具有平衡模量和不平衡结构的织物 描述
本发明要求保护于1996年10月21日提交的、题目为“具有平衡模量和不平衡结构的织物”的35U.S.C.§119临时申请60/028,896。
依据由能源部颁发的合同DE-AC-04-76DP00789，在本发明中政府具有一定权力。
【技术领域】
本发明涉及供各种织物结构之用的具有平衡、将近平衡、或最佳弹性模量(“模量”)和不平衡结构的织物。具体而言，本发明涉及一种用于充气袋或类似织物结构的具有平衡模量和不平衡结构的织物。
技术背景
如充气袋等织物结构通常是由含有平衡机织织物结构的织物构成的。当在两个机织方向-即经向和填料方向上地纱线是由相同的旦尼尔材料制成且含有相等尺寸、强度和间距的纱线的相同经纬密度时，获得了平衡的机织织物结构。(填料方向有时也称为“纬向”)。这些相同的纱线被机织在一起以形成一种平衡的织造织物。这种普通的平衡结构在经向和纬向上也意外地形成一种平衡的弹性模量。在此使用的弹性模量是材料中引起的应力除以由该应力产生的应变得到的商。
由现有技术的织物结构带来的问题是对于织物结构或挠性高压容器来说它们不能获得平衡的机械特性，所述的机械特性能使织物质量、体积、负载承载能力和制造费用最佳化或降低强度的随机性。
发明概述
本发明的目的是提供一种具有平衡机械特性的不平衡织造织物的织物结构或挠性压力容器，以使织物质量、体积、负载承载能力和制造费用最佳化并减少其强度的随机性。
本发明的一些附加目的和优点将部分地表述在下列描述中，并且其一部分通过该描述将变得更加清楚，或可通过本发明的实践而获悉。本发明的目的和优点通过尤其在附属权利要求中指出的一些元素和组合来实现和获得。
为实现上述目的和根据本发明的意图，如在此具体说明和概括性描述的，本发明包括一种由不同纱线构成的织物，其中在经向上为一种纱线且在纬向上为一种纱线。本发明还包括一种由为平衡弹性模量而被拉伸的纱线构成的织物。本发明还包括这样一种织物，其中在纱线间或织造的纱线间的间距可被调整，以实现最佳的接近平衡的弹性模量。本发明还包括一种制造具有平衡模量和不平衡结构的织物的方法。
应理解到，上述概括性的描述和下列详细的描述仅是示例性的和解释说明的，并不是对要求保护的本发明的限制。
附图简述
图1示出经向和填料方向上的织物组织构造；
图2是平纹织造织物的边缘视图；
图3是平纹织造织物的顶视图；
图4是平纹织造织物的侧视图；
图5是2×1斜纹织造织物的边缘视图；
图6是斜纹织造织物的顶视图；
图7是斜纹织造织物的侧视图；
实现本发明的最佳方式
正如在此所公开的，具有接近平衡或最佳模量和不平衡结构(不平衡织造)概念的织物是从本发明人的新发现而进化而来的，所述的新发现是在织物结构使用期间使不平衡的机织织物在经向和纬向方向上受到不相等的拉伸。这种不相等拉伸会产生一种斜的或剪切形状并且在结构中如接缝、固定区域和缝合处等相对刚性的部分处易于撕裂织物。这种撕裂会在结构中产生过早的破坏，由此降低了织物的功效。因此对于给定的织物结构需要较高的织物强度和重量以避免过早的破坏。这样增加了的强度和重量降低了对于给定质量或体积的织物结构的功效。
此外，平衡结构织物的厚度是通过在经向和纬向两方向上相同纱线的几何组合而确定的。相反，根据本发明，不平衡结构织物的厚度是通过在经向和纬向方向上不同数目和尺寸的纱线的最佳几何组合而确定的。本发明人发现对于平衡结构中纱线的每一组合，在不平衡结构中为实现相同强度而进行的纱线的较薄组合或为实现相同厚度而进行的纱线的较坚固的组合都是可行的。
本发明人进行了一系列的结构试验，以证明通过改变织物结构、在经向和纬向方向上机织不同的纱线或交变织物织法来由相同的织物质量或体积达到较大强度的能力。这些不平衡机织织物在负载或最终使用条件下产生平衡或接近平衡的结构特性。从而这些不平衡机织织物能够使织物结构的强度、纤维质量和体积最佳化。这些不平衡机织织物也能由不相等纱线的较大堆砌密度(pacling density)潜力达到较低的透气性。实质上，在最后所得到的不平衡机织织物中的纤维在相同体积下与传统的平衡结构织物相比被更有效地组合。
此外，本发明的不平衡机织织物所包括的数目不等的机器方向和横向方向(经向和纬向)纤维与生产相同织物体积的平衡结构织物比较而言其加工成本是较低的。横向方向上的纤维数目确定要求生产单元织物的运作时间量。因此，大纤维制成的较少的纬纱以低成本的形式形成最终使用条件下的平衡织物特性。
另一方面，本发明人所揭示的是改变织造组织基质中的纱线曲率将会对织物强度产生影响。本发明人测定出，通过在纱线之间加倍经纱或加长交替能平衡纱线曲率。本发明人进行了一系列结构试验，其证明了织物机械特性的平衡也是随纱线曲率而变化的，并且通过改变织物织造类型会减少总织物强度的偏差。
具有平衡机械特性的不平衡机织织物的概念呈现为一种几何形状，其对于织物结构或挠性压力容器能使织物质量、体积、负载承载能力和制造费用最佳化并且减少了强度的随机性。
下面将详细介绍本发明的一些最佳实施例。
本发明涉及的是一种由在经向和纬向方向上不同的或变化的纱线制成的织物结构；一种由在经向和纬向方向上变化数量的纱线制成的织物结构；或一种通过变化织物织法而制成的织物，以获得一种具有接近平衡的机械特性的织物。
本发明的不平衡机织织物的设计是通过变化纱线结构而实现的，以致最终产品、织物的机械特性在织物最终使用条件下接近平衡。由于在织物基质中纱线的不均匀长度和强度引起的不均匀的纱线尺寸和间距而产生了不均匀的刚度，因而要求变化的结构。这种不均匀的纱线使得在负载下可达到的经向和纬向拉伸量发生斜扭，从而斜扭弹性模量。例如，在生产期间通过以变化的量持久地拉伸纱线而改变纱线，以调节用于成品织物中的纱线的最终强度和延伸率。依据拉伸改变这些纱线是调节或设定织物最终弹性模量的一种方法。改变织物带有的应力强度-即通过例如改变纱线间距来改变织物的容量也能用于调节弹性模量。改变织物织法是用于平衡织物模量、增加强度和减少强度随机性的另一种方法或方式。这些对于机械特性的调节的组合其确定了织物的最终模量。
因此，平衡织物的弹性模量通过下述三种方法来实现：第一，通过改变织物的强度；即，在织物的一个特定方向上增加或减少纱线数量；第二，作为另一方法，在织物的拉伸期间通过控制单独纱线的持久张力而改变其张力并且在制造期间改变纱线的拉伸量，因而在构成的织物中留下可控的拉伸量；第三，作为另一方法，通过变化织物织造，并减小织物的纱线曲率，而且选配经线和纬线的曲率，由此平衡织物模量、提高强度且减少强度的随机性。
选择用于两个方向中的特殊纱线必须考虑在两个方向上的织物特性、纱间切变应力的产生和在最终使用条件下的纤维特性。纱线和机织织物的密度是通过给定的体积和特性要求而确定的。
一旦织物用这些特殊选定和变化的纱线而织造，试验证明其模量是平衡的。所需的是要在“作为使用”条件下对织物进行试验，以匹配织物结构方向之间的弹性模量。这种试验一般包括暴露于相关的环境下，例如温度和加载比率的组合环境下。缓慢的或静态的加载率要求材料的静态试验。织物结构的动态加载需要的是在试验的织物中引入类似的应变率，以保证模量在这些条件下是平衡的。如由纱线特性和机织织物的密度限定的织物的理论性能特征与在试验中获得的实际特征进行比较。然后要进行纱线选择或织法的改变，直到织物的实际性能特征符合最终使用条件下所要求的性能。
理论上的织物特征是根据各种工序，例如有限元样本分析而确定的。
对于测定实际织物特征的织物试验，要求把织物放在最终使用条件下并且在经向和纬向两个方向上测定其机械特性。例如，高速拉伸试验和高应变率测试能在各方向上进行。这些试验目的是用来识别在各方向中织物特性的差异。然后，通过重复的方法，织物被重新构造以致达到一最终结构，其中织物在最终使用条件下在各方向上的性能近似相同。
本发明揭示了在如气袋、降落伞和气球等织物结构中能利用较轻重量的织物。根据本发明生产而得到的织物将在两个方向上接近平衡织物的机械特性。这种织物能制成较坚固而不需要较坚固的纤维或重量或体积。经过重复比较试验，通过调节在织物的经向和纬向方向上使用不同量的不同纱线，并且根据不同的机械性能减小织物中经向和纬向方向之间的剪应力，能达到最佳的平衡模量织物。对于一给定的强度或性能要求，要求较小体积的较轻织物能够用来实现所希望的结果。对于设定的织物重量或体积参数，通过利用本发明能实现较大的强度。
另一方面，本发明揭示了用变化的织法来达到织物结构近似平衡的机械特性。例如，通过调节织物织造组织而实现织物结构的平衡机械特性，从而使各方向的纱线曲率接近于平衡。例如，通过使特定方向上的纱线数量加倍或通过加长在纱线间的交替(alternation)、或采用这两种技术的结合而能实现上述要求。通过以这种方式改变织造组织，纱线的曲率变为基本相同，即对于各纱线而言，其在上下方向上被平衡。假定在两个方向上的织造组织的形状基本上为一矩形，其矩形越接近达到一正方形，则纱线的曲率和织物最后所得到的机械特性越平衡。
通过变化织法来延长纱线以达到将近平衡的条件，这指的是增加纱线通过织物基质在其长度方向上的路径长度。卷曲是织物的扭结量。通过减少了纱线的路径长度，卷曲或扭结量被减少，从而减少了通过织物基质的纱线的曲率。织物中的纱线的卷曲或曲率能够通过比较包含在织物长度中的纱线长度而测量出。运行通过织物基质的迂回路径所需的纱线附加长度是卷曲的直接量度-长度百分比越大，卷曲越大；长度百分比越小，纱线越直并且纱线中的卷曲越小。通过平衡两个方向上纱线的路径长度，使不同的纱线的曲率和卷曲以更加类似或平衡的形式而起作用。
本发明其中一个实施方案中的一个实例示于图5,6和7中。同绘制在图2、3和4中的现有技术平纹组织比较，本发明的一个实施方案被绘制在图5、6和7中，其使用一种2×1的斜纹组织。图2,3和4的平纹组织具有经线5的有效曲率半径15，其不同于并且在这些图中较小于纬线10的有效曲率半径20。相反，绘制在图5,6和7中的本发明的实施方案具有一经线50、52的有效曲率半径60，其更加类似于并且优选接近于纬线55的相同的曲率半径65。在图5、6和7的实例中，经向方向上的纱线数量同绘制于图2、3和4中的现有技术的平纹组织相比较而言增加了一倍。此外，在图5、6和7的实例2×1斜纹组织中，在纱线两个方向上的卷曲和曲率与图2、3和4中所示平纹组织中的卷曲和曲率相比以较大的程度被平衡，从而生产了一种具有接近平衡模量的织物结构。
本发明通过下列的实例将会进一步解释清楚，这些实例仅用来举例说明本发明。实例
源于下列织物的3个类型的试验数据来说明由织物的恒定质量获得附加强度的发明，其采用一不平衡结构来平衡两个方向上的织物机械特性。表1给出这三种织物的相关数据。
类型Ⅰ
这个织物是用传统的指标而设计的，使用45旦尼尔的经纱和100旦尔尼的纬纱。选择纱线特性使得在各方向上的最终拉伸强度达到最大值。
类型Ⅱ
这种织物用来增加类型Ⅰ的强度。增加一个方向上的纱线量。尽管进行了表明增加强度的静态试验，但在最终使用条件和85℃下的动态试验表明其织物实际上是较弱的并且其织物性能是非常低的。
类型Ⅲ
这种织物结构采用具有平衡模量设计概念的不平衡织造结构。经线和纬线二者的应力应变曲线的斜度是接近平行的。例如，模量比、即经向模量值除以纬向模量值在加热85℃条件下约为0.89(或89％)。其结果是动态拉伸强度增加约50％，根据现有试验类型和传统的设计，用相同的织物质量达到了更大的强度。
表Ⅰ
旦尼尔 纱线延 数量 静态 动态 动态张
伸率 张力 张力 力(热)类型Ⅰ经线 45 20％ 183 281 229 204纬线 100 31％ 93 321 260 210类型Ⅱ经线 40 31％ 242 309 228 199纬线 100 32％ 92 349 255 220类型Ⅲ经线 45 24％ 249 356 334 302纬线 100 24％ 97 337 287 256
表明在生产期间通过控制纱线的应变而平衡模量比的本发明的试验数据被表示在列入于下列表2的下述四种织物中。第一种织物使用传统生产的纱线，并且在环境和加热试验温度下模量比达到62％和53％。第二到第四种织物则是根据本发明改变了经线和纬线特性的组合，以便对模量产生影响。如由四种织物的结果表明，经线与纬线间的模量比通过调节纱线特性而能得到改善。在此，在实施本发明时，在环境和加热两种条件下可达到较大的模量平衡，其分别测得为80％和82％。
表2：纱线产品特性模量控制-轻质量纱线织物纱线在生产时的纱线应变 工艺数据 模量比(100％标准)经/纬经线纬线环境受热1.45/10028％21％基准纱线62％53％2.45/10028％24％仅变化纬线67％72％3.45/10024％24％变化经线和纬线65％89％4.45/10024％24％变化经线、纬线和加工拉伸80％82％
一种应用本发明在高温下使用两种稍粗旦尼尔的织物的类似织物试验也完成了。表3列出了使用55旦尼尔经线和120旦尼尔纬线织物的结果。根据这个试验，在热的温度下织物模量的平衡是通过改变纬纱而在第二个试验中获得的。在热的温度下的织物特性常常限制了织物的使用，并且如通过实施本发明而进行的这个试验所说明的，在高温下平衡模量的能力是十分有用和重要的。
表3：纱线产品特性的模量控制-较粗旦尼尔纱线织物纱线在生产时的纱线应变 工艺数据 模量比(100％标准)经/纬经线纬线环境受热1.55/12025％24％基准纱线79％69％2.55/12025％28.2％仅改变纬线66％92％
源于下列四种织物类型的试验数据说明了通过改变纱线织造组织来获得平衡的机械特性和模量控制的发明。选择的三种织物是2×1的变化平纹，2×2方平组织，和2×1斜纹。为了比较目的，还织造了一种平纹组织。用于试验的是40旦尼尔经线X100旦尼尔纬线。这些织物都是在Sandia实验室(Sandia Labs)、Livermore,California高应变速率机中进行试验的。这些试验是在环境温度下完成的。
试验结果摘略示于表4中。最强有力的经向方向由2×1斜纹而显示出，其也是最强有力的纬向方向。如由比较说明，对于平纹组织织物，初始的0.70模量比分别被改善到相应的2×1变化平纹和2×1斜纹组织的1.07和0.97，尤其达到100％的最佳所希望的平衡比。由平衡而达到这种结果，其仅随纱线曲率而变化。此外，与平纹组织相比较，强度数据的分布在变化的织造组织中是被减小的。根据这些试验，2×1变化平纹和2×1斜纹呈现出最为平衡。
表4：变化织法试验高应变率结果织物类型 强度 应变 模量 模量比
(磅/英寸) (断裂率％) (磅/英寸) (E经/E纬)64345平纹组织 0.70经线 89 37 239纬线 100 29 34364346 2×1变化 1.07平纹组织(oxford weave)经线 94 35 267纬线 93 37 25064347 2×2方平 1.22组织经线 93 29 321纬线 87 33 26464348 2×1斜纹 0.97组织经线 96 29 329纬线 109 32 339
本技术领域的技术人员应该清楚的是，对于在本发明的织物结构和这种织物的结构中所做的各种改进和变化都不会脱离本发明的范围和精神。
本发明的其它实施例对于本技术领域的技术人员来说从在此所公开的本发明详细说明和实施的情况中将会是显而易见的。详细说明和实例仅认为是示例性的，而本发明的范围和精神将通过随后的权利要求而限定。