交叉螺旋結構拉脹紗線及其織物的成形與表征

劉 賽，鄭冬明，潘行星，劉 貴，杜趙群

(1.東華大學 紡織面料教育部重點實驗室，上海 201620；2.江西省羽絨制品質量監督檢驗中心，江西 九江 332020；3.福建省紡織品檢測技術重點實驗室(福建省纖維檢驗局)，福建 福州 350026)

負泊松比材料是指具有拉脹效應的材料，即相對于傳統材料在某一方向上受到拉伸(或壓縮)時，其垂直于作用力方向會產力生收縮(或膨脹)變形，拉脹材料在某一方向上受到拉伸(或壓縮)時，其垂直于作用力方向會產生膨脹(或收縮)變形，這一特性在過濾材料[1]與生物醫用材料[2]等領域具有潛在應用前景。拉脹紗線的泊松比值定義為在軸向施加拉力作用下，紗線徑向應變與對應的軸向應變的比值的負值[3]。

目前，拉脹紗線主要為螺旋包纏結構[4-5]，即直徑較細、剛性相對較大的包纏紗纏繞在直徑較粗、彈性相對較大的“芯紗”上，在軸向拉伸作用下，包纏紗會逐漸伸長取代芯紗，而芯紗則逐漸彎曲成螺旋狀，使得紗線整體輪廓直徑變大，選用合適的材料以及較小的包纏角度可獲得負泊松比效果[6-7]，另外，也有研究對紗線建立模型并進行泊松比值的理論計算[8]。此結構存在的主要問題是在自由狀態下，包纏紗組分易從芯紗上退繞脫散下來，造成結構的不穩定性，大大限制了拉脹紗線的應用。針對此問題，有學者提出了含第3組分的涂層方式[9]以及較穩定的編織結構[10]來改善；因此要提高拉脹紗線的可應用性，需從結構設計上進行創新和完善。

本文針對螺旋包纏結構易脫散、穩定性較差的問題，設計了一種具有新型交叉螺旋結構的拉脹復合紗線，同時，通過相同材料的兩結構紗線對比分析，驗證了新型包纏結構突出的穩定性和拉脹效果。另外，考慮到此新型拉脹紗線在拉伸作用下的變形效果，對基于該紗線的織物在拉力作用下的孔隙效應也進行了測試和分析，探討其在過濾材料以及時裝設計方面的潛在應用性。

1 實驗材料與結構設計

選用相同規格的氨綸和滌綸分別紡制螺旋包纏結構和交叉螺旋包纏結構的拉脹復合紗線，各組分相關參數如表1所示。另外，由于初始包纏角度為影響紗線拉脹效果的主要因素之一，因此設計二者的初始包纏角度均為33°以保證對比效果的有效性。

為探討拉脹紗線在織物中的變形效果，基于紡制的交叉螺旋包纏結構的拉脹復合紗線作為緯紗，以超高分子量聚乙烯作為經紗，分別制備了平紋組織和蜂巢組織的機織物試樣，其經密為110根/(10 cm)，緯密為90根/(10 cm)。

2 拉脹紗線及其織物的成形

螺旋包纏結構的拉脹復合紗線采用環錠紡細紗機紡制，通過導紗裝置和張力調節裝置可形成滌綸對氨綸的螺旋包纏，而由于交叉螺旋包纏結構的拉脹復合紗線由1根芯紗和2根包纏長絲構成，因此選用編織機進行制備，其中氨綸從位于底座中心的導紗管穿入，2根滌綸長絲位于相對位置的2個紗管上，在紗管的運動作用下，2根滌綸長絲形成對氨綸的交叉螺旋包纏。

在拉脹紗線完成后，采用SGA598型半自動小樣機進行平紋組織和蜂巢組織的機織物試樣的制備。由于經紗在織機開口和打緯運動過程中要多次反復受到摩擦作用，為避免對拉脹紗線的形態結構和負泊松比效果造成不好的影響，因此用作緯紗，采用拉伸模量較大的超高分子量聚乙烯紗線作為經紗，并按照經密110根/(10 cm)和緯密90根/(10 cm)分別制備平紋織物和蜂巢織物。

3 結果與討論

3.1 紗線的形態結構

初始角度為33°的螺旋包纏結構拉脹紗線和交叉螺旋包纏結構拉脹紗線2種紗線在自然無張力狀態的結構如圖1所示。圖中螺旋包纏結構的拉脹紗線在無張力作用時，初始部分的包纏組分從芯紗上退繞下來呈現松脫狀態，這是由于紗線本身存在的殘余扭矩為回復至平衡狀態造成的，而交叉螺旋包纏結構的拉脹紗線幾乎無退繞，因此說明此設計在紗線結構穩定性上有較大改善。

從拉伸變形過程來說，2種結構紗線均有輪廓直徑變大的負泊松比效果，但螺旋包纏結構拉脹紗線在變形后，芯紗由初始的中心伸直狀態變成螺旋包纏狀態，而包纏紗由初始的螺旋纏繞狀態變成位于紗線中心伸直狀態，這是兩組分的強伸性能差異及相互擠壓作用的結果，而交叉螺旋包纏結構的拉脹紗線僅發生形態的變化，芯紗依然位于紗體中心位置，這應該是2根滌綸長絲對稱分布的作用。

3.2 2種紗線的拉脹效果

借助USB型小型顯微鏡和紗線強伸性測試儀的共同作用，獲得紗線在軸向拉伸應變下的直徑變化，從而計算得到紗線即時的泊松比值。圖2示出2種結構紗線的泊松比值隨軸向應變的變化曲線?？梢?，2種結構紗線泊松比值的變化趨勢相同，其中螺旋包纏結構拉脹紗線的泊松比值在較小軸向應變下由正變為負值，且在較小應變下達到最大值，而交叉螺旋包纏結構拉脹紗線在負泊松比值最大處獲得了更好的拉脹效果。因此，交叉螺旋包纏紗線在結構穩定性以及拉脹效果上都更有優勢。

圖2 螺旋包纏結構拉脹紗線和交叉螺旋包纏結構拉脹紗線的泊松比隨軸向應變變化的曲線圖Fig.2 Poisson′s ratio and axial strain curves of helical and interlaced-helical wrapping auxetic yarns

3.3 紗線及織物的孔隙效果

交叉螺旋包纏結構拉脹紗線在軸向拉伸變形過程中的形態結構如圖3所示，芯紗氨綸由初始的伸直狀態變成彎曲狀態，因此將2根紗線平行放在一起并施加軸向拉力作用時，就會呈現孔隙效果如圖4 所示。利用圖像處理軟件ImageJ對紗線形態結構圖進行分析處理，得到孔隙率為24%，即空隙部分的面積占以紗線輪廓邊沿為基準的總面積的百分比。

圖3 交叉螺旋包纏結構拉脹紗線形態結構圖Fig.3 Structures of interlaced-helical wrapping auxetic yarn.(a) In natural state; (b) Under weft strain of 20%; (c) Under weft strain of 30%

圖4 2根并在一起的交叉螺旋包纏結構拉脹紗線形態結構圖Fig.4 Structures of two interlaced-helical wrapping auxetic yarns.(a)In natural state; (b)Under weft strain of 20%

為驗證該紗線拉脹結構在織物中的變形效果，對以交叉螺旋包纏結構拉脹紗線為緯紗的平紋織物和蜂巢織物進行對比分析，結果如圖5、6所示。平紋織物試樣沿緯向施加拉力，由于紗線的變形作用同樣產生了孔隙效果，圖5(b)的孔隙率為4%(即空隙部分的面積占織物總面積的百分比)。與單獨的紗線相比，織物的孔隙率大大降低，一方面是因為經緯紗的交織作用在一定程度上限制了拉脹紗線的變形，另一方面部分經紗剛好處于緯紗變形產生的空隙位置。

圖5 平紋織物的形態結構圖Fig.5 Structures of plain fabric.(a) In natural state; (b) Under weft strain of 20%

圖6 蜂巢織物的形態結構圖Fig.6 Structures of honeycomb fabric.(a) In natural state; (b) Under weft strain of 20%

由交叉螺旋包纏結構拉脹紗線和超高分子量聚乙烯分別作為經紗和緯紗形成的蜂巢織物，凹凸效果十分明顯，同時紗線堆積較為緊密，在達到與平紋織物相同的緯向應變時，紗線未產生明顯變形，且織物也未產生明顯孔隙效果。

4 結束語

通過同規格材料及結構參數的螺旋包纏結構和交叉螺旋包纏結構的拉脹復合紗線進行對比分析，驗證了新型設計的交叉螺旋包纏紗線在結構穩定性以及負泊松比效果方面的雙重優勢。另外，對以交叉螺旋包纏結構拉脹紗線為緯紗和超高分子量聚乙烯長絲為經紗的平紋織物沿緯向施加拉力，在緯向應變達到20%時獲得了4%的孔隙效果，因此可選用合適的原材料以此結構來制備智能過濾材料，即根據需過濾的粒子尺寸，對其施加不同程度的力來形成相應尺寸的孔隙以滿足各種不同的過濾效果；而制備的蜂巢織物凹凸的立體效果明顯，可通過不同顏色的紗線搭配形成獨特的裝飾用或時裝用面料。

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