具有平衡模量和不平衡結構的織物的製作方法
2023-05-08 04:50:21 1
專利名稱：具有平衡模量和不平衡結構的織物的製作方法
技術領域：
本發明涉及供各種織物結構之用的具有平衡、將近平衡、或最佳彈性模量(「模量」)和不平衡結構的織物。具體而言，本發明涉及一種用於充氣袋或類似織物結構的具有平衡模量和不平衡結構的織物。
背景技術：
如充氣袋等織物結構通常是由含有平衡機織織物結構的織物構成的。當在兩個機織方向-即經向和填料方向上的紗線是由相同的旦尼爾材料製成且含有相等尺寸、強度和間距的紗線的相同經緯密度時，獲得了平衡的機織織物結構。(填料方向有時也稱為「緯向」)。這些相同的紗線被機織在一起以形成一種平衡的織造織物。這種普通的平衡結構在經向和緯向上也意外地形成一種平衡的彈性模量。在此使用的彈性模量是材料中引起的應力除以由該應力產生的應變得到的商。
由現有技術的織物結構帶來的問題是對於織物結構或撓性高壓容器來說它們不能獲得平衡的機械特性，所述的機械特性能使織物質量、體積、負載承載能力和製造費用最佳化或降低強度的隨機性。
發明概述本發明的目的是提供一種具有平衡機械特性的不平衡織造織物的織物結構或撓性壓力容器，以使織物質量、體積、負載承載能力和製造費用最佳化並減少其強度的隨機性。
本發明的一些附加目的和優點將部分地表述在下列描述中，並且其一部分通過該描述將變得更加清楚，或可通過本發明的實踐而獲悉。本發明的目的和優點通過尤其在附屬權利要求中指出的一些元素和組合來實現和獲得。
為實現上述目的和根據本發明的意圖，如在此具體說明和概括性描述的，本發明包括一種由不同紗線構成的織物，其中在經向上為一種紗線且在緯向上為一種紗線。本發明還包括一種由為平衡彈性模量而被拉伸的紗線構成的織物。本發明還包括這樣一種織物，其中在紗線間或織造的紗線間的間距可被調整，以實現最佳的接近平衡的彈性模量。本發明還包括一種製造具有平衡模量和不平衡結構的織物的方法。
應理解到，上述概括性的描述和下列詳細的描述僅是示例性的和解釋說明的，並不是對要求保護的本發明的限制。
附圖簡述
圖1示出經向和填料方向上的織物組織構造；圖2是平紋織造織物的邊緣視圖；圖3是平紋織造織物的頂視圖；圖4是平紋織造織物的側視圖；圖5是2×1斜紋織造織物的邊緣視圖；圖6是斜紋織造織物的頂視圖；圖7是斜紋織造織物的側視圖；實現本發明的最佳方式正如在此所公開的，具有接近平衡或最佳模量和不平衡結構(不平衡織造)概念的織物是從本發明人的新發現而進化而來的，所述的新發現是在織物結構使用期間使不平衡的機織織物在經向和緯向方向上受到不相等的拉伸。這種不相等拉伸會產生一種斜的或剪切形狀並且在結構中如接縫、固定區域和縫合處等相對剛性的部分處易於撕裂織物。這種撕裂會在結構中產生過早的破壞，由此降低了織物的功效。因此對於給定的織物結構需要較高的織物強度和重量以避免過早的破壞。這樣增加了的強度和重量降低了對於給定質量或體積的織物結構的功效。
此外，平衡結構織物的厚度是通過在經向和緯向兩方向上相同紗線的幾何組合而確定的。相反，根據本發明，不平衡結構織物的厚度是通過在經向和緯向方向上不同數目和尺寸的紗線的最佳幾何組合而確定的。本發明人發現對於平衡結構中紗線的每一組合，在不平衡結構中為實現相同強度而進行的紗線的較薄組合或為實現相同厚度而進行的紗線的較堅固的組合都是可行的。
本發明人進行了一系列的結構試驗，以證明通過改變織物結構、在經向和緯向方向上機織不同的紗線或交變織物織法來由相同的織物質量或體積達到較大強度的能力。這些不平衡機織織物在負載或最終使用條件下產生平衡或接近平衡的結構特性。從而這些不平衡機織織物能夠使織物結構的強度、纖維質量和體積最佳化。這些不平衡機織織物也能由不相等紗線的較大堆砌密度(pacling density)潛力達到較低的透氣性。實質上，在最後所得到的不平衡機織織物中的纖維在相同體積下與傳統的平衡結構織物相比被更有效地組合。
此外，本發明的不平衡機織織物所包括的數目不等的機器方向和橫向方向(經向和緯向)纖維與生產相同織物體積的平衡結構織物比較而言其加工成本是較低的。橫向方向上的纖維數目確定要求生產單元織物的運作時間量。因此，大纖維製成的較少的緯紗以低成本的形式形成最終使用條件下的平衡織物特性。
另一方面，本發明人所揭示的是改變織造組織基質中的紗線曲率將會對織物強度產生影響。本發明人測定出，通過在紗線之間加倍經紗或加長交替能平衡紗線曲率。本發明人進行了一系列結構試驗，其證明了織物機械特性的平衡也是隨紗線曲率而變化的，並且通過改變織物織造類型會減少總織物強度的偏差。
具有平衡機械特性的不平衡機織織物的概念呈現為一種幾何形狀，其對於織物結構或撓性壓力容器能使織物質量、體積、負載承載能力和製造費用最佳化並且減少了強度的隨機性。
下面將詳細介紹本發明的一些最佳實施例。
本發明涉及的是一種由在經向和緯向方向上不同的或變化的紗線製成的織物結構；一種由在經向和緯向方向上變化數量的紗線製成的織物結構；或一種通過變化織物織法而製成的織物，以獲得一種具有接近平衡的機械特性的織物。
本發明的不平衡機織織物的設計是通過變化紗線結構而實現的，以致最終產品、織物的機械特性在織物最終使用條件下接近平衡。由於在織物基質中紗線的不均勻長度和強度引起的不均勻的紗線尺寸和間距而產生了不均勻的剛度，因而要求變化的結構。這種不均勻的紗線使得在負載下可達到的經向和緯向拉伸量發生斜扭，從而斜扭彈性模量。例如，在生產期間通過以變化的量持久地拉伸紗線而改變紗線，以調節用於成品織物中的紗線的最終強度和延伸率。依據拉伸改變這些紗線是調節或設定織物最終彈性模量的一種方法。改變織物帶有的應力強度-即通過例如改變紗線間距來改變織物的容量也能用於調節彈性模量。改變織物織法是用於平衡織物模量、增加強度和減少強度隨機性的另一種方法或方式。這些對於機械特性的調節的組合其確定了織物的最終模量。
因此，平衡織物的彈性模量通過下述三種方法來實現第一，通過改變織物的強度；即，在織物的一個特定方向上增加或減少紗線數量；第二，作為另一方法，在織物的拉伸期間通過控制單獨紗線的持久張力而改變其張力並且在製造期間改變紗線的拉伸量，因而在構成的織物中留下可控的拉伸量；第三，作為另一方法，通過變化織物織造，並減小織物的紗線曲率，而且選配經線和緯線的曲率，由此平衡織物模量、提高強度且減少強度的隨機性。
選擇用於兩個方向中的特殊紗線必須考慮在兩個方向上的織物特性、紗間切變應力的產生和在最終使用條件下的纖維特性。紗線和機織織物的密度是通過給定的體積和特性要求而確定的。
一旦織物用這些特殊選定和變化的紗線而織造，試驗證明其模量是平衡的。所需的是要在「作為使用」條件下對織物進行試驗，以匹配織物結構方向之間的彈性模量。這種試驗一般包括暴露於相關的環境下，例如溫度和加載比率的組合環境下。緩慢的或靜態的加載率要求材料的靜態試驗。織物結構的動態加載需要的是在試驗的織物中引入類似的應變率，以保證模量在這些條件下是平衡的。如由紗線特性和機織織物的密度限定的織物的理論性能特徵與在試驗中獲得的實際特徵進行比較。然後要進行紗線選擇或織法的改變，直到織物的實際性能特徵符合最終使用條件下所要求的性能。
理論上的織物特徵是根據各種工序，例如有限元樣本分析而確定的。
對於測定實際織物特徵的織物試驗，要求把織物放在最終使用條件下並且在經向和緯向兩個方向上測定其機械特性。例如，高速拉伸試驗和高應變率測試能在各方向上進行。這些試驗目的是用來識別在各方向中織物特性的差異。然後，通過重複的方法，織物被重新構造以致達到一最終結構，其中織物在最終使用條件下在各方向上的性能近似相同。
本發明揭示了在如氣袋、降落傘和氣球等織物結構中能利用較輕重量的織物。根據本發明生產而得到的織物將在兩個方向上接近平衡織物的機械特性。這種織物能製成較堅固而不需要較堅固的纖維或重量或體積。經過重複比較試驗，通過調節在織物的經向和緯向方向上使用不同量的不同紗線，並且根據不同的機械性能減小織物中經向和緯向方向之間的剪應力，能達到最佳的平衡模量織物。對於一給定的強度或性能要求，要求較小體積的較輕織物能夠用來實現所希望的結果。對於設定的織物重量或體積參數，通過利用本發明能實現較大的強度。
另一方面，本發明揭示了用變化的織法來達到織物結構近似平衡的機械特性。例如，通過調節織物織造組織而實現織物結構的平衡機械特性，從而使各方向的紗線曲率接近於平衡。例如，通過使特定方向上的紗線數量加倍或通過加長在紗線間的交替(alternation)、或採用這兩種技術的結合而能實現上述要求。通過以這種方式改變織造組織，紗線的曲率變為基本相同，即對於各紗線而言，其在上下方向上被平衡。假定在兩個方向上的織造組織的形狀基本上為一矩形，其矩形越接近達到一正方形，則紗線的曲率和織物最後所得到的機械特性越平衡。
通過變化織法來延長紗線以達到將近平衡的條件，這指的是增加紗線通過織物基質在其長度方向上的路徑長度。捲曲是織物的扭結量。通過減少了紗線的路徑長度，捲曲或扭結量被減少，從而減少了通過織物基質的紗線的曲率。織物中的紗線的捲曲或曲率能夠通過比較包含在織物長度中的紗線長度而測量出。運行通過織物基質的迂迴路徑所需的紗線附加長度是捲曲的直接量度-長度百分比越大，捲曲越大；長度百分比越小，紗線越直並且紗線中的捲曲越小。通過平衡兩個方向上紗線的路徑長度，使不同的紗線的曲率和捲曲以更加類似或平衡的形式而起作用。
本發明其中一個實施方案中的一個實例示於圖5,6和7中。同繪製在圖2、3和4中的現有技術平紋組織比較，本發明的一個實施方案被繪製在圖5、6和7中，其使用一種2×1的斜紋組織。圖2,3和4的平紋組織具有經線5的有效曲率半徑15，其不同於並且在這些圖中較小於緯線10的有效曲率半徑20。相反，繪製在圖5,6和7中的本發明的實施方案具有一經線50、52的有效曲率半徑60，其更加類似於並且優選接近於緯線55的相同的曲率半徑65。在圖5、6和7的實例中，經向方向上的紗線數量同繪製於圖2、3和4中的現有技術的平紋組織相比較而言增加了一倍。此外，在圖5、6和7的實例2×1斜紋組織中，在紗線兩個方向上的捲曲和曲率與圖2、3和4中所示平紋組織中的捲曲和曲率相比以較大的程度被平衡，從而生產了一種具有接近平衡模量的織物結構。
本發明通過下列的實例將會進一步解釋清楚，這些實例僅用來舉例說明本發明。實例源於下列織物的3個類型的試驗數據來說明由織物的恆定質量獲得附加強度的發明，其採用一不平衡結構來平衡兩個方向上的織物機械特性。表1給出這三種織物的相關數據。
類型Ⅰ這個織物是用傳統的指標而設計的，使用45旦尼爾的經紗和100旦爾尼的緯紗。選擇紗線特性使得在各方向上的最終拉伸強度達到最大值。
類型Ⅱ這種織物用來增加類型Ⅰ的強度。增加一個方向上的紗線量。儘管進行了表明增加強度的靜態試驗，但在最終使用條件和85℃下的動態試驗表明其織物實際上是較弱的並且其織物性能是非常低的。
類型Ⅲ這種織物結構採用具有平衡模量設計概念的不平衡織造結構。經線和緯線二者的應力應變曲線的斜度是接近平行的。例如，模量比、即經向模量值除以緯向模量值在加熱85℃條件下約為0.89(或89％)。其結果是動態拉伸強度增加約50％，根據現有試驗類型和傳統的設計，用相同的織物質量達到了更大的強度。
表Ⅰ旦尼爾 紗線延數量靜態 動態 動態張伸率 張力 張力 力(熱)類型Ⅰ經線45 20％ 183 281229204緯線 100 31％ 93 321260210類型Ⅱ經線40 31％ 242 309228199緯線 100 32％ 92 349255220類型Ⅲ經線45 24％ 249 356334302緯線 100 24％ 97 337287256表明在生產期間通過控制紗線的應變而平衡模量比的本發明的試驗數據被表示在列入於下列表2的下述四種織物中。第一種織物使用傳統生產的紗線，並且在環境和加熱試驗溫度下模量比達到62％和53％。第二到第四種織物則是根據本發明改變了經線和緯線特性的組合，以便對模量產生影響。如由四種織物的結果表明，經線與緯線間的模量比通過調節紗線特性而能得到改善。在此，在實施本發明時，在環境和加熱兩種條件下可達到較大的模量平衡，其分別測得為80％和82％。
表2紗線產品特性模量控制-輕質量紗線
一種應用本發明在高溫下使用兩種稍粗旦尼爾的織物的類似織物試驗也完成了。表3列出了使用55旦尼爾經線和120旦尼爾緯線織物的結果。根據這個試驗，在熱的溫度下織物模量的平衡是通過改變緯紗而在第二個試驗中獲得的。在熱的溫度下的織物特性常常限制了織物的使用，並且如通過實施本發明而進行的這個試驗所說明的，在高溫下平衡模量的能力是十分有用和重要的。
表3紗線產品特性的模量控制-較粗旦尼爾紗線
源於下列四種織物類型的試驗數據說明了通過改變紗線織造組織來獲得平衡的機械特性和模量控制的發明。選擇的三種織物是2×1的變化平紋，2×2方平組織，和2×1斜紋。為了比較目的，還織造了一種平紋組織。用於試驗的是40旦尼爾經線X100旦尼爾緯線。這些織物都是在Sandia實驗室(Sandia Labs)、Livermore,California高應變速率機中進行試驗的。這些試驗是在環境溫度下完成的。
試驗結果摘略示於表4中。最強有力的經向方向由2×1斜紋而顯示出，其也是最強有力的緯向方向。如由比較說明，對於平紋組織織物，初始的0.70模量比分別被改善到相應的2×1變化平紋和2×1斜紋組織的1.07和0.97，尤其達到100％的最佳所希望的平衡比。由平衡而達到這種結果，其僅隨紗線曲率而變化。此外，與平紋組織相比較，強度數據的分布在變化的織造組織中是被減小的。根據這些試驗，2×1變化平紋和2×1斜紋呈現出最為平衡。
表4變化織法試驗高應變率結果織物類型 強度 應變 模量模量比(磅/英寸)(斷裂率％) (磅/英寸) (E經/E緯)64345平紋組織 0.70經線 8937239緯線 1002934364346 2×1變化 1.07平紋組織(oxford weave)經線 9435267緯線 933725064347 2×2方平 1.22組織經線 9329321緯線 873326464348 2×1斜紋 0.97組織經線 9629329緯線 10932339本技術領域的技術人員應該清楚的是，對於在本發明的織物結構和這種織物的結構中所做的各種改進和變化都不會脫離本發明的範圍和精神。
本發明的其它實施例對於本技術領域的技術人員來說從在此所公開的本發明詳細說明和實施的情況中將會是顯而易見的。詳細說明和實例僅認為是示例性的，而本發明的範圍和精神將通過隨後的權利要求而限定。
權利要求
1．一種織物結構，其包括一種包括有兩種不相同紗線且在最終使用條件下具有接近平衡的彈性模量的織物，每種紗線都在兩個方向中的一個方向上被織造，即一個方向為經向，一個方向為緯向。
2．根據權利要求1的織物結構，其特徵在於，紗線在一個方向上的數量多於在另一方向上的數量。
3．根據權利要求1的織物結構，其特徵在於，至少在一個方向上的紗線以一種變化量被拉伸，從而調節織物的彈性模量。
4．一種織物結構，其包括一種具有在其最終使用條件下接近平衡的彈性模量的織物，該織物包括在兩個方向上機織的紗線，一個方向是徑向，而一個方向是緯向，並且所具有的紗線在一個方向上的數量多於在另一方向上的數量。
5．根據權利要求2的織物，其特徵在於紗線是以一種斜紋組織被機織的。
6．根據權利要求5的織物，其特徵在於，紗線是通過在一個方向上用兩個紗線而在另一個方向上用一個紗線來機織的。
7．根據權利要求4的織物結構，其特徵在於，紗線是以一種斜紋組織被機織的。
8．根據權利要求7的織物結構，其特徵在於，紗線是通過在一個方向上用兩個紗線而在另一個方向上用一個紗線來機織的。
9．根據權利要求2的織物結構，其特徵在於，紗線是以一種變化平紋組織被機織的。
10．根據權利要求9的織物結構，其特徵在於，紗線是通過在一個方向上用兩個紗線而在另一方向上用一個紗線來機織的。
11．根據權利要求4的織物結構，其特徵在於，紗線是以一種變化平紋組織被機織的。
12．根據權利要求11的織物結構，其特徵在於，紗線是通過在一個方向上用兩個紗線而在另一個方向上用一個紗線來機織的。
13．根據權利要求2的織物結構，其特徵在於，紗線是以一種方平組織而被機織的。
14．根據權利要求4的織物結構，其特徵在於，紗線是以一種方平組織而被機織的。
15．一種製造織物的方法，其特徵在於，在兩個方向-即一個方向是經向、一個方向是緯向上將不相同的紗線機織在一起，以致在最終使用條件下平衡經向和緯向方向上的織物彈性模量。
16．根據權利要求15的方法，其特徵在於，該方法包括在紗線被機織在一起之前拉伸至少其中一個紗線，以致在最終使用條件下平衡經向和緯向方向上的織物彈性模量。
17．根據權利要求15的方法，其中該織物包括在兩個方向上的紗線並且紗線在其之間有許多間距，其中該方法包括調節紗線間的間距，以實現接近平衡的彈性模量。
18．根據權利要求15的方法，其中該織物包括在兩個方向上的機織紗線的基質，並且在織造組織中的紗線具有一曲率，其中該方法包括調節紗線的曲率，以便達到一種接近平衡的彈性模量。
19．根據權利要求18的方法，其特徵在於調節紗線的曲率是通過在一個方向上比在另一個方向上機織更多的紗線來實現的。
20．根據權利要求18的方法，其特徵在於，紗線具有一路徑長度，並且該方法包括通過改變紗線路徑長度來調節紗線的曲率。
全文摘要
本發明描述了一種織物和一種用於製造該織物的方法,其用於撓性壓力容器或其它織物結構,其具有一個不平衡的機織結構和在該織物最終使用條件下的平衡或接近平衡的彈性模量。不具有平衡特性的不平衡的機織織物產生不相等的拉伸並且易於過早的損壞。本發明的具有平衡機械特性如彈性模量的不平衡機織織物可以被使用,其對於各種織物結構應用來說能使織物強度、質量、體積和性能特徵最佳化並且還可減少製造費用。對於織物結構的平衡機械特性能通過下列方式來獲得,即:通過增加或減少織物特定方向上的紗線數量、通過在拉伸織物期間改變應變、或通過變化織物織法來改變織物的力。
文檔編號D03D1/02GK1234000SQ97199009
公開日1999年11月3日 申請日期1997年10月20日 優先權日1996年10月21日
發明者K·W·格溫, J·P·霍爾德 申請人:精密結構集團有限公司, 仙迪亞公司