网格状织造的3D织物材料 【技术领域】
本发明涉及一种织造的3D织物及其生产方法。具体地说，织造3D织物具有基本上以直线出现的选定的多层经纱，其余一些外形为螺旋形的多层经纱，和两组正交的纬纱，使这种网格状织物组织能通过织造过程的双向开口操作制出。这种织物还可增添引入非交织的、多方向取向的纱线使它们横跨织物的横断面以资提高其机械性能，因此被认为适用于一些技术用途，如用来制造复合材料、过滤器、绝缘材料、某些材料的分隔器兼保持器、电工/电子零部件、防护材料等。
背景
在传统的织造过程中，开口这个最初操作限于其设计只能在织物的宽度方向形成开口。所使用的经纱，不管是单层的还是多层的都在织物的厚度方向上以“横跨”地方式被分隔成为两个部分，这样便在织物的宽度方向形成一个开口。分隔是由于凸轮、多臂机、或提花机这类装置来回驱动综框及其上的扁平综丝造成的。这些扁平综丝可单独地、或联合地、或成为组群地只是在织物的厚度方向被来回驱动，从而在织物的宽度方向形成开口。将纬纱插入到这样形成的开口内，便可使纬纱与分成两层的经纱交织。这样交织的经纱和纬纱构成一个交织结构被称为织造织物。用单层经纱制出的织物成为片状的织造材料并被称为织造的2D织物，因为构成它的纱线假定被设置在一个平面上。同样，当一织物用多层经纱制出时，所得到的织物具有在结构上不同于织造2D织物的特征，并被称为织造的3D织物，因为构成它的纱线假定被设置在三个互相垂直的平面上。但在生产这两种织造的2D和3D织物时，传统的织造过程由于其固有的操作设计，只能实现两组正交纱线即经纱和纬纱的交织。它不能实现三组正交纱线即一个多层经纱和两组正交纬纱的交织。这是现有织造过程固有的限制。本发明提供的双向开口的方法可在多层经纱的纵列方向和横行方向分别形成开口，使多层经纱和两组正交的纬纱能够这样交织，即多层经纱的选定纱线基本上以直线出现，而其余一些与两组正交纬线交织的纱线以螺旋的外形出现，最后得到的织物有一网格状的结构。
某些技术织物的应用除了需要其他一些具体特性以便完成诸如高度的织物整合和构成纱线的正确取向以外还需要复杂或不寻常的形状。而目前还不能有合适的织物块可以用来切割而得到具有任何所需形状的预制坯(用于复合材料的增强织物)。这是因为用来生产预制坯的现有织物制造过程包括织造、针织、编织和某些非织造的方法还不能提供合适的高度整合的织物块可以用来切割而取得具有任何所需形状的预制坯。从取得某些具有规则横断面形状的预制坯着眼，一些根据织造、针织、编织和某些非织造技术的原理而工作的合适的织物制造方法曾被发展起来。这种生产具有某些横断面形状的方法被称为接近干净的成形。但通过这些各种各样的技术，只有具有某些横断面轮廓的预制坯能被生产出来，还不能制造出具有任何所需形状的预制坯。实际上具有任何所需形状的预制坯是有可能制得的，只要能够制造高度整合的织物块，使所需形状能从其上切割下来而不会发生裂开的危险即可。而且，其他用途如具有不寻常形状的过滤器所用的织物可类似地从一个合适的织物块上切割取得。作为比拟，这个取得三维织物产品的任何所需形状的策略可被看作，如同在制造衣服时，从一个合适的2D织物片上剪取织物产品所需的各种不同形状那样。因此可以推断，要切割取得具有任何所需形状的三维织物产品，必要的是首先须生产出形状为块状的、高度整合的三维织物。本发明提供一种新颖的织造的3D织物及生产这种织物块的方法，该织物块能经受切割而不会有裂开的危险，并且还可增添引入多方向取向的、不交织的纱线，以便将机械性能赋予织物使它能适用于技术用途。
本发明的目的
本发明的一个目的是要提供一种网格状整合的3D织物块，它可增添引入合适取向的纱线以便将适当的机械强度赋予织物，使具有任何所需形状的合适的织物产品能从其上切割出来而不会有裂开的危险。由于某些具有任何所需形状的织物产品可容易地用此法取得，这种方法可有效地用在技术用途上，如制造用于复合用途、过滤器等的增强织物的预制坯上。
本发明另一个目的是要提供一种双向开口的方法，使三组正交纱线，即一组多层经纱和两组正交纬纱能够交织，这个三组正交纱线的交织是必需的，它能给织物提供高度的整体性，使织物在宽度方向和厚度方向都能抗拒分裂。这样就能生产出网格状的交织的3D织物，该织物可增添引入多方向取向的非交织的纱线来提高强度。
织物的整体性可通过在所使用的多层经纱上形成的多个横行和纵列的开口来取得。两对正交纬纱插入到所形成的横向和纵列的开口内便可生产出网格状交织的3D织物。由于织造过程的最初操作为开口操作，所有其他跟随的补充操作如引纬、打纬等将相应地跟随配合。由于双向开口方法使两对正交纬纱能够通过在多层经纱上形成的纵列和横行方向上的开口与经纱互相交织，从而生产出度整合的、具有高机械性能的网格状织物结构，这将在后面详细说明。至于随后的、补充的织造操作如引纬、打纬、卷取、送经等将不予说明，因为它们并不是本发明的目的。为了使说明简单并且到位，将用例子说明实现双向开口操作的最简单模式并且只涉及按照本发明生产的按平纹组织织造的3D织物。通过本发明生产众多的其他织造花样的方法对本行业的行家来说是很浅显的，因此这里只是简要地提到，这些不同的织造花样能在类似的生产线上生产，但并没有离开本发明的创意。
附图的简要说明
图1示出实行双向开口的开口综框的一般布置。
图2示出构成多层经纱的主动经纱和被动经纱的整理布置。
图3示出开口综框相对于图2所示多层经纱中的被动经纱的定位。
图4a为顶视图示出开口综框和多层经纱在纵列开口形成前的标准位置。
图4b为顶视图示出开口综框将牵引通过其孔眼的主动经纱向被动经纱的右侧偏移并与被动经纱形成多个右侧的纵列开口。
图4c为顶视图示出开口综框将牵引通过其孔眼的主动经纱向被动经纱的左侧偏移并与被动经纱形成多个左侧的纵列开口。
图5a为侧视图示出开口综框和多层经纱在横行开口形成前的标准位置。
图5b为侧视图示出开口综框将牵引通过其孔眼的主动经纱向上偏移并与被动经纱形成多个在上面的横行开口。
图5c为侧视图示出开口综框将牵引通过其孔眼的主动经纱向下偏移并与被动经纱形成多个在下面的横行开口。
图6a为在织造3D织物的平纹组织结构的边缘和表面上的主动经纱的纱线典型通道的三维显示图。
图6b为在织造3D织物的平纹组织结构的内部的主动经纱的纱线典型通道的三维显示图。
图7为图6所示织物结构的前视图的两维显示。
图8a和8b分别为图6a所示织物结构的顶视图和侧视图的两维显示。
图9a和9b分别为图6b所示织物结构的顶视图和侧视图的两维显示。
图10a和10b均为按照特定的开口次序所可得到的主动经纱通道制成的修改织物结构的轴向视图的两维显示。
图10c为按照图10a和10b中所示特定开口次序的组合得到的主动经纱通道制成的修改织物结构的轴向视图的两维显示。
图11为在织物宽度、厚度和两个对角方向引入另外的未被交织的纱线的织物结构的前视图。
图12a和12b均为可生产的有用织物结构的前视图的两维显示，在图12a中只是外部被交织以便对发生在内部的未被交织的纱线起到织造覆盖物的作用，在图12b中专门设置的多层经纱被交织以便形成一个夹层或核心式的织物结构。
较优实施例的说明
现在结合附图说明采用两组正交的纬纱和一组多层的经纱来生产织造3D织物的方法，首先说明双向开口法的工作原理，然后说明按照本发明构造有用织物的特殊方法。
与传统的开口方法不同，现在说明的方法是按照一个全新的方案来实现开口的。图1示出用来在织物宽度和厚度方向形成开口的新的双向开口装置(1)的基本特征。每一圆柱形的综框(2)如图所示载有一组固定的扁平综丝(3)。每一扁平综丝有两个孔：前孔为综眼(4)，后孔为综导(5)。这样一个包括综框(2)和扁平综丝(3)的组合件被支承件(5)合适地支承着如图1所示，支承的方式使每一个组合件都可在两个方向上往复运动：(i)沿着和(ii)环绕综框的轴线，即分别为直线和旋转运动。
所用多层经纱(6)的整理布置如图2所示。这样一个整理是需要的以便在织物表面上(除了端表面以外)达到一个均匀的整体，并为了使纱线在织物上均衡分布。这个布置的特点为，它具有主动的(7)和被动的(8)经纱，使每一个被动经纱端(8)都被主动经纱端“环绕”着以便成为均匀的织物整体。这样一个多层经纱(6)整理布置可被描述为具有主动(7)和被动(8)经纱端的交错横行或纵列。现在用a、c、e等指出主动经纱的横行，用b、d、f等指出被动经纱的横行如图2所示。并用A、C、E等和B、D、F等分别指出主动(7)和被动(8)经纱的交错纵列如图2所示。每一给定横行(或纵列)的主动经纱端(7)都被牵引通过相应扁平综丝(3)的综导(5)和综眼(4)。而给定横行(或纵列)的被动经纱(8)则被牵引通过相应两个邻近综框(2)之间存在的空旷区。这样，多层经纱(6)和综框(2)便会如图3所示。
上述图3所示的多层经纱(6)和开口综框(2)的整理布置确定系统的标准位置。从这个标准位置出发，每一个牵引通过相应综眼(4)的主动经纱端(7)都能由于综框(2)沿着其轴线的移动和环绕其轴线的转动而分别在织物的宽度和厚度方向上被位移。就被动的经纱端(8)而言，它未被牵引通过综眼(4)，因此是固定的，于是可被位移的主动经纱端(7)从标准位置出发，在沿着所需的方向位移后，就立即形成多个纵列(10)和横行(11)的开口如图4和5所示。综框(2)从其标准位置出发为了形成横行(11)和纵列(10)的开口而进行的直线位移和角位移可与两个相邻的主动(7)(或被动(8))经纱之间在给定的运动方向上的距离相当，这个距离可被称为开口位移节距。给定的横行或纵列的主动经纱端(7)的位移因此可被称为单元开口位移节距。但在实际操作时这个位移可被增至一个最大值，即相当于1.5倍的开口位移节距以便相应地形成一个较大的开口，借以在实际上便利纬纱的插入。
在最简模式下，所有综框(2)都同时运动，或是直线地或是旋转地，并且是在相同的方向上运动，以便形成相应运动方向的多个开口分别如图4和5所示。在每一个这样形成的开口(10)和(11)中投入一条纬纱(12)，便可完成多层经纱(6)的各该纵列和横行与相应纬纱(12c和12r)的交织。这样一种交错的横行和纵列的开口加上相应的投纬便可用这种方法生产出平纹组织织造的3D织物。在该织物(9)的边缘和表面上及在该织物(9)的内部的典型的纱线通道分别如图6a和6b所示。下面结合图4和5概要地说明这种双向开口系统(1)最简单的工作方法。
图4说明纵列开口(10)的形成。图4a示出系统的标准位置。图4b和4c示出综框(2)沿着其轴线的直线运动的方向。前一图和后一图分别示出主动经纱端(7)从其标准位置出发、在织物的宽度方向上的位移，从而与固定的被动经纱(8)形成右侧的和左侧的纵列开口(10)。图5示出横行开口(11)的形成。图5a示出系统的标准位置。图5b和5c示出综框(2)环绕其轴线进行角运动的两个不同的方向。前一图和后一图分别示出主动经纱端(7)从其标准位置出发、在织物的厚度方向上的位移，从而与固定的被动经纱(8)形成在上面的和在下面的横行开口(11)。
从图4b和4c及5b和5c可以推测，综框的最优位移在实际上可达开口位移节距的1.5倍，以便得到较大的开口，便利纬纱的插入。综框可被位移到这样一个限度，即主动经纱(7)不要越过两条被动经纱(8)。
应该注意到，以固定的被动经纱(8)为准时，右侧和左侧的纵列开口及上面和下面的横行开口并不是同时形成的而是按特定次序形成的。每当一个具体的开口形成和投梭操作完成后，开口综框(2)就恢复到其标准位置。例如在构造可由本法制出的、织造的平纹组织3D织物(9)时，如图6所示，开口和投梭的次序是按照下面示出的从系统的标准位置开始的次序进行的。下面说明的开口综框的运动是在织物织口的方向从开口装置后面看去的情况。
1)开口综框(2)的向上角运动；横行上开口(11)的形成；随后在形成的开口中的投梭(在织物宽度方向)
2)开口综框(2)恢复到系统的标准位置
3)综框(2)向右的直线运动；纵列右侧开口(10)的形成；随后在形成的开口中的投梭(在织物厚度方向)
4)综框(2)返回到系统的标准位置
5)综框(2)的向下角运动；横行下开口(11)的形成；随后在形成的开口中的投梭(在织物宽度方向)
6)综框(2)返回到系统的标准位置
7)综框(2)向左的直线运动；纵列左侧开口(10)的形成；随后在形成的开口中的投梭(在织物厚度方向)
8)综框(2)返回到系统的标准位置
上述开口次序连同在适当时刻织造过程所必需的补充操作如投梭、打纬、卷取等构成过程的一个完整的工作循环。图7示出通过上述开口次序所可得到的平纹组织织造的3D织物结构的前视图。应该注意的是两组纬纱(12c和12r)可用梭子、剑杆等插入到各该开口内，投梭时可用单一纱线或发针状折叠纱线，单独地与主动经纱(7)交织并连接到被动经纱(8)上。由于它们的与主动经纱(7)交织，两组纬纱(12c和12r)将成为波状而不再是直的如图6和7所示的那样。这两组纬纱(12c和12r)被示为直线只是为了容易显示。但可设法减少这种皱纹的影响，例如主动经纱(7)可在适当的张力下以适当的速率喂入。图8a和8b分别为织物(9)的顶视图和侧视图，用来指出主动经纱(7)在织物的边缘和表面上的典型通道。字母序列A-B-C-D、P-Q-R-S等分别指出的图6a和7所示织物结构的边缘和表面上的单个主动经纱(7)的通道。图9a和9b分别为织物(9)的顶视图和侧视图，用来指出主动经纱(7)在图6b所示结构的内部的典型通道。数字序列111-112-113-114指出在图6b和7所示织物结构的内部的单个主动经纱(7)的通道。
应该注意到在图6、7、8和9中织物结构(9)有一重要特征，即主动经纱存在着一个“螺旋的”外形。虽然并没有追随一条圆形通道，但主动经纱在织物的边缘和表面上存在着“三角形的螺旋” (如图8中不同的字母序列A-B-C-D、P、Q、R、S等所示)并在内部形成“正方形的螺旋”(如图7中不同的数字序列101-102-103-104、131-132-133-134等所示)。另外，这两种螺旋都不是环绕任何被动经纱形成的。而且，织物具有一个网格状结构。
上述操作框架还可作小量改动。例如上述开口操作的次序可作如下的改动以便生产出如图10所示的修改的网状织物结构(9m)。参照上述开口次序，如果进行下述次序的操作，则可获得图10所示的网格状织物结构(9m)，其中织物中主动经纱的通道被示出。
图10a的开口次序：1、2、5、6、3、4、7、8并重复
图10b的开口次序：1、2、5、6、7、8、3、4并重复
图10c的开口次序：1、2、5、6、3、4、7、8、1、2、5、6、7、8、3、4并重复
这样得到的修改的网格状织物结构(9m)如图10所示，它们与图6、7、8和9所示的结构不同之处在于主动经纱(7)的典型通道，这些修改的通道已在上面用早先标记开口次序的数字序列示出。由于开口次序的改变而导致的织物结构(9m)的不同之处在于同一给定组内的纬纱将连续出现，而不是交替出现如同图中所示的那样。并且主动经纱(7)除了斜角方向以外还将出现在织物的宽度和厚度方向如图10所示。这是因为纬纱(12c和12r)在有关侧(横行或纵列的方向)的“前后”的方向上被连续地插入。尽管这样，为了容易理解起见，在所有这些结构(9)和(9m)中的主动经纱(7)可被认为是以螺旋的外形出现。
从上面关于双向开口方法的说明中，本行业的行家当可知道下列各点：
a)所有纵列(或横行)开口可同时形成以资增加生产效率，而不是在一个纵列(或横行)经纱层之后接续形成另一个经纱层。
b)同一组的多条纬纱可用梭子、剑杆等装置同时引纬，并且每一条纬纱都可以单独纱线或发针状折叠纱线的形式插入开口。
c)可使主动经纱(7)出现在长度方向上，或是成为螺旋的外形或是通过出口次序的控制使该经纱还出现在织物的宽度和厚度方向上。
d)所有主动经纱(7)的螺旋形前进给网格状织物提供贯穿织物的独特整体性，办法是使经纱与两组纬纱交织，并将这两组纬纱与被动经纱互连。
e)主动经纱(7)的螺旋形前进使主动经纱(7)具有独特的分散的设置，或是在“斜角”方向，或是另外还在织物的宽度和厚度方向。
f)开口综框(2)在织物的厚度和宽度方向上的最佳开口位移节距为1.5，因为更大的位移会与纬纱的插入发生干扰并且会造成主动经纱(7)在织物的表面的不必要的集中，从而导致不平整的织物表面和不均衡的织物结构。
g)独立地和有选择地在织物的宽度和厚度方向使载有已被合适穿线的扁平综丝(3)的开口综框(2)位移能够制出不同的织造花样。
h)在相反的方向上独立地使成对的开口综框(2)，及其已被合适穿线的扁平综丝(3)位移能够实现只包括主动经纱(7)的开口。
i)正方形或长方形横断面的管状织物和L、T、C等形状的实心成型织物能直接生产出来，只要按照所需生产的横断面轮廓设置多层经纱，并合适地进行开口和引纬操作即可，其时引纬操作以合适的分散方式进行，例如在两个方向中的每一方向上各可采用不止一组的引纬装置。
现在本行业的行家可以知道本发明的织物的机械性能还可提高，如果需要的话，只要将不交织的“衬垫”经纱加入到织物的宽度和厚度方向以及横越织物横断面的两个斜角方向上即可。这种构造的一个例子概括如下：
参考早先提到的开口和引纬次序，不交织纱线(n1-n8)可按照下列步骤插入到织物内，如图11所示。
1)开口综框向上作角运动；形成横行上开口；随后在形成的开口中引纬(12r)
2)开口综框恢复到系统的水平位置
3)将不交织纱线组(n1)插入到被动经纱(8)的给定的两个横行之间
4)将斜角的不交织纱线组(n2)插入到被动经纱(8)的给定的两个斜向形成的层之间
5)轴(2)向右作直线运动；形成纵列右侧开口；随后在形成的开口中引纬(12c)
6)开口综框恢复到系统的水平位置
7)将不交织纱线组(n3)插入到被动纱线(8)的给定的两个纵列之间
8)将斜角的不交织纱线组(n4)插入到被动经纱(8)的给定的两个斜向形成的层之间
9)开口综框向下作角运动；形成横行下开口；随后在形成的开口中引纬(12r)
10)开口综框恢复到系统的水平位置
11)将不交织纱线组(n5)插入到被动经纱(8)的给定的两个横行之间
12)将斜角的不交织纱线组(n6)插入到被动经纱(8)的给定的两个斜向形成的层之间
13)开口综框向左作直线运动；形成纵列左侧开口；随后在形成的开口中引纬(12c)
14)开口综框恢复到系统的水平位置
15)将不交织纱线组(n7)插入到被动经纱(8)的给定的两个纵列之间
16)将斜角的不交织纱线组(n8)插入到被动经纱(8)的给定的两个斜向形成的层之间
另外，本方法并不仅限于生产具有(9)(9m)(9n)中任一种结构而横断面为正方形或长方形的织物块。按照所需横断面形状，包括横断面为正方形或长方形的管状，设置多层经纱，并遵循上述合适而分散的操作顺序，还可生产出具有相应横断面轮廓的(9)或(9m)或(9n)的任一种网格状的织物结构。应该指出，根据所要生产的横断面轮廓的复杂程度，对两个方向中的每一个方向可以采用不止一套的纬纱插入装置。这种用于一个给定方向(即横行或纵列方向)的不同套的纬纱插入装置可同时操作或分散操作来为生产中的外形轮廓完成所需的纬纱插入。因此这种织物生产方法并不仅限于生产具有特定横断面轮廓的织物。另外，由于独特的网格状交织，这种织物不需要在外表面进行任何接结操作来达到织物的整体性。这个接结过程的消除显然有利于简化和加速织物的生产。另外，有了这种生产网格状交织3D织物方块和其他横断面轮廓的方法，便可不需探索生产某些其他横断面形状的方法，因为预制坯、过滤器材料所需的任何形状都可容易地从本方法所生产的网格状织物块切割取得，而不会有裂开的危险。
另外，适当地使开口综框(2)及其如上所述已被相应地穿纱的扁平综丝(3)位移，使在所设置的多层经纱(6)中只有那些在外部的经纱开口，能够生产出另外一种有用的织物材料。参阅图12a，顶部和底部的织造表面可这样生产，使顶部和底部的开口综框(2)作角运动，使扁平综丝(3)位移，从而使主动经纱(7)位移，与被动经纱(8)形成横行开口，然后将纬纱(12r)插入到这些在外面的顶部和底部的横行开口内即得。与此类似，左侧和右侧的织造表面可这样生产，使开口综框(2)作直线运动，使扁平综丝(3)位移，从而使主动经纱(7)位移，与被动经纱(8)形成纵列开口，然后将纬纱(12c)插入到这些在外面的左侧和右侧的纵列开口内即得。这样操作可生产出一种交织的外表面，可用来作为如图12a所示的织物材料(9e)的内部所含非交织的多层纱线(6n)的外部的织造覆盖层。
另外，还能生产出如图12b所示的带芯或夹层式的织物材料(9s)，只要将合适地设置的多层经纱交织起来即可。在这里同样要使综框(2)及其已被相应穿线的扁平综丝(3)独立地进行角位移和直线位移，从而分别形成横行和纵列的开口，然后分别将纬纱(12r)和(12c)插入到形成的横行和纵列的开口内，这样得到的交织的织物结构(9s)如图12b所示，一般被称为夹层或带芯式织物结构。
另外，还可能用所说明的开口装置生产多层的织造的2D织物片。这种多层片可这样生产，如前所述先设置多层经纱，使开口综框(2)或是在角度上或是在直线上移动，以资相应地形成横行或纵列的开口，然后相应地将纬纱(12r)或(12c)插入到形成的具有给定方向的开口内。这样，如果形成的是横行开口并作相应的引纬，那么得到的织造2D织物的多层片将是水平形式。与此类似，如果形成的是纵列开口并作相应的引纬，那么生产出来的织造2D织物的多层片与图3所示的布置相比将是垂直形式。
不用多说，在所有上述织物的生产方法中，都要在织造周期的适当时刻进行织造过程的其他补充操作如打纬、卷取等以便生产出符合所需规格的令人满意的织物。
本行业的行家当可知道，在不离开本发明的精神的条件下是能够对本发明的各种细节作出改变或修改的。因上，上述说明只是用来阐明本发明的基本想法，它不能用来限制下面列出的权利要求。