涂層負泊松比紗線的制備及性能表征

中圖分類號：TS104.2 文獻標志碼：A 文章編號：1009-265X（2025）07-0048-06

負泊松比材料是近些年來出現的新型材料，即該類材料在受到拉伸時橫向膨脹，受到壓縮時橫向收縮[1]。負泊松比材料不僅具有幾何形變特性，還具有優良的物理機械性能，如抗剪切性、抗壓痕性、斷裂韌性、減震、能量吸收性、良好的透濕透氣性以及表面貼合性等[2]，這種反常規的物理性質使得負泊松比材料展現出獨特的優勢，被廣泛應用于各個領域包括復合材料[3]、傳感器[4]、智能可穿戴織物[5等方面。在負泊松比材料中，負泊松比紗線以及負泊松比織物是一類非常重要的材料。

首先是負泊松比紗線的可操作性比較強，改變紗線的結構即可賦予紗線較好的負泊松比特性，另外負泊松比紗線和織物適用范圍廣，因此負泊松比紗線及織物的研究也受到越來越多的關注。例如，李思明等講述了具有形狀記憶功能的負泊松比材料的制備方式及應用，分別對二維和三維負泊松比結構與記憶材料的結合進行歸納，分析各種結構的作用機理。此外，一些學者還提出通過以加捻[7]螺旋纏繞結構[8-11]為基礎來制備負泊松比紗線，研究了紗線在不同的包裹角度、直徑比和模量比等參數[12]及循環拉伸下[13-14]的負泊松比效應，結果表明該紗線結構穩定、實用性強且負泊松比效果明顯。負泊松比效應隨芯紗與包纏紗的直徑比的增大而增加，隨著包裹角度的增加而減少。上述報道均有效地設計了具有負泊松比效應的紗線，然而由于該類設計均采用芯紗和包纏紗組合的方式，因此該類負泊松比紗線均存在芯紗與包纏紗滑移的問題。該問題使得紗線結構不穩定，紗線的負泊松比效應退化或消失。

為了解決該問題，一些學者利用圓形編織技術[15]、管狀編織工藝[16]、編織工藝[17]等制備負泊松比紗。研究發現，編織結構為避免包纏紗的打滑問題作出了貢獻，為獲得理想的負泊松比提供了更多的設計可能性。此類編織方式起到了相互約束的作用，降低了紗線滑移的風險，但編織結構會束縛芯紗的變形。

為提升負泊松比紗線穩定性問題，本文以氨綸為芯紗，滌綸長絲為包纏紗，擬制備一種具有螺旋纏繞結構的復合紗線，并將聚二甲基硅氧烷橡膠溶液（PDMS）均勻地涂覆到紗線上，最終制備得到PDMS涂層紗線。測試和分析不同包纏結構以及涂層對紗線負泊松比效應及持久穩定性的影響，為制備出更穩定的負泊松比紡織品提供參考。

1實驗

1. 1 實驗材料

芯紗為277.8Tex聚氨酯長絲（浙江省紹興市浩艇氨綸有限公司）；包纏紗為14.76Tex滌綸長絲（浙江省金華市一線天線業青鳥企業店）；PDMS溶液為美國道康寧DC184硅橡膠/SYLGARD184灌封膠/PDMS（A、B膠，天津松井商貿有限公司）。

1. 2 涂層負泊松比紗線的制備

采用277.8Tex的氨綸作為芯紗，14.76Tex滌綸長絲為包纏紗，利用十六錠編織機編織節距為 5mm 的復合紗線，其編織的喂人速度為 25r/min ，纏繞的速度為 24.85r/min 。首先將芯紗安置于編織機的中心孔中，包纏紗置于編織機上的空管位置，紗管轉動的過程中帶動包纏紗沿順時針方向或逆時針向退繞，最終包纏在芯紗表面形成螺旋纏繞復合紗。

根據上述步驟制備出由1根芯紗外包1根包纏紗的復合紗線，記為 Y_cl/sl （Core1-Shell1），制備由1根芯紗外包2根包纏紗的復合紗線，記為 Υ_cl/s2 ，制備由4根芯紗外包1根包纏紗的復合紗線，記為Υ_c4/s1 ，制備由4根芯紗外包2根包纏紗的復合紗線，記為Yc4/s2。再將得到的復合紗線Yel/s1、Yel/s2、Y_c4/sl，Y_c4/s2 為基底，將PDMS硅橡膠中的 膠分按 10：1 的重量比均勻混合;將膠液滴加到復合紗線上，使其在重力作用下自然滑落，靜置 20min 消除氣泡；最后在 60^°C 烘箱中干燥固化 30min ，得到涂層紗線，記為CYc1/s1 、CYc1/s2、CYc4/s1、CYc4/s2 0

1.3 掃描電鏡（SEM）測試

首先將制備好的紗線試樣用剪刀裁成 5mm ，再經導電膠貼在電鏡臺上，將紗線貼附在導電膠上，對樣品噴金，再利用vltra55熱場發射掃描電鏡在 3kV 電壓條件下觀察樣品截面形貌。

1. 4 力學測試

使用YG026T-II電子織物強力機對所制備的各種紗線進行測試。測試時紗線預加張力值為0，夾持距離為 50mm ，拉伸速度為 120mm/min 。每組樣品測試3次求平均值。

1.5 泊松比測試

利用步進器對紗線拉伸，紗線夾持距離為 30mm ，拉伸速度為 0.3mm/s 。當試樣被拉伸時，通過USB顯微鏡實時記錄紗線結構的變形行為。每個樣本重復3次，計算平均值并根據式（1）計算紗線的泊松比 u

u=-ε_x/ε_x

式中： ε_x 表示拉伸方向的應變， ε_y 表示垂直于拉伸方向的應變。

1.6 穩定性能測試

將紗線伸長率設置為 10% ，然后利用步進器對紗線循環拉伸100次，使用USB高清微焦電子顯微鏡記錄紗線形變，再根據上述計算方法計算紗線循環拉伸 1、20、50、80、100 次時的負泊松比值。

1. 7 親/疏水性能測試

將紗線固定在載玻片表面，使用微量注射器將水滴滴到紗線的表面，使用顯微鏡拍攝液滴與紗線表面接觸的狀態，通過Photoshop處理圖片，測量照片中的接觸角角度。

2 結果與分析

2.1 掃描電鏡（SEM）分析

圖1是涂層紗線 CY_c1/s2 的掃描電鏡圖。從圖1（a）中可以看出，純氨綸紗線是由多根單絲組成的，其中氨綸紗線內部有中空孔隙。圖1（b）是經過PDMS涂層后的紗線表面電鏡圖，從中可以看出涂層紗線表面光滑，有些微的雜質顆粒。圖1（c）是經過PDMS涂層后的紗線截面電鏡圖，可以看出中間具有中空孔隙的是氨綸芯紗，芯紗外圍包裹兩根導電包纏紗，芯紗與包纏紗中間部分由PDMS填充。以上可以得出，紗線經過涂層處理后，芯紗與包纏紗更好地貼合在一起形成一個整體。

2.2 力學性能分析

制備的8種紗線的拉伸性能如圖2所示。由圖2可見， Υ_cl/s2 紗線的強力（19.99N）要優于 Y_cl/s1 紗線的強力（10.95N）， Y_c4/s2 紗線的強力（20.38 N）要優于 ΔY_c4/s1 紗線的強力（13.78N）。同時這4種紗線的伸長率也具有相同的規律，這主要在于當芯紗根數固定時，紗線的強力與包纏紗根數成正比，包纏紗根數越多，紗線中能承受拉伸的纖維越多，紗線的強力就越大，伸長率也越大。由圖2還可以看出，涂層系列紗線的強力和伸長率優于未涂層系列紗線，主要是因為涂層紗線外包裹了一層均勻且具有彈性的膜，紗線受力拉伸時外圍包覆的膜可以起到一個保護作用，因此紗線在膜的包裹下強力和伸長率增加。

圖1紗線掃描電鏡圖Fig.1SEM images of yarns

圖2紗線的強力與應變關系曲線

Fig.2Strength-strain relationship curves of yarns

2.3 泊松比性能分析

以 CY_cl/s2 紗線為例，分析其在拉伸狀態下的形貌，結果如圖3所示。圖3中，在紗線未拉伸時，包纏紗均勻地纏繞在芯紗外，紗線總體直徑較小。當紗線受到拉伸時，由于包纏紗的剛度較大、伸長小，而芯紗的彈性伸長大，因此包纏紗逐漸伸直，芯紗則呈彎曲狀態取代包纏紗的位置。在芯紗和包纏紗位置互換的過程中，紗線橫向膨脹形成負泊松比效應。

圖3 CY_cl/s2 紗線在拉伸狀態下的形貌 Fig.3Morphology of CY_cl/s2 yarns under tensile state

8種紗線的泊松比值與紗線應變的關系如圖4所示。圖4（a）和4（b）中的曲線整體呈先下降再上升趨勢，圖4（a）在應變為 15% 時產生轉折，圖4（b）在應變為 30% 時產生轉折，且兩者整體均為負值。曲線下降表明這8種紗線在受力拉伸時均能產生形變，輪廓直徑一直在增大，產生負泊松比效應，到轉折點時產生最優負泊松比效應。曲線上升則是紗線的直徑變化逐漸變小，但比值均為負值，表明紗線的輪廓直徑仍大于初始值，即表明紗線在拉伸應變中持續保持負泊松比效應。

紗線 Y_cl/s1?Y_cl/s2?CY_cl/s1?CY_cl/s2 的負泊松比值分別為 -2.190_Ω^-2.259，-2.207_Ω^-2.416 ，可以看出Y_cl/sl、CY_cl/sl 紗線的負泊松比效應均小于 Y_cl/s2 ）CY_c1/s2 ，且 CY_c1/s2 的負泊松比效應最大，這主要是因為 Υ_cl/s2 和 CY_c1/s2 外部纏繞的包纏紗根數多，紗線受力拉伸時，紗線更容易發生形變，進而產生較大的負泊松比效應。紗線 Y_cl/sl 與 CY_cl/sl 、 Υ_cl/s2 與CY_cl/s2 兩紗線的負泊松比值接近，但始終是涂層紗線 CY_c1/s1 ！ CY_c1/s2 的負泊松比效應優于未涂層紗線Y_cl/sl，Y_cl/s2 ，該結果表明涂層有利于負泊松比紗線的負泊松比性能提升。這可能在于涂層后紗線表面被包裹了一層膜，使得芯紗和包纏紗更好地貼合在一起，降低了包纏紗與芯紗的貼合不緊密而發生負泊松比效應退化。

圖4紗線泊松比應變曲線

紗線 Y_e4/s1?Y_c4/s2?CY_c4/s1?CY_c4/s2 的最大負泊松比值分別為 -0.34_?-0.404_?-0.182_?-0.215 ，可以看出紗線 Y_c4/sl，CY_c4/sl 的負泊松比效應均小于 Y_c4/s2 、CY_c4/s2 ，且 Y_c4/s2 的負泊松比效應最大。這也是因為Υ_{c4/s2，CYc4/s2} 的包纏紗根數多，紗線受力拉伸時，紗線相對于 Y_e4/s1，CY_c4/s1 更容易發生形變。涂層紗線CY_c4/s1、CY_c4/s2 的負泊松比效應低于 Y_c4/s1，Y_c4/s2 ，主要是因為當芯紗根數增多時，紗線強力增加，紗線更不容易被拉伸變形，而且紗線 CY_c4/s1、CY_c4/s2 表面覆蓋一層膜，使得紗線在受到拉力時發生形變的難度更大。圖4（a）中紗線的負泊松比效應比圖4（b）所示的紗線要優，這主要是因為當紗線的根數增加時，芯紗的整體模量也隨之提高，從而增強了紗線的強力，導致紗線在形變時所需的力增加。另外當芯紗與包纏紗直徑比過大，會導致包纏紗不易取代芯紗的位置，負泊松比效應減小。

圖4結果顯示，當芯紗根數一定時，包纏紗的根數越多，紗線的強力與伸長率就越大，負泊松比效應越明顯；當包纏紗根數一定時，芯紗根數越多，紗線的強力和伸長率就越大，負泊松比效應越明顯；但當芯紗與包纏紗的直徑比過大時，涂層紗線的負泊松比效應越小。

2.4穩定性能分析

為探究涂層負泊松比紗結構的穩定性，本文測試了紗線 Y_cl/s2，CY_cl/s2 在固定伸長率為 15% 的循環拉伸下的負泊松比效應。循環拉伸次數為100次，分別計算紗線在循環拉伸 1、20、50、80、100 次的泊松比值，實驗結果如圖5所示。在伸長率為 15% 的循環拉伸載荷作用下，涂層紗線 CY_c1/s2 的負泊松比效應依然優于未涂層紗線Yel/s2。本文制備的Yel/s2、 在第一次拉伸和第100 次循環拉伸的負泊松比值相近，紗線整體的負泊松比值波動范圍小，并且Y_cl/s2，CY_cl/s2 紗線在循環拉伸100次后，其負泊松比效應仍然優于Liu等[18]設計的負泊松比紗線，這表明Y_cl/s2，CY_cl/s2 紗線具有良好的負泊松比效應穩定性，而且涂層對于紗線的負泊松比效應提升明顯

Fig.4Poisson' s ratio-strain curves of yarns

圖5紗線 Υ_cl/s2 和 CY_cl/s2 泊松比循環次數與泊松比值之間的關系曲線

Fig.5Relationship curves between Poisson's ratio value and cycle number for Y_cl/s2 and CY_cl/s2 yarns

2.5 親/疏水性能分析

經過涂層處理后，CYc1/s1、CYe1/s2、CYc4/s1、CYc4/s2的接觸角如圖6所示。由圖6可見，當水滴分別滴到4種紗線表面后，水滴均以 3/4 圓的形態停留在紗線表面。統計結果顯示CYcl/s1、CYcl/s2、CYc4/s1CY_c4/s2 的接觸角分別為： 114.62^°，118.96^°，112.25^°. 112.27^° ，即4種紗線的接觸角均在 112^°～119^° 之間，這說明紗線具有良好的疏水性。在實驗過程中還可以觀測到水滴會隨著紗線的傾斜而流動，這表明本文制備的涂層負泊松比紗線具有良好的疏水性能，具有抵抗汗漬等其它外來污染源的潛力。

圖6涂層紗線的水接觸角

Fig. 6Water contact angles of coated yarns

3結論

本文利用16錠編織機編織得到了具有負泊松比效應的復合紗線，又結合一步涂層工藝提高了負泊松比紗線的穩定性。得到的主要結論如下：

a）在受力拉伸時，復合紗線的芯紗和包纏紗能夠發生位置轉換，紗線的直徑變大，形成負泊松比效應。

b）在設定的范圍內，當芯紗根數一定時，包纏紗的根數越多，紗線的強力與伸長率就越大，負泊松比效應越明顯；當包纏紗根數一定時，芯紗根數越多，紗線的強力和伸長率就越大，負泊松比效應越明顯；但當芯紗與包纏紗的直徑比過大時，紗線的負泊松比效應越小。

c）在受力拉伸時，紗線表面的涂層可以起到一定的保護作用，不僅可以增加紗線的強力，還可以增加紗線的伸長率及產生較大的負泊松比效應

d）經過涂層處理的紗線經過100次循環拉伸測試后紗線負泊松比性能仍保持穩定，

然而，本文采用的涂層工藝在均勻涂覆方面不夠成熟，仍有待提高，因此在未來的研究中仍需對紗線更均勻、有效的涂層工藝進行優化

參考文獻：

Science，1987，235（4792）：1038-1040.

[2］楊瑞華，華昱竹．負泊松比結構紡織材料的研究進展[J]．現代 紡織技術，2025，33（4）：1-12. YANG R H，HUA Y Z. Research progress of negative Poisson's ratio structural textile materials[J].Advanced Textile Technology， 2025，33（4） ：1-12.

[3]PAIS V，SILVA P，BESSA J，et al. Low-velocity impact response of auxetic seamless knits combined with non-newtonian fluids[J]. Polymers，2022，14（10）：2065.

[4] TAHERKHANI B， KADKHODAPOUR J， ANARAKI A P. Highly sensitive，stretchable，piezoresistive auxetic sensor based on graphite powders sandwiched between silicon rubber layers[J].Polymer Bulletin，2023，80（4）：3745-3760.

[5] NIU L， WANG J， WANG K，et al. High-speed sirospun conductive yarn forstretchable embeddedknitted circuit and self-powered wearable device[J]. Advanced Fiber Materials，2023，5（1）： 154- 167.

[6］李思明，胡雨潔，方鎂淇，等．具有形狀記憶功能的負泊松比 結構材料的研究進展[J]．服裝學報，2020，5（4）：290-299. LI S M，HU Y J，FANG MQ，et al.Research progress of negative Poisson's ratio structures and materials with memory function[J]. Journal of Clothing Research，2020，5（4）： 290-299.

[7]AKGUN M，EREN R， SUVARI F，et al. Effect of different yarn combinations on auxetic properties of plied yarns[J]. AUTEX Research Journal，2023，23（1） ： 77-88.

[8] MILLER W，HOOK PB， SMITHC W， et al. The manufacture and characterisation of a novel，low modulus，negative Poisson'sratio composite[J]. Composites Science and Technology，，2009， 69（5）： 651-655.

[9] SLOAN M R，WRIGHT JR，EVANS K E. The helical auxetic yarn-a novel structure for compositesand textiles； geometry， manufacture and mechanical properties[J]. Mechanics of Materials， 2011，43（9）： 476-486.

[10]LOLAKI A， ZARREBINI M， MOSTOFINEJAD D，et al. Intensification of auxetic effect in high stiffness auxetic yarns with potential application as the reinforcing element of composite[J]. Journal of Industrial Textiles，2022，51（S3）： 5169-5185.

[11] LIU S，DU Z， XIE K，etal.A novel interlaced-helical wrapping yarn with negative Poisson’s ratio[J]. Fibers and Polymers， 2018，19（11）： 2411-2417.

[12]ULLAH T，AHMAD S，NAWAB Y. Development of helical auxetic yarn with negative Poisson‘sratio by combinations of different materials and wrapping angle[J]. Journal of Industrial Textiles，2022，51（S2）：2181-2196.

［13］李軼助，李昕炫，劉賽，等．循環拉伸載荷對負泊松比紗力學 性能的影響［J]．浙江理工大學學報（自然科學版），2022，47 （3）： 308-312. LI Y Z，LI X X，LIU S，et al. The influence of cyclic tensile load on mechanical properties of yarns with negative Poisson' s ratio[J]. Journal of Zhejiang Sci-Tech University，2022，47（3）：308-312.

［14］劉賽，陳浩宇，田偉，等．導電負泊松比紗的制備和性能［J]. 浙江理工大學學報（自然科學），2023，49（4）：415-419. LIU S，CHEN HY，TIAN W，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.

[15] JIANG N，HU H. Auxetic yarn made with circular braiding technology[J].Physica StatusSolidi（b），2019，256（1）：1800168.

[16]CHEN Y，JIANG N，HU H. Mechanical modeling of an auxetic tubular braided structure：Experimental and numerical analyses [J]．International Journal of Mechanical Sciences，2O19，160： 182-191.

[17］劉倬然．編織拉脹紗線結構成形與表征［D]．上海：東華大 學，2022. LIUZ R. Forming and characterization of woven stretched yarn structure[D]. Shanghai：Donghua University，2022.

[18]LIUS，CHEN H，LIY，et al.Design，manufacture，and characterization of auxetic yarns with multiple core/wrap structure bybraidingmethod[J].Materials，2022，15（18）：6300.

Preparation and performance characterization of coated yarns with negative Poisson' s ratio

WU Mengmeng ，HE Guangyun°，YU Zhicai?，WU Meiqin°，LIU Sai ?^u （204 （a.College of Textile Science and Engineering；b. School of Fashion Design amp; Engineering， Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 31OO18，China）

Abstract： Negative Poissn's ratio materials，emerging as a novel class in recent years，exhibit a unique behavior where they expand laterally when stretched and contract laterally when compressed. These materials not only possess geometric deformation characteristics，but also demonstrate excellnt shearresistance， indentation resistance，fracture toughness，shock absorption， energy absorption，moisture and air permeability，as well as surface conformability. These unconventional physical properties endow negative Poisson' s ratio materials with distinct advantages，leading to their widespread application across various fields，including composites，sensors， and smart wearable devices.Among negative Poisson's ratio materials，negative Poisson's ratio yarns and fabrics constitute a significant category.First of all，negative Poisson'sratio yarns boast strong maneuverability，allowing the yarn to exhibit good negative Poison's ratio properties through structural modifications. Secondly，these yarns and fabrics have a broad range of applications.By introducing this characteristic into yarns and designing their structure， auxetic effects can be achieved in textile materials.

In order to produce negative Poisson’ s ratio yarns with excellent and stable negative Poisson's ratio characteristics，this studyused spandex as the core yarn and polyester filament as the wrapping yarn to prepare the composite yarn on a 16-spindle kniting machine. The wrapping yarn was spirally wrapped around the core yarn， imparting excellent negative Poisson's ratio characteristics to the composite yarn. The 10：1 ratio of polydimethylsiloxane （PDMS）rubber solution was used as the coating material. The PDMS solution was dripped onto the yarn and alowed to naturally flow down along the yarn under gravity，ensuring uniform coating.The yarn was then left to stand for 2O minutes to eliminate any bubbles. Finaly，the yarn was dried and cured in an oven at 60^°C for 30 minutes，resulting in aPDMS-coated negative Poisson'sratio yarn with a significant negative Poisson'sratio effect and structural stability.

The article described the preparation of a durable and stable coated negative Poisson'sratio yarn through a one-step coating process，and further investigated the mechanical properties，negative Poisson'sratio performance， stability，and hydrophilic/hydrophobic properties of the yarn before and after coating using comparative analysis.It was found that the CY_cl/s2 yarn had a strength of 14.45N and an elongation of 88.14% ，while the CY_c4/s2 yarn had a strength of 24. 29 N and an elongation of 108.2% . The CY_cl/s2 yarn exhibited a maximum negative Poisson' s ratio effct of -2.416，which remained stable after 10O cycles of tensile testing.Additionally，the water contact angle of the coated yarn was greater than 100^° . Therefore，when the coated yarn is stretched under force，the external wrapped film provides a certain degree of protection，not only increasing the yarn's strength butalso its elongation. This results in yarns with excellnt and stable negative Poisson's ratio characteristics，providing reference for the preparation of more stable negative Poisson' s ratio textiles.

Keywords： negative Poisson' s ratio yarns; coating; auxetic effect; hydrophobicity; braiding