負(fù)泊松比經(jīng)編間隔織物的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸性能

常玉萍， 馬丕波,2

(1. 江南大學(xué) 教育部針織技術(shù)工程研究中心， 江蘇 無錫 214122；2. 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無錫 214122)

負(fù)泊松比經(jīng)編間隔織物是將負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)[1]與經(jīng)編間隔織物結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)的新型織物結(jié)構(gòu)，理論上兼具了經(jīng)編間隔織物的透氣透濕性、緩壓性、回彈性、抗震性等優(yōu)良性能[2-4]，以及受單向拉(壓)力時在垂直于拉(壓)力方向上反常規(guī)變形的負(fù)泊松比特性[5]。

拉伸性能是紡織材料力學(xué)性能的主要指標(biāo)之一，通過拉伸實(shí)驗(yàn)可得到材料在載荷下的失效形式，即過量彈性變形、塑性變形和斷裂，更重要的是可標(biāo)定出材料的基本性能指標(biāo)[6]?？椢锏睦煨阅苤笜?biāo)主要包括斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率，受力形式與纖維、紗線相似，只是拉伸方向需沿織物的二維平面，可沿經(jīng)向、緯向、斜向或經(jīng)緯雙向同時拉伸[7]。目前，紡織行業(yè)對織物的拉伸以單向拉伸為主，受單向拉伸時織物先是束腰收縮，然后繼續(xù)受拉至斷裂。

本文對基于旋轉(zhuǎn)六邊形結(jié)構(gòu)[8-10]的4種經(jīng)編間隔織物進(jìn)行經(jīng)向和緯向的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸，記錄其從初始狀態(tài)至拉伸斷裂過程中的載荷與伸長值，并轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的應(yīng)力與應(yīng)變曲線，通過應(yīng)力對應(yīng)變的積分獲得能量值，以表征織物的能量吸收性能。對比分析各經(jīng)編間隔織物的負(fù)泊松比與拉伸性能、能量吸收性能之間的關(guān)系，并結(jié)合織物的斷裂形態(tài)分析其拉伸斷裂過程。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 樣品制備參數(shù)

測試材料為RD7/2-12EN型拉舍爾雙針床經(jīng)編機(jī)制備的經(jīng)編間隔織物，第1、2、6、7把梳的原料為22.22 tex滌綸低彈絲，第3、5把梳的原料為 11.11 tex滌綸低彈絲，第4把梳間隔絲為 0.09 mm滌綸單絲。通過改變GB4的墊紗組織制備了 4種不同結(jié)構(gòu)的試樣，GB4墊紗組織的參數(shù)變化如表1 所示。

表1 GB4組織變化Tab.1 Changes of GB4 chain notations

送經(jīng)量(編織480橫列織物所需紗線的長度，mm)的參數(shù)變化如表2所示?？椩爝^程中，牽拉密度(每厘米長度內(nèi)的線圈橫列數(shù))設(shè)定為11，前后針床的間隔距離為4 mm。

表2 送經(jīng)量設(shè)置Tab.2 Let-off parameters

1.2 泊松比值測試

沿著經(jīng)向和緯向分別將4種織物裁剪為尺寸為50 mm×180 mm的試樣，采用HD026 N+型織物強(qiáng)力儀(南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)進(jìn)行定伸長拉伸測試。

根據(jù)下式計算泊松比：

式中：ν為泊松比值；εy為垂直于拉伸方向的應(yīng)變值；εx為沿著拉伸方向的應(yīng)變值。

設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)定伸長值為10 mm，拉伸速度為 200 mm/min，夾持隔距為100 mm。在織物定伸長拉伸開始的同時進(jìn)行圖片采集，以每秒3張圖片的拍攝速度記錄織物在拉伸過程中的形態(tài)，每個樣品共采集9張圖片。測試和圖片采集完成后，依次進(jìn)行圖片處理，測量樣品在拉伸過程中的長度和中間寬度值，根據(jù)泊松比值的定義進(jìn)行計算。

1.3 拉伸實(shí)驗(yàn)

根據(jù)GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定 條樣法》，采用YG026D型多功能電子織物強(qiáng)力機(jī)(寧波紡織儀器廠)測試?yán)煨阅埽瑫r配合控制程序和計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。將織物沿著經(jīng)向和緯向分別裁剪出5塊規(guī)格為50 mm×180 mm的試樣，在施加2 N預(yù)張力的條件下進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，以獲取各個試樣的斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長，以及隨著拉伸長度的增加拉力值的變化曲線。

根據(jù)下式近似計算應(yīng)變率[11]：

設(shè)定測試設(shè)備的夾持長度為100 mm，拉伸速度為10 mm/min，使應(yīng)變率約為0.001 s-1，進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸。拉伸實(shí)驗(yàn)可獲得織物從預(yù)張力的初始狀態(tài)拉伸至斷裂過程中的拉力值與拉伸長度，根據(jù)下式計算織物在拉伸過程中的應(yīng)力與應(yīng)變值：

式中：σ為應(yīng)力，MPa；F為拉伸力值，N；S為試樣垂直于拉伸方向的截面積，m2；ε為應(yīng)變，%；ΔL為拉伸方向的長度變化量，mm；L為夾持距離，mm。

2 測試結(jié)果及分析

2.1 織物負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)分析

對編號為1#、2#、3#、4#的織物試樣，分別在經(jīng)向和緯向進(jìn)行了泊松比值的測量和計算。利用OriginPro8對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，各組織織物的泊松比值與單向應(yīng)變的關(guān)系如圖1所示。

圖1 各試樣泊松比值與單向應(yīng)變的關(guān)系Fig.1 Relationship between Poisson ratio and uniaxial strain of various samples. (a) Sample 1#; (b) Sample 2#; (c) Sample 3#; (d) Sample 4#

由圖1可以看出，試樣1#和2#在經(jīng)向和緯向均不具備負(fù)泊松比，而試樣3#和4#在經(jīng)向不具備負(fù)泊松比，在緯向分別具有不同程度的負(fù)泊松比，且緯向的負(fù)泊松比都隨著單向應(yīng)變值的增加而不斷減弱。在應(yīng)變剛開始增加的過程中負(fù)泊松比減弱的速率較快，當(dāng)應(yīng)變增大到一定程度時則趨于穩(wěn)定，當(dāng)應(yīng)變超過其臨界值時織物完全失去負(fù)泊松比?？椢锏呢?fù)泊松比結(jié)構(gòu)與其在初始狀態(tài)下的收縮程度有著密不可分的關(guān)系。顯而易見，4種組織試樣在緯向均有明顯收縮，但經(jīng)向收縮則有所差異，其中試樣1#和2#在經(jīng)向幾乎都沒有收縮變形，試樣3#和4#略有收縮，呈現(xiàn)出折線形，這種收縮變形并不顯著但穩(wěn)定。由此可見，經(jīng)向的收縮變形程度對織物能否產(chǎn)生負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)有決定性作用，初始狀態(tài)下織物在經(jīng)向和緯向同時存在收縮才能使織物在緯向具備負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)，單獨(dú)的緯向收縮并不能產(chǎn)生負(fù)泊松比；因此可預(yù)測：單獨(dú)的經(jīng)向或緯向收縮均不能產(chǎn)生負(fù)泊松比，只有當(dāng)經(jīng)向和緯向同時收縮才會產(chǎn)生負(fù)泊松比，而在本文試樣中，負(fù)泊松比的大小在很大程度上取決于織物能否產(chǎn)生顯著且穩(wěn)定的經(jīng)向收縮。

2.2 拉伸性能與能量吸收性分析

4種組織試樣受經(jīng)向拉伸和緯向拉伸時的應(yīng)力與應(yīng)變曲線如圖2～5所示。

應(yīng)力與應(yīng)變曲線是由拉伸實(shí)驗(yàn)得到的拉力與伸長曲線數(shù)據(jù)，經(jīng)過換算和OriginPro8軟件處理得到?？椢锬芰课招阅芸捎脩?yīng)力值在應(yīng)變范圍內(nèi)的積分來表示，公式如下。

式中：ε為應(yīng)變值；σ為對應(yīng)的應(yīng)力值；C為吸收的能量值。

圖2～5中的陰影部分，即應(yīng)力與應(yīng)變曲線下的面積，表示織物在拉伸至斷裂過程中所吸收的能量大小，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯觯?)受緯向拉伸時，試樣1#的織物能量吸收最小，試樣4#的織物能量吸收最大，從試樣1#到4#織物的能量吸收性能逐漸遞增；2)受經(jīng)向拉伸時，試樣2#的織物能量吸收最小，試樣4#的織物能量吸收最大，但從試樣1#至4#織物的能量吸收性能無明顯變化趨勢；3)所有織物受經(jīng)向拉伸時的能量吸收都遠(yuǎn)大于受緯向拉伸時的能量吸收。

圖2 試樣1#受單向拉伸的應(yīng)力與應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of sample 1# under uniaxial stretch. (a) Under warp-direction stretch; (b) Under weft-direction stretch

圖3 試樣2#受單向拉伸的應(yīng)力與應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of sample 2# under uniaxial stretch. (a) Under warp-direction stretch; (b) Under weft-direction stretch

圖4 試樣3#受單向拉伸的應(yīng)力與應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of sample 3# under uniaxial stretch. (a) Under warp-direction stretch; (b) Under weft-direction stretch

圖5 試樣4#受單向拉伸的應(yīng)力與應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of sample 4# under uniaxial stretch. (a) Under warp-direction stretch; (b) Under weft-direction stretch

圖6 各試樣在不同方向上的能量吸收Fig.6 Energy absorption of all samples in different directions

從各組織織物受單向拉伸時的應(yīng)力與應(yīng)變曲線(圖2～5)可以看出：各組織織物受緯向拉伸時，隨著應(yīng)變值的增加，應(yīng)力值先是緩慢增大，再逐漸較快增長直至織物拉伸斷裂；受經(jīng)向拉伸時，應(yīng)力值的增長與受緯向拉伸時相比，增長速率較快。緯向拉伸至斷裂過程中應(yīng)變范圍較大，約為受經(jīng)向拉伸時的3倍，但經(jīng)向拉伸至斷裂的過程中應(yīng)力極限遠(yuǎn)大于緯向拉伸，約為緯向拉伸斷裂應(yīng)力極限的6倍。由于經(jīng)向拉伸過程中織物所能承受載荷遠(yuǎn)大于緯向拉伸，在整個應(yīng)變范圍內(nèi)的積分面積也遠(yuǎn)大于緯向拉伸，所以織物受經(jīng)向拉伸時的能量吸收均遠(yuǎn)大于受緯向拉伸時的能量吸收。

2.3 負(fù)泊松比與能量吸收性能的對比分析

結(jié)合對各組織織物泊松比值與能量吸收性能的分析可知：試樣3#和4#的織物在受緯向拉伸時可具備負(fù)泊松比，且試樣4#的織物負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)相對較好；試樣3#和4#的織物中受緯向拉伸時的能量吸收性能相對較好，且試樣4#的織物受緯向拉伸時的能量吸收性最佳。由此可推斷，若織物在受單向拉伸時具備負(fù)泊松比，則其在該拉伸方向上的能量吸收性能比不具備負(fù)泊松比的織物好；織物在某一單向拉伸方向上的負(fù)泊松比性能越好，則織物在該方向上的能量吸收性能越好，與織物的負(fù)泊松比呈正相關(guān)。

各組織織物受經(jīng)向拉伸時均不具備負(fù)泊松比，且受經(jīng)向拉伸時的能量吸收無明顯變化，因此，無法得出有關(guān)非負(fù)泊松比織物能量吸收性能的變化趨勢推論。另外，所有織物受經(jīng)向拉伸時的能量吸收均遠(yuǎn)大于受緯向拉伸時的能量吸收，且其受經(jīng)向拉伸時的斷裂應(yīng)力也均遠(yuǎn)大于受緯向拉伸時的斷裂應(yīng)力，但受拉伸時經(jīng)向的應(yīng)變極限遠(yuǎn)小于緯向的應(yīng)變極限，這與織物在經(jīng)向有較小的收縮變形及在緯向有較大的收縮變形密切相關(guān)，由于織物在初始狀態(tài)下的緯向收縮很明顯，導(dǎo)致其受緯向拉伸時，收縮了的六角網(wǎng)眼先是被拉伸至正常狀態(tài)，在這個過程中織物應(yīng)力隨應(yīng)變的增大緩慢增大，其中吸收的能量可稱為結(jié)構(gòu)變形容量，之后隨著應(yīng)變的繼續(xù)增大，緯向的連接紗線開始承擔(dān)主要應(yīng)力，應(yīng)力的增大速率越來越大，這個過程中吸收的能量可稱為紗線承載容量。受經(jīng)向拉伸時，由于織物初始狀態(tài)下在經(jīng)向的收縮變形很小，使得結(jié)構(gòu)變形容量很小，但織物經(jīng)向的紗線取向性很高，使得其經(jīng)向的紗線承載容量遠(yuǎn)大于緯向的紗線承載容量。由此可見，紗線承載容量對織物整體能量吸收性能的影響遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)變形容量，也就是說，織物在受拉伸過程中的能量吸收主要受到紗線承載能力的影響，結(jié)構(gòu)變形的影響相對較小。織物在某一方向上的紗線取向度越高，承載能力越強(qiáng)，則該方向上的能量吸收性越強(qiáng)，結(jié)構(gòu)變形帶來的能量吸收對于織物中該方向上整體的能量吸收性能影響微乎其微。

2.4 拉伸斷裂損傷機(jī)制分析

織物的拉伸斷裂損傷實(shí)物圖如圖7、8所示?？煽闯觯菏芙?jīng)向和緯向拉伸時，織物均不會形成平整的斷裂截面，而是呈現(xiàn)不規(guī)則的鋸齒狀；受經(jīng)向拉伸時，織物由一個損傷點(diǎn)斷裂開始，然后在其受拉伸方向的整個受力范圍內(nèi)沿斜向傳播，直至織物完全斷裂；受緯向拉伸時，織物由一個損傷點(diǎn)斷裂開始，然后在其受拉伸方向小范圍內(nèi)斜向傳播，直至織物完全斷裂。

圖7 織物經(jīng)向拉伸斷裂實(shí)物圖照片F(xiàn)ig.7 Fracture profile pictures of samples under warp-direction stretch. (a) Sample 1#; (b) Sample 2#; (c) Sample 3#; (d) Sample 4#

圖8 織物緯向拉伸斷裂實(shí)物圖照片F(xiàn)ig.8 Fracture profile pictures of samples under weft-direction stretch. (a) Sample 1#; (b) Sample 2#; (c) Sample 3#; (d) Sample 4#

織物受經(jīng)向和緯向拉伸時的結(jié)構(gòu)變形及斷裂易發(fā)生處如圖9所示，虛線處均為斷裂易發(fā)生處。可以看出：織物受經(jīng)向拉伸時，其斷裂更易于沿著拉伸方向傳播，形成斜度較大的斷裂截面；織物受緯向拉伸時，其斷裂更易于沿著垂直于拉伸方向傳播，形成斜度較小的斷裂截面；該結(jié)構(gòu)的斷裂易發(fā)生處與織物六角網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)中的經(jīng)緞組織相對應(yīng)，即織物六角網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)在經(jīng)緞組織部分受拉伸更易發(fā)生斷裂。

圖9 受單向拉伸結(jié)構(gòu)斷裂發(fā)生示意圖Fig.9 Fabric structure deformation under uniaxial stretch. (a) Under warp-direction stretch; (b) Under weft-direction stretch

3 結(jié) 論

對基于旋轉(zhuǎn)六邊形結(jié)構(gòu)的4種經(jīng)編間隔織物進(jìn)行經(jīng)向和緯向的泊松比值的測量和準(zhǔn)靜態(tài)拉伸測試，對比分析織物的泊松比值與受單向拉伸時能量吸收性能的關(guān)系，并就結(jié)構(gòu)織物的斷裂截面形態(tài)總結(jié)了織物受單向拉伸時斷裂發(fā)生及傳播的規(guī)律。

1)初始狀態(tài)下在經(jīng)向和緯向同時存在收縮，織物才可具備負(fù)泊松比，單向收縮并不能產(chǎn)生負(fù)泊松比；若織物在一個方向具備負(fù)泊松比，則該織物其他方向上不一定具備負(fù)泊松比；織物初始狀態(tài)下在經(jīng)向和緯向的收縮變形越明顯，其負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)就越明顯。

將石油安全評價指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣X=(xij)m×n各個數(shù)據(jù)帶入到相應(yīng)的白化權(quán)函數(shù)中，運(yùn)用式(8)計算得出各指標(biāo)的灰色統(tǒng)計數(shù)，見表7。然后，根據(jù)表7中的灰色統(tǒng)計數(shù)及式(9)，可得出石油安全模糊評價權(quán)矩陣R。

2)若織物在一個方向上具備負(fù)泊松比，則其受該方向拉伸時的能量吸收性能與不具備負(fù)泊松比的織物相比更強(qiáng)，但對該織物受其他方向拉伸時的能量吸收性能沒有明確影響；織物受單向拉伸時總體的能量吸收性能主要由結(jié)構(gòu)變形容量和紗線承載容量決定，其中紗線承載容量起決定性的作用，結(jié)構(gòu)變形容量的影響微乎其微。

3)變形六角網(wǎng)眼間隔織物的斷裂首先發(fā)生在經(jīng)平組織轉(zhuǎn)換到經(jīng)緞組織的部分，受經(jīng)向拉伸時斷裂主要沿著拉伸方向傳播，受緯向拉伸時斷裂主要沿著垂直于拉伸方向傳播；不管是經(jīng)向拉伸還是緯向拉伸，織物的拉伸斷裂截面均不平整，而是呈不規(guī)則的折線鋸齒狀或單向斜線形。

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