交叉螺旋結(jié)構(gòu)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(xué) 紡織面料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620；2.江西省羽絨制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，江西 九江 332020；3.福建省紡織品檢測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(福建省纖維檢驗(yàn)局)，福建 福州 350026)

負(fù)泊松比材料是指具有拉脹效應(yīng)的材料，即相對于傳統(tǒng)材料在某一方向上受到拉伸(或壓縮)時(shí)，其垂直于作用力方向會(huì)產(chǎn)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(shí)，其垂直于作用力方向會(huì)產(chǎn)生膨脹(或收縮)變形，這一特性在過濾材料[1]與生物醫(yī)用材料[2]等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)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(yīng)變與對應(yīng)的軸向應(yīng)變的比值的負(fù)值[3]。

目前，拉脹紗線主要為螺旋包纏結(jié)構(gòu)[4-5]，即直徑較細(xì)、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(huì)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(fù)泊松比效果[6-7]，另外，也有研究對紗線建立模型并進(jìn)行泊松比值的理論計(jì)算[8]。此結(jié)構(gòu)存在的主要問題是在自由狀態(tài)下，包纏紗組分易從芯紗上退繞脫散下來，造成結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，大大限制了拉脹紗線的應(yīng)用。針對此問題，有學(xué)者提出了含第3組分的涂層方式[9]以及較穩(wěn)定的編織結(jié)構(gòu)[10]來改善；因此要提高拉脹紗線的可應(yīng)用性，需從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行創(chuàng)新和完善。

本文針對螺旋包纏結(jié)構(gòu)易脫散、穩(wěn)定性較差的問題，設(shè)計(jì)了一種具有新型交叉螺旋結(jié)構(gòu)的拉脹復(fù)合紗線，同時(shí)，通過相同材料的兩結(jié)構(gòu)紗線對比分析，驗(yàn)證了新型包纏結(jié)構(gòu)突出的穩(wěn)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(yīng)也進(jìn)行了測試和分析，探討其在過濾材料以及時(shí)裝設(shè)計(jì)方面的潛在應(yīng)用性。

1 實(shí)驗(yàn)材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

選用相同規(guī)格的氨綸和滌綸分別紡制螺旋包纏結(jié)構(gòu)和交叉螺旋包纏結(jié)構(gòu)的拉脹復(fù)合紗線，各組分相關(guān)參數(shù)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)的拉脹復(fù)合紗線作為緯紗，以超高分子量聚乙烯作為經(jīng)紗，分別制備了平紋組織和蜂巢組織的機(jī)織物試樣，其經(jīng)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(jié)構(gòu)的拉脹復(fù)合紗線采用環(huán)錠紡細(xì)紗機(jī)紡制，通過導(dǎo)紗裝置和張力調(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)的拉脹復(fù)合紗線由1根芯紗和2根包纏長絲構(gòu)成，因此選用編織機(jī)進(jìn)行制備，其中氨綸從位于底座中心的導(dǎo)紗管穿入，2根滌綸長絲位于相對位置的2個(gè)紗管上，在紗管的運(yùn)動(dòng)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(dòng)小樣機(jī)進(jìn)行平紋組織和蜂巢組織的機(jī)織物試樣的制備。由于經(jīng)紗在織機(jī)開口和打緯運(yùn)動(dòng)過程中要多次反復(fù)受到摩擦作用，為避免對拉脹紗線的形態(tài)結(jié)構(gòu)和負(fù)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(jīng)紗，并按照經(jīng)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(jié)果與討論

3.1 紗線的形態(tài)結(jié)構(gòu)

初始角度為33°的螺旋包纏結(jié)構(gòu)拉脹紗線和交叉螺旋包纏結(jié)構(gòu)拉脹紗線2種紗線在自然無張力狀態(tài)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中螺旋包纏結(jié)構(gòu)的拉脹紗線在無張力作用時(shí)，初始部分的包纏組分從芯紗上退繞下來呈現(xiàn)松脫狀態(tài)，這是由于紗線本身存在的殘余扭矩為回復(fù)至平衡狀態(tài)造成的，而交叉螺旋包纏結(jié)構(gòu)的拉脹紗線幾乎無退繞，因此說明此設(shè)計(jì)在紗線結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性上有較大改善。

從拉伸變形過程來說，2種結(jié)構(gòu)紗線均有輪廓直徑變大的負(fù)泊松比效果，但螺旋包纏結(jié)構(gòu)拉脹紗線在變形后，芯紗由初始的中心伸直狀態(tài)變成螺旋包纏狀態(tài)，而包纏紗由初始的螺旋纏繞狀態(tài)變成位于紗線中心伸直狀態(tài)，這是兩組分的強(qiáng)伸性能差異及相互擠壓作用的結(jié)果，而交叉螺旋包纏結(jié)構(gòu)的拉脹紗線僅發(fā)生形態(tài)的變化，芯紗依然位于紗體中心位置，這應(yīng)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(qiáng)伸性測試儀的共同作用，獲得紗線在軸向拉伸應(yīng)變下的直徑變化，從而計(jì)算得到紗線即時(shí)的泊松比值。圖2示出2種結(jié)構(gòu)紗線的泊松比值隨軸向應(yīng)變的變化曲線?？梢姡?種結(jié)構(gòu)紗線泊松比值的變化趨勢相同，其中螺旋包纏結(jié)構(gòu)拉脹紗線的泊松比值在較小軸向應(yīng)變下由正變?yōu)樨?fù)值，且在較小應(yīng)變下達(dá)到最大值，而交叉螺旋包纏結(jié)構(gòu)拉脹紗線在負(fù)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及拉脹效果上都更有優(yōu)勢。

圖2 螺旋包纏結(jié)構(gòu)拉脹紗線和交叉螺旋包纏結(jié)構(gòu)拉脹紗線的泊松比隨軸向應(yīng)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(jié)構(gòu)拉脹紗線在軸向拉伸變形過程中的形態(tài)結(jié)構(gòu)如圖3所示，芯紗氨綸由初始的伸直狀態(tài)變成彎曲狀態(tài)，因此將2根紗線平行放在一起并施加軸向拉力作用時(shí)，就會(huì)呈現(xiàn)孔隙效果如圖4 所示。利用圖像處理軟件ImageJ對紗線形態(tài)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)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(zhǔn)的總面積的百分比。

圖3 交叉螺旋包纏結(jié)構(gòu)拉脹紗線形態(tài)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)拉脹紗線形態(tài)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structures of two interlaced-helical wrapping auxetic yarns.(a)In natural state; (b)Under weft strain of 20%

為驗(yàn)證該紗線拉脹結(jié)構(gòu)在織物中的變形效果，對以交叉螺旋包纏結(jié)構(gòu)拉脹紗線為緯紗的平紋織物和蜂巢織物進(jìn)行對比分析，結(jié)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(chǎn)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(dú)的紗線相比，織物的孔隙率大大降低，一方面是因?yàn)榻?jīng)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(jīng)紗剛好處于緯紗變形產(chǎn)生的空隙位置。

圖5 平紋織物的形態(tài)結(jié)構(gòu)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(tài)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)拉脹紗線和超高分子量聚乙烯分別作為經(jīng)紗和緯紗形成的蜂巢織物，凹凸效果十分明顯，同時(shí)紗線堆積較為緊密，在達(dá)到與平紋織物相同的緯向應(yīng)變時(shí)，紗線未產(chǎn)生明顯變形，且織物也未產(chǎn)生明顯孔隙效果。

4 結(jié)束語

通過同規(guī)格材料及結(jié)構(gòu)參數(shù)的螺旋包纏結(jié)構(gòu)和交叉螺旋包纏結(jié)構(gòu)的拉脹復(fù)合紗線進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證了新型設(shè)計(jì)的交叉螺旋包纏紗線在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及負(fù)泊松比效果方面的雙重優(yōu)勢。另外，對以交叉螺旋包纏結(jié)構(gòu)拉脹紗線為緯紗和超高分子量聚乙烯長絲為經(jīng)紗的平紋織物沿緯向施加拉力，在緯向應(yīng)變達(dá)到20%時(shí)獲得了4%的孔隙效果，因此可選用合適的原材料以此結(jié)構(gòu)來制備智能過濾材料，即根據(jù)需過濾的粒子尺寸，對其施加不同程度的力來形成相應(yīng)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(dú)特的裝飾用或時(shí)裝用面料。

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