負(fù)泊松比功能的結(jié)構(gòu)復(fù)合紡紗技術(shù)進(jìn)展

劉 賽，杜趙群，于偉東

(1.東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620； 2.浙江理工大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院(國際絲綢學(xué)院)，浙江 杭州 310018)

泊松比由法國科學(xué)家泊松(Simon Denis Poisson)發(fā)現(xiàn)并提出。Lakes[1]于1987年首次制成了人造負(fù)泊松比聚氨酯泡沫。隨后，為眾多領(lǐng)域?qū)W者所關(guān)注和研究，如在分子結(jié)構(gòu)(二維)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)上的研究[2]和在紗線(一維)拉脹性能上的研究[3]等。

對紗線來說，垂直于紗線拉伸方向(徑向)的應(yīng)變εr與拉伸(軸向)應(yīng)變ε之比為泊松比。若紗線拉伸時(shí)產(chǎn)生徑向膨脹變粗，則泊松比值(ν)為負(fù)值，故稱為負(fù)泊松比紗或拉脹材料。負(fù)泊松比紡紗本質(zhì)為二軸系復(fù)合紡紗，是利用成紗在拉伸中皮層與芯層互換位置而使紗線輪廓直徑變粗的反包纏結(jié)構(gòu)復(fù)合紗(又稱為拉脹紗線)。本文對于東華大學(xué)紡織材料與技術(shù)和纖維軟物質(zhì)(Textile Materials and Technology-Fibrous Soft Materials，TMT-FSM)團(tuán)隊(duì)在負(fù)泊松比紗的結(jié)構(gòu)與成形技術(shù)方面的研究進(jìn)行綜合對比，實(shí)現(xiàn)其在膨脹效果上逼近甚至微超理論最大負(fù)泊松比，為復(fù)合紡紗技術(shù)創(chuàng)新提供借鑒和理論依據(jù)。

1 負(fù)泊松比紗的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用

1.1 一般結(jié)構(gòu)

最早提出的負(fù)泊松比紗[4]為螺旋包纏結(jié)構(gòu)，由彈性芯紗(多為氨綸絲)和剛性包纏組分(多為長絲束)構(gòu)成，芯紗以伸直狀態(tài)位于負(fù)泊松比紗中心且與負(fù)泊松比紗同軸；長絲束以螺旋狀態(tài)包纏在芯紗表面。當(dāng)拉伸負(fù)泊松比紗時(shí)，剛性長絲與彈性芯紗因性能差異發(fā)生位置和狀態(tài)的互換。螺旋結(jié)構(gòu)負(fù)泊松比紗拉伸前后形態(tài)變化見圖1。

1—剛性包纏絲；2—彈性芯紗；D—芯紗直徑；d—長絲直徑。圖1 螺旋結(jié)構(gòu)負(fù)泊松比紗拉伸前后形態(tài)變化

在無張力狀態(tài)下，假設(shè)負(fù)泊松比紗為剛體，其直徑為D+2d；拉伸至長絲束伸直時(shí)，負(fù)泊松比紗的直徑變?yōu)?D+d。故負(fù)泊松比紗的輪廓直徑變粗率δ為：

δ=(2D+d)/(D+2d)

(1)

當(dāng)D>>d且忽略彈性芯紗的徑向變形(即直徑D為常數(shù))時(shí)，δ趨近于2，則負(fù)泊松比紗因拉伸作用整體輪廓理論直徑可變粗1倍。由此可以看出，負(fù)泊松比紗成形初期主要是完成纖維硬度和彈性即纖維拉伸模量的選擇。

1.2 最大負(fù)泊松比

結(jié)合Miller等[5]用氨綸作為芯紗、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)作為包纏組分，得到了泊松比為-2.1的負(fù)泊松比紗，由式(1)得到UHMWPE長絲在包纏氨綸時(shí)為扁平帶狀地包纏，即長絲束的厚度(dt)小于其被拉直復(fù)圓后的直徑(d)。假設(shè)長絲束能排成單層絲片，dt=df，則式(1)變?yōu)槭?2)。

δ=(2D+d)/(D+2df)

(2)

式中：df為單絲的直徑，μm；dt為長絲束的厚度，μm。

當(dāng)長絲束中包含單絲的根數(shù)N≥20時(shí)，d≥5df。所以只要滿足：2dt2)的復(fù)合紗。

設(shè)df=d/n，代入式(2)得：

(3)

式中n為復(fù)絲直徑d與包纏厚度dt的比值，n=d/dt。

當(dāng)n→∞時(shí)，δ=(2+d/D)>2；當(dāng)D→∞時(shí)，δ=2。因此增大D時(shí)最大負(fù)泊松比值(-νmax)只能逼近2，而增大d，若忽略長絲束包纏時(shí)的扁平化狀態(tài)，即d=dt，那-νmax只能接近于2，即-νmax≤2。通過長絲束以扁平化狀態(tài)進(jìn)行包纏來增大負(fù)泊松比的方法也表明負(fù)泊松比紗成形技術(shù)研究已由選材進(jìn)入更深層次的結(jié)構(gòu)調(diào)控階段，而已有的研究很少有相關(guān)研究。

提高負(fù)泊松比效應(yīng)更有效的方法是減小復(fù)絲中單絲的直徑df，即增加單絲的根數(shù)N，同時(shí)還可以促進(jìn)復(fù)絲扁平化創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)展以及化纖行業(yè)制備更細(xì)的長絲。TMT-FSM團(tuán)隊(duì)正是在這一技術(shù)上取得突破性進(jìn)展。

1.3 應(yīng) 用

負(fù)泊松比紗及其織物具有突出的抗剪切性[7]、抗斷裂性[8]、抗壓痕性[9]、同向彎曲性[10]和能量吸收性[11]等。目前已有應(yīng)用負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)和材料制作鞋面和鞋底的運(yùn)動鞋[12]等相關(guān)專利產(chǎn)品。

2 負(fù)泊松比紗成形技術(shù)研究

根據(jù)負(fù)泊松比紗的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，借助基本的復(fù)合紡紗系統(tǒng)或?qū)ζ溥M(jìn)行一定的改裝來完善紗線的成形過程，如環(huán)錠紡紗機(jī)等。通過二組分、三組分或者多組分的匯聚加捻形成負(fù)泊松比紗。在實(shí)際應(yīng)用中，紗線的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及性能的均勻性是首要問題，因此對紡紗系統(tǒng)和成形方法的研究十分必要。TMT-FSM團(tuán)隊(duì)從2012年開始致力于負(fù)泊松比紗的結(jié)構(gòu)成形、性能表征以及形變機(jī)制的研究，以在負(fù)泊松比紗成形技術(shù)上取得了階段性研究進(jìn)展。

2.1 二軸系負(fù)泊松比紗成形機(jī)構(gòu)

基于環(huán)錠紡紗系統(tǒng)的前置預(yù)包繞管的負(fù)泊松比紗紡紗裝置[13]如圖2所示。

1—預(yù)包繞管；2—低張力喂絲器；3—短纖維須條；4—長絲；5—集束器；6—前羅拉；7—負(fù)泊松比紗；8—彈性絲；9—張力機(jī)構(gòu)；10—有捻短纖維須條。圖2 前置預(yù)包繞管的負(fù)泊松比紗紡紗裝置

預(yù)包繞管可以實(shí)現(xiàn)剛性長絲與高捻短纖維須條的穩(wěn)定包纏，而集束器可使得短纖維須條準(zhǔn)確定位與集束。應(yīng)用該裝置紡制負(fù)泊松比紗的復(fù)合紡紗方法是短纖維須條從前羅拉鉗口輸出后直接被加捻形成緊密且具有彈性的高捻須條，形成剛性長絲略嵌入高捻須條的負(fù)泊松比紗。展平包纏長絲束的過程即是結(jié)構(gòu)調(diào)整的過程，通過增加d/dt比值來提高負(fù)泊松比效應(yīng)，因此，將負(fù)泊松比紗定性為結(jié)構(gòu)復(fù)合紗。

基于改進(jìn)環(huán)錠紡的雙長絲負(fù)泊松比紗的紡紗裝置[14]如圖3所示。其主要特點(diǎn)是加裝了由可伸縮性定位導(dǎo)紗器構(gòu)成的包纏角控制機(jī)構(gòu)?？梢酝ㄟ^彈簧的伸長調(diào)節(jié)導(dǎo)紗孔的位置并結(jié)合紗線張力來控制包纏角度，實(shí)現(xiàn)螺旋包纏結(jié)構(gòu)均勻可控且穩(wěn)定的負(fù)泊松比紗。

1A—芯紗供給及喂入控制機(jī)構(gòu)；1B—包纏紗供給機(jī)構(gòu)；2—牽伸機(jī)構(gòu)；3A—包纏紗喂入控制機(jī)構(gòu)；3B—包纏角控制機(jī)構(gòu)；4—卷繞機(jī)構(gòu)。圖3 基于改進(jìn)環(huán)錠紡的雙長絲負(fù)泊松比紗的紡紗裝置

2.2 三軸系負(fù)泊松比紗成形機(jī)構(gòu)

三軸系錐筒式負(fù)泊松比紗復(fù)合紡紗裝置如圖4所示，此裝置主要由集束器、欠喂加彈器、展平板和錐筒構(gòu)成[15]。利用該裝置可制備包含短纖維須條、彈力絲和剛性長絲束3組分的負(fù)泊松比紗。紡紗流程為短纖維須條和彈力絲匯聚加捻形成二軸系彈力紗，該過程用于增加其表面硬度；隨后，剛性長絲束經(jīng)展平后包繞于錐筒上，并與由錐筒輸出的彈力紗作包纏，形成三軸系復(fù)合的負(fù)泊松比紗。該機(jī)構(gòu)制備負(fù)泊松比紗時(shí)由于芯紗表面硬度提高可有效避免包纏絲的嵌入。

1—剛性長絲束；2—超喂器；3—展平板；4—錐筒；5—短纖維須條；6—集束器；7—彈力絲；8—欠喂加彈器；9—負(fù)泊松比紗；10—前羅拉鉗口。圖4 三軸系錐筒式負(fù)泊松比紗紡紗裝置

當(dāng)選用包含更細(xì)更硬單絲的長絲束，即同樣細(xì)度的長絲束，具有10根甚至100根纖維，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)單層狀態(tài)進(jìn)行包纏的結(jié)構(gòu)以及經(jīng)過拉伸變形位于芯層時(shí)的圓柱體狀態(tài)，從而達(dá)到負(fù)泊松比值(-v)大于2.1的最佳效果。然而，目前這一領(lǐng)域的研究被限制在介觀尺度的亞微米尺度即100 nm～1 μm。

從結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的角度出發(fā)，提出了基于編織成紗系統(tǒng)的雙包纏結(jié)構(gòu)的負(fù)泊松比紗的成形裝置和制備方法[16]，負(fù)泊松比紗的編織成紗裝置如圖5所示，該裝置可實(shí)現(xiàn)2根剛性長絲在彈性芯紗表面錯位的同向包纏。在軸向拉伸作用下，負(fù)泊松比紗輪廓直徑增大，具有顯著的負(fù)泊松比效應(yīng)，同時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，成形性較好。為改善負(fù)泊松比紗結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定性，在包纏組分中引入熱熔絲，經(jīng)包含熱熔絲的二軸系負(fù)泊松比紗的紡紗裝置成形[17]，包含熱熔絲的二軸系負(fù)泊松比紗的紡紗裝置如圖6所示。

1—芯紗紗管；2—積極喂紗羅拉；3—導(dǎo)紗孔；4—固定框；5—張力盤；6—彈性芯紗；7—導(dǎo)紗管；8—底座；9—包覆紗紗管；10—拉伸彈簧；11—包覆紗；12—匯聚點(diǎn)；13—第一導(dǎo)紗羅拉；14—拉脹復(fù)合紗；15—第二導(dǎo)紗羅拉；16—卷繞輥。圖5 雙包纏結(jié)構(gòu)負(fù)泊松比紗的編織成紗裝置

1—彈性長絲；2—剛性長絲；3—熱熔絲；4—多位導(dǎo)紗器；5—前羅拉；6—拉脹紗。圖6 包含熱熔絲的二軸系負(fù)泊松比紗的紡紗裝置

通過熱定形處理，增強(qiáng)負(fù)泊松比紗組分間的相互作用，制備得到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且負(fù)泊松比效應(yīng)顯著的復(fù)合紗線。該機(jī)構(gòu)本質(zhì)上是提高包纏絲硬度的準(zhǔn)二軸系紡紗系統(tǒng)。

多組分負(fù)泊松比紗在選材以及連續(xù)成形技術(shù)方面的局限性有待進(jìn)一步的深入探討，在考慮實(shí)際應(yīng)用時(shí)，廣泛的選材范圍、成熟的紡紗成形技術(shù)以及穩(wěn)定的負(fù)泊松比效應(yīng)都是十分必要的。

3 結(jié) 論

為了進(jìn)一步提高負(fù)泊松比紗的拉脹性能和成紗品質(zhì)，TMT-FSM團(tuán)隊(duì)提出了以結(jié)構(gòu)調(diào)整為主的二軸系和三軸系結(jié)構(gòu)復(fù)合紡紗裝置和成紗技術(shù)。負(fù)泊松比紡紗本質(zhì)上是多軸系的復(fù)合紡紗，其成紗是可拉伸膨脹的纖維材料。

目前該紡紗技術(shù)已從原來的選擇彈性或剛性纖維的復(fù)合紡，進(jìn)化到了調(diào)整結(jié)構(gòu)的復(fù)合紡。特別是TMT-FSM團(tuán)隊(duì)在改善芯紗體表面硬度和展平包纏復(fù)絲的雙重提升負(fù)泊松比的實(shí)用加工技術(shù)，并可使負(fù)泊松比值(-v)大于等于2。尤其是采用包含更細(xì)更硬單絲的復(fù)絲實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)單層狀態(tài)的包纏，使得最大負(fù)泊松比值(-vmax)大于2.1，是目前比較高的技術(shù)水平。在后續(xù)研究中應(yīng)著重于超高彈性、軸向拉伸形變的響應(yīng)性更快的高彈性負(fù)泊松比紗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與成形技術(shù)。