導(dǎo)電負(fù)泊松比紗的制備和性能

劉賽 陳浩宇 田偉 祝成炎 朱斐超

摘 要： 為獲得結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且可重復(fù)拉伸的導(dǎo)電負(fù)泊松比紗，以彈性氨綸絲為芯紗，鍍銀錦綸長(zhǎng)絲為包纏和導(dǎo)電組分，分別用2根、4根、6根鍍銀錦綸長(zhǎng)絲與氨綸進(jìn)行編織，制備了3種負(fù)泊松比紗；利用強(qiáng)力儀、高清微焦電子顯微鏡和萬(wàn)用表測(cè)量這幾種負(fù)泊松比紗的軸向拉伸性能、結(jié)構(gòu)形變和電阻值，探究鍍銀錦綸長(zhǎng)絲根數(shù)與負(fù)泊松比紗性能之間的關(guān)系。結(jié)果表明：鍍銀錦綸長(zhǎng)絲根數(shù)越多，負(fù)泊松比紗的斷裂強(qiáng)力越大，斷裂伸長(zhǎng)率越小；包纏2根鍍銀錦綸長(zhǎng)絲的負(fù)泊松比紗，在伸長(zhǎng)率為10%時(shí)具有最顯著的負(fù)泊松比效應(yīng)，泊松比值為-3.26；經(jīng)過(guò)定伸長(zhǎng)10%循環(huán)拉伸30次后，負(fù)泊松比紗能保持較好的拉伸性能和負(fù)泊松比效應(yīng)；制備的3種負(fù)泊松比紗均具有導(dǎo)電性。該結(jié)果可為優(yōu)化負(fù)泊松比紗線(xiàn)傳感器的設(shè)計(jì)和制造加工工藝提供參考。

關(guān)鍵詞： 負(fù)泊松比紗；拉伸性能；結(jié)構(gòu)形變；導(dǎo)電性；編織

中圖分類(lèi)號(hào)： TS195.644

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1673-3851 （2023） 07-0415-05

引文格式：劉賽，陳浩宇，田偉，等. 導(dǎo)電負(fù)泊松比紗的制備和性能［J］. 浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2023，49（4）：415-419.

Reference Format： LIU Sai， CHEN Haoyu， TIAN Wei， et al. Preparation and property of conductive yarns with negative Poisson′s ratio［J］. Journal of Zhejiang Sci-Tech University，2023，49（4）：415-419.

Preparation and property of conductive yarns with negative Poisson′s ratio

LIU Sai， CHEN Haoyu， TIAN Wei， ZHU Chengyan， ZHU Feichao

（College of Textiles Science and Engineering （International Institute of Silk）， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract：? To obtain conductive negative Poisson′s ratio yarns with stable structure and repeatable drawing property， elastic polyurethane filaments were selected as the core， and silver-coated polyamide filaments as the wrapping component and conductive component. Two， four， and six silver-coated polyamide filaments were braided with polyurethane to form three kinds of negative Poisson′s ratio yarns. The tensile property， structural deformation and resistance of the negative Poisson′s ratio yarn were tested by a tensile tester， a high-definition micro-focus electron microscope and a multimeter， respectively. The relationship between the number of silver-coated polyamide filaments and the performance of the negative Poisson′s ratio yarn were analyzed. The results showed that the negative Poisson′s ratio yarn with more conductive filaments presented the greater breaking strength and the smaller elongation at break. Negative Poisson′s ratio yarns including two silver-coated polyamide filaments had the maximum negative Poisson′s ratio of -3.26 when the elongation was 10%. After 30 cycles of stretching of at constant elongation 10%， the yarns with negative Poisson′s ratio maintained good tensile properties and negative Poisson′s ratio effect. All the three kinds of negative Poisson′s ratio yarns showed conductivity. The results may provide reference for the optimization of the structural design and preparation of yarn sensors with negative Poisson′s ratio.

Key words： negative Poisson′s ratio yarn; stretching property; structural deformation; conductive property; braiding

0 引 言

負(fù)泊松比材料［1］是一種新型結(jié)構(gòu)材料，受拉會(huì)產(chǎn)生膨脹變形，且具有同向曲率特性［2］和能量吸收特性［3］。該材料應(yīng)用于人體肘部、膝部等曲面部位時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的形狀適應(yīng)性，因而在安全防護(hù)類(lèi)材料［4-5］、功能性服裝［6］、生物醫(yī)用材料［7］和智能可穿戴材料［8］等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)于負(fù)泊松比紡織材料［9-10］的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能表征、形變機(jī)理［11］等方面的研究受到了學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。

負(fù)泊松比紗在軸向拉伸作用下產(chǎn)生結(jié)構(gòu)形變，引起輪廓直徑增大［12］，泊松比為負(fù)值。負(fù)泊松比紗可通過(guò)環(huán)錠紡［13］、空心錠紡［14］以及編織法［15-16］等方法編織，主要結(jié)構(gòu)為芯紗和包纏紗構(gòu)成的螺旋結(jié)構(gòu)。芯紗常選用高彈長(zhǎng)絲，如氨綸絲；而包纏紗的組分一般為相對(duì)高強(qiáng)高模的長(zhǎng)絲，如滌綸、錦綸等［17］。影響該紗負(fù)泊松比效應(yīng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有初始包纏角、芯紗與包纏組分的直徑比與模量比［18］。已有研究表明，在循環(huán)拉伸20次過(guò)程中，采用空心錠紡制備的兩組分負(fù)泊松比紗，其膨脹效應(yīng)會(huì)逐漸減小直至失效［12］，因此為了提高負(fù)泊松比紗的可應(yīng)用性，其結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定性均有待提高。

為了改善負(fù)泊松比紗的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同時(shí)賦予其導(dǎo)電性，本研究選用彈性氨綸絲作為芯紗，以導(dǎo)電的鍍銀錦綸長(zhǎng)絲作為剛性長(zhǎng)絲包纏在芯紗外層，采用編織法實(shí)現(xiàn)負(fù)泊松比紗的結(jié)構(gòu)成形和制備；利用強(qiáng)力儀、高清微焦電子顯微鏡和萬(wàn)用表等進(jìn)行測(cè)試和表征，探討鍍銀錦綸長(zhǎng)絲包纏根數(shù)對(duì)負(fù)泊松比紗拉伸性能、結(jié)構(gòu)形變、負(fù)泊松比效應(yīng)和導(dǎo)電性的影響；同時(shí)測(cè)試負(fù)泊松比紗循環(huán)拉伸30次前后斷裂強(qiáng)力和伸長(zhǎng)率以及泊松比和軸向伸長(zhǎng)率的關(guān)系，分析其結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定性，為負(fù)泊松比紗線(xiàn)傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料和儀器

材料：氨綸（93.33 tex，諸暨市浩艇化纖絲經(jīng)營(yíng)部市售）和鍍銀錦綸長(zhǎng)絲（15.56 tex，大志遠(yuǎn)防輻射面料商行市售）。

儀器：16錠編織機(jī)（徐州澤龍編織機(jī)械有限公司）、YG026T-II強(qiáng)力儀（寧波紡織儀器廠(chǎng)）、高清微焦電子顯微鏡（上海圓邁貿(mào)易有限公司）和UT71B智能型數(shù)字萬(wàn)用表（昆山京東尚信貿(mào)易有限公司）。

1.2 負(fù)泊松比紗的制備

以氨綸為芯紗、鍍銀錦綸長(zhǎng)絲為包纏紗，首先將氨綸喂入編織機(jī)的中心孔中，然后鍍銀錦綸長(zhǎng)絲隨紗管轉(zhuǎn)動(dòng)退繞，兩者經(jīng)匯聚編織形成負(fù)泊松比包纏結(jié)構(gòu)；依次放置不同數(shù)量的鍍銀錦綸長(zhǎng)絲紗管，制備3組試樣。試樣1由2根鍍銀錦綸長(zhǎng)絲對(duì)稱(chēng)包纏氨綸構(gòu)成，試樣2和試樣3分別包含4根和6根鍍銀錦綸長(zhǎng)絲。

1.3 測(cè)試與表征

1.3.1 力學(xué)性能測(cè)試

選用YG026T-II強(qiáng)力儀測(cè)試負(fù)泊松比紗的軸向拉伸性能，試樣夾持長(zhǎng)度和拉伸速度分別設(shè)置為10 mm/min、60 mm/min。在定伸長(zhǎng)拉伸模式下，設(shè)置定伸長(zhǎng)為10%，拉伸次數(shù)為30次，試樣夾持長(zhǎng)度和拉伸速度保持不變，測(cè)試并探究試樣的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和性能穩(wěn)定性。

1.3.2 泊松比測(cè)試

泊松比ν可表征材料的橫向變形性能，用材料垂直于載荷方向應(yīng)變與沿載荷方向應(yīng)變的比值的負(fù)值來(lái)定量計(jì)算。紗線(xiàn)的泊松比可用式（1）計(jì)算：

ν = - εy/εx（1）

其中：εx表示紗線(xiàn)的伸長(zhǎng)率；εy用紗線(xiàn)的直徑變化率來(lái)表示，可用式（2）計(jì)算：

εy=（D-D0）/D0（2）

其中：D0表示紗線(xiàn)的初始直徑，mm；D表示紗線(xiàn)受到軸向拉力時(shí)的直徑，mm。

通過(guò)強(qiáng)力儀對(duì)負(fù)泊松比紗施加軸向拉力，采用高清微焦電子顯微鏡記錄試樣的形態(tài)結(jié)構(gòu)；將試樣的顯微照片導(dǎo)入ImageJ軟件，測(cè)量紗線(xiàn)輪廓直徑，并代入式（1）和式（2）計(jì)算得到試樣的泊松比值。

1.3.3 導(dǎo)電性能測(cè)試

采用燈泡電路模型，將負(fù)泊松比紗用作導(dǎo)線(xiàn)，形成閉合回路，通過(guò)燈泡能否發(fā)光來(lái)驗(yàn)證紗線(xiàn)試樣的導(dǎo)電性，并采用萬(wàn)用表對(duì)紗線(xiàn)試樣的電阻值進(jìn)行定量測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 鍍銀錦綸長(zhǎng)絲根數(shù)對(duì)負(fù)泊松比紗力學(xué)性能的影響

結(jié)構(gòu)是影響負(fù)泊松比紗性能的重要因素，通過(guò)強(qiáng)力儀施加軸向拉伸載荷，分別測(cè)得試樣1、試樣2和試樣3的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率，每組試樣的平均值如表1所示。從表1可以看出：試樣1、試樣2和試樣3的斷裂強(qiáng)力分別為12.9、22.9 N和28.3 N，斷裂伸長(zhǎng)率分別為42.9%、41.4%和39.3%；隨著鍍銀錦綸長(zhǎng)絲根數(shù)增多，負(fù)泊松比紗的斷裂強(qiáng)力逐漸增大，斷裂伸長(zhǎng)率逐漸減小。單根鍍銀錦綸長(zhǎng)絲的斷裂強(qiáng)力為6.7 N，試樣1的斷裂強(qiáng)力（12.9 N）小于兩個(gè)單根鍍銀錦綸長(zhǎng)絲斷裂強(qiáng)力的總和（6.7×2 N），表明試樣1中鍍銀錦綸長(zhǎng)絲的強(qiáng)力利用系數(shù)小于1，同樣地，試樣2和試樣3中鍍銀錦綸長(zhǎng)絲的強(qiáng)力利用系數(shù)也都小于1。這主要是由于在軸向拉伸作用下，多根鍍銀錦綸長(zhǎng)絲存在斷裂不同時(shí)性；而試樣1的斷裂伸長(zhǎng)率在3種負(fù)泊松比紗中最高，這表明包纏組分根數(shù)的增多不利于負(fù)泊松比紗沿軸向的拉伸形變。

在定伸長(zhǎng)10%拉伸模式下，經(jīng)過(guò)30次循環(huán)拉伸后試樣1的強(qiáng)力-伸長(zhǎng)率關(guān)系曲線(xiàn)如圖1所示。圖1顯示：經(jīng)過(guò)30次循環(huán)拉伸后試樣1的斷裂強(qiáng)力由12.9 N變化至13.0 N，斷裂伸長(zhǎng)率由42.9%變化至42.2%，與試樣1首次拉伸曲線(xiàn)變化趨勢(shì)相近，表明在10%的軸向伸長(zhǎng)范圍內(nèi)，鍍銀錦綸長(zhǎng)絲未產(chǎn)生塑性形變，力學(xué)性能保持穩(wěn)定未受損傷；斷裂伸長(zhǎng)率降低至1%范圍內(nèi)，進(jìn)一步表明負(fù)泊松比紗在0～30次的重復(fù)拉伸范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和力學(xué)性能穩(wěn)定性較好。

2.2 負(fù)泊松比紗的形變規(guī)律和泊松比曲線(xiàn)

利用高清微焦電子顯微鏡記錄負(fù)泊松比紗的形態(tài)結(jié)構(gòu)，3種負(fù)泊松比紗試樣照片如圖2所示。試樣1的初始結(jié)構(gòu)為2根鍍銀錦綸長(zhǎng)絲包纏在氨綸表面，試樣1其未拉伸的正面和側(cè)面照片如圖2（a）和圖2（b）所示，從圖中可以看出：沿軸向拉伸至10%伸長(zhǎng)率時(shí)，鍍銀錦綸長(zhǎng)絲在拉伸作用下從螺旋狀態(tài)逐漸伸直；在此過(guò)程中，氨綸由伸直狀態(tài)逐漸呈現(xiàn)彎曲狀態(tài)，試樣整體的輪廓直徑增大。試樣1拉伸至10%的正面和側(cè)面照片如圖2（c）和圖2（d）所示。試樣2和試樣3初始結(jié)構(gòu)照片如圖2（e）和圖2（f）所示，從圖中可以看出，在拉力作用下，鍍銀錦綸長(zhǎng)絲匯聚并伸直，氨綸因擠壓彎曲。試樣2和試樣3拉伸至10%的照片如圖2（g）和圖2（h）所示，從圖中可以看出，試樣輪廓直徑增大，具有負(fù)泊松比效果。

記錄負(fù)泊松比紗在軸向拉力作用下的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)而獲得伸長(zhǎng)率和泊松比值的關(guān)系曲線(xiàn)，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：試樣1在伸長(zhǎng)率為10%～35%時(shí)泊松比均為負(fù)值，即試樣1的輪廓直徑持續(xù)增大，在該應(yīng)變范圍內(nèi)具有負(fù)泊松比效果；試樣1在10%伸長(zhǎng)率時(shí)負(fù)泊松比值為-3.26，表明試樣1在伸長(zhǎng)率為10%時(shí)輪廓直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于初始直徑，具有顯著的負(fù)泊松比效果；隨著伸長(zhǎng)率增大，試樣1的負(fù)泊松比值逐漸減小，表明負(fù)泊松比效應(yīng)在逐漸減弱。這主要是因?yàn)榘本]芯紗在伸長(zhǎng)的同時(shí)直徑減小，試樣1因氨綸彎曲呈現(xiàn)的輪廓直徑增大效應(yīng)減弱，負(fù)泊松比效應(yīng)降低。試樣2在伸長(zhǎng)率為10%時(shí)具有最大負(fù)泊松比值為-1.89，試樣3在伸長(zhǎng)率為15%時(shí)具有最大負(fù)泊松比值為-0.79，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于試樣1。因此，3種試樣中包含2根鍍銀錦綸長(zhǎng)絲的負(fù)泊松比紗具有最顯著的負(fù)泊松比效果，包纏組分根數(shù)的增加不利于復(fù)合紗的拉伸結(jié)構(gòu)形變和產(chǎn)生負(fù)泊松比效應(yīng)。

為了進(jìn)一步探究負(fù)泊松比紗結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定性，將試樣1定伸長(zhǎng)10%循環(huán)拉伸30次，然后測(cè)試其泊松比值并得到泊松比-伸長(zhǎng)率的關(guān)系曲線(xiàn)，結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看出，該結(jié)果與試樣1首次拉伸的泊松比值-伸長(zhǎng)率關(guān)系曲線(xiàn)變化趨勢(shì)相近。在10%～35%伸長(zhǎng)率范圍內(nèi)，經(jīng)30次循環(huán)拉伸后試樣1保持負(fù)泊松比效應(yīng)，其中在10%應(yīng)變時(shí)泊松比值為-3.37，在15%～25%應(yīng)變范圍內(nèi)的負(fù)泊松比效應(yīng)低于首次拉伸結(jié)果，在25%～35%應(yīng)變范圍內(nèi)的負(fù)泊松比效應(yīng)高于于首次拉伸結(jié)果。這主要是因?yàn)榻?jīng)過(guò)30次循環(huán)拉伸后，試樣1的結(jié)構(gòu)有一定程度松散，因此在較大的伸長(zhǎng)率時(shí)負(fù)泊松比效應(yīng)相對(duì)更顯著。該結(jié)果表明，負(fù)泊松比紗在0～30次重復(fù)拉伸的范圍內(nèi)，具有較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和負(fù)泊松比性能穩(wěn)定性。

2.3 負(fù)泊松比紗的導(dǎo)電性能

采用燈泡電路模型測(cè)試紗線(xiàn)試樣的導(dǎo)電性，負(fù)泊松比紗用于閉合電路的實(shí)驗(yàn)照片如圖4所示。從試樣1中截取一段10 cm長(zhǎng)的負(fù)泊松比紗，分別連接導(dǎo)線(xiàn)兩端；打開(kāi)電源，小燈泡持續(xù)正常發(fā)光，表明包含鍍銀錦綸長(zhǎng)絲的負(fù)泊松比紗具有導(dǎo)電性。

從試樣1、試樣2和試樣3中分別截取一段長(zhǎng)度為10 cm的負(fù)泊松比紗，采用智能型數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量負(fù)泊松比紗的電阻值，對(duì)其導(dǎo)電性能進(jìn)行定量分析。試樣1、試樣2、試樣3的電阻值隨伸長(zhǎng)率變化的曲線(xiàn)如圖5所示。從圖5可以看出，隨著伸長(zhǎng)率增大，3種負(fù)泊松比紗的電阻值均增大，符合材料電阻值與長(zhǎng)度的正相關(guān)關(guān)系。試樣1、試樣2和試樣3在初始狀態(tài)的電阻值分別為29.1、15.3 Ω和9.9 Ω，小于單根鍍銀錦綸長(zhǎng)絲在自然伸直狀態(tài)下的電阻值32.7 Ω，以上結(jié)果表明本研究制備的導(dǎo)電負(fù)泊松比紗在伸長(zhǎng)率為20%的情況下仍然具有一定的導(dǎo)電性能。

3 結(jié) 論

本研究利用16錠編織機(jī)，分別將2根、4根、6根鍍銀錦綸長(zhǎng)絲與彈性氨綸長(zhǎng)絲包纏，得到3種負(fù)泊松比紗；通過(guò)拉伸測(cè)試、結(jié)構(gòu)形變分析和電阻值測(cè)試，探究負(fù)泊松比紗的拉伸性能、導(dǎo)電性、負(fù)泊松比效應(yīng)及其穩(wěn)定性，分析鍍銀錦綸長(zhǎng)絲根數(shù)對(duì)負(fù)泊松比紗性能的影響。所得主要結(jié)論如下：

a）包纏鍍銀錦綸長(zhǎng)絲根數(shù)越多，負(fù)泊松比紗的斷裂強(qiáng)力越大、軸向斷裂伸長(zhǎng)率越小；經(jīng)定伸長(zhǎng)10%循環(huán)拉伸30次后，負(fù)泊松比紗力學(xué)性能與首次拉伸結(jié)果相近，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和力學(xué)性能穩(wěn)定性較好。

b）包纏2根鍍銀錦綸長(zhǎng)絲的負(fù)泊松比紗具有最顯著的負(fù)泊松比效應(yīng)，在10%伸長(zhǎng)率下的負(fù)泊松比值為-3.26，遠(yuǎn)大于包纏4根、6根鍍銀錦綸長(zhǎng)絲試樣的負(fù)泊松比效果，表明包纏根數(shù)增加不利于負(fù)泊松比紗的結(jié)構(gòu)形變；經(jīng)過(guò)定伸長(zhǎng)10%循環(huán)拉伸30次后，負(fù)泊松比紗具有顯著的負(fù)泊松比效應(yīng)，結(jié)構(gòu)有效性和負(fù)泊松比性能穩(wěn)定性較好。

c）包含2根、4根、6根鍍銀錦綸長(zhǎng)絲的負(fù)泊松比紗作為導(dǎo)線(xiàn)可持續(xù)點(diǎn)亮燈泡，即使在伸長(zhǎng)率為20%時(shí)，該負(fù)泊松比紗仍然具有較好的導(dǎo)電性，可用于制備負(fù)泊松比紗線(xiàn)傳感器。

綜上可知，包纏鍍銀錦綸長(zhǎng)絲編織形成的負(fù)泊松比紗具有顯著的負(fù)泊松比效應(yīng)和導(dǎo)電性，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、拉伸性能和負(fù)泊松比效應(yīng)穩(wěn)定性較好。本研究結(jié)果為負(fù)泊松比紗線(xiàn)傳感器的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化提供了較好的基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：張會(huì)巍）

收稿日期： 2022-11-23? 網(wǎng)絡(luò)出版日期：2023-03-01網(wǎng)絡(luò)出版日期

基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52203050）；浙江理工大學(xué)科研啟動(dòng)基金（20202090-Y）

作者簡(jiǎn)介： 劉 賽（1992— ），女，河南駐馬店人，講師，博士，主要從事負(fù)泊松比紡織材料的研究。

通信作者： 朱斐超，E-mail：zhufeichao@zstu.edu.cn