具有負(fù)泊松比效應(yīng)經(jīng)編織物的制備及其力學(xué)性能

常玉萍， 程錫慧， 馬丕波， 蔣高明

(江南大學(xué) 教育部針織技術(shù)工程研究中心， 江蘇 無錫 214122)

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具有負(fù)泊松比效應(yīng)經(jīng)編織物的制備及其力學(xué)性能

常玉萍， 程錫慧， 馬丕波， 蔣高明

(江南大學(xué) 教育部針織技術(shù)工程研究中心， 江蘇 無錫 214122)

負(fù)泊松比效應(yīng)材料結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良與獨特的力學(xué)性能，而針織結(jié)構(gòu)是制備負(fù)泊松比效應(yīng)材料的最佳結(jié)構(gòu)之一，為此，對經(jīng)編機上生產(chǎn)負(fù)泊松比效應(yīng)織物的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行了研究。首先，對負(fù)泊松比效應(yīng)織物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，確定其編織工藝，并在KS4特里科經(jīng)編機上進(jìn)行上機編織操作；然后，對織物分別從0°、45°、90°和135°方向進(jìn)行拉伸性能試驗，通過繪制不同方向的應(yīng)力與應(yīng)變曲線及泊松比與應(yīng)變曲線研究其力學(xué)性能，同時分析了幾種織物不同方向上拉伸的最終破壞形態(tài)。結(jié)果表明，不同織物在不同方向上存在力學(xué)性能差異。

負(fù)泊松比效應(yīng)； 經(jīng)編織物； 拉伸； 力學(xué)性能

通常大多數(shù)材料的泊松比值都為正，約為1/3，而橡膠類材料為1/2，即這些材料在拉伸時橫向發(fā)生收縮。而負(fù)泊松比效應(yīng)(NPR)，是指受拉伸時材料在彈性范圍內(nèi)橫向膨脹，受壓縮時橫向反而發(fā)生收縮。這種現(xiàn)象在熱力學(xué)上是可能的，但通常材料中并沒有普遍觀察到負(fù)泊松比效應(yīng)的存在。近年來發(fā)現(xiàn)的一些特殊結(jié)構(gòu)的材料具有負(fù)泊松比效應(yīng)，由于其獨特的性能而倍受材料科學(xué)家和物理學(xué)家們的重視[1-2]。

Lakes[3]通過三維壓縮后、加熱、冷卻和松弛處理得到具有呈內(nèi)凹( re-entrant ) 結(jié)構(gòu)的泡孔單元，首次制備出具有特殊微觀結(jié)構(gòu)的負(fù)泊松比材料，并測得其泊松比值為-0.7。Evans等[4]在研究具有微孔( microporous) 結(jié)構(gòu)的聚四氟乙烯(PTFE)性能時，也發(fā)現(xiàn)了負(fù)泊松比效應(yīng)的存在。近年來，利用紡織技術(shù)開發(fā)NPR材料逐漸引起高度重視。Alderson等[5]利用聚合物單絲連續(xù)局部熔融擠出的過程制得NPR聚丙烯、聚酯和尼龍單絲，其直徑在0.14～1.00 mm的范圍內(nèi)。Miller等[6]采用NPR紗線編織生產(chǎn)具有拉脹結(jié)構(gòu)的織物。Samuel等[7]利用一種內(nèi)凹網(wǎng)格生產(chǎn)具有NPR效應(yīng)的經(jīng)編織物。最近，依據(jù)不同的幾何結(jié)構(gòu)，例如可折疊的結(jié)構(gòu)，可轉(zhuǎn)動的矩形和折疊六邊形等一系列拉脹針織物已經(jīng)由Hu等[8]人生產(chǎn)出來。

目前，設(shè)計生產(chǎn)負(fù)泊松比材料有2種方法。第1種方法是將具有增大效果即具有負(fù)泊松比效應(yīng)的紗線編織成織物。Hook[9]設(shè)計出一種復(fù)合螺旋結(jié)構(gòu)織物，由高剛度絲與低剛度絲組成。受到拉伸時高剛度絲保持相對穩(wěn)定，增大不明顯，而低剛度絲則圍繞高剛度絲螺旋增大，從而呈現(xiàn)負(fù)泊松比效應(yīng)。另一種方法是使用傳統(tǒng)纖維編織成具有增大效果的織物結(jié)構(gòu)。Ugbolue等[10-11]采用聚酯和聚芳酰胺紗線織造出一種增大織物，使用厚度較大、剛度較小的絲編織縱向開口線圈，同時將具有高剛度的絲鑲嵌在芳綸線圈的周圍并作為表面線圈。

本文在Alderson等[12]設(shè)計的負(fù)泊松比特性的經(jīng)編織物工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行深入研究，該工藝設(shè)計的幾種織物結(jié)構(gòu)簡單，在經(jīng)編機上比較容易織造出來，便于推廣。通過對織造出來的織物進(jìn)行拉伸試驗發(fā)現(xiàn)，這種織物具有明顯的負(fù)泊松比效果，從而使該種織物具有很好的產(chǎn)業(yè)化前景。

1 試驗部分

1.1 織物結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文試驗中，一共設(shè)計了3種不同結(jié)構(gòu)的經(jīng)編織物，以比較襯緯、經(jīng)平、編鏈3種組織對織物負(fù)泊松比效果的影響。其中每塊織物都采用4把梳櫛，且采用同樣的穿紗對紗，不同的是織物2#在織物1#的基礎(chǔ)上改變了第4把梳櫛的墊紗數(shù)碼，而織物3#在織物1#的基礎(chǔ)上改變了第2把梳櫛的墊紗數(shù)碼，其織物詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計分別見表1。圖1為3塊織物的仿真結(jié)構(gòu)圖。

表1 織物結(jié)構(gòu)設(shè)計Tab.1 Fabrics structure design

圖1 織物仿真結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Simulation structure of fabrics.(a) Fabric 1#; (b) Fabric 2#; (c) Fabric 3#

1.2 織物織造和樣品準(zhǔn)備

選用的試驗設(shè)備為KS4-6型經(jīng)編機(德國Karl Mayer公司生產(chǎn))，織物的結(jié)構(gòu)設(shè)計完畢后在該經(jīng)編機上織出樣布，然后在3塊樣布上從4個不同的方向(0°、45°、90°、135°)上依次剪取5塊試驗樣布。圖2為樣布的尺寸圖與實物圖。

1.3 試驗儀器及方法

儀器：HD026H電子織物強力儀，高速keyence 攝像機，鋼刻度尺以及剪刀等工具。

電子織物強力儀主要用來拉伸織物，記錄數(shù)據(jù)，而高速攝像機則用來記錄織物在拉伸過程中的形變，鋼刻度尺用來計算泊松比。

試驗步驟：將織物試樣固定在HD026H電子織物強力儀上，織物兩端涂以樹脂以防止織物從兩段夾頭處斷裂。在開始進(jìn)行測試的時候用高速攝像機進(jìn)行拍攝，數(shù)據(jù)由織物強力儀自動記錄，并在電子織物強力儀上固定一把鋼尺，以便通過尺上的刻度計算出泊松比。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 泊松比與應(yīng)變曲線

在拉伸試驗中，HD026H電子織物強力儀自動保存縱向伸長數(shù)據(jù)，但無法記錄橫向伸長，所以本文試驗關(guān)鍵在于記錄橫向伸長。本文試驗中將一鋼尺固定在織物強力儀上，在拉伸的過程中用高速攝像機拍攝伸長過程，然后在攝像中通過鋼尺的刻度記下織物橫向連續(xù)變化情況，最后算出泊松比，得出泊松比與應(yīng)變曲線。3種織物的最大泊松比值如表2所示。圖3示出織物1#、2#、3#各個方向上的泊松比與應(yīng)變曲線。

表2 3種織物的最大負(fù)泊松比值Tab.2 Maximum NPR of three kinds of fabrics

由表2可得，3塊織物都在90°方向上具有最大的負(fù)泊松比，在0o方向上具有最小的負(fù)泊松比，45°和135°方向二者相近，介于0°和90°之間。這說明織物結(jié)構(gòu)與受力方向?qū)ζ湄?fù)泊松比效應(yīng)有明顯影響。比較3塊織物可發(fā)現(xiàn)，織物2#具有較大的負(fù)泊松比，織物1#較小，而織物3#介于二者之間。其理論分析如下：

1)因為織物各方向的紗線排列不同，可知織物的負(fù)泊松比效應(yīng)受組織結(jié)構(gòu)與受力方向影響較大，具有各向異性。

圖3 織物沿不同拉伸方向的泊松比與應(yīng)變曲線Fig.3 Poisson′s ratio-strain curve of fabrics along different tensile directions.(a) Fabric 1#; (b) Fabric 2#; (c) Fabric 3#

2)同一個方向拉伸時，襯緯紗、經(jīng)平與編鏈在縱向伸長的同時，橫向也逐漸伸長，而襯緯紗的橫向伸長在同一情況下伸長最大，經(jīng)平次之，編鏈最小。所以，結(jié)合織物的結(jié)構(gòu)設(shè)計可得出，織物2#具有最大的負(fù)泊松比效應(yīng)，織物1#的負(fù)泊松比效應(yīng)最小。

3)同一織物不同方向拉伸時，當(dāng)沿90°方向拉伸時，襯緯紗的橫向伸長達(dá)到最大值，沿0°方向拉伸時，襯緯紗橫向伸長量很小，而沿45°或135°方向拉伸時，襯緯紗橫向伸長量介于90°與0°之間。所以，織物沿90°方向拉伸會有最大的負(fù)泊松比值，而沿0°方向拉伸負(fù)泊松比值最小。

4)在4個方向上隨著拉伸應(yīng)變的增加，泊松比從負(fù)值逐漸增加到正值，拉脹效應(yīng)逐漸減小。這意味著當(dāng)在一個方向上的拉伸應(yīng)變超過某一臨界值時，織物變得不可拉脹。

2.2 應(yīng)力與應(yīng)變曲線

圖4示出織物沿不同拉伸方向時應(yīng)力與應(yīng)變曲線。由圖4可得出，3塊織物的應(yīng)力與應(yīng)變曲線基本上都隨著應(yīng)變的增大，每個方向上的應(yīng)力都呈現(xiàn)先逐漸增大后迅速減小的趨勢，且沿90°方向拉伸時，應(yīng)力與應(yīng)變曲線上升迅速，而沿0°方向拉伸時應(yīng)力與應(yīng)變曲線上升較緩慢，45°與135°方向介于二者之間。

圖4 織物沿不同拉伸方向的應(yīng)力與應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curve of fabrics along different tensile directions.(a) Fabric 1#; (b) Fabric 2#; (c) Fabric 3#

結(jié)合織物的結(jié)構(gòu)特征，分析圖4可知：

1)在0°負(fù)泊松比經(jīng)編織物的拉伸初始階段，表現(xiàn)很好的線性增長，這一階段是屈曲的襯緯紗逐漸被拉直，緯紗都被拉直后，緯紗開始伸長，直至最大負(fù)荷都表現(xiàn)出很好的線性。在最大負(fù)荷附近區(qū)域，曲線驟然下降至預(yù)加張力值，說明緯紗同時斷裂，而不是逐漸被拉斷。

2)在90°負(fù)泊松比經(jīng)編織物的拉伸初始階段，表現(xiàn)很好的線性增長，這一階段是編鏈、經(jīng)平紗逐漸被拉直，經(jīng)向紗線都被拉直后，開始伸長，直至最大負(fù)荷都表現(xiàn)出很好的線性。在最大負(fù)荷附近區(qū)域，曲線逐漸下降至預(yù)加張力值，說明經(jīng)向紗線逐漸斷裂，而不是同時被拉斷。

3)在45°、135°負(fù)泊松比織物的拉伸初始階段，同樣表現(xiàn)出很好的線性增長，這一階段是屈曲的紗線逐漸被拉直，直至最大負(fù)荷都表現(xiàn)出很好的線性。在最大負(fù)荷附近區(qū)域，曲線有細(xì)小的鋸齒形，說明紗線不是同時斷裂，而是逐漸被拉斷。

2.3 織物最終破壞形態(tài)

圖5～7分別示出織物1#～3#沿不同拉伸方向的最終破壞形態(tài)。

圖5 織物1#沿不同拉伸方向的最終破壞形態(tài)Fig.5 Eventually destroy of fabric 1# along different tensile directions

圖6 織物2#沿不同拉伸方向的最終破壞形態(tài)Fig.6 Eventually destroy of fabric 2# along different tensile directions

圖7 織物3#沿不同拉伸方向的最終破壞形態(tài)Fig.7 Eventually destroy of fabric 3# along different tensile directions

由圖5～7可發(fā)現(xiàn)，3塊織物各方向的最終破壞形態(tài)有共性。每塊織物的0°與90°方向在拉伸很長以后才出現(xiàn)斷裂甚至不斷裂，且斷裂是從橫向方向斷裂的；而45°和135°方向在拉伸不久后便全部斷裂了，且斷裂方向沿著對角線方向。

結(jié)合織物的結(jié)構(gòu)可分析：沿著0°拉伸時，屈曲的襯緯紗逐漸被拉直，緯紗伸直后開始緩慢伸長，直至被同時拉斷，此時間較長；沿著90°拉伸時，經(jīng)向紗線在逐漸被拉直后開始伸長，直至被逐漸拉斷，此時間也較長；沿著45°或135°拉伸時，屈曲的紗線在短暫的伸直后開始伸長，但伸長不久后被逐漸拉斷，此時間較短。

可得出，織物的拉伸強度具有各向異性，90°方向在具有最好的負(fù)泊松比效應(yīng)的同時也具有最大的拉伸強度。

3 結(jié) 論

負(fù)泊松比經(jīng)編織物作為一種新型功能紡織材料，憑借其獨特拉脹性能，將會從一定程度上促進(jìn)負(fù)泊松比材料結(jié)構(gòu)的發(fā)展。本文以常見的丙綸和滌綸為原料，進(jìn)行負(fù)泊松比經(jīng)編結(jié)構(gòu)的研究，從原料的選取、織物組織結(jié)構(gòu)設(shè)計、上機參數(shù)設(shè)定、織物性能測試、數(shù)據(jù)分析等幾方面進(jìn)行，得出以下結(jié)論：

1)采用編鏈、經(jīng)平與襯緯等基本組織可實現(xiàn)具有較好負(fù)泊松比效應(yīng)織物的制備。

2)織物的負(fù)泊松比效應(yīng)具有各向異性，在90°方向上具有最佳的負(fù)泊松比效應(yīng)，而在0°方向上最差。

3)織物的斷裂強度具有各向異性，在90°方向上的斷裂強度最大，0°方向較大，45°或135°方向上的斷裂強度最小。

4)同種原料不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計的織物具有不同的負(fù)泊松比效應(yīng)。本文試驗設(shè)計的織物2#的負(fù)泊松比效應(yīng)較織物1#、織物3#明顯。

5)經(jīng)過對負(fù)泊松比經(jīng)編織物的拉伸斷裂性能測試發(fā)現(xiàn)，負(fù)泊松比經(jīng)編織物的性能比普通織物有一定的優(yōu)越性，可用于防刺服、醫(yī)用繃帶等領(lǐng)域。

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Manufacture and mechanical properties of negative Poisson′s ratio warp knitted fabrics

CHANG Yuping, CHENG Xihui, MA Pibo, JIANG Gaoming

(EngineeringResearchCenterofKnittingTechnology,MinistryofEducation,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China)

Negative Poisson′s ratio (NPR) materials have excellent and unique mechanical properties. Knitting structure is one of the best structures to make the NPR materials. In this paper, the structures and mechanical properties of NPR fabrics produced in warp knitting machines were studied. First of all, the structure of NPR fabric was designed, their weaving processes were determined, and knitting is performed on a KS4 Tricot knitting machine. Then, the tensile properties testing of fabrics were performed in the directions of 0°, 45°, 90° and 135°, and by stretching a stress-strain curve in different directions and a Poisson's ratio-strain curve, the mechanical properties of the fabrics were studied, and the final destruction morphologies of several kinds of fabrics stretched in different directions were analyzed, and the results show that differences in mechanical properties exist between different fabrics and in directions.

negative Poisson's ratio effect; warp knitted fabric; stretching; mechanical property

10.13475/j.fzxb.20140703606

2014-07-16

2015-04-23

國家自然科學(xué)基金項目(11302085, 51403080)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研項目(BY2014023-34)

常玉萍(1993—)，女，碩士生。主要研究方向為產(chǎn)業(yè)用針織結(jié)構(gòu)與性能。馬丕波，通信作者，E-mail: mapibo@jiangnan.edu.cn。

TS 184.3

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