸摩擦棒的纖維逐漸被磨斷，紗線表面逐漸被磨平，粗糙度降低。

2.3 捻度對縫合線耐磨性的影響

不同捻度FR 組縫合線50 次摩擦后強(qiáng)度保持率如圖7 所示。

圖7 不同捻度FR 組強(qiáng)度保持率Fig.7 Strength retention of FR groups with different twists

由圖7 可以看出，隨著捻度的增加，F(xiàn)R 組紗線的強(qiáng)度保持率呈逐漸增加的趨勢，其變化范圍在15.59%～40.67%，且最高達(dá)到40.67%。這是由于紗線經(jīng)過摩擦后，內(nèi)部纖維均勻度變差，造成拉伸性能衰減。而隨著紗線捻度的增加，紗線內(nèi)部纖維均勻度有所改善，拉伸性能有所提高[27]。

對不同捻度FR 組表面輪廓圖像進(jìn)行了二值化處理。根據(jù)圖像特征區(qū)域的灰度分布設(shè)定合適的閾值，將紗線邊緣毛羽特征提取，對各像素灰度進(jìn)行量化，將200 捻/m FR 毛羽灰度值換算為1 作為對照，得出不同捻度FR 組毛羽灰度值統(tǒng)計(jì)圖，如圖8 所示。

圖8 FR 組表面毛羽灰度值統(tǒng)計(jì)示意圖Fig.8 Statistics of surface hairiness of the FR group

由圖8 可知，紗線經(jīng)過摩擦后，產(chǎn)生應(yīng)力集中，最先接觸摩擦棒的紗線在循環(huán)應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞斷裂[28]，毛羽主要分布在纖維軸的兩側(cè)，摩擦面平整。隨著捻度的增加，縫合線摩擦后接觸面毛羽灰度值逐漸降低，說明隨著縫合線捻度的增加，紗線的磨損在減小，如圖9 所示。圖9 進(jìn)一步驗(yàn)證了上文中縫合線50 次摩擦后的強(qiáng)度保持率隨著捻度的增加而增加的結(jié)果。

圖9 不同捻度FR 組表面毛羽灰度值統(tǒng)計(jì)Fig.9 Statistics surface hairiness of the FR group with different twists

不同捻度FR 組摩擦過程圖、摩擦面前視圖、側(cè)視圖以及磨斷形貌圖如圖10 所示。當(dāng)縫合線的捻度為50 捻/m 時(shí)，如圖 10（a）所示，摩擦過程中，紗線容易在摩擦棒上展開，單絲、砂礫、斷纖容易嵌入到纖維束之間，摩擦后縫合線的集束性變差，并分裂成兩股。紗線受到磨料的切割作用，纖維束的主體部分很快被磨斷，產(chǎn)生較多的斷纖，團(tuán)聚成纖維絮，并隨著紗線的往復(fù)摩擦而脫落。隨著捻度的增加，如圖10（b）—圖10（f）所示，纖維束內(nèi)部空隙逐漸縮小，摩擦后的紗線顯示出較好的集束性。這是由于隨著捻度的增加，纖維體積質(zhì)量逐漸增加，單絲之間摩擦阻力增大，磨料很難嵌入紗線內(nèi)部，紗線受到的切割作用減少，因此紗線摩擦后的毛羽量少，磨損減少。

此外，還觀察到摩擦過程中紗線的摩擦接觸面不斷有新的磨料產(chǎn)生，浮游狀毛羽在纖維軸向不承受力的作用，被逐漸排擠到纖維軸的兩側(cè)，紗線表面摩擦區(qū)域呈現(xiàn)出漸近式損傷，摩擦區(qū)域的紗線變得扁平、光滑。摩擦區(qū)域中，最先接觸摩擦棒的纖維先被磨斷，最后接觸摩擦棒的纖維在張力的作用下抽拔斷裂。隨著捻度的增加，摩擦后的縫合線中，纖維斷裂后抽拔出的長度、數(shù)量都相應(yīng)減少。這與Jiang 等[29]通過理論模型計(jì)算得出的結(jié)果是一致的，即：隨著紗線捻度的增加，纖維的臨界滑移長度降低，在紗線的斷裂過程中，斷裂的纖維數(shù)量逐漸增加，而滑移長度逐漸減少。摩擦過程中，紗線受到復(fù)雜的應(yīng)力（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)），靠近紗線斷口的區(qū)域，毛羽量最多，遠(yuǎn)離紗線斷口的區(qū)域，毛羽量較少。

3 結(jié) 論

不同捻度石英纖維縫合線的形貌及磨損行為有所差異，但其變化規(guī)律符合纖維摩擦中的基本現(xiàn)象。本文借助輪廓儀觀測了不同捻度縫合線的表面形貌，測得了不同捻度縫合線在未接觸（UD）、接觸未摩擦（UF）及摩擦后（FR）3 種狀態(tài)下的凸出峰部面積和粗糙度，并統(tǒng)計(jì)了不同捻度紗線在50 次摩擦后的的剩余拉伸強(qiáng)度和表面毛羽灰度值。得出以下結(jié)論：

（1）隨著捻度的增加，縫合線的平均直徑降低，UD、UF、FR 3 種狀態(tài)下縫合線的凸出峰部面積逐漸降低，縫合線的捻回角、體積質(zhì)量逐漸增加；

（2）同一捻度內(nèi)，與UD 組縫合線相比，UF 組和FR組縫合線的表面粗糙度分別降低了6%～20%和27%～47%，UF 組縫合線的接觸表面被壓平，而FR 組縫合線的接觸表面被磨平；

（3）隨著捻度的增加，縫合線摩擦后的毛羽量、磨損程度逐漸降低，纖維斷裂后抽拔出來的長度、數(shù)量都相應(yīng)減少；靠近紗線斷口的區(qū)域，毛羽量較多，遠(yuǎn)離紗線斷口的區(qū)域，毛羽量較少；縫合線摩擦后強(qiáng)度保持率逐漸增加，最高達(dá)到40.67%。