一种多层筒形织物的设计方法

一种多层筒形织物的设计方法
【专利摘要】一种多层筒形织物的设计方法，包括：用多个增强层来组成该多层筒形织物；对于每个增强层，选用高柔韧性、高强度的增强纤维作为织物的经纱和纬纱；对于每个增强层，提高单位体积增强层的容纱量；对于每个增强层的经纱和纬纱的每股结构，降低单股纱线的细度；将相邻的增强层采用纬纱接结形成整体结构。通过本发明的设计方法，可以设计出承压强度高的多层筒形织物。
【专利说明】一种多层筒形织物的设计方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及纺织品领域，更具体地，涉及一种多层筒形织物的设计方法。

【背景技术】
[0002] 可扁平软管是采用环编织物作为增强层，并且增强层内部或内外双层覆胶的正压 输送软管。该类软管的结构特点是其增强层由圆织机经纬交织而成，组织结构较为致密，耐 压强度好，同时管体具有优越的柔软性，可折叠或盘卷，包装体积小，使用轻便。
[0003] 早期可扁平软管的典型产品是仅内层衬膜的消防软管，随着工业技术的发展，可 根据要求进行双面涂胶。由于该类软管具有重量轻、易操作、展开撤收迅速等特点，可扁平 软管已经广泛应用于消防、农业灌溉、军事后勤、城市应急供排水、煤炭和矿山等领域。近年 来，随着可扁平软管在应急抢险领域的广泛应用，对软管能够进行大输送流量的需求越来 越强烈。
[0004] 提高软管的输送流量主要有增加软管口径和提高软管输送压力两种方法。但是， 口径的增加会明显增加软管的展开和撤收工作量，并且也会使运输体积急剧增加。因此，提 高软管输送压力会直接提高输送流量，是一种十分有效的方法。
[0005] 从可扁平软管的结构来看，可扁平软管由内胶层、增强层（骨架层）和外胶层组 成。内胶层起到密封作用，增强层（骨架层）耐受压力，外胶层起到保护增强层的作用。影 响软管强度的主要因素是增强层，增强层是由经纬纱交织而成的环形结构，经纱承受纵向 拉伸强度，纬纱承受压力。
[0006] 提高软管的工作压力，可通过两种途径实现：一是选用合适的增强纤维，充分利用 纤维的性能特点；二是设计合适的组织结构，提高纤维的力学效率，发挥纤维的综合性能。 在增强层纤维方面，对于输送压力的承担者的管状织物增强层，其材料选择主要选用高强 聚酯纤维、脂肪族聚酰胺纤维，有的采用芳族聚酰胺纤维。在增强层组织结构的设计方面， 最早采用的是单层平纹组织结构或单层斜纹组织结构，后来有的采用双层组织结构。
[0007] 更具体地，在增强层纤维方面，中国专利CN201120213993采用了选用特殊材料来 制造增强层，提出了增强层采用玻璃纤维、碳纤维、芳香族聚酰胺纤维（如凯夫拉纤维）来 提高软管的承压强度。虽然这三种纤维具有较高的强度，可以用较少的用纱量得到强度很 高的软管增强层，有利于减小软管的厚度和降低其单位质量。但是这三种纤维的耐弯折疲 劳性均很差，即随着纤维弯折次数的增加，纤维强度会显著降低，导致承压强度降低。因为， 软管贮存时处于扁平状态，管壁边缘弯曲成很小直径的半圆，软管增强层纬纱内侧长期处 于弯折状态。软管内部承压使用时，软管随地形变化处于弯曲受力状态，软管外侧经向纤维 处于拉伸状态，内侧纤维收到压缩弯折，就要求使用时软管的弯曲半径不能过小，理论计算 表明对于口径IOOmm的软管，弯曲半径小于IOm时，增强层内侧纤维将受到压缩；同时，纤维 的耐弯折性差，造成其耐屈曲疲劳性也很差，尤其是处于受力状态时，其耐屈曲次数急剧下 降。相关研究表明，对凯夫拉纤维施加5.Og/D的拉力时，屈曲不到500次就有断裂的可能， 而软管使用时存在较高弯折频率，会对其强度造成很大伤害。
[0008] 在织物组织结构设计方面，有别于更早出现的单层平纹组织结构，中国专利 CN03246732.X提出了采用斜纹组织结构以提高承压强度，相对于平纹组织结构，斜纹组织 结构的浮点数更少，承压强度更高。但是，单层结构的承压强度在后来的实际应用中越来越 不满足需要。
[0009] 因此出现了采用两次编织或两层增强层装套的方式作为软管增强，以进一步提高 承压强度。中国专利CN102108582A提出了采用一次编织出双层平纹组织结构的软管增强 层，两层之间采用额外的经纱进行连接形成整体结构。相对于单层结构，双层平纹组织结构 的软管增强层中每层厚度减小了近50%，每层经纬纱的交织角更小，纬纱编织方向与受力 方向的夹角更小，其承压强度也更高，但是该种结构采用经纱接结的方式连接两增强层，这 种结构由于接结线为经纱，每层的组织结构采用平纹结构，相比斜纹结构力学效率更低，经 纱的增加会造成纬纱产生过多的屈曲，增加纬纱方向交织角，降低承压强度；此外，经向位 置相对固定的接结线也使两层的经纱相对叠加，导致双层厚度较大，软管的柔软度较差。


【发明内容】

[0010] 本发明针对上述现有技术中所存在的不足之处，提出一种设计方法，通过该设计 方法设计出结构合理、提高承压强度的筒形织物，以适用于当前的应用需求。
[0011] 本发明提出一种多层筒形织物的设计方法，包括：用多个增强层来组成该多层筒 形织物；对于每个增强层，选用高柔韧性、高强度的增强纤维作为织物的经纱和纬纱；对于 每个增强层，提高单位体积增强层的容纱量；对于每个增强层的经纱和纬纱的每股结构，降 低单股纱线的细度；将相邻的增强层采用纬纱接结形成整体结构。
[0012] 通过本发明的设计方法，设计出的多层筒形织物具有提高的承压强度，从而作为 可扁平软管的增强层时，能够有效保证软管的耐弯折疲劳性和长使用寿命。

【专利附图】

【附图说明】
[0013] 图1为本发明的多层筒形织物的一个设计原理图；
[0014] 图2为本发明的多层筒形织物的另一个设计原理图；
[0015] 图3为本发明的多层筒形织物的又一个设计原理图；
[0016] 图4为本发明的多层筒形织物的设计方法的一个实施方式的流程图；
[0017] 图5为本发明的多层筒形织物的一个实施方式的截面图；
[0018] 图6为与图5所示的多层筒形织物的一部分的展开图；
[0019] 图7为本发明的多层筒形织物的另一个实施方式示例截面图；
[0020] 图8为与图7所示的多层筒形织物的一部分的展开图；
[0021] 图9为本发明的多层筒形织物的一个示例的截面图；
[0022] 图10为图9所示的多层筒形织物的一部分的截面图。

【具体实施方式】
[0023] 本发明主要是通过提高可扁平软管的增强层的承压强度来提高可扁平软管的输 送压力，从而提高软管的输送流量。技术思路包括两种：一、选用合适的增强纤维，充分利用 纤维的性能特点；二、设计合适的组织结构，提高纤维的力学效率，发挥纤维的综合性能。
[0024] 在增强纤维的选择方面，一方面希望纤维具有较好的强度从而提高其承压性能， 另一方面也希望纤维具有良好的耐弯折疲劳性，提高其使用性能和寿命。为提高纤维的强 度，纤维的分子结构中应含有苯环等刚性单元，或者具有较强的氢键、结晶度等使其具有较 强的分子间作用力。为提高纤维的耐弯折疲劳性，纤维应包含有次甲基或其他柔性单元。
[0025] 综合考虑，脂肪族聚酰胺纤维（即工业上的尼龙纤维）分子链中含有大量次甲基 单元，分子柔性好，耐弯折性能优异，此外分子结构十分规整使其具备很高的结晶度，使其 强度提高。聚酯纤维（即工业上的涤纶纤维）分子结构中均含有大量的苯环以及分子间一 定的结晶度提高其强度，酯基和大量次甲基单元使其分子柔性很高。芳香族聚酯纤维（如 商品牌号为Vectran)分子结构中也含有大量的刚性苯环和萘环，使其具备很高的强度、模 量和耐高低温性能，断裂强度与凯夫拉等对位芳纶相当，可达25g/D以上，断裂伸长率仅 3%左右，此外，分子结构中的高柔性碳一氧键提高了分子柔性，其耐弯折疲劳性明显优于 对位芳纶。
[0026] 综上所述，脂肪族聚酰胺纤维、聚酯纤维和芳香族聚酯纤维均十分适合作为可扁 平软管的增强层。相比于现有技术采用的玻璃纤维、碳纤维、凯夫拉纤维等，现有技术的三 种材料分子链刚性强，具备很高的强度，但是分子中缺乏柔性单元，导致其脆性强，耐弯折 疲劳性差。
[0027] 在组织结构的设计方面，增强层一般采用环编编织而成工艺。软管充压使用中，增 强层经纱承受软管纵向的拉伸力，增强层纬纱承受耐压强度，因此纬纱的力学性能决定了 软管的耐压强度。纬纱与经纱存在交织，使纬纱在受力方向上与纱线状态存在一定的夹角， 导致力学效率降低。
[0028] 要提高单位重量软管的承压强度，一方面应提高单位体积增强层的容纱量，即更 多的纱线必然能承受更大的强度。另一方面，纬纱与经纱存在交织，增强层越薄、经纬纱的 浮点数越少，纬纱编织方向与受力方向的夹角越小，其力学效率越高。如图1显示了本发明 的多层筒形织物的一个设计原理图，其中显示了一股经纱1和一股纬纱2。T为增强层受压 时的纬纱张力，纬纱的实际承压受力F=TXc0sa,其中a为交织角。所以，交织角越小， 承受:的压力越商。
[0029] 为了达到上述效果，可以：
[0030]①低织物组织结构的浮点数，即采用斜纹或缎纹等组织结构，就降低了交织点数， 多出一定的空间可以增加经、纬纱的数量，有利于提高增强层强度。
[0031] ②经纱和纬纱采用多股结构，从而降低单股纱线的细度，就降低了经、纬纱的交织 角。图2显示了本发明的多层筒形织物的另一个设计原理图，图中采用了双股经纱3和双 股纬纱4。显然，采用双股经纱3,交织角变小，承受的压力变高。
[0032] ③织物增强层采用双层结构，可有效降低经、纬纱的交织角。图3显示了本发明的 多层筒形织物的又一个设计原理图，图中采用了双股双层经纱5和双股双层纬纱6。显然， 采用双股经纱5,交织角变小，承受的压力变高。同时，采用双层结构，可以进一步增强耐压 强度。进一步，为避免多层结构出现分层或扭曲现象，采用一股经纱将两平纹增强层接结起 来，可以形成一体结构以提高力学性能。
[0033] 上述的设计技术路线中，存在以下的不利因素：①增强层织物组织结构的浮点数 过小，或者经纬纱线采用多股结构，会导致纱线过于松散，不利于后续涂胶的加工。②增强 层采用经纱双层接结结构，由于接结线为经纱，经纱的增加会造成纬纱产生过多的屈曲，增 加纬纱方向交织角，降低承压强度。③每层的组织结构采用平纹结构，经向位置相对固定的 接结线也使两层的经纱相对叠加，导致双层厚度较大，软管的柔软度较差。
[0034] 在此基础上，如图4所示，本发明进一步提出了一种多层筒形织物的设计方法，包 括如下步骤：在步骤S11，设计多个增强层来组成该多层筒形织物；在步骤S12,对于每个增 强层，设计选用增强纤维作为织物的经纱和纬纱；在步骤S13,对于每个增强层，提高单位 体积增强层的容纱量；在步骤S14,对于每个增强层，设计经纱和纬纱的每股结构，以降低 单股纱线的细度；在步骤S15,设计将相邻增强层采用纬纱接结使增强层形成整体结构。
[0035] 对织物设计为包括多个增强层，但是层数的增加会提高织造工艺的复杂性，因此 优先采用两层或三层结构。
[0036] 每个增强层增强材料设计采用脂肪族聚酯纤维、聚酯纤维或者芳香族聚酯纤维。 每个增强层设计采用平纹、斜纹或缎纹组织，优先采用1/2斜纹和1/3斜纹结构，平纹浮点 数少，结构致密，但力学效率低。浮点数增加的斜纹虽然力学效率增加，但是结构更为疏松， 后续表面涂胶时保形能力差而加工难度增加。因此，可以根据设计需要选择哪种结构。
[0037] 对于每个增强层中经纱和纬纱，设计采用多股结构，优先采用双股结构。采用一股 纬纱将相邻增强层的经纱连接起来，形成多层纬纱接结结构，这有利于软管强度的保证，此 外纬纱接结能使多个增强层结合得更加紧密，有利于形成合力，改善软管增强层的力学性 能。接结纬纱使得增强层的经纱交织，交织的含义为，接结纬纱可依次穿过多个增强层的经 纱，形成接结的整体结构。依次穿过的两个增强层的经纱和外增强层的经纱的数量（根数） 可以相同或不同。
[0038] 在该实施方式中，可以设计作为接结线的纬纱穿过相邻增强层的经纱，也就是把 多个增强层都连接了起来。
[0039] 图5显示了本发明的多层筒形织物的一个实施例的截面图，图6为图5所示多层 筒形织物的一部分的展开图，图9显示了该多层筒形织物的整体截面图，图10显示了图9 的多层筒形织物的一部分的放大的截面图。如图5所示，该多层筒形织物设计为双层平纹 纬纱接结结构，其为双层结构，即有两个增强层，设计采用双股双层纬纱7和双股双层经纱 9,其中设计采用一股纬纱8将两个增强层的经纱连接起来。
[0040] 图7显示了本发明的多层筒形织物的另一个实施例的截面图，图8为图7所示多 层筒形织物的一部分的展开图。如图7所示，该多层筒形织物设计为双层平纹纬纱接结结 构，其为双层结构，即有两个增强层，设计采用双股双层纬纱10和双股双层经纱12,其中设 计采用一股纬纱11将两个增强层的经纱连接起来。该实施方式与图5所示的实施方式相 t匕，其浮点数降低，交织角越小，承受的压力越高。
[0041] 在图5-图10显示的多层筒形织物中，交织角位于10度和80度之间。
[0042] 在制造如上所述的多层筒形织物时，采用普通圆织机可以织造出该种结构，如满 足专利CN101215748A和CN203144633U技术要求的圆织机。设计筒形织物的公称直径在 20mm?500mm范围内，公称直径优先为 25mm、75mm、100mm、150mm、200mm、250mm。
[0043] 下面示出根据本发明的如上设计原理设计的一个多层筒形织物的实例。
[0044](一）双层平纹纬纱接结结构增强层
[0045] 针对IOOmm内径的可扁平软管，选用涤纶长丝纤维，采用双层平纹纬纱接结结构， 其结构示意图如图所示。使用的结构参数如表1所示，采用圆织机进行编织，编织内径为 108_，通过内衬聚氨酯圆筒膜进行打压测试，爆破压力为12. 4MPa。该增强层可以通过衬膜 工艺或共挤工艺（如CN202082508U、CN26465194等）制备成液体输送管。
[0046] 表1双层平纹纬纱接结结构增强层结构参数
[0047]

【权利要求】
1. 一种多层筒形织物的设计方法，其特征在于，包括： 用多个增强层来组成该多层筒形织物； 对于每个增强层，选用高柔韧性、高强度的增强纤维作为织物的经纱和纬纱； 对于每个增强层，提高单位体积增强层的容纱量； 对于每个增强层的经纱和纬纱的每股结构，降低单股纱线的细度； 将相邻的增强层采用纬纱接结形成整体结构。
2. 根据权利要求1所述的多层筒形织物的设计方法，其特征在于，还包括：改变经纱和 纬纱的交织角以减小纬纱编织方向与受力方向的交织角。
3. 根据权利要求1所述的多层筒形织物的设计方法，设定筒形织物的公称直径在 20mm?500mm范围内。
4. 根据权利要求1所述的多层筒形织物的设计方法，其特征在于，设定筒形织物的公 称直径为 25mm、75mm、100mm、150mm、200mm 或 250mm。
5. 根据权利要求1所述的多层筒形织物的设计方法，其特征在于， 对于每个增强层，采用独立的平纹、斜纹或缎纹结构； 对于每个增强层，经纱和纬纱采用多股结构。
6. 根据权利要求1所述的多层筒形织物的设计方法，其特征在于，从聚酰胺纤维和聚 酯纤维中选择一种作为每个增强层的纤维。
7. 根据权利要求5所述的多层筒形织物的设计方法，其特征在于，采用芳香族聚酯纤 维作为每个增强层的纤维。
8. 根据权利要求1所述的多层筒形织物的设计方法，其特征在于，将接结的纬纱与内 增强层和外增强层的经纱交织以使内增强层和外增强层连接起来。
9. 根据权利要求8所述的多层筒形织物的设计方法，其特征在于，，采用平纹、1/2斜纹 和1/3斜纹结构中的一种作为对于每个增强层的结构。
10. 要求2所述的多层筒形织物的设计方法，其特征在于，对于每个增强层，设定所述 交织角在10度和80度之间。
【文档编号】D03D3/02GK104264314SQ201410444191
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月2日 优先权日:2014年9月2日
【发明者】黄忠耀, 蔡利海, 蔡宝祥, 蔡卫丰, 刘辉 申请人:中国人民解放军总后勤部油料研究所